Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цели и задачи исследований 11
1.1 Современное состояние переработки льновороха 11
1.2 Обзор технических средств для сепарации льновороха и семе-соломистых материалов 18
1.3 Обзор исследований сепарации с использованием цилиндрических решет с наружной рабочей поверхностью 39
1.4 Постановка вопроса и задачи исследований 46
2. Теоретические основы сепарации льновороха на цилиндрическом решете с наружной рабочей поверхностью 49
2.1 Условия захвата льновороха цилиндрическим решетом 50
2.2 Условия прохождения частицы льновороха в ячейку цилиндрического решета 52
2.3 Определение параметров лотка, отводящего соломистые примеси... 57
2.4 Перемещение частиц льновороха поверхностью цилиндрического решета 62
2.5 Условия выделения из вороха соломистых примесей 75
3. Программа и методика экспериментальных исследований 89
3.1 Цели и задачи экспериментальных исследований 89
3.2 Методика исследования свойств мелкого льновороха 90
3.2.1 Определение фракционного состава мелкого льновороха 90
3.2.2 Методика определения аэродинамических свойств мелкого льновороха 92
3.3 Исследование процесса предварительной сепарации льновороха 93
3.3.1 Устройство и принцип действия лабораторной установки 93
3.3.2 Характеристика сепарируемого материала 99
3.3.3 Исследования процесса сепарации льновороха. 103
3.3.4 Исследование воздействия рабочих органов сепаратора на посевные качества семян льна 114
3.4 Обработка экспериментальных данных 116
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 117
4.1 Влияние режимов работы цилиндрического решета на сепарацию льновороха 117
4.1.1 Анализ влияния технологических параметров цилиндрического решета на потери семян льна 118
4.1.2 Анализ влияния технологических параметров цилиндрического решета на степень выделения соломистых примесей... 122
4.1.3 Анализ влияния разделяющей поверхности на процесс сепарации 126
4.2 Влияние свойств льновороха на сепарацию цилиндрическим решетом 133
4.2.1 Анализ влияния влажности льновороха и содержания примесей на сепарацию цилиндрическим решетом 134
4.2.2. Влияние подачи льновороха на предварительную сепарацию цилиндрическим решетом 138
4.3 Анализ работы подающего лотка 143
4.3.1 Анализ влияния угла наклона и колебаний подающего лотка на выделение свободных семян из льновороха 145
4.3.2 Анализ влияния параметров льновороха на выделение свободных семян льна на подающем лотке.. 149
4.3.3 Влияние угла наклона подающего лотка на работу цилиндрического решета 152
4 4.4 Анализ влияния сепарации льновороха на качество семян льна 155
5. Производственные испытания и экономическая эффективность сепаратора льновороха 159
5.1 Производственные испытания сепаратора льновороха 159
5.2 Экономическая эффективность предварительной сепарации льновороха 159
5.2.1 Определение расхода топлива на сушку льновороха после предварительной сепарации на стационаре 163
5.2.2 Расчет экономического эффекта от сохранения качества семян льна 165
Основные выводы и рекомендации 169
Список использованных источников 171
Приложения 179
- Обзор технических средств для сепарации льновороха и семе-соломистых материалов
- Условия прохождения частицы льновороха в ячейку цилиндрического решета
- Определение фракционного состава мелкого льновороха
- Анализ влияния технологических параметров цилиндрического решета на потери семян льна
Введение к работе
Лен-долгунец относится к одним из древнейших волокнистых и масличных культур. Основная ценность льна заключается в том, что он является культурой, в которой практически все части зрелого растения могут использоваться как сырье для различных отраслей промышленности.
Несмотря на устойчивый спрос на льнопродукцию, отрасль продолжает оставаться в бедственном положении, обусловленном рядом причин,
В Российской Федерации основная часть посевов льна убирается комбайновым способом, который обеспечивает гарантированное получение урожаев при любых условиях. За 40 лет своего существования, способ не претерпел существенных изменений, но имеет некоторые недостатки. Одним из них является образование льновороха, требующего проведения искусственной сушки для обмолота и получения семян.
Несоблюдение параметров и режимов сушки, обмолот вороха приводят к потерям и повреждению семян льна. Сельскохозяйственные предприятия не обеспечены качественным посевным материалом.
Высокая влажность и содержание примесей в ворохе обусловливают низкую производительность искусственной сушки и необоснованно высокий расход топлива. С учетом роста цен на энергоносители, во многих льносеющих хозяйствах ощущается их физическая нехватка. Кроме того, хозяйства вынуждены содержать громоздкую, энергонасыщенную и дорогостоящую специализированную сушильную технику.
Значительной экономии энергоресурсов, а также улучшения качества посевного материала можно достичь, удалив содержащиеся в льноворохе примеси, а также свободные семена льна, до подачи вороха в сушилку и на обмолот.
Одним из путей снижения содержания высоко влажных примесей в льноворохе является проведение его сепарации на льнокомбайне. После сепарации в льноворохе остается 10...15% путанины и соломистых примесей. Отсе-парированный льноворох обладает сыпучестью, не сюїонен к слеживанию в процессе транспортировки. Поэтому целесообразно провести его разделение на стационаре с целью дополнительного снижения содержания в ворохе соломистых примесей, уменьшения его влажности и расхода топлива на сушку. Выделение свободных семян льна в отдельную фракцию во время сепарации позволит исключить воздействие обмолачивающих аппаратов и травмирование семян.
Диссертационная работа посвящена изысканию и научному обоснованию рабочего органа и технологической схемы устройства для сепарации льно-вороха. В процессе исследований необходимо теоретически рассмотреть процесс сепарации. Теоретические исследования позволят определить параметры рабочих органов и рабочие режимы установки, обеспечивающие эффективный процесс разделения. Целью экспериментальных исследований являются проверка полученных теоретических положений, а также получение математических моделей, описывающих процесс сепарации в зависимости от внешних факторов.
В результате проведенных исследований на защиту выносятся: теоретическое обоснование основных параметров и режимов сепаратора льновороха; конструктивно-технологическая схема устройства для предварительной сепарации льновороха на стационаре; математические модели для определения рациональных параметров и режимов рабочих органов сепаратора; технико-экономические показатели проведения предварительной сепарации льновороха на стационаре сепаратором предлагаемой конструкции.
Сепарация льновороха с использованием установки, разработанной на основании результатов исследований, изложенных в данной работе, позволит уменьшить энергоемкость сушки льновороха и принципиально изменить подход к ней. Это является важным шагом в повышении эффективности комбайновой уборки льна.
Автор выражает благодарность за помощь в написании данной работы своему научному руководителю кандидату технических наук, доценту, профессору кафедры «Автомобили, тракторы и сельскохозяйственные машины», декану инженерного факультета С.А. Катченкову, а также ректору Великолукской государственной сельскохозяйственной академии, заведующему кафедрой «Автомобили, тракторы и сельскохозяйственные машины» доктору технических наук, профессору В.В. Морозову.
Обзор технических средств для сепарации льновороха и семе-соломистых материалов
Одновременная сушка продуктивной и балластной частей льновороха в сушилке приводит к нерациональному расходу теплоты на удаление влаги из примесей, которые не находят практического применения. При этом потребление сушилкой топлива возрастает до 60...66% от всего расхода на уборочные работы. Увеличивается время сушки льновороха. Это приводит к снижению производительности сушильного оборудования и сдерживанию темпов комбайновой уборки льна [7, 88]. В результате происходят простои льноуборочной техники и потери семян льна в поле от осыпания [3].
Помимо перерасхода топлива, высокое содержание путанины и примесей в льноворохе увеличивает занимаемый им объем. Поэтому оборудование для сушки вороха имеет значительные габариты, высокую металлоемкость и стоимость, что делает невыгодным его приобретение, особенно хозяйствами с небольшими посевными площадями льна, включая крестьянские и фермерские.
Из-за сложностей с переработкой вороха и отсутствия оборудования доля крестьянских и фермерских хозяйств занимающихся возделыванием льна, в Псковской области составляет лишь 0,36% (см. приложение 14).
В последнее десятилетие в хозяйствах не производилось обновление существующего парка сушильного оборудования. Имеющаяся техника либо вышла из строя, либо практически выработала свой ресурс. В целом по Псковской области обеспеченность пунктами переработки льновороха составляет лишь ЗО - 50% [34]. Например, в Великолукском районе из 10 хозяйств, возделывающих лен, только в одном функционирует промышленно изготовленная сушилка СКМ-1. Остальные хозяйства используют самодельные устройства напольного типа либо не имеют сушилок вообще.
При отсутствии сушильной техники льноворох выбрасывается вместе с остающимися в нем коробочками. В результате этого теряется до трети от полученного урожая семян льна [7]. Там, где сушильное оборудование сохранилось, при существующих ценах на топливо и объемах его потребления переработка льновороха затруднительна по экономическим причинам.
Для снижения издержек хозяйства вынуждены уменьшать посевные площади либо вообще отказываться от возделывания льна-долгунца.
Уменьшить объем льновороха и снизить расход топлива можно, удалив из вороха до сушки путанину и примеси, которые содержат большую часть влаги [6]. Как указывает В.И. Зеленко, при этом более рационально используется пространство сушильной камеры. В ней размещается большее количество льновороха (с 6,3 га против 4,6 га). Это увеличивает производительность сушилки на 86%, снижает удельный расход топлива. Продолжительность сушки уменьшается на 8,5 часа. В итоге стоимость сушки одной тонны материала снижается на 30% [38]. И.П. Копьев приводит сведения, согласно которым после удаления из льновороха путанины в сушильную камеру можно загрузить в два раза больше семенных коробочек [55]. Согласно расчетам, выполненным B.C. Бугровым, количество влаги, удаляемой при сушке вороха с удаленными из него 60% путанины, меньше в 7,7 раз, по сравнению с сушкой вороха без ее выделения [7]. Можно выделить два направления снижения энергозатрат при первичной переработке льновороха: 1) Использование альтернативных комбайновой технологий; с получением менее засоренного и влажного льновороха; 2) Совершенствование комбайновой технологии уборки льна и технических средств переработки льновороха, обеспечивающих выделение примесей до сушки. Известен раздельный способ уборки льна, как альтернативный комбайновому [111, 123]. Раздельный способ заключается в тереблении стеблей льна с помощью теребилок типа ТЛН-1,5. Далее производится расстил стеблей в ленту. Во время вылежки ленты происходит ее естественная сушка и дозревание льносемян. После лента поднимается и очесывается. При использовании раздельного способа уборки льна процесс очеса стеблей проходит в более благоприятных, чем на льнокомбайне условиях. Получаемый льноворох, по сравнению с ворохом комбайновой уборки менее засоренный, а его влажность близка к кондиционной. Однако, как указывает Д.М. Труш, в любом случае влажность семян льна в неочесанной ленте не опускается ниже 15%. ГОСТ 12388-76 устанавливает минимальное значение влажности семян на уровне 12...13%. Поэтому ворох с посевов, убираемых по раздельной технологи, все равно необходимо досушивать. Затраты топлива на сушку снижаются, однако хозяйства не могут полностью отказаться от содержания дорогостоящей сушильной техники [109]. Наиболее существенным недостатком раздельного способа уборки является зависимость его сроков от погодных условий. При пасмурной неблагоприятной погоде уборка может затянуться или, в худшем случае, не осуществиться вообще [95]. При комбайновом способе сушку вороха можно провести на стационарном пункте независимо от погодных условий [102]. Северо-западный регион РФ отличается частыми осадками в уборочный период. Количество дождливых дней составляет половину календарных суток, выпадает 150...170 мм осадков. [127]. Поэтому убирать лен, используя только раздельный способ, рискованно.
В ряде случаев переход от комбайнового способа к раздельному нецелесообразен экономически. Выгоды от уменьшения затрат на переработку льновороха сводятся на нет дополнительными финансовыми вложениями. Хозяйствам необходимо приобретать дополнительно подборщик-очесыватель (одна машина на 30...40 га), который сравним по цене с льнокомбайном. Также стоит отметить, что в настоящий момент сельскохозяйственной техники данного типа отечественной промышленностью не выпускается [109].
Комбайновый способ применим при любых погодных условиях во всех климатических зонах возделывания льна. Потери тресты при его использовании в 1,5...2 раза ниже, чем при раздельном способе [94]. Поэтому комбайновый способ уборки льна-долгунца остается на сегодняшний день наиболее универсальным и перспективным [24,44, 113].
Условия прохождения частицы льновороха в ячейку цилиндрического решета
В выражении (1.12) окружная скорость перемычек является функцией радиуса цилиндрического решета Rpetu угла отрыва Д,тр зерна от поверхности решета и угла Д, определяющего точку падения зерна на поверхность.
В основу выражения (1.12) положено описание движения материальной точки, брошенной под углом к горизонту [108]. В выражении (1.12) так же, как и в рассматриваемых выше, не учитывается действие других компонентов вороха, окружной скорости решета, параметров ячейки.
Необходима теоретическая проработка этого вопроса по уточнению выражения (1.12). По мнению Г.Е. Травиной для выделения крупных примесей на цилиндрических решетах с рабочей наружной поверхностью необходимы режимы работы решета с возможно малыми показателями кинематического режима к. Проведенные исследования процесса очистки вороха на цилиндрических решетах направлены на определение граничных параметров работы решет, при которых еще возможно качественное проведение процесса очистки. При теоретическом описании работы ЦРНРП использовался ряд допущений. Не учитывалось взаимодействие между компонентами очищаемого материала. Для адекватного теоретического описания процесса предварительной сепарации мелкого льновороха на ЦРНРП необходимо уточнение имеющихся и разработка новых выражений, с учетом физико-механических особенностей мелкого льновороха. Переработка льновороха проходит с большими затратами энергии, наблюдаются потери и травмирование семян. На сегодняшний день промышленность не выпускает серийную технику и оборудование для выделения из вороха путанины до сушки на стационаре. Сепарация на льнокомбайне позволяет получить льноворох с содержанием примесей 10...15%. Отсепарированный ворох становится менее связным, не склонен к слеживанию. При проведении его переработки часть семян травмируется из-за несоблюдения температурных режимов сушки и воздействия обмолачивающих рабочих органов. Проведение сепарации льновороха на стационаре перед сушкой целесо-образно для удаления соломистых примесей, а также выделения в отдельную фракцию свободных семян льна. Предварительная сепарация позволит снизить массу и влажность льновороха и, соответственно, расход топлива на сушку. Выделение семян предотвращает их обмолот и травмирование. Для проведения предварительной сепарации по ряду причин не представляется возможным использование зерноочистительной и обмолачивающей техники ввиду физико-механических особенностей льняного вороха и отличного фракционного состава. Анализ технических средств для сепарации семе-соломистых смесей показал, что на удалении примесей из влажных и засоренных материалов, подобных льняному вороху, ротационные рабочие органы обеспечивают большую производительность, стабильность технологического процесса разделения и меньшие потери семян. Из группы ротационных рабочих органов по совокупности различных показателей наиболее эффективно цилиндрическое решето с наружной рабочей поверхностью. Теоретически процесс предварительной очистки с использованием ЦРНРП применительно к льняному вороху не описан. Отсутствуют данные об оптимальных параметрах и режимах работы сепаратора, обеспечивающих наи-более эффективное проведение процесса предварительной сепарации. На основании вышеизложенного, были поставлены следующие задачи: 1. Определить фракционный состав, физико-механические и аэродинамические параметры компонентов льновороха, с содержанием примесей до 15%. 2. Разработать конструктивно-технологическую схему устройства для эффективной предварительной сепарации льновороха на стационаре. 3. Теоретически обосновать оптимальные параметры и режимы рабочих органов, обеспечивающие эффективное разделение вороха. 4. Провести экспериментальную проверку результатов теоретических исследований. Разработать математические модели качественных показателей сепарации льновороха: потерь семян льна, степени выделения соломистых примесей и степени выделения свободных семян льна. 5. Определить рациональные параметры и режимы сепарирующих рабочих органов. Исследовать их влияние на повреждаемость семян льна. 6. Провести производственные испытания установки для предварительной сепарации льновороха. Рассчитать экономическую эффективность проведения предварительной сепарации льновороха на стационаре.
Определение фракционного состава мелкого льновороха
Определение фракционного состава мелкого льновороха проводили по методике согласно ГОСТ 12430-66 [29] и ОСТ 70.8.9-80 [82]. Из поступившей от льнокомбайна массы вороха отбирали исследуемые навески объемом поряд-ка 900 мм . Отбор навесок проводили в пяти точках массы вороха, как показано нарис. 3.1.
Массу отобранного материала определяли на весах типа ВНЦ. Полученные образцы упаковывали в полиэтиленовую тару, снабженную бирками с указанием номера навески и ее массы.
Разделение каждой выборки на отдельные фракции проводилось по ГОСТ 12037-81 [27] и ОСТ 70.8.9-80 [82]. Массы фракций определяли на лабораторных весах ВЛР—200Г. После рассчитывали их процентное содержание в каждой выделенной навеске льновороха.
Полученные данные по фракционному составу мелкого льняного вороха приведены в табл. 3.1.
Анализируя содержащиеся в мелком льноворохе примеси, установили, что длина соломистых примесей, стеблей составляет 10...140 мм, средняя ее величина — 30...50 мм. Толщина частиц соломистых примесей около 0,5 мм. В отдельных случаях встречались соломистые примеси толщиной до 1,5...3,0 мм. Размер разрушенных коробочек (длинахширина) — 1...2х5...6 мм. Растительный сор представляет собой частицы неправильной формы с линейными разме
Для проведения исследований процесса сепарации мелкого льновороха была изготовлена экспериментальная лабораторная установка. Технологическая схема установки была разработана с учетом данных, полученных при экс пери 95 ментальных исследованиях свойств мелкого льновороха (см. п. 3.2).
Основными частями экспериментальной установки (рис. 3.2, рис. 3.3) для сепарации мелкого льновороха являются: рама /, бункер 2, питатель битер-ного типа 3, барабан 4 со сменными решетами, наклонный подающий лоток 5, чистик для очистки поверхности решета 9.
Установка работает следующим образом. Мелкий льноворох, находящийся в бункере 2, битерным питателем 3 подается на барабан 4. Льноворох проходит наклонный решетчатый лоток 5 (рис. 3.4), где выделяются свободные семена льна. Проходящие сквозь решетчатую поверхность подающего лотка 5 семена по лотку 6 стекают в приемную емкость. В качестве рабочей поверхности подающего лотка используется стальное тканое решето с квадратными ячейками размером 5x5 мм.
Семенные коробочки, их частицы и соломистые примеси после прохождения лотка 5, поступают на наружную поверхность вращающегося цилиндри-ческого решета 4. Семенные коробочки, а также оставшаяся в ворохе часть свободных семян проходят в ячейки решета на внутреннюю поверхность цилиндра и, затем, вторично проходя через решето, по скатному лотку 8 попадают в приемную емкость. Соломистые примеси выносятся наружной поверхностью решета в лоток приема крупных примесей 7. Решето очищается пассивным чистиком Р, установленным в месте стыка лотка для приема примесей и решета (рис. 3.5). Дополнительную очистку производит резиновое уплотнение между лотком для подачи вороха и поверхностью цилиндрического решета. Рама установки и каркас бункера изготовлены сварными. Боковые стен-ки бункера, лотки для отвода примесей, свободных семян и семенных коробочек выполнены из листовой стали.
Питатель битерного типа состоит из корпуса, к которому крепятся восемь зубчатых планок (битеров), осуществляющих зачерпывание материала из бункера и подачу его на лоток. Зубчатая форма битеров сделана для улучшения захватывания мелкого льновороха из бункера.
Анализ влияния технологических параметров цилиндрического решета на потери семян льна
Из полученной поверхности отклика видно, что между потерями семян льна (Y1), углом подачи льновороха (XI) и частотой вращения цилиндрического решета (Х2) существует прямопропорциональная зависимость.
Наименьшие потери семян льна при сепарации вороха (Я = 1,5%) происходят при угле подачи льновороха на решето 10 и частоте вращения решета 26 мин . При увеличении угла подачи льновороха с 10 до 50 и частоты вращения цилиндрического решета с 26 до 36 мин"1 происходит рост потерь семян льна до 25,8%. Причем, как видно из поверхности отклика, по мере роста значений Ро и преш потери семян льна увеличиваются более интенсивно. Если при увеличении угла подачи льновороха с 10 до 30 потери семян льна увеличиваются на 2,4% с 1,5 до 3,9%, то в случае увеличения угла подачи льновороха с 30 до 50, прирост потерь семян составляет 6,9%.
В качестве одной из причин роста потерь семян можно выделить уменьшение протяженности зоны сепарации цилиндрического решета при уве-личении угла подачи льновороха. При этом часть семенных коробочек, особенно коробочки со стеблем (около 50% от коробочек, попадающих в отходы) не проходят в ячейки цилиндрического решета и выносятся в отходы вместе с соломистыми примесями.
Увеличение частоты вращения решета, как показывает график на рис. 4.1 связано с увеличением потерь семян льна с 1,5 до 5,4% при стабилизации угла подачи вороха на уровне 10 и с 10,8 до 25,8% при угле подачи вороха на решето 50.
Увеличение частоты вращения цилиндрического решета с 26 до 36 мин 1 увеличивает скорость частиц вороха, находящихся на его поверхности. При увеличении частоты вращения решета с 26 до 36 мин"1 усиливается воздействие перемычек решета на частицы вороха. При частоте вращения решета 36 мин"1 и при дальнейшем ее увеличении под воздействием перемычек семенные коробочки, не имеющие связей, удерживающих их в массе льновороха, отрываются от поверхности решета. Их «приземление» на поверхность цилиндрического решета происходит в конце зоны сепарации, поэтому данная часть коробочек не успевает пройти в ячейки решета.
Коробочки выносятся в отходы, что увеличивает потери семян с ростом частоты вращения решета, отраженное на рис. 4.1.
Интенсивность взаимодействия перемычек решета с семенными Kopq-бочками зависит от размеров ячейки. Вероятность взаимодействия будет увеличиваться по мере приближения площади ячейки решета к площади поперечного сечения семенной коробочки. Данное явление характерно для решета с коэффициентом живого сечения 0,08. Площадь ячейки данной разделяющей поверхности сопоставима с площадью поперечного сечения семенной коробочки.
Площадь ячеек решет с коэффициентами живого сечения s — 0,15 и s = 0,23, использовавшихся в процессе экспериментальных исследований, превышала площадь поперечного сечения коробочки соответственно в 32 и 24 раза соответственно. При столь существенных различиях размеров, столкновение перемычек с коробочками, при котором они совершают полет над поверхностью решета, маловероятно. В этом случае, основное влияние на величину потерь семян оказывает угол подачи льновороха. С увеличением угла подачи льновороха с 10 до 50 протяженности зоны сепарации становится недостаточно для прохода всех коробочек, особенно имеющих стебель.
Совместное действие двух факторов — угла подачи льновороха и частоты вращения решета вызывает более интенсивный рост потерь семян льна. При увеличении угла подачи льновороха с 10" до 50 на частоте вращения решета 36 мин"1 потери семян возрастают с 5,4 до 25,8%. Это соответственно на 3,9% и 15,0% больше, чем на частоте вращения решета 26 мин"1.
Поверхность отклика на рис. 4.1 имеет выраженные экстремумы. При угле подачи льновороха 10 и частоте вращения решета 26 мин 1 поверхность отклика имеет нижний экстремум, соответствующий наименьшим потерям семян льна П = 1,5%.
Максимальные потери семян льна (Я = 25,8%) соответствуют углу подачи льновороха на решето / = 50 и частоте вращения цилиндрического решета Иреш = 36 мин"\
Допустимые потери семенных коробочек при предварительной сепара-ции льновороха составляют не более 3% [4]. Это соответствует 2% семян льна от общей массы семян, содержащихся в льноворохе. Исходя, из этого поверхность отклика может быть разбита на две области — область значений / и преш, при которых потери превышает допустимую величину и область оптимума. Данная область определяет сочетания режимов установки, в которых потери семян льна находятся в допустимых пределах.
Проведя анализ поверхности отклика на рис. 4.1 с помощью программы STATISTICA, получены диапазоны рациональных значений факторов: угол подачи льновороха на решето 19; частота вращения цилиндрического решета 30 мин"1.
