Содержание к диссертации
Введение
CLASS ГЛАВА I. Состояние вопроса и задачи исследования CLASS 6
1.1. Агротехнические требования к очистке и сортированию зерновых культур воздушным потоком 6
1.2. Факторы, влияющие на эффективность процесса пневмосепарации 12
1.2.1. Технологические факторы 13
1.2.2. Конструктивное исполнение пневмо-сепарирующего канала 20
1.2.3. Физико-механические свойства
зерновой массы 26
1.2.4. Условия ввода зерновой смеси
в пневмосепарирующий канал 27
1.3. Классификация пневмосепарирующих систем .29
1.4. Совершенствование способа подачи исходного материала в пневмосепарирующий канал. Задачи исследования 37
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование процесса движения и ориентации зерновок в воздушном потоке 45
2.1. Предпосылки к повышению-эффективности процесса пневмосепарирования зерна 45
2.2. Поведение модели зерновки в воздушном потоке 55
2.3. Аэродинамический момент разворота при потенциальном обтекании тела воздушным потоком 63
2.4. Организация структуры воздушного поля для стабилизации пложения тела в пространстве 72
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований 82
3.1. Общая методика экспериментального исследования 82
3.2. Измерение поля скоростей неравномерного воздушного потока 83
3.3. Определение перемещения, поворота и геометрических размеров зерновки 85
3.4. Распределение давления и:.'аэродинами
ческий момент разворота модели
зерновки 91
3.5. Определение оптимальных конструктивных и технологических параметров пневмосепарирующего канала 94
3.6. Производственные испытания макетного образца сепаратора 104
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 108
4.1. Предварительное расслоение материала и ориентация зерновок в струйном плоскопараллельном потоке 108
4.2. Поле скоростей, создаваемое аппаратом ориентации 112
4.3. Организация подачи материала в пневмосепарирующий канал 119
4.4. Параметры, определяющие эффективность процесса пневмосепарации 125
4.5. Оптимизация конструктивных и технологических параметров пневмосепарирующего
канала 138
4.6. Результаты производственных испытаний сепаратора с устройством предварительного
расслоения материала 151
4.7. Результаты предварительных испытаний пневмосепаратора Сибирской МИС .159
ГЛАВА 5. Экономическая эффективность применения пневмосепаратора 166
Выводы 173
Литература 175
- Агротехнические требования к очистке и сортированию зерновых культур воздушным потоком
- Совершенствование способа подачи исходного материала в пневмосепарирующий канал. Задачи исследования
- Аэродинамический момент разворота при потенциальном обтекании тела воздушным потоком
- Измерение поля скоростей неравномерного воздушного потока
Введение к работе
Основным условием более полного удовлетворения потребности населения в продуктах питания, а промышленности в сырье, является дальнейший рост производства зерна. Это программное положение нашло отражение в решениях Пленумов ЦК КПСС /I, 2/, ХШ съезда КПСС /3/. Выполнение предусмотренных постановлениями мероприятий явится существенным вкладом в реализацию Продовольственной программы /3/, значение которой для народного хозяйства страны было еще раз подчеркнуто на декабрьском (1983 г.) Пленуме ЦК КПСС /4/.
Одной из проблем в производстве зерна является его послеуборочная обработка. Решение поставленной задачи требует дальнейшей -интенсификации послеуборочной обработки зерна и постановки ее на промышленную основу. Особенно актуальна эта задача для зоны Западной Сибири, где уборка и послеуборочная обработка зерна проводится в сжатые сроки и в большинстве случаев при неблагоприятных погодных условиях. Поэтому в этой зоне широкое распространение получили индустриальные методы уборки зерновых культур с последующей послеуборочной обработкой зерна на высокопроизводительных зерноочистительных агрегатах и комплексах.
Практика эксплуатации агрегатов и комплексов показала, что средняя производительность и технологическая эффективность зерноочистительных машин низкая, особенно пневмосепарирующих рабочих органов.
Из опыта эксплуатации пневмосепарирующих систем видно, что их возможности используются далеко не полностью, причем одной из основных причин, снижающих эффективность этих систем,' является несовершенство способов и устройств подачи материала в пневмосепарирующий канал. Применение существующих способов подачи материала при возросших удельных нагрузках на канал не дают
4 качественного разделения исходной смеси в связи с тем, что воздушный поток не в состоянии перераспределить компоненты в слое за время прохождения им поперечного сечения канала. Поэтому работа, направленная на изыскание метода и разработку устройства подачи материала в вертикальный пневмосепарирующий канал с предварительной подготовкой зерна, повышающего эффективность и производительность канала, актуальна.
Выполненная работа представляет часть решения проблемы по целевой комплексной теме ОЦ 032.02.03 на I98I-I985 гг. "Создать и освоить в производстве, машину вторичной очистки семян производительностью 20 т/ч" по разделу К.021 "Разработать конструктивную и технологическую схему пневмосепарирующей системы машины".
Цель диссертационной работы заключается в обосновании рационального способа подачи зернового материала в вертикальный пневмосепарирующий канал посредством расслоения на фракции и ориентации частиц в зоне ввода.
В качестве объекта исследования изучался процесс подачи материала в вертикальный пневмосепарирующий канал и параметры устройства для расслоения на фракции и ориентации частиц в зоне расслоения перед подачей зернового материала в канал.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями обоснована возможность повышения удельных нагрузок на вертикальный пневмосепарирующий канал, вскрыты резервы повышения эффективности работы канала за счет организации предварительного расслоения компонентов смеси по их аэродинамическим характеристикам и ввод их в канал на разной высоте. Выведены условия стабилизации положения эллипсоида вращения зерновки в воздушном поле, предложен способ и обоснованы конструктивные и технологические параметры устройства подачи материала в вертикальный воздушный канал. Получена математическая модель процесса подготовки, подачи и пнев-
мосепарации материала в канале. Разработано и реализовано устройство подачи материала, которое может быть использовано при модернизации серийных зерноочистительных машин в хозяйственных условиях или на стадии их проектирования.
Материалы теоретических и экспериментальных исследований использованы при подготовке технического задания на разработку и изготовление макетных образцов пневмосепараторов с аппаратом ориентации. По результатам предварительных испытаний Сибирская машиноиспытательная станция отметила, что пневмосепаратор с аппаратом ориентации соответствует агротехническим требованиям на машины вторичной очистки и рекомендовала изготовить заводские образцы.
Расчетный экономический эффект от внедрения пневмосепаратора с аппаратом ориентации составляет 837 рублей в год на одну машину, годовая экономия труда 391 чел.-ч., срок окупаемости машины составляет один сезон.
На защиту выносятся следующие основные положения:
условия стабилизации миделева сечения зерновки в волновом воздушном потоке;
результаты исследования процесса и оптимальные параметры устройства подачи материала;
результаты экспериментальной проверки предлагаемого способа подачи зернового материала в вертикальный пневмосепарирую-щий канал.
Автор выражает признательность доценту Алтайского политехнического института им. И. И. Ползунова В.Л. Злочевскому за оказанную им методическую помощь и консультации при выполнении данной работы.
Агротехнические требования к очистке и сортированию зерновых культур воздушным потоком
При воздушной сепарации семенного материала критериями процесса являются чистота очищенного материала и потери полноценного зерна в отходы. Скорость воздушного потока в пневмосепарирую-щем канале устанавливают так, чтобы вынос полноценного зерна в отходы не превышал нормативных значений. Для машин первичной очистки ГОСТ 5888-74 /49/ допускает потери полноценного зерна в отходы не более 0,7$, а для машин вторичной очистки не более 3%. Перед настройкой воздушных систем сепараторов, как правило, рекомендуется определить аэродинамические характеристики семян очищаемой культуры и примесей, которые выражаются интегральными или дифференциальными кривыми распределения компонентов по скорости витания /68/. На рис. 1.1а представлена дифференциальная кривая распределения семенного материала по скорости витания. Скорость воздушного потока в пневмосепарирующем канале при очистке семенного материала должна быть не выше у , при этом потери полноценного зерна будут меньше нормативных потерь Рп %. Воздушным потоком вместе со щуплым и недоразвитым зерном очищаемой культуры выделится полова и сорная примесь.
Однако очищенный материал еще не является отсортированным. Из него необходимо удалить легкую и наиболее тяжелую фракции /96/, так как зерна этих фракций неодинаково развиты и дают низкую энергию прорастания и всхожесть,
Дифференциальную кривую распределения семенного материала можно разбить на три участка, имеющих определенные значения угла наклона касательной к этим участкам кривой in LL . Средний участок имеет значение тангенса угла, отличное от in dif и "to &. Точки перегиба между этими участками и указывают на границы скоростей воздушного потока, выделяющего семенную фракцию. При этом скорость воздушного потока в пневмосепариругощем канале при выделении легкой фракции устанавливается равной V » а при ci выделении тяжелой у . Средний участок дает требуемый выход сг семян Рс % с наибольшей энергией прорастания и всхожестью. Последовательный отбор фракций по одному признаку в настоящее время наиболее распространен в технологических линиях очистки и сортирования семян, применяемых в сельском хозяйстве. Например, на комплексе ЗАВ-20+СП-І0 воздушным потоком обрабатываются семена несколько раз: в пневмосепарирующем канале 3AB-I0.30000 и в первом и во втором пневмосепарирующих каналах СВУ-5. Причем, в форсированном режиме осуществляется обработка только на последней стадии - во втором пневмосепарирующем канале СВУ-5 /59/. Такая технология имеет свои недостатки, так как на первых этапах воздух работает недостаточно эффективно, происходит перегрузка других рабочих органов, в основном подсевных решет и триерных цилиндров, а это ведет к снижению общей производительности всего комплекса.
Если легкие фракции при сортировании и очистке идут для одних и тех целей (продовольственная, фураж и др.), то операцию очистки и сортирования по легкой фракции можно совместить, установив для этого на первом этапе скорость воздушного потока в пневмосепарирующем канале равной у (рис. I.I6).
Для определения границ установки скорости воздушного потока в канале и процентного соотношения выделяемых легкой и тяжелой фракций были проведены лабораторные опыты. Семенной материал разделялся на воздушном классификаторе К-28»2 на классы через 0,5 м/с. Из каждого полученного класса отбирались и отсчитыва-лись четыре образца по 100 штук семян, для которых определялись
Совершенствование способа подачи исходного материала в пневмосепарирующий канал. Задачи исследования
Работы по исследованию процесса пневмосепарации направлены в основном на совершенствование существующих конструкций пневмо-сепараторов, разработку принципиально новых конструкций, изучение свойств исходного материала, влияющих на эффективность сепарации. Подаче исходного материала в пневмосепарирующий канал уделялось до сих пор недостаточно внимания, хотя на важность этой операции указывалось в работах /22, 45/. Влияние неравномерности подачи зерна в пневмосепарирующие каналы на эффективность их работы выявлено В.А. Кубышевым и Р.З. Кацевой /42/.
Следует отметить, что обеспечение организованного ввода и подготовки зернового материала к сепарации дает возможность резко повысить производительность сепарирующего рабочего органа. Так, исследования, проведенные В.А. Кубышевым, Ю.В. Терентьевытл, М.А. Тулькибаевым и др. показали возможность повышения производительности решета в, 2...2,5 раза /37, 39, 76, 80/ только за счет обеспечения условий ориентации зерновок относительно отверстий. В связи с этим есть основание предположить, что обеспечение рациональной подачи материала в канал с предварительной подготов кой и ориентацией частиц даст возможность значительно повысить удельные нагрузки на пневмосепарирующий канал.
Наметившаяся тенденция увеличения производительности машин ведет за собой резкое увеличение удельной нагрузки на рабочие органы, в том числе и на пневмосепарирующие каналы. В настоящее время для вторичной очистки семенного материала промышленностью серийно выпускается семеочиститель ветро-решетный универсальный СВУ-5. Технологическая схема машины предусматривает последовательную обработку семенного материала в первом аспираци-онном канале, разделение на фракции на решетном стане и окончательную очистку фракции семян основной -культуры во втором аспи-рационном канале.
По аналогичной схеме работают машины "Петкус-Селектра" К-2І8/І и К-546А для очистки семян трав и мелкосеменных культур, выпускаемые народным предприятием "Фортшритт" в ГДР. Для очистки семян зерновых и других крупносеменных культур это же предприятие изготавливает машины К-545А и К-547А производительностью соответственно 5 и 10 т/ч.
Отечественная машина вторичной очистки семян СВУ-10 производительностью 10 т/ч, выполненная на базе машины первичной очистки ЗАВ-І0.30000А проходит государственные испытания. Решетная часть СВУ-10 имеет два параллельно работающих решетных стана, воздушная часть машины дополнена вторым аспирационным каналом, установленным после решет.
Такой путь разработки машин вторичной очистки семян обеспечивает высокую унификацию с другими машинами, существенно облегчает организацию серийного производства и эксплуатацию машин в хозяйствах.
Анализ существующих конструкций воздушно-решетных сепараторов и опыт создания СВУ-10 показывают, что одним из рациональных путей создания машины вторичной очистки семян производительностью 20 т/ч является разработка ее на базе решетной части серийной машины ЗВС-20 /83/. Учитывая, что выделение мелких примесей (подсева) из семенного зерна в поточной линии производится на предыдущих машинах (предварительной и первичной очистки) в модернизированной машине ЗВС-20 вместо подсевных решет рекомендуется установить сортировальные решета, что снизит удельные нагрузки на них до 0,95 кг/cwrc. В этом случае решетная часть модернизированной ЗВС-20 обеспечит необходимое качество обработки семян, поскольку удельные нагрузки на сортировальные решета будут не выше, чем у проверенной многолетней практикой серийной машины СВУ-5.
Воздушная часть ЗВС-20 имеет только первую аспирацию, пнев-мосепарирующая система машины вторичной очистки, как и у аналогичных семеочистительных машин, должна иметь второй пневмоканал, установленный за решетами. Причем, этот канал должен иметь высокую эффективность сепарации, что требует развитой воздушной структуры в его рабочей зоне.
При разработке конструкции второго пневмосепарирующего канала ширина его выбирается равной ширине решетной части, поэтому удельные нагрузки на канал будут равны 3,7 кг/м с, в то время, как у СВУ-5 удельные нагрузки равны 1,7 кг/м с.
Увеличение удельных нагрузок на канал в два раза при существующем способе ввода обрабатываемого материала в зону сепарации не позволит выполнить поставленную задачу, что связано с увеличением толщины подаваемого в канал слоя материала и уменьшением вероятности выноса легких примесей из нижних слоев. Легкие примеси увлекаются основным зерном в очищенную фракцию, резко снижая эффективность работы канала.
Аэродинамический момент разворота при потенциальном обтекании тела воздушным потоком
Проблема устойчивости возникла впервые в механике при изучений равновесных положений системы. Простое наблюдение показывает, что некоторые положения равновесия системы устойчивы к не олыиим возмущениям, а другие принципиально возможные равновесные положения практически не могут быть реализованы. Позже была поставлена задача об устойчивости не только равновесия, но и движения.
Рассмотрим вопрос об устойчивости системы "твердое тело воздушный поток", т.е. об устойчивости движения твердого тела в воздушной среде.
Пусть тело движется в некотором направлении с постоянной скоростью . Представим себе, что в некоторый момент времени на тело подействовала внезапно приложенная возмущающая сила или пара -сил, или то и другое, которые изменили направление движения тела на малый угол (величина скорости осталась неизменной) и затем тело было предоставлено самому себе. движение называется устойчивым, если аэродинамические силы и моменты, действующие при этом на тело, таковы, что после полученного телом внезапного изменения направления движения они стремятся вернуть тело к этому направлению движения, которое было до "возмущения". Если же силы и моменты, действующие на тело после его отклонения, таковы, что стремятся увеличить отклонение, полученное телом, от его направления движения, то рассматриваемое движение тела называется неустойчивым.
Судить об устойчивости движения тела вдоль того или иного направления можно лишь в том случае, если будет рассмотрен вопрос о суммарном силовом воздействии идеальной жидкости на движущееся в ней твердое тело. Этот вопрос можно решать двояко.
Можно определить поле скоростей, затем распределение давлений на поверхность движущегося в жидкости тела и, наконец, суммированием нагрузок, появляющихся от этих давлений, привести их к результирующей силе и результирующей паре сил (моменту).
Можно однако непосредственно вычислить результирующие аэродинамические силы и моменты с помощью метода конечных объемов. Для этого следует применить к массе жидкости, внутри которой находится тело, теорему импульсов или теорему об изменении кинетической энергии.
Покажем, что вопрос об определении лобового сопротивления и аэродинамического момента при потенциальном обтекании тела идеальной жидкостью сводится к вопросу о вычислении кинетической энергии возмущенной жидкой среды.
Для определения лобового сопротивления применим теорему об изменении кинетической энергии. Эта теорема, как известно, из общей механики, гласит, что кинетическая энергия системы за какой-либо промежуток времени равна работе приложенных к системе внешних и внутренних сил за тот же промежуток времени.
Пусть тело движется поступательно со скоростью ]/ в находящейся на бесконечности среде. Перемещаясь, тело приводит в движение частицы жидкости и они приобретают кинетическую энергию. Обозначим кинетическую энергию всей среды, возникающую при движении в ней тела, через Т, а ее изменение за время Ui через d Т і на жидкость будет действовать при движении тела си-ла, равная (реакция тела).
При перемещении тела на величину пути, равную Us , приложенная к жидкости сила-Я совершит работу-HgdS. Теорема живых сил запишется применительно к жидкой среде следующим обра зом: dT=- Rs ds Отсюда находим величину проекции силы сопротивления среды на направление движения: Р =:- 1- dT di =_ dT ± Ks dS di dS dt t/ Проекция силы сопротивления на направление, обратное направлению движения тела, называется лобовым сопротивлением и обозначается через Q , следовательно: Q _ р - JL.otr fCs v dt Таким образом, лобовое сопротивление определится, если известна кинетическая энергия Т. Определим момент результирующей пары сил. Так же, как и при вычислении лобового сопротивления в идеальной жидкости, наиболее простым и быстро ведущим к цели способом является здесь применение теоремы об изменении кинетической энергии среды. Представим себе два случая движения в идеальной среде одного и того же тела, с одной и той же скоростью \/ , но в несколько разных направлениях: пусть, например, угол между направлением вектора скорости и какой-либо осью, жестко связанной с телом, будет в одном случае cL , а в другом - ?/- dcC. Кинетические энергии среды в этих двух случаях движения будут, вообще говоря, разные, т.к. при изменении направления движения изменяется и поле скоростей окружающей среды. Обозначим разность кинетических энергий для этих двух случаев движения через аІТ . Можно, теоретически говоря, перейти от одного случая движения к лругому, повернув тело на угол dcL . в случае идеальной несжимаемой жидкости и потенциального течения работа, затрачиваемая при этом, вызовет изменение кинетической энергии, равное dT. Так как сила сопротивления здесь равна нулю (парадокс Даламбера), то выполнить эту работу может лишь некоторая пара сил. Обозначим величину момента этой пары через М. Тогда работа, которую пара выполняет, поворачивая тело на угол dcL , будет MdaC . Поэтому MdoC- dT
Измерение поля скоростей неравномерного воздушного потока
Для изучения траекторий движения зерна, скорости движения материала по сепарирующим рабочим органам широко применяется скоростная киносъемка. Этот метод связан с определенными трудностями дешифровки результатов при построении траекторий и значительным расходом киноматериалов. Поэтому большой интерес представляет метод, основанный на фотосъемке всей траектории движения зерна на кадр-метод стробоскопической съемки. Для проведения съемки был изготовлен стробоскоп, который состоит из следующих основных узлов: привода стробоскопа 2, обтюратора 4, фотоэлектрического датчика 3, фотоаппарата "Зенит-Е" I, цифрового электрического тахометра ЦАТ-2М 6 и универсального источника питания 8. Принцип работы стробоскопа заключается в следующем. При открытом затворе фотоаппарата I на пленке через определенный промежуток времени фиксируются положения зерновки 7 (рис.3т2). Период времени при фиксации положений зерновки меняется частотой вращения диска 4, задаваемого оборотами двигателя постоянного тока 2 и углом раскрытия прорезей 5 в диске. Питание на двигатель подается от универсального источника питания 8 типа ВСП-50. Принцип регистрации частоты съемки основан на преобразовании угловой скорости вращения диска в электрические импульсы и измерении частоты следования этих импульсов. Система состоит из фотоэлектрического датчика- преобразования скорости вращения и тахометра ЦАТ-2М. Фотоэлектрический датчик-преобразователь (на схеме 3.2 обозначен) ФДО представляет собой электронно-оптическое устройство, работа которого основана на преобразовании промодулированного светового потока в электрические импульсы, частота следования которых равна частоте съемки объекта исследования или времени между фиксацией соседних положений
зерновки на пленке. В качестве светочувствительного элемента применен германиевый фотодиод ФД-І. Под действием светового потока изменяется электрический ток во внешней цепи и создается на сопротивлении Я2 падение напряжения. Полученные электрические импульсы подаются на формирователь, где усиливаются и формируются в прямоугольные импульсы. Электрические импульсы с выхода формирователя подаются на вход цифрового автоматического тахометра ЦАТ-2М б, который регистрирует на цифровом табло число этих импульсов за фиксированный интервал времени. Время счета генератора импульсов ісчєта = I с, поэтому время между фиксациями двух соседних положений зерновки на пленке будет равно:
где //т - показание цифрового автоматического тахометра ЦАТ-2М.
Для определения скорости ввода материала по питающему лотку в канал был изготовлен стенд (рис. 3.3). Питающий лоток 3, закрепленный в шарнире I имеет шкалу 2 и угломер 4, угол наклона лотка изменяется длиной штанги и регистрируется отвесом по шкале угломера. Освещение объекта съемки осуществляется диапроектором 8 марки "Свитязь-авто". Стробоскоп 7 с установленным на нем фотоаппаратом "Зенит-Е" закреплен на штативе. Частота кадров съемки изменяется универсальным источником питания 5 типа ВСП-50 и регистрируется на шкале тахометра ЦАТ-2М 6. Датчик тахометра укреплен на корпусе диска стробоскопа таким образом, чтобы край диска стробоскопа проходил в рабочем зазоре датчика.
Как уже отмечалось ранее, форма поверхности и расположение центра тяжести зерновки существенно влияют на ориентирзшцую способность зерновки в параллельноструйном потоке. Чем вытянутее форма тела и чем больше ?смещен центр тяжести, тем больший момент доворота возникает на поверхности тела зерновки при несов
