Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1 Основные свойства зерновых смесей 11
1.2 Анализ конструкций рабочих органов, применяемых в машинах вторичной очистки зерна
1.2.1 Классификация и устройство пневмосистем зерноочистительных машин
1.2.2 Устройства для очистки воздуха от примесей 19
1.3 Анализ процесса работы и конструкций зерноочистительных машин вторичной очистки
1.4 Выводы 37
1.5 Постановка цели и задач исследования 38
2 Теоретические предпосылки повышения эффектив ности функционирования зерноочистительной машины
2.1 Теоретическое обоснование и выбор схемы воздухоочистиетеля. Рабочий процесс инерционного жалюзиино-противоточного воздухоочистителя
2.2 Математическое моделирование воздушного потока в инерцион- .
ном жалюзийно-противоточном воздухоочистителе
2.2.1 Конечно-элементная модель воздушного потока в воздухоочистителе
2.2.2 Численные эксперименты по исследованию полей скоростей воздушного потока в воздухоочистителе
2.3 Динамическое уравновешивание решетных станов машины вто- ричной очистки зерна
2.4 Выводы 64
3 Программа и методика экспериментальных исследований
3.1 Программа экспериментальных исследований 66
3.2 Экспериментальные установки, приборы и оборудование 66
3.3 Методика проведения лабораторных исследований и обработки 71 экспериментальных данных
3.3.1 Методика снятия аэродинамической характеристики диамет- „. рального вентилятора
3.3.2 Методика исследования воздушного потока в инерционном жа- „ люзийно-противоточном воздухоочистителе
3.3.3 Методика определения влияния конструктивных параметров .воздухоочистителя на качественные показатели его работы
4 Результаты экспериментальных исследований 84
4.1 Обоснование выбора диаметрального вентилятора и его аэродинамическая характеристика
4.2 Экспериментальные исследования воздушного потока в инерционном жалюзийно-противоточном воздухоочистителе 86
4.3 Исследование влияния конструктивных параметров воздухоочистителя на качественные показатели его работы
4.3.1 Исследование влияния параметров жалюзийной решетки на эффект осаждения примесей и гидравлическое сопротивление воздухоочистителя
4.3.2 Исследование влияния основных конструктивных параметров воздухоочистителя на эффект осаждения примесей и его гидравлическое сопротивление
4.3.3 Исследование влияния скорости входа воздуха на эффект осаждения примесей
4.4 Экспериментальное уравновешивание решетных станов машины вторичной очистки зерна МВО-8Д
4.5 Выводы 114
5 Испытания машины вторичной очистки зерна МВО-8Д ...
5.1 Техническая характеристика машины вторичной очистки зерна п МВО-8Д
5.2 Ведомственные испытания машины вторичной очистки зерна МВО-8Д
5.2.1 Исследование качества воздушного потока в пневмосепарирующих каналах машины МВО-8Д
5.2.2 Регулирование скорости воздуха в пневмосепарирующих каналах машины МВО-8Д
5.2.3 Эффективность функционирования пневмосепарирующих каналов опытной машины вторичной очистки зерна МВО-8Д
5.2.4 Эффективность работы осадочных камер и инерционного жалюзийно-противоточного воздухоочистителя
5.3 Предварительные испытания машины МВО-8Д 131
5.4 Государственные приемочные испытания машины МВО-8 Д 135
5.5 Технико-экономическое обоснование 140
5.6 Выводы 146
Основные выводы 148
Литература 150
Приложения 160
- Анализ конструкций рабочих органов, применяемых в машинах вторичной очистки зерна
- Теоретическое обоснование и выбор схемы воздухоочистиетеля. Рабочий процесс инерционного жалюзиино-противоточного воздухоочистителя
- Программа экспериментальных исследований
- Экспериментальные исследования воздушного потока в инерционном жалюзийно-противоточном воздухоочистителе
Введение к работе
Основной задачей агропромышленного комплекса России является обеспечение потребностей населения страны в продовольствии и улучшение структуры питания за счет продуктов животноводства. Данную задачу не решить без производства достаточного количества зерна. Минимальная прогнозная потребность в зерне по России должна составить к 2020 г. 120...125 млн. т [106]. Поэтому в работе агропромышленного комплекса одной из важнейших задач является увеличение производства зерна семенного, продовольственного и фуражного назначения. Получение высоких урожаев зерновых культур и многолетних трав невозможно без высококачественного семенного материала, что в свою очередь предполагает наличие эффективно функционирующих машин вторичной очистки зерна, установленных в технологических линиях послеуборочной обработки [43].
В нашей стране и за рубежом разработано и выпускается большое количество машин вторичной очистки с различным конструктивным оформлением. Чаще всего это воздушно-решетные машины, осуществляющие одно или двукратную очистку воздухом и на плоских качающихся решетах [81].
В настоящее время отечественными производителями выпускаются следующие машины вторичной очистки зерна: воздушно-решетно-триерная машина МС-4,5 и ее стационарный вариант МС-4,5С, машина СВУ-60 (ОАО "Воронежсельмаш"), разработки ОАО ГСКБ "Зерноочистка" (г. Воронеж) -МВУ-1500, МВУ-10, на ОАО "Яранский механический завод" Кировской области освоено производство машины МВО-10, на ООО "СемМАш" разработано семейство универсальных машин ОЗФ-50 и ОЗФ-80. Из зарубежных наибольшее применение в России нашли машины немецкой фирмы «Petkus Wutha» К-547А10, К-531А, К-218/1, а также новые разработки универсальных машин -U 12 2.4, U 15 2.4, М 12 3.6.
В условиях высокой стоимости импортных машин и недостаточной эффективности, экономичности и производительности машин отечественного производства, целесообразно создание новых, энергоресурсосберегающих, экологически безопасных зерно- и семяочистительных машин, обеспечивающих высокое качество выполнения технологического процесса.
Работа выполнена в Государственном учреждении Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В.Рудницкого. Исследования проведены в соответствии с планом научно-исследовательских работ ГУ ЗНИИСХ Северо-Востока им. Н.В.Рудницкого (номер гос. per. 01.200.2.03090).
Цель исследования. Целью исследования является повышение эффективности функционирования машины вторичной очистки зерна путем совершенствования рабочих органов.
Объект исследования. В качестве объектов исследования выбраны технологический процесс, экспериментальный и опытный образцы машины вторичной очистки зерна.
Методика исследований. При проведении экспериментальных исследований использованы стандартные и разработанные нами методики с применением физического и математического моделирования.
Научная новизна. Зерноочистительная машина, содержит наклонный пневмосепарирующий канал первичной очистки, осадочную камеру, пневмосепарирующий канал вторичной очистки, диаметральный вентилятор, устройства для ввода зернового материала, инерционный жалюзийно-противоточный воздухоочиститель (патент РФ № 2319534), а также верхний и нижний решетные станы.
Проведено теоретическое обоснование движения воздушного потока в камере инерционного жалюзийно-противоточного воздухоочистителя с использованием метода конечных элементов.
Получены модели регрессии технологического процесса очистки отработанного воздуха в инерционном жалюзийно-противоточном воздухоочистителе и определены его оптимальные конструктивно-технологические параметры. Достоверность основных выводов подтверждена результатами экспериментальных исследований, ведомственных, предварительных и государственных испытаний опытного образца машины вторичной очистки зерна, разработанной при участии автора.
Практическая ценность и реализация результатов исследований. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили усовершенствовать работу машины вторичной очистки зерна, обладающую высокими показателями качества выполнения технологического процесса.
По результатам исследований разработана конструкторская и техническая документация, изготовлен и испытан на МИС опытный образец машины вторичной очистки зерна МВО-8Д, который установлен в технологическую линию в СПК «Заря» Кировской области.
Годовой экономический эффект от использования машины МВО-8Д составил 38599 рублей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Вятской ГСХА и ГУ ЗНИИСХ Северо-Востока (2005.. .2008 гг.).
По материалам исследований опубликовано 6 научных работ, в том числе работа в издании, рекомендованном ВАК и получен патент РФ на изобретение.
На защиту выносятся следующие положения:
- конструктивно-технологическая схема машины вторичной очистки зерна;
- математическая модель движения воздушного потока в камере инерционного жалюзийно-противоточного воздухоочистителя;
- динамическое уравновешивание решетных станов машины вторичной очистки зерна;
- модели регрессии технологического процесса очистки отработанного воздуха и оптимальные конструктивные параметры инерционного жалюзийно-противоточного воздухоочистителя; - результаты испытаний опытного образца машины вторичной очистки зерна МВО-8Д и ее экономическая эффективность.
Автор считает необходимым отметить, что теоретические и экспериментальные исследования, изготовление и испытания опытного образца машины вторичной очистки зерна МВО-8Д проведены под руководством кандидата технических наук Ю.В. Сычугова при участии кандидата технических наук В.И. Исупова и сотрудников проектно-конструкторского бюро ГУ ЗНИИСХ Северо-Востока, а также при оказании консультационной помощи сотрудников кафедры "Сельскохозяйственных машин" Вятской ГСХА.
Анализ конструкций рабочих органов, применяемых в машинах вторичной очистки зерна
Получение высоких урожаев зерновых культур зависит от многих факторов, в том числе и от качества посевного материала (семян). Высокая от-сортированность семян всегда сопровождается повышением их ценности. При посеве некачественно отсортированными семенами (содержащими до 15...20% удаляемой фракции) урожайность снижается на 10...12%. Семена же высокого качества в сравнении с обычными обеспечивают прибавку урожая около 3...4 ц/га [70, 102].
Зерновой материал, поступающий с поля на послеуборочную обработку, представляет собой смесь полноценного, щуплого и поврежденного зерна (семян) основной культуры, семян различных культурных и сорных растений, а также органических (частицы растений, соломы и колосьев, полова) и минеральных (песок, комочки почвы и др.) примесей. Влажность зернового материала в зависимости от погодных условий во время уборки колеблется от 10 до 40%, а засоренность - от 1 до 25% [11, 40, 16]. Поэтому зерновой материал необходимо очищать от сопутствующих примесей и сушить, а семена основной культуры разделять по сортам (сортировать).
Одним из основных требований, предъявляемых к семенному материалу зерновых культур и определенных ГОСТом Р 52325-2005, является чистота семенного материала зерновых культур. Для семян категорий ОС (оригинальные семена) и ЭС (элитные семена) чистота зернового материала должна составлять не менее 99%, для семян категории PC (репродукционные семена) - 98%, для семян РСТ (репродукционные семена, предназначенные для производства товарной продукции) - 97%. Требования на посевные и сортовые качества семян основных зерновых культур приведены в таблице 1.1 [26].
Очистка и сортирование зерна (семян) основаны на использовании различий таких физико-механических свойств компонентов, как аэродинамические (скорость витания, коэффициент парусности), геометрические (длина, ширина, толщина), плотность вещества, форма, состояние поверхности (коэффициент трения при движении по различным поверхностям), упругие свойства, электропроводность и цвет [34, 39, 47]. Эти свойства зависят от вида и сорта культуры, зоны, условий выращивания и других факторов и варьируют в широких пределах [100].
Вторичную очистку зерна осуществляют, используя в основном различия компонентов вороха по аэродинамическим и геометрическим (ширина и толщина) свойствам [19].
Разделение по толщине и ширине зерен производят при помощи плоских колеблющихся или цилиндрических вращающихся решет с отверстиями прямоугольной и круглой формы. При разделении по аэродинамическим свойствам на зерновой ворох воздействует воздушный поток в пневмосепарирую-ших каналах или камерах. Основной величиной, оценивающей аэродинамические свойства разделяемого материала, является скорость Ve витания его ком понентов. Под скоростью витания понимается определенное значение скорости вертикального восходящего воздушного потока, при котором на частицу действуют равные по величине, но противоположные по направлению силы тяжести и сопротивления воздушному потоку. В результате частица находится во взвешенном состоянии (витает). Скорость витания Ve определяется по формуле [47]: где G = mg - сила тяжести, действующая на частицу, Н; К — коэффициент аэ-родинамического сопротивления; р — плотность воздуха, кг/м ; F — миделево сечение, м ; g — ускорение свободного падения, м/с ; т — масса частицы, кг.
По данным Г.Е. Листопада [47] для семян большинства зерновых и зернобобовых культур скорость витания находится в пределах 8... 17 м/с, коэффициент сопротивления К — в пределах 0,04...0,3, коэффициент парусности Кп — 0,07...0,15 м"1. Скорости витания основных зерновых культур приведены в таблице 1.2.
Теоретическое обоснование и выбор схемы воздухоочистиетеля. Рабочий процесс инерционного жалюзиино-противоточного воздухоочистителя
Как показал обзор литературных источников, инерционные жалюзий-но-противоточные воздухоочистители нашли достаточно широкое применение в пневмосистемах зерноочистительных машин, благодаря тому, что хорошо компонуются с другими элементами пневмосистем, имеют небольшие габаритные размеры и гидравлическое сопротивление, а следовательно, позволяют снизить энергозатраты на пневмосепарацию [104].
На основании анализа конструкций и характеристик существующих устройств очистки воздуха от пыли и проведенных патентных исследований, а также учитывая особенности функционирования разомкнутой пневмоси-стемы, предложена схема устройства для создания воздушного потока и его очистки от легких примесей патент РФ № 2319534, которая представлена на рисунке 2.1 (Приложение А) [21, 25, 64].
Поскольку жалюзийные воздухоочистители, как правило, имеют большую протяженность, то с целью уменьшения габаритов воздухоочиститель было предложено выполнить Г-образной формы. Кроме того, отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что в верхней части его камеры размещен диаметральный вентилятор 2, который сообщается с воз-духоподводящей камерой 4 входным окном 3. Применение данной схемы воздухоочистителя позволит снизить металлоемкость и более полно использовать его габариты.
Устройство очистки воздушного потока от легких примесей включает в себя генератор воздушного потока 2, жалюзийный очиститель, к конечному участку которого последовательно присоединен противоточный очиститель, в нижней части которого расположена пылеосадительная камера 7. При этом противоточный очиститель образован смежной стенкой 11 выходных пат рубков 9 и 10 жалюзииного и противоточного очистителей и разделительной перегородкой 6.
Очистка воздушного потока происходит следующим образом. При работе диаметрального вентилятора поток воздуха, запыленный в пневмоси-стеме зерноочистительной машины, входным патрубком 15 вводится в жалюзийный очиститель 13, из которого очищенным от пыли и легких примесей проходит между пластинами жалюзийной решетки 12 и поступает в воз-духоподводящую камеру 4. При этом поток воздуха по всей ширине возду хоочистителя остается плоскопараллельным. Частицы пыли под воздействием силы инерции сохраняют первоначальное направление движения и вместе с частью воздуха направляются к выходному патрубку жалюзийного очистителя 10. При этом концентрация легких примесей в воздушном потоке увеличивается, а скорость воздуха почти не изменяется, так как жалюзийная решетка установлена под углом к стенке корпуса воздухоочистителя 14. В свою очередь, часть этого воздуха после выхода из патрубка 10 разворачивается на 180 и через выходное отверстие 9 поступает в воздухоподводяшую камеру 4. Другая часть воздуха и частицы пыли вводятся в пылеосадительную камеру 7, в которой частицы пыли и легких примесей осаждаются и устройством 8 выводятся наружу. Поток воздуха в пылеосадительной камере 7, совершив V - образное движение, через окно 5 вводится в воздухоподводяшую камеру 4 и объединяется с потоком воздуха, поступившим через отверстие 9. Затем объединенный поток воздуха подводится к входному окну 3 диаметрального вентилятора 2, проходит его проточную часть и выходным патрубком 1 выводится за пределы устройства.
Программа экспериментальных исследований
В соответствии с задачами, поставленными в работе, разработана программа экспериментальных исследований: - снять аэродинамическую характеристику диаметрального вентилятора, установленного в пневмосистеме; - исследовать движение воздушного потока в камере инерционного жа-люзийно-противоточного воздухоочистителя и сравнить полученные результаты с теоретическими расчетами; - исследовать влияние конструктивных параметров воздухоочистителя на качественные показатели его работы и определить их оптимальные значения; - исследовать влияние скорости входа воздуха на эффект осаждения примесей в воздухоочистителе; - экспериментально подобрать уравновешивающие массы противовесов решетных станов и сравнить с расчетными; - провести испытания и оценить эффективность работы опытного образца машины вторичной очистки зерна МВО-8Д.
Для проведения исследований разработана разомкнутая пневмосисте-ма, изготовлены модель системы, экспериментальный и опытный образцы машины вторичной очистки зерна МВО-8Д.
Общий вид и технологическая схема экспериментальной установки приведены на рисунках 3.1 и 3.2.
Модель пневмосистемы включает в себя бункер-питатель 22 (рис. 3.2), два пневмосепарирующих канала 17, 19, осадочную камеру 24 и инерционный жалюзийно-противоточный воздухоочиститель со встроенным диаметральным вентилятором 3. Экспериментальная установка имеет ширину 5 =0,32 м и натуральные размеры в продольно-вертикальной плоскости.
Диаметр колеса вентилятора 2=0,35 м, частота его вращения «=650 мин" полезная ширина 2?=0,3 м и число цилиндрических лопаток z=24. Рабочий процесс экспериментальной установки машины предварительной очистки зернового вороха происходит следующим образом.
Легкие примеси из приемника 16 самотеком поступают во второй пнев-мосепарирующий канал (ПСК) 17. Под воздействием воздушного потока, создаваемого диаметральным вентилятором 3, легкие примеси выносятся ПСК во входной патрубок 15 воздухоочистителя и вводятся в жалюзийный очиститель 14. Очищенный от легких примесей воздушный поток проходит между пластинами жалюзийной решетки 13 и поступает в воздухоподводящую камеру 5. Частицы пыли и легких примесей под воздействием силы инерции сохраняют первоначальное направление движения и вместе с частью воздуха направляются к выходному отверстию 12 жалюзийного очистителя.
При этом концентрация легких примесей в воздушном потоке увеличивается, а скорость воздуха почти не изменятся, так как жалюзииная решетка установлена под углом к стенке корпуса воздухоочистителя. В свою очередь, часть этого воздуха после выхода из отверстия 12 разворачивается на 180 и через входное окно 10 поступает в воздухоподводящую камеру 5. Другая часть воздуха и легкие примеси вводятся в пылеосадительную камеру 8, в которой частицы пыли и легких примесей осаждаются и устройством 9 выводятся наружу.
Поток воздуха в пылеосадительной камере 8, совершив V-образное движение, через окно 6 вводится в воздухоподводящую камеру 5 и объединяется с потоком воздуха, поступающим через окно 10. Затем объединенный поток воздуха подводится к входному окну 4 диаметрального вентилятора 3, проходит его проточную часть и выходным патрубком 1 выводится за пределы устройства.
Скорость воздуха в каналах регулируется заслонками 25, 26.
Для исследования влияния параметров жалюзийной решетки на качественные показатели работы воздухоочистителя использовали жалюзийные решетки с разными конструктивными параметрами (раздел 4.3.1), часть из которых представлена на рисунке 3.3.
Экспериментальные исследования воздушного потока в инерционном жалюзийно-противоточном воздухоочистителе
С целью проверки теоретических расчетов, приведенных в разделе 2, по схемам, представленным на рисунке 2.5, а, б, при помощи цилиндрического зонда были проведены замеры величин и направлений скоростей воздушного потока в центрах соответствующих треугольников.
Методика исследования воздушного потока в камере воздухоочистителя приведена в разделе 3.3.2, а полученные результаты экспериментальных исследований в приложении В.
На рисунке 4.2, а, б представлены экспериментальные поля скоростей воздушного потока соответственно при отсутствии и наличии окна в верхней части делительной перегородки (длина векторов скоростей соответствует их нормированному модулю).
Анализ полей скоростей показывает, что наибольшие по значению скорости воздушного потока 14,5...17,9 м/с наблюдаются в воздухоподводящей камере и во входном окне диаметрального вентилятора инерционного жалю-зийно-противоточного воздухоочистителя. Наименьшие по значению скорости воздушного потока находятся в пылеосадительной камере и в нижней ее части уменьшаются до 1,5 м/с.
При движении воздуха от входного патрубка воздухоочистителя до выходного патрубка жалюзийного очистителя его скорость изменяется незначительно и составляет в среднем ь и 11 м/с, что объясняется тем, что жалюзий-ная решетка установлена под углом к стенке корпуса воздухоочистителя.
Сравнение результатов показывает (рис. 2.5, 2.6), что общий характер теоретического и экспериментального распределения полей скоростей совпадает, однако теоретические поля скоростей более равномерны, что, во-первых, обусловлено допущением потенциального потока воздуха без учета его вязкости и завихренности, а во-вторых, невозможностью учета всех уело вий движения потока воздуха в воздухоочистителе (например, влияние вентилятора) при теоретических расчетах.
Из анализа экспериментальных распределений полей скоростей следует, что при отсутствии окна в верхней части делительной перегородки (рис. 4.2, а) в пылеосадительной камере образуется застойная зона, занимающая большую часть пылеосадительной камеры, в которой воздушно-пылевая смесь вращается в направлении противоположном направлению часовых стрелок. При замерах зоне вихря соответствуют средние по значению скорости. При наличии окна в верхней части делительной перегородки данный вихрь исчезает (рис. 4.2, б).
Наличие вихревых зон в инерционном жалюзийно-противоточном воздухоочистителе существенно увеличивает его аэродинамическое сопротивление и, следовательно, — его общий и удельный расходы энергии на очистку воздушного потока. Поэтому вариант с наличием окна в верхней части делительной перегородки является более целесообразным. Однако необходимо учитывать влияние окна и на выходные показатели работы воздухоочистительного устройства. Поэтому для оценки данного влияния, а также влияния других параметров воздухоочистителя на эффективность выделения примесей и аэродинамическое сопротивление, необходимо проведение экспериментальных исследований, с последующим определением оптимальных конструктивно-технологических параметров воздухоочистителя методом планирования эксперимента (раздел 4.3).
Для оценки качества воздушного потока и равномерности раздачи воздуха были проведены замеры скоростей воздушного потока в поперечных сечениях камеры жалюзийного очистителя в соответствии с рисунком 3.13. Методика проведения исследования приведена в разделе 3.3.2.
В сечении 1-І (рис. 4.3, а), находящемся в верхней части камеры жалюзийного очистителя, поле скоростей воздушного потока достаточно равномерное. Коэффициент вариации и средняя скорость воздушного потока соответственно составляют JUB=4J % и Ркф=9,48 м/с. Большие средние скорости наблюдаются в средних сечениях по ширине камеры со стороны жалюзииной решетки.
В сечении II-II (рис. 4.3, б) коэффициент вариации и средняя скорость воздушного потока возрастают и соответственно составляют //в=7,8 % и VB.cP= 10,73 м/с. Наименьшие скорости воздушного потока наблюдаются в средних сечениях по ширине камеры со стороны наружной стенки воздухоочистителя, а наибольшие со стороны жалюзииной решетки.
