Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы и задачи исследований 18
1.1. Особенности зернового вороха и агротехнические требования, предъявляемые к зерноочистительным машинам.. 18
1.2. Существующие технологии послеуборочной обработки зерно-вого вороха 21
1.3. Анализ конструкций и процесса работы зерноочистительных машин 27
1.3.1. Типы и особенности функционирования пневмосистем зерноочистительных машин 28
1.3.2. Особенности конструкций и рабочего процесса воздуш-ных, решетных и воздушно-решетных зерноочистительных машин 30
1.3.3. Особенности конструкций и рабочего процесса зерно-очистительных машин, обрабатывающих зерновой ворох по фракционной технологии 43
1.4. Обзор работ по основным рабочим органам зерноочиститель ных машин 48
1.4.1. Генераторы воздушного потока 48
1.4.2. Пневмосепарующие каналы и устройства ввода 54
1.4.3. Пневмотранспортирующие каналы сепараторов 66
1.4.4. Устройства выделения примесей из отработанного воз-духа 68
1.4.5. Устройства для регулирования режима функциониро-вания пневмосепараторов 75
1.4.6. Цилиндрические решета (скальператоры) 78
1.5. Содержание проблемы и задачи исследования 82
2. Теоретические исследования по разработке и совершенствованию основных рабочих органов зер ноочистительных машин с пневмофракционным разделением компонентов зернового материала 85
2.1. Системный анализ процесса функционирования зерноочисти-тельных машин, работающих по пневмофракционной техноло-гии 86
2.2. Математическое моделирование функционирования пневмо-сепарирующего канала и разделительной камеры пневмосистем зерноочистительных машин 93
2.2.1. Исследование процесса расслоения зернового материала на решетке пневмоожижающего устройства ввода пневмосепа-рирующего канала 93
2.2.2. Исследование траекторий движения компонентов зерно 3
вого материала в наклонном пневмосепарирующем канале 101
2.2.3. Аналитическое описание движения зерна в зоне сепара-ции по стенке, расположенной напротив питающего устрой-ства 105
2.2.4. Исследование траекторий движения компонентов зерно-вого материала в разделительной камере 112
2.3. Теоретические исследования по обоснованию параметров транспортирующего канала пневмосепараторов 116
2.3.1. Обоснование конструктивной формы пылеотводящего канала разделительной камеры пневмофракционного сепари-рующего устройства 116
2.3.2. Конструктивно-технологические параметры криволиней-ного пневмотранспортирующего канала замкнутого малогаба-ритного пневмосепаратора 121
2.4. Математическое моделирование фракционного разделения
легких отходов в осадочной камере 129
2.4.1. Статистический анализ процесса фракционирования лег-ких отходов в осадочной камере воздушным потоком, подведен-ным в зону всасывающего окна диаметрального вентилятора 129
2.4.2. Аналитическое описание процесса разделения легких от-ходов на фракции в осадочной камере узкой струей воздушного потока в зоне выходного окна пневмотранспортирующего ка-нала 136
2.4.3. Определение параметров смежной стенки между раздели-тельной и осадочной камерами 141
2.5. Математическое моделирование процесса очистки воздуш ного потока от легких примесей и пыли 143
2.5.1. Определение конструктивного исполнения входного окна пылеотделителя и его расположения в выходном канале диа-метрального вентилятора 143
2.5.2. Обоснование схемы и определение основных конструк-тивно-технологических параметров жалюзийного воздухоочи-стителя с криволинейным отводным каналом 150
2.5.3. Исследование процесса отделения примесей в криволи-нейном отводном канале жалюзийного воздухоочистителя 157
2.5.4. Определение основных конструктивных параметров ма-логабаритной осадочной камеры замкнутого пневмосепаратора 161
2.6. Регулирование скорости воздушного потока в пневмосепари-рующем канале дроссельным устройством 166
2.7. Определение параметров входного патрубка противоточного диаметрального вентилятора 172
2.8. Применение цилиндрического решета (скальператора) для выделения мелких примесей 177
2.8.1. Исследование процесса выделения мелких примесей на-ружной рабочей поверхностью вращающегося цилиндриче 4
ского решета (скальператора) 177
2.8.2. Обоснование использования активной щетки для очистки скальператора при выделении мелких примесей 183
2.9. Выводы 190
3. Программа, экспериментальные установки и методика исследований 194
3.1. Программа экспериментальных исследований. 194
3.2. Экспериментальные установки 195
3.2.1. Поточная линия и экспериментальные установки для предварительной очистки зерна с выделением зерновых при-месей в осадочной камере из фракции легких отходов и мелких примесей цилиндрическим решетом 195
3.2.2. Экспериментальное пневмофракционное сепарирующее устройство машины предварительной очистки зерна 203
3.2.3. Экспериментальная установка для исследования замкну-той малогабаритной пневмосистемы с двумя пневмосепариру-ющими каналами и противоточным диаметральным вентиля-тором 204
3.2.4. Экспериментальная установка для исследований замкну-того малогабаритного пневматического сепаратора 206
3.2.5. Экспериментальная установка для исследования влия-ния параметров входного патрубка на работу противоточного диаметрального вентилятора 209
3.2.6. Экспериментальная установка для аэродинамических ис следований устройств регулирования скорости воздушного по тока 210
3.3. Приборы и оборудование, применяемые при проведении экс-периментальных исследований 213
3.4. Методика проведения экспериментальных исследований и обработки опытных данных 217
4. Экспериментальные исследования пневмофрак ционного технологического процесса и основных рабочих органов зерноочистительных машин. 224
4.1. Исследование процесса предварительной очистки зерна с вы-делением зерновых примесей в осадочной камере из фракции лег-ких отходов 224
4.1.1. Повышение эффективности работы пневмосепарирующе-го канала применением пневмоожижающего устройства ввода... 224
4.1.2. Влияние положения и параметров входного окна пылеот-делителя на технологический процесс и качество очистки воздуха от пыли 228
4.1.3. Исследование влияния величины открытия перепускно-го окна на рабочий режим экспериментальной установки для фракционного разделения легких отходов 233 4.1.4. Исследование процесса выделения зерновых примесей из фракции легких отходов в осадочной камере воздушным пото-ком, подведенным в зону всасывающего окна диаметрального вентилятора 235
4.1.5. Исследование процесса выделения зерновых примесей из фракции легких отходов в осадочной камере узкой струей воз-душного потока в зоне выходного окна пневмотранспортиру-ющего канала 236
4.2. Исследование процесса работы пневмофракционного сепари рующего устройства машины предварительной очистки зерна 239
4.2.1. Определение закономерностей влияния конструктивно-технологических параметров пневмофракционного сепарирующего устройства на качественные показатели его работы 239
4.2.2. Исследование распределения компонентов зернового материала по глубине и высоте разделительной камеры 244
4.2.3. Оптимизация основных конструктивных параметров наклонного пневмосепарирующего канала и кинематического режима питающего валика с нижней подачей зернового материала 246
4.2.4. Исследование влияния конструктивных параметров разделительной камеры на качественные показатели функционирования пневмофракционного сепарирующего устройства 250
4.2.5. Влияние удельной подачи, засоренности и влажности обрабатываемого зернового материала на процесс пневмофрак-ционирования 255
4.3. Исследование процесса функционирования замкнутой малога баритной пневмосистемы с двумя последовательно соединенными пневмосепарирующими каналами и противоточным диаметраль ным вентилятором 257
4.3.1. Оптимизация конструктивно-технологических параметров первого пневмосепарирующего канала замкнутой пневмо-системы 257
4.3.2. Регулирование скорости воздуха в двух последовательно соединенных пневмосепарирующих каналах замкнутой малогабаритной пневмосистемы 261
4.3.3. Исследование технологического процесса замкнутой малогабаритной пневмосистемы 263
4.4. Исследование процесса функционирования замкнутого мало габаритного пневматического сепаратора 266
4.4.1. Влияние глубины выходного сечения криволинейного пневмотранспортирующего канала на технологический про-цесс 266
4.4.2. Определение основных конструктивно-технологических параметров жалюзийного воздухоочистителя с криволиней-ным отводным каналом 267 4.4.3. Оптимизация геометрических параметров входного окна пылеотделителя, расположенного в выходном канале диамет-рального вентилятора 270
4.4.4. Определение расположения кромки пылеосадителя ма-логабаритной осадочной камеры на качество осаждения лег-ких примесей 273
4.4.5. Исследование эффективности технологического процесса замкнутого малогабаритного пневмосепаратора 275
4.5. Совершенствование устройств регулирования скорости воз душного потока 277
4.5.1. Исследование аэродинамических свойств двухплечих глухих и перфорированных заслонок 277
4.5.2. Исследование аэродинамических свойств блочных двух-плечей и консольной заслонок 281
4.5.3. Изучение работы регулятора расхода воздуха в пневмо-системе экспериментальной установки 284
4.6. Исследование процесса работы противоточного диаметраль льного вентилятора 287
4.6.1. Определение оптимальных параметров входного патруб-ка противоточного диаметрального вентилятора 287
4.6.2. Исследование аэродинамической характеристики проти-воточного диаметрального вентилятора в замкнутой малога-баритной пневмосистеме 290
4.7. Исследование процесса выделения мелких примесей цилин-дрическим решетом (скальператором) 291
4.8. Выводы 296
5. Реализация результатов экспериментальных ис-следований пневмофракционного технологического процесса и основных рабочих органов зерноочистительных машин 299
5.1. Исследование функционирования машин предварительной
очистки зерна фракционированием легких отходов в осадочной
камере и выделением мелкой фракции цилиндрическим решетом.. 299
5.1.1. Общая характеристика машин предварительной очистки зерна МПО-50П, -50Ф, -50Р 299
5.1.2. Исследование качества воздушного потока в пневмосепа-рирующем канале с пневмоожижающим устройством ввода 302
5.1.3. Результаты исследований машин предварительной очистки зерна МПО-50П, -50Ф, -50Р 304
5.1.4. Результаты функционирования экспериментальной ма-шины предварительной очистки зерна МПО-50Ф в хозяйствен-ных условиях 310
5.2. Исследование и испытания машины предварительной очистки
зерна МПО-25Ф 316 5.2.1. Общая характеристика машины предварительной очистки зерна МПО-25Ф 316
5.2.2. Определение качества воздушного потока в пневмосепа-рирующем канале 319
5.2.3. Исследование технологического процесса машины предварительной очистки зерна МПО-25Ф 321
5.2.4. Результаты государственных приемочных испытаний ма-шины предварительной очистки зерна МПО-25Ф 328
5.3. Исследование и испытания зерноочистительной машины СВМ-7, снабженной замкнутой пневмосистемой с каналами до- и послерешетной аспирации и противоточным диаметральным вентилятором 332
5.3.1. Общая характеристика зерноочистительной машины СВМ-7 332
5.3.2. Исследование качества воздушного потока в пневмосепа-рирующих каналах и аэродинамической характеристики про-тивоточного диаметрального вентилятора 335
5.3.3. Результаты ведомственных испытаний зерноочиститель-ной машины СВМ-7 337
5.4. Исследование и испытания пневматического сепаратора
ПС-10 с замкнутой малогабаритной пневмосистемой 344
5.4.1. Общая характеристика пневматического сепаратора ПС-10 345
5.4.2. Определение качества воздушного потока и равномерно-сти распределения зерновой смеси в пневмосепарирующем ка-нале 347
5.4.3. Результаты функционирования пневматического сепара-тора ПС-10 в хозяйственных условиях 349
5.5. выводы 354
6. Экономическая и энергетическая эффективность внедренных в производство разработок и предложения по совершенствованию технологического процесса зерноочистительных машин 358
6.1. Эффективность внедренных в производство выполненных ис-следований и разработок 358
6.1.1. Технико-экономическая эффективность использования машины предварительной очистки зерна МПО-50Ф в техноло-гической линии зерноочистительного агрегата ЗАВ-25 361
6.1.2. Технико-экономическая эффективность применения ма-шины предварительной очистки зерна МПО-25Ф в технологи-ческой линии зерноочистительно-сушильного комплекса КЗС-25Ш 363
6.1.3. Технико-экономическая эффективность использования зерноочистительной машины СВМ-7 в поточной зерноочисти 8
тельной линии 365
6.1.4. Технико-экономическая эффективность применения пне-вматического сепаратора ПС-10 в поточной технологической линии по очистке зерна 366
6.1.5. Энергетическая эффективность использования разрабо-танных машин послеуборочной обработки зерна 367
6.2. Технические решения, направленные на повышение эффек-тивности технологического процесса и совершенствование основ-ных рабочих органов зерноочистительных машин 370
6.2.1. Предложения по совершенствованию конструкций и рас-ширению возможности использования диаметральных венти-ляторов 370
6.2.2. Предложения по повышению эффективности работы пневмосепарирующих каналов 377
6.2.3. Предложения по совершенствованию устройств регулиро-вания скорости воздушного потока 380
6.2.4. Предложения по повышению эффективности технологи-ческого процесса пневмосистем зерноочистительных машин 383
Заключение 388
Список основных обозначений и сокращений. 393
Список литературы
- Анализ конструкций и процесса работы зерноочистительных машин
- Исследование процесса расслоения зернового материала на решетке пневмоожижающего устройства ввода пневмосепа-рирующего канала
- Экспериментальная установка для исследования замкну-той малогабаритной пневмосистемы с двумя пневмосепариру-ющими каналами и противоточным диаметральным вентиля-тором
- Исследование процесса работы пневмофракционного сепари рующего устройства машины предварительной очистки зерна
Введение к работе
Актуальность и степень разработанности проблемы исследования. В условиях рыночной экономики продовольственная безопасность России в значительной мере определяется объемами производства зерна, необходимого для обеспечения продуктами питания населения, животноводства кормами и создания семенного фонда. При этом для полного и стабильного удовлетворения потребностей страны в продовольственном и фуражном зерне требуется довести ежегодные валовые сборы зерна до 105…110 млн. т. Решение данной проблемы во многом зависит от совершенства технологий и технических средств, обеспечивающих качественную послеуборочную обработку урожая.
Важной составной частью технологии послеуборочной обработки зерна является очистка его от примесей. Для этого в многих хозяйствах в основном применяются разнообразные зерноочистительные машины 60…70-х годов прошлого века, выработавшие свой физический и моральный ресурс. Эффективность функционирования большинства данных машин не является удовлетворительной по технологическим и техническим параметрам.
Существенное повышение производительности и эффективности очистки зернового вороха достигается за счет использования пневмофракционных способов обработки зерна совместно с решетами. Однако существующие зерноочистительные машины с пневмофракционным разделением компонентов зернового материала имеют также ряд конструктивно-технологических недостатков: большие габаритные размеры и металлоемкость, сложность настройки воздушной системы на рабочий режим, высокие удельные затраты энергии на процесс пневмофракционирования из-за применения большого количества вентиляторов и значительной протяженности элементов пневмосистемы.
Проведенный анализ научных работ свидетельствует, что при создании перспективных зерноочистительных машин отсутствуют теоретические исследования и экспериментальные данные по обоснованию конструктивно-технологических параметров пневмоожижающего устройства (ПОУ) ввода зернового материала в пневмосепарирующий канал (ПСК), наклонного ПСК и разделительной камеры пневмофракционного сепарирующего устройства (ПФСУ), криволинейного пневмотранспортирующего канала (ПТК), встроенных жалю-зийного воздухоочистителя (ЖВ) во входной патрубок и пылеотделителя с жа-люзийным входным окном в выходном канале диаметрального вентилятора (ДВ), осадочных камер при фракционировании легких отходов, устройств для плавной регулировки скорости воздуха в ПСК, входного патрубка противоточ-ного ДВ, цилиндрического решета (ЦР) для выделения мелких примесей в сочетании с воздушной системой.
Поэтому качественная и своевременная обработка зернового вороха при наименьших затратах труда и средств повышением эффективности функционирования зерноочистительных машин путем совершенствования их основных рабочих органов и пневмосистем с фракционной сепарацией является актуальной проблемой сельскохозяйственного производства.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение эффективности функционирования зерноочистительных машин путем совер-
шенствования их основных рабочих органов и пневмосистем с фракционной сепарацией для качественной послеуборочной обработки зернового вороха с наименьшими материальными затратами.
Для решения данной цели определены следующие задачи исследования:
провести системный анализ функционирования зерноочистительных машин с пневмофракционным разделением компонентов зернового материала, получить аналитические зависимости для обоснования конструктивно-технологических параметров основных рабочих органов данных машин;
разработать технологическую и конструктивную схемы машины предварительной очистки зерна с выделением зерновых примесей в осадочной камере из фракции легких отходов и мелких примесей ЦР, пневмофракционного сепарирующего устройства машины предварительной очистки зерна, замкнутой малогабаритной пневмосистемы с двумя последовательно соединенными ПСК и противоточным ДВ, замкнутого малогабаритного пневматического сепаратора; экспериментально получить регрессионные модели процесса функционирования данных машин и оптимизировать основные конструктивно-технологические параметры;
теоретически обосновать и экспериментально подтвердить возможность плавного регулирования скорости воздушного потока в пневмосепараторах дроссельными устройствами;
провести ведомственные исследования и производственные испытания разработанных зерноочистительных машин;
определить экономическую и энергетическую эффективность внедренных зерноочистительных машин в технологические линии обработки зерна.
Научную новизну работы составляют:
аналитические выражения для определения расположения компонентов обрабатываемого материала по высоте на выходе из ПОУ ввода ПСК, расчета траекторий движения частиц зернового материала в узкой струе воздушного потока, по наклонной стенке ПСК, расположенной напротив питающего устройства, в перемещающемся по наружной поверхности вращающегося ЦР зерновом слое; методика и аналитические выражения для определения диапазонов геометрических параметров криволинейных ПТК из расчета угловых скоростей и траекторий частиц; методика получения расходных характеристик регуляторов воздуха с целью плавного регулирования скорости воздушного потока в ПСК;
математические модели процесса функционирования машин предварительной очистки зерна с выделением зерновых примесей в осадочной камере из фракции легких отходов и мелких примесей ЦР, наклонного ПСК и разделительной камеры ПФСУ, замкнутой малогабаритной пневмосистемы с двумя последовательно соединенными ПСК и противоточным ДВ, замкнутого малогабаритного пневматического сепаратора, устройств для регулирования скорости воздушного потока;
новые технические решения пневмосистем зерноочистительных машин и их основных рабочих органов, защищенные 14 авторскими свидетельствами СССР и 61 патентом РФ на изобретения, 11 патентами и 18 свидетельствами
РФ на полезные модели.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные аналитические зависимости применимы при создании новых конструктивно-технологических схем сепараторов для разделения зерновых материалов и могут быть использованы в научных, проектно-конструкторских организациях.
Результаты исследований нашли отражение в научном отчете Института строительства, механизации и электрификации сельского хозяйства (г. Варшава, Польша), переданы в ОАО ГСКБ «Зерноочистка» (г. Воронеж, Россия), ОАО «Малмыжский завод по ремонту дизельных двигателей» (г. Малмыж, Россия), ФГУП ПКБ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии (г. Киров, Россия), ООО «НовоТех» (г. Красноярск, Россия), ООО «Экорт» (с. Пасегово, Кировская область, Россия), применяются при создании пневмосепараторов ПС-15Ф, СЗМ-5, Балахта-5, ПС-0,5, использованы при изготовлении опытных образцов зерноочистительных машин МПО-50П, МПО-50Ф, МПО-50Р, МПО-25Ф, СВМ-7, ПС-10, которые успешно прошли ведомственные и производственные испытания, внедрены в хозяйствах Кировской области и Республики Марий Эл.
Результаты научно-технических разработок используются также в учебном процессе на инженерных факультетах Алтайского, Башкирского, Воронежского, Казанского, Санкт-Петербургского, Саратовского государственных аграрных университетов, Московского, Челябинского государственных агроин-женерных университетов, Марийского государственного университета, Вятской, Ижевской, Костромской, Курганской, Нижегородской, Пензенской, Пермской, Чувашской государственных сельскохозяйственных академий, при подготовке специалистов высшего и среднего звена в Кировском институте переподготовки и повышения квалификации кадров АПК.
Методология и методы исследований. В качестве объектов исследования выбраны процессы очистки зернового материала с пневмофракционирова-нием и на ЦР, экспериментальные и опытные образцы зерноочистительных машин и их рабочие органы - ПСК с устройствами ввода, криволинейные ПТК, устройства очистки воздуха и регулирования скорости воздушного потока в ПСК, ДВ и ЦР с устройствами очистки.
При выполнении работы использованы стандартные и частные методики с применением физического и математического моделирования, современных приборов и вычислительной техники с пакетом программ для обработки результатов экспериментов.
Положения, выносимые на защиту:
аналитические зависимости для обоснования конструктивно-технологических параметров основных рабочих органов зерноочистительных машин с пневмофракционным разделением компонентов зернового материала;
технологические схемы, регрессионные модели процесса функционирования машины предварительной очистки зерна с выделением зерновых примесей в осадочной камере из фракции легких отходов и мелких примесей ЦР, пневмофракционного сепарирующего устройства машины предварительной очистки зерна, замкнутой малогабаритной пневмосистемы с двумя последова-
тельно соединенными ПСК и противоточным ДВ, замкнутого малогабаритного пневматического сепаратора, основные конструктивно-технологические параметры данных машин;
теоретическое обоснование и регрессионные модели плавного регулирования скорости воздушного потока в ПСК дроссельными устройствами;
результаты ведомственных исследований и функционирования в производственных условиях разработанных зерноочистительных машин;
экономическая и энергетическая эффективность внедренных в производство зерноочистительных машин.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность основных выводов и предложений в заключении подтверждается результатами теоретических исследований, экспериментами, проведенными в лабораторных условиях с использованием физических моделей и в производственных технологических линиях с разработанными зерноочистительными машинами.
Основные положения работы доложены и обсуждены на заседаниях НТС ОАО ГСКБ «Зерноочистка» (г. Воронеж, 1988…1990, 2009 гг.) и департамента сельского хозяйства и продовольствия Кировской области (г. Киров, 2008 г.), научно-технической конференции «Научно-технический потенциал ВУЗов -народному хозяйству» (г. Киров, 1989 г.), Всесоюзном совещании «Пневмогид-роавтомашина и пневмопривод» (г. Суздаль, 1990 г.), научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Санкт-Петербургского государственного аграрного университета (г. Пушкин, 1988…1990 гг.) и Вятской государственной сельскохозяйственной академии (г. Киров, 1988…1992, 1997…2004 гг.), Международном симпозиуме «Экологические аспекты механизации внесения удобрений, защиты растений, обработки почвы и послеуборочной обработки урожая» (г. Варшава, 2000, 2007…2009 гг.), научно-практических конференциях ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии (г. Киров, 1990, 1998, 2006 гг.), Международных научно-практических конференциях «Разработка и внедрение технологий и технических средств для АПК СевероВосточного региона Российской Федерации» (г. Киров, 2007 г.), «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (г. Йошкар-Ола, 2008, 2009 гг.), «Наука-Технология-Ресурсосбережение» (г. Киров, 2007…2012 гг.), Международных научных конференциях «Гидродинамика. Механика. Энергетические установки» (г. Чебоксары, 2008 г.), «Актуальные вопросы науки и образования» (г. Москва, 2012 г.), «Наука и образование в современной России» (г. Москва, 2012 г.).
По теме диссертации изданы рекомендации и 5 монографий, опубликовано 29 статей в ведущих рецензируемых журналах и 33 статьи в материалах международных конференций, 10 статей депонировано в организациях государственной системы научно-технической информации, получено из Роспатента 104 охранных документа на изобретения и полезные модели. Общий объем публикаций составляет 198,8 усл. п. л., из которых доля авторского вклада - 60%.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы, основных обозначений и приложений, изложена на 519 страницах машинописного текста, вклю-
чая библиографию из 475 наименований, 158 рисунков, 60 таблиц и 14 приложений.
Анализ конструкций и процесса работы зерноочистительных машин
В существующих зерно- и семяочистительных машинах вследствие высоких значений КПД и развиваемых давлений Ри наибольшее применение нашли радиальные вентиляторы [85, 182, 188, 214, 217, 223].
В то же время в научных исследованиях В.П. Горячкина [74], М.Н. Летош-нева [213], А.Я. Малиса и А.Р. Демидова [217], А.С. Матвеева [219], А.И. Нелю-бова и Е.Ф. Ветрова [236], Б.Г. Турбина [418, 419] отмечается, что неустойчивость подачи Q воздуха и неравномерность его потока по глубине и ширине выходного канала радиальных и осевых вентиляторов являются основными причинами недостаточно высокого качества сепарации зерновой смеси. Высокая равномерность потока воздуха при использовании радиального вентилятора в широких ПСК может быть получена лишь при установке различных направляющих аппаратов и выравнивающих сеток. Это, в свою очередь, увеличивает габариты и металлоемкость пневмосистемы зерноочистительной машины, сопротивление сети, а следовательно, и энергопотребление.
Наиболее подходящими по условиям работы в воздушных системах зерно 49 и семяочистительных машин являются диаметральные вентиляторы, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с осевым и радиальным: уменьшение габаритных размеров пневмосистемы и ее металлоемкости, снижение энергоемкости процесса пневмосепарации за счет уменьшения общего сопротивления пневмосистемы и повышение качества сепарации зернового материала за счет равномерного воздушного потока по ширине канала.
Конструктивные решения, теория диаметральных вентиляторов и целесообразность их применения в зерно- и семяочистительных машинах отражены в работах А.И. Буркова [29, 30, 31, 33, 38, 49], Г.А. Гриднеевой [93], Н.В. Жолобова [122], А.Г. Коровкина, В.Н. Бухаркина, А.И. Нелюбова, Е.Ф. Ветрова [97, 200, 295], Н.И. Одинцова [237], О.П. Рощина [306], С.Н. Патякиной [247], Н.П. Сычу-гова [388, 389, 391, 403, 406], Б.Г. Турбина [418, 419], R.Coеster [459], Т. Finkbe-iner [461], Н. Laakso [462] и других авторов.
Диаметральный вентилятор представляет собой лопаточное колесо барабанного типа, установленное в коленообразном или спиральном корпусе, имеющее входное отверстие и выходной канал. Колесо, закрытое с торцов боковыми стенками, имеет криволинейные лопатки [388, 419, 463].
С целью расширения диапазона устойчивой работы диаметрального вентилятора (рисунок 1.15, а) Н.П. Сычуговым, А.И. Бурковым предложено смежную стенку 4 канала 5 выполнить прямолинейной и направить по касательной к окружности колеса 2, проведенной в сечении максимального раскрытия спирального корпуса 1. Углы входа лопаток составляют /?i = 85...90, а углы выхода - /?2 =
Особенностью работы такого вентилятора является наличие в нем основного воздушного потока и циркулирующего потока, центр 0\ вихря которого располагается на внутреннем диаметре лопаточного колеса 2 и меняет свое расположение в зависимости от сопротивления сети. При повышении сопротивления сети центр вихря 0\ циркулирующего потока перемещается в противоположном направлении вращению колеса 2 на угол ае, что обусловливает уменьшение зоны нагнетания основного воздушного потока. б -в направление течения воздушного потока
Схемы диаметральных вентиляторов: 1 - корпус; 2 - рабочее колесо; 3 - входное отверстие; 4 - смежная стенка; 5 - выходной канал; 6, 7 - жалюзи
Одним из важнейших аэродинамических показателей диаметрального вентилятора считается его производительность Q, по которой с учетом коэффициента ц полезного действия и развиваемого полного Pv давления осуществляют подбор вентилятора при проектировании зерно- и семяочистительных машин. В работе Н.П. Сычугова [391] подача воздуха диаметральным вентилятором определяется по формуле - ширина вентилятора, м; Диі?2 - диаметр и радиус окружности наружных кромок лопастей колеса, м; г0 - расстояние между осью вихря циркулирующего потока воздуха и осью вращения колеса, м; s\ и є2 - коэффициенты пропорциональности; п - частота вращения колеса, мин"1; а\ и ог2 - углы, определяющие положение граничных линий потока воздуха, то есть подачу воздуха в выходной канал вентилятора, град.; і - зазор между кромками лопастей колеса и корпусом вентилятора, м.
Производительность Q вентилятора возрастает при увеличении ширины В, наружного диаметра D2 и частоты п вращения колеса, расстояния г0, угла а2 и уменьшении угла ос\. Поэтому производительность Q вентилятора при неизменных его габаритных размерах В, D2 и частоте п вращения можно увеличить, уменьшая угол «І, увеличивая угол а2 и расстояние г0, а центр вихря циркули рующего воздушного потока должен находиться на внутреннем радиусе или в решетке колеса. Для улучшения аэродинамических показателей диаметрального вентилятора Н.П. Сычуговым, А.И. Бурковым, Н.И. Грабельковским, Н.В. Жолобовым, А.А. Гехтманом, В.В. Антюхиным [99] смежную стенку 4, расположенную со стороны рабочего колеса 2, предложено выполнить в виде жалюзийной решетки 6, жалюзи которой направлены к колесу 2 (рисунок 1.15, б). Параметры жалюзийной решетки 6 исследованы Н.В. Жолобовым и приведены в работе [122]. В данном вентиляторе центр вихря, расположенный в области радиального зазора между рабочим колесом 2 и плоской стенкой 4, стабилизируется жалюзийной решеткой 6 за счет перетекания через нее части воздушных масс циркулирующего потока. Благодаря этому снижается уровень шума Lш и увеличивается диапазон устойчивой работы диаметрального вентилятора.
На рисунке 1.15, в представлена описанная в работах Н.П. Сычугова, А.И. Буркова, С.М. Куклина [38, 208, 403] схема вентилятора-сепаратора, особенность конструкции которого в том, что его выходной канал 5 является частью ПСК, а вывод очищенного зерна производится через окно глубиной hв0, выполненное в основании корпуса 1 вентилятора с закрепленными в нем вертикальными жалюзи 7. Для предотвращения травмирования зерна лопатками вентилятора часть колеса 2, примыкающего к зоне ПСК, закрыта защитной сеткой длиной LC = 0,44D2. Кроме того, наличие защитной сетки обусловливает ожижение зернового материала, обеспечивая лучшее выделение из него легких примесей. Данная схема вентилятора позволяет уменьшить габариты пневмосистемы и, соответственно, металлоемкость зерноочистительной машины. Однако жалюзи 7, установленные в окне глубиной hв0 для вывода очищенного зерна, не исключают выброс наружу запыленного воздуха, вследствие чего ухудшаются санитарно-гигиенические условия для обслуживающего персонала.
Исследование процесса расслоения зернового материала на решетке пневмоожижающего устройства ввода пневмосепа-рирующего канала
Разделение зернового материала воздушным потоком имеет ряд преимуществ перед другими способами очистки. Это обусловливается простотой конструкции и высокой удельной производительностью пневмосепаратора, а также малой повреждаемостью зерна при очистке.
Исследованиями А.В. Алешкина [6], В.Л. Андреева [9], К.М. Баркова [18], И.П. Безручкина [21, 22, 23], А.И. Буркова [30, 38], В.Д. Галкина [61, 62, 63], А.Б. Демского [96], М.Н. Летошнева [213], А.С. Матвеева [218], А.Я. Малиса и А.Р. Демидова [217], Г.Т. Павловского и С.Д. Птицына [243, 244, 245], Н.П. Сычугова [38, 391], Г.Д. Терскова [412], З.Л. Тица [224] и другими выявлены закономерности влияния множества факторов на эффективность пневмосепарирования. При этом установлено, что существенное влияние из указанных факторов на эффективность пневмосепарации оказывают аэродинамические свойства компонентов зерновой смеси, конструктивное исполнение канала, удельная зерновая нагрузка qyd на канал и условия ввода в него зерновой смеси, количественная и качественная характеристики воздушного потока.
Аэродинамические свойства veum. компонентов зерновой смеси приведены во многих литературных источниках [18, 38, 176, 188, 223, 224, 406, 460]. Они зависят в основном от уровня агротехники возделываемых культур, почвенных и климатических условий региона, спелости хлебов во временном промежутке, а также от качества работы зерноуборочных комбайнов [170, 197, 231, 281]. При этом анализ научных исследований В.Л. Андреева [9], А.И. Буркова [30], И.Е.
Кожуховского [193], В.А. Кубышева, Ю.А. Меновщикова [210], А.Б. Лурье, А.А. Громбчевского [216], Н.П. Сычугова [391] и других исследователей свидетельствует, что законы распределения полноценных зерен основной культуры, зерновых и сорных примесей по скорости иешя витания близки к нормальным законам со средними скоростями витания iWcp.io, veum.cp2o и veum.cp30 и средними квадратиче-скими отклонениями егю, ег2о и егзо соответственно (рисунок 1.17).
Для построения кривых плотности распределения вероятностей Крвит.ю(2о,зо)) применяют статистические данные по каждой компоненте вороха и соответствующие им значения функции Лапласа [69], поскольку при нормальном распределении вероятность попадания каких-либо зерен или частиц примесей в интервал от veumA до veum2 определяется соотношением [69]: P(VmmA Vmm. Vmm2) = J\VeUm2 V- W W ] - J\V WlO(20,30) 1 (L5) _ 10(20,30) _ _ 10(20,30) J где Ф(х) - функции Лапласа непрерывной случайной величины х.
При нормальном распределении полноценных зерен основной культуры, зерновых и сорных примесей скорость veum. витания с вероятностью 0,9973 (правило трех «сигм») находится в следующих пределах [69]: вит. ср. 10(20,30) 10(20,30) — вит. 10(20,30) — вит. ср .10(20,30) 10(20,30)" V /
В современных зерно- и семяочистительных машинах нашли применение ПСК, имеющие в поперечном сечении квадратную (например, пневмоколонки СП-5, ОПС-1, ОПС-2, ОПС-2Д-Р) [206, 251, 252], прямоугольную (например, машины ПС-ОСХИ, ОВС-25, МПО-50, ЗВС-20А, К-547А, МС-4,5) [38, 64, 223], круглую (например, ротаметрический порционный пневмоклассификатор РПК-60А) [222] и кольцевую формы (например, пневмосепаратор ПС-26679, машины МЗП-25, А1-БЦС-100) [8, 232, 233, 447].
Сравнительные исследования эффективности процесса сепарации зерна в ПСК данных форм приводятся в работе А.С. Матвеева [218]. При всех формах поперечного сечения канала наиболее эффективно воздушный поток работает в каналах, имеющих круглую и прямоугольную форму поперечного сечения. Каналы прямоугольной формы в поперечном сечении имеют самую простую конструкцию и технологичны при компоновке с другими элементами пневмосистемы. Поэтому при разработке зерно- и семяочистительных машин в основном используют ПСК с прямоугольной формой в поперечном сечении.
В зерноочистительных машинах различают ПСК с вертикальными, горизонтальными или наклонными воздушными потоками, сравнительная оценка которых показывает, что качество сепарации, прежде всего, зависит от степени концентрации материала в воздушном потоке. Вертикальные и горизонтальные воздушные потоки обеспечивают высокое качество сепарации лишь при малых удельных подачах qyd материала в канал. При увеличении концентрации материала в воздушном потоке эффект Е разделения тяжелой фракции от легкой в вертикальном и горизонтальном каналах имеет минимальные значения, а при работе наклонного канала - максимальные [223, 457, 466].
Поэтому большинство исследователей, например, В.И. Анискин, В.П. Елизаров, А.Н. Зюлин, В.М. Дринча, Л.М. Суконкин, С.С. Ямпилов [11, 114, 115, 174], А.И. Бурков, В.Л. Андреев, С.Л. Логинов [32, 39], В.В. Гортинский, А.Б. Демский, М.А. Борискин [73], И.Е. Кожуковский [193], А.Я. Малис, А.Р. Демидов [217], В.Н. Мякин, С.Г. Урюпин [233] при разработке машин первичной и вторичной очистки зерна отдают предпочтение способу разделения зерна в вертикальном воздушном потоке. При создании высокопроизводительных машин для предварительной обработки зернового вороха за рубежом и в нашей стране отдается предпочтение ПСК с наклонным воздушным потоком и прямоугольной формой поперечного сечения как наиболее полно отвечающим технологическим и конструктивным требованиям (например, МПО-50, МПО-100, К-527) [16, 64, 207, 211, 215, 335, 411].
В то же время следует подчеркнуть, что имеется целесообразность в машинах с двойной очисткой зерна наиболее нагруженный канал дорешетной очистки выполнять наклонным, а послерешетный канал, имеющий уже меньшую удельную нагрузку qyd, конструировать вертикальным [38, 70, 406, 407].
Немаловажное значение на качество пневмосепарации оказывают конструктивные особенности устройств ввода зерновой смеси в ПСК. На основании анализа ряда работ [73, 193, 217, 223, 305] можно заключить, что по способу ввода зерновой смеси в ПСК данные устройства подразделяются на пассивные и активные, а углы Оу ввода могут иметь как положительные, так и отрицательные значения.
Экспериментальная установка для исследования замкну-той малогабаритной пневмосистемы с двумя пневмосепариру-ющими каналами и противоточным диаметральным вентиля-тором
Анализ уравнений (2.142), проведенный на персональном компьютере с использованием пакета программ по статистической обработке данных Microsoft Excel 2003 [124], показывает, что траектории полета частиц легких примесей, различающихся размерами d и аэродинамическими показателями кп, в выходном канале вентилятора практически не отличаются.
Исходя из этого и учитывая границу между основным и циркулирующим потоками в диаметральном вентиляторе, равную при минимальном сопротивлении сети (Q = Qmax) углу fin = 120 [30, 391], на рисунке 2.21 приведены траектории движения и эпюры распределения в радиальном направлении легких примесей с коэффициентом парусности кп = 39,24 м"1 (vmm. = 0,5 м/с). Начальные условия вылета частиц из рабочего колеса вентилятора диаметром D2 = 0,3 м и частотой п вращения 13,333 с" (800 мин") составляли u0i= 24 м/с, /?2 = 165 , а0 = 10 [30,
Из рисунка следует, что при углах П вылета 0…1200 траектории частиц имеют параболическую форму, которые достигают криволинейной поверхности внешней стенки выходного канала 3 вентилятора и движутся возле нее.
Частицы, вылетающие из рабочего колеса 4 вентилятора при П = 1200, будут определять граничную траекторию движения пылевидных примесей в криволинейном выходном канале 3 вентилятора.
С увеличением угла П концентрация частиц примесей возле криволинейной внешней стенки выходного канала 3 вентилятора возрастает и достигает наибольшего значения при приближении П к 1800. Однако при значениях П больших 1800 концентрация частиц примесей возле внешней стенки выходного канала 3 вентилятора снизится в результате перераспределения по его глубине, обусловливаемого структурой воздушного потока в нем.
Поэтому наиболее оптимальным расположением входного окна пылеотде-лителя 1 глубиной , предназначенного для улавливания примесей, движущихся возле внешней стенки канала 3, является зона, ограниченная углом П = = 150…1800. Для улавливания частиц примесей, достигающих криволинейной стенки 150 выходного канала 3 вентилятора в зоне fin = 170... 190, целесообразно смежную стенку 2 пылеотделителя 1 выполнить с жалюзийным участком, имеющим определенную длину S c и зазор 8Ж в жалюзи. Кроме того, наличие жалюзийного участка в пылеотделителе исключает постоянную подрегулировку его при колебаниях сопротивления сети с целью качественного улавливания частиц примесей.
Таким образом, теоретические исследования позволяют определить конструктивное исполнение и оптимальное расположение входного окна пылеотделителя в выходном канале диаметрального вентилятора. При постановке экспериментальных опытов варьируемыми параметрами пылеотделителя являются положение Рп{(рп) его входного окна глубиной в выходном канале вентилятора, длина Бж жалюзийного участка и зазор дж в жалюзи.
Обоснование схемы и определение основных конструктивно-технологических параметров жалюзийного воздухоочистителя с криволинейным отводным каналом
В результате анализа конструкций существующих устройств очистки воздуха от легких примесей предложен ЖВ с криволинейным отводным каналом, встроенный в технологическую схему замкнутого малогабаритного пневмосепа-ратора (патенты №№ 53940, 68374 РФ, приложение А: С. 453, 454) [132, 133].
Особенностью конструкции данного ЖВ (рисунок 2.22) является то, что он непосредственно установлен во входном патрубке 2 диаметрального вентилятора замкнутого пневмосепаратора. Воздухоочиститель включает отводной канал 4 с входным 1 и выходным 3 патрубками, жалюзийную решетку 5 криволинейного профиля. Отводной канал 4, образованный криволинейной наружной стенкой 6 пневмосепаратора и жалюзийной решеткой 5 и соединенный входным патрубком 1 с ПТК, сообщается с ПСК через выходной патрубок 3 с осадочной камерой. Такая компоновка ЖВ уменьшает расход металла на изготовление системы очистки воздуха и снижает ее сопротивление [352].
Частицы пыли и легких примесей прижимаются к внутренней поверхности наружной криволинейной стенки 6 пневмосепаратора и перемещаются вдоль нее под действием силы R реакции воздушного потока и силы тяжести G. Основная часть воздуха из-за разницы статических давлений Рж на входе и выходе отводного канала 4 меняет траекторию своего движения и проходит по каналам жалюзий-ной решетки 5, а далее очищенная от легких примесей направляется к диаметральному вентилятору по его входному патрубку 2.
При движении легких примесей к выходному патрубку З ЖВ концентрация их в выводимом воздушном потоке увеличивается, а скорость ve воздуха практически не изменяется, так как радиус Яж закругления жалюзийной решетки 5 сужает проходное сечение отводного канала 4. Легкие примеси с частью воздуха по выводному патрубку 3 направляются в осадочную камеру.
Основными конструктивными параметрами ЖВ являются глубины hex и heblx входного и выходного патрубков, радиусы RB и Яж окружностей, описывающие поверхности наружной стенки и жалюзийной решетки, длина 8жв жалюзийной решетки, угол (5жв наклона пластин относительно касательной к поверхности жалюзийной решетки, их длина 1жв и шаг ґжв, угол Хжв наклона стенки выходного патрубка, максимальный угол ц/тах разворота отводного канала.
Угол Хжв наклона стенки выходного патрубка ЖВ должен быть не менее лг/3. При данном значении угла Хжв будет исключаться сгруживание примесей на стенке выходного патрубка ЖВ. Тогда максимальный угол ц/тах разворота отводного канала ЖВ при горизонтальном расположении его входного патрубка составит не более 2тг/3 [296, 306].
Криволинейные поверхности наружной стенки и жалюзийной решетки воздухоочистителя по соображениям простоты и технологичности изготовления пневмосепаратора рекомендуется выполнить с постоянными радиусами RB и Кж окружностей. Конструктивный радиус RB окружности, описывающей поверхность наружной стенки ЖВ, выбирается исходя из компоновочных соображений пневмосепаратора.
Исследование процесса работы пневмофракционного сепари рующего устройства машины предварительной очистки зерна
В результате теоретического исследования процесса расслоения зернового материала на решетке ПОУ ввода ПСК [341], а также однофакторных экспериментов на экспериментальной установке (рисунок 3.1) установлено, что на процесс работы канала существенное влияние оказывает относительный расход /лв воздуха и коэффициент jup живого сечения направляющей решетки устройства ввода. Уровни и интервалы варьирования этих факторов, выбранных на основании априорной информации, представлены в таблице 4.1.
Для реализации опытных данных принят некомпозиционный ротатабель-ный план второго порядка, как наиболее выгодный по количеству опытов и получаемой информации в данном случае. Параметрами оптимизации рабочего процесса канала являлись эффект Е выделения примесей и вынос Р3 полноценного зерна, при этом удельная зерновая нагрузка qyd на канал составляла 38,06 кг/(см2), что соответствует подаче q зерна 50 т/ч на площадь поперечного сечения ПСК машины МПО-50.
Скорость ввода зерновой смеси в канал соответствовала 0,4 м/с. Глубина h ПСК равнялась 0,24 м, величина hB входного окна пневмокамеры устройства вво 225 да ПСК - 0,04 м, а длина 1в направляющей решетки данного устройства - 0,13 м.
Из анализа полученных уравнений (4.1) и (4.2) следует, что качественные показатели работы ПСК в значительной мере зависят от относительного расхода цв воздуха и в меньшей мере - от коэффициента jup живого сечения направляющей решетки устройства ввода.
Дальнейшее изучение свойств поверхности отклика, описанные уравнениями (4.1) и (4.2), осуществляли с помощью многофакторных графиков [308], которые в данном случае наиболее наглядно представляют поверхности отклика Е = = fljLie, pip), Р3 = if/(jue, pip). Трехмерные графики данных уравнений приведены на рисунке 4.1, из которых следует, что функция отклика Уепри любом фиксированном значении х\ с изменением х2 имеет явный максимум при х2 = 0 (pip = 0,38), а функция отклика Yp - заметный минимум.
Технологический процесс ПСК с ПОУ ввода, соответствующий агротехническим требованиям на машины предварительной очистки зерна, обеспечивается при pip =0,38 (х2= 0) и jue = 0,51 (х\ = -1), при которых Е = 51%, Рз = 0,009%. Следует отметить, что с изменением хг (возрастанием jue) при фиксированном значении JUP = 0,38 (х2 = 0) параметры оптимизации Е и Р3 возрастают и при /лв = 1,0 (х = 0) Е = 82%, Рз = 2,2%.
Такой характер зависимостей Е = fye, JLIP\ Р3 = i//(jue, jup) объясняется тем, что при уменьшении JUP снижается количество воздуха Q, проходящего через решетку устройства ввода ПСК. В результате ухудшается ожижение зернового потока на решетке устройства ввода ПСК.
Поэтому зерновой поток в ПСК поступает в слабо разрыхленном состоянии, сгруживается на стенке канала, расположенной напротив его устройства ввода, а затем по мере накопления сходит в очищенный зерновой материал и ухудшает его качество (рисунок 4.2, а). Основная часть воздуха в ПСК проходит через более разрыхленную зону зернового потока вследствие того, что она имеет меньшее сопротивление движению воздуха. Это в свою очередь приводит к неравномерному распределению скоростей ve воздуха по глубине канала, обусловливающему увеличение выноса Р3 полноценного зерна.
С увеличением jie качество ожижения зернового потока на решетке ПОУ ввода ПСК улучшается. Компоненты зерновой смеси, находящиеся в псевдоожи-женном состоянии, распределяются по толщине слоя в соответствии с их свойствами. Легкие примеси под действием силы R сопротивления воздушного потока через межзерновое расстояние псевдоожиженного слоя выносятся в его верхние горизонты, средний слой составляют щуплые и дробленые зерна, а в нижнем горизонте оказываются полноценные зерна, имеющие наименьший коэффициент кп парусности. Перераспределенный по аэродинамическим свойствам зерновой поток, сходящий с решетки устройства ввода в «вспущенном» состоянии, равномерно распределяется по глубине h и по высоте Нв ПСК. В результате этого исключается сгруживание зернового материала на стенке ПСК, расположенного напротив его ПОУ ввода (рисунок 4.2, б). Вследствие этого достигается равномерное распределение скоростей ve воздуха по сечению ПСК, обусловливающее существенное улучшение условий выделения примесей, а также снижение выноса Рз полноценного зерна. Однако при цр, большем 0,38, количество воздуха Q, поступающего в пневмокамеру устройства ввода ПСК, значительно возрастает, что приводит к меньшей его подаче в ПСК, вследствие чего эффективность выделения примесей в нем снижается.
Таким образом, наиболее эффективное функционирование ПСК с ПОУ ввода достигается при /лр = 0,38 и /лв = 1,0, при которых параметры оптимизации составляют Е = 82%, Р3 = 2,2%, что согласуется с проведенными теоретическими исследованиями, представленными в разделе 2.2.1.
