Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и тенденции развития самотечных и отсечных устройств 9
1.1. Тенденции развития механизации послеуборочной обработки зерна и семян 9
1.2. Обзор теоретических вопросов истечения зерновых материалов из емкостей и их движения по различным поверхностям 11
1.2.1. Особенности теоретического описания движения частицы материала по криволинейной поверхности 11
1.2.2. Кинетика и динамика движения зерновых материалов в ограниченных объемах 16
1.2.3. Анализ обзора 24
1.3. Направления развития распределительных, самотечных и отсечных устройств потока сыпучих тел 26
1.4. Влияние самотечных, распределительных и отсечных устройств на изменение физических свойств зерна 36
1.4.1. Физические характеристики зерновых материалов 36
1.4.2. Изменение физических свойств зерна под влиянием самотечных, распределительных и отсечных устройств 39
1.5. Выводы. Цель и задачи исследований 44
2. Теоретические исследования движения, регулирования и прерывания зернового потока самотеком-затвором 46
2.1. Конструктивная идея гибкого самотека-затвора и его параметры, требующие теоретического обоснования 46
2.2. Постановка задач теоретических исследований 48
2.3. Математическая модель движения потока сыпучего материала в открытом криволинейном канале 51
2.3.1. Особенности моделирования движения сыпучего материала по прямолинейному наклонному желобу 51
2.3.2, Моделирование движения потока сыпучего материала в открытом криволинейном канале 53
2.4. Математическая модель движения потока сыпучего материала в за крытом криволинейном канале 62
2.4.1. Моделирование движения потока сыпучего материала в закрытом криволинейном канале без учета центробежной силы 62
2.4.2. Исследование модели движения потока сыпучего материала в закрытом криволинейном канале с учетом центробежной силы и изменения приведенного коэффициента трения 73
2.5. Результаты теоретических исследований. Постановка задач экспери ментальных исследований 90
3. Программа и методика экспериментальных исследований 93
3.1. Программа экспериментальных исследований 93
3.2. Описание лабораторной установки 94
3.3. Характеристика объектов исследований. Методы и средства для их определения 97
3.3.1. Методика определения фрикционных свойств семян 97
3.4. Методика проведения экспериментальных исследований 101
3.4.1. Методика исследования влияния угла отклонения от вертикали гибкого самотеха-затвора на расход зерна 101
3.4.2. Методика определения влияния конструктивных параметров гибкого самотека-затвора на расход зерна 102
3.4.3. Методика определения влияния свойств зернового вороха на его расход через гибкий самотек-затвор 103
3.4.4. Методика определения влияния гибкого самотека-затвора на травмирование зерна 104
3.4.5. Методика производственных исследований влияния самотечных устройств зерноочистительных агрегатов на травмирование и посевные качества семян 106
3.5. Методика статистической обработки опытных данных 107
4. Результаты экспериментальных исследований 110
4.1. Расходная характеристика гибкого самотека-затвора 110
4.2. Оценка влияния размеров гибкого самотека-затвора на расход зернового материала 112
4.2Л. Влияние сечения самотека-затвора на расход зерна 112
4.2.2. Влияние длины самотека-затвора на расход зерна 113
4.3. Оценка влияния различных зерновых материалов на расходную характеристику гибкого самотека-затвора 115
4.4. Оценка влияния засоренности зернового материала на расходную характеристику гибкого самотека-затвора 117
4.5. Оценка влияния запирающих и самотечных устройств на травмирование и посевные качества семян 119
4.6. Результаты производственных испытаний гибкого самотека затвора на зерноочистительном агрегате ЗАВ-20 124
4.7. Выводы 127
5. Технико-экономическая оценка эффективности гибкого самотека-затвора 131
5.1. Общие положения методики расчета экономической эффективности гибкого самотека-затвора... 131
5.2. Исходная информация для расчета экономической эффективности гибкого самотека-затвора 134
5.3. Расчет экоьомической эффективности применения проектируемого гибкого самотека-затвора 135
Общие выводы 140
Список литературы 143
Приложения 165
- Особенности теоретического описания движения частицы материала по криволинейной поверхности
- Математическая модель движения потока сыпучего материала в открытом криволинейном канале
- Исследование модели движения потока сыпучего материала в закрытом криволинейном канале с учетом центробежной силы и изменения приведенного коэффициента трения
- Оценка влияния засоренности зернового материала на расходную характеристику гибкого самотека-затвора
Введение к работе
Одной из главных задач сельского хозяйства нашей страны является производство зерна. Для удовлетворения потребности России в зерне без импорта, его производство необходимо увеличить в 2 раза по сравнению с сегодняшним днем. Однако без использования высококачественных семян добиться высокой урожайности для решения этой задачи не представляется возможным. Большое отрицательное влияние, как на семенное, так и на продовольственное зерно, оказывают механические повреждения. Наличие повреждений у продовольственного зерна снижает его товарные, технологические и хлебопекарные показатели. У семенного зерна наличие механически поврежденных семян до 10% вызывает снижение полевой всхожести, гибель части растений в процессе вегетации, уменьшение продуктивности растений и, вследствие этого, снижение биологического урожая зерна от 1 до 5 ц/га. Следовательно, устранение механических повреждений зерна является актуальной задачей.
Необходимость повышения качества с/х продукции, а также стремление к снижению потерь зерна требует совершенствования технологии его послеуборочной переработки. В связи с этим возникает необходимость улучшить технологические и эксплуатационные показатели работы отдельных ее элементов, в частности, самотечных и запирающих устройств.
Решение данной задачи невозможно без всесторонних научных исследований как в теоретическом, так и в практическом направлении, на основании которых можно путем рационального и согласованного выбора соответствующих параметров обеспечить требуемые характеристики указанных устройств, или по крайней мере улучшить их.
Одно из направлений совершенствования самотечных и запирающих устройств требует разработки математической модели регулирования и за-
пирания самотечного зернового потока самотечным устройством переменной геометрии.
В основном теоретические исследования по движению сыпучих материалов по поверхности направлены на изучение закономерностей движения в открытых полостях самотечных устройств с прямолинейной поверхностью, т.е. изучение сил, действующих внутри потока материала без учета ограниченности пространства движения (закрытые полости самотечных устройств), а также факторов, влияющих на это "ограниченное" движение. Также не уделяется должного внимания изучению закономерностей истечения сыпучих материалов по криволинейным поверхностям, а именно, многими исследователями не учитывается центробежная составляющая движения потока сыпучего материала. Причем изучение закономерностей истечения рассматривается в отдельности для движения потока сыпучего материала и движения материальной точки. Но открытым остается вопрос моделирования движения, регулирования и запирания потока материала, учитывая законы сохранения энергии, т.е. условие неразрывности потока, что напрямую связано с увязкой друг с другом по производительности звеньев поточных технологических линий для послеуборочной обработки зерна (ПОЗ).
Исходя из вышеизложенного следует отметить, что создание самотечного устройства, способного одновременно выполнить функции заслонки и регулятора зернового потока, при этом предотвратить явление подсора, снизить травмирование зерна, является весьма актуальным.
Настоящая работа посвящена совершенствованию процесса самотечного транспортирования вороха, регулирования и прерывания потока самотечными устройствами переменой геометрии, так как использование существующих запирающих и самотечных устройств современных зерноочистительных агрегатов приводят к значительному росту механических повреждений зернового материала при зерноочистке.
Работа выполнена на кафедре "Технология конструкционных материалов, метрология, стандартизация, сертификация" Воронежского государственного аграрного университета имени К.Д. Глинки в соответствии с планом научно-исследовательских работ, тема № 1 ] "Совершенствование технологий и технических средств для производства продукции растениеводства и животноводства", номер государственной регистрации 01.200.1003988.
Целью работы является совершенствование управления зерновыми потоками в процессе передачи вороха по технологической цепочке поточной линии для послеуборочной обработки.
Предметом исследований является закономерности процесса движения, регулирования и прерывания самотечного зернового потока гибким самотеком-затвором.
Объектом исследований является гибкий самотек-затвор, процесс движения, регулирования и прерывания самотечного зернового потока.
На защиту выносятся: математическая модель процесса регулирования и прерывания потока сыпучего материала в закрытом криволинейном канале; техническое решение для реализации процесса регулирования и прерывания потока, его параметры.
Основное предположение состоит в том, что в отличие от идеальных жидкостей при определенном угле наклона поверхности скольжения за счет сил трения истечение сыпучих тел прекращается.
Особенности теоретического описания движения частицы материала по криволинейной поверхности
Наиболее ранними исследованиями по теории движения материальной точки (частицы) по поверхности были исследования Галилея, Ньютона, Эйлера, М.В. Остроградского.
Трудность решения этой задачи была сопряжена с тем, что уравнение движения материальной точки по поверхности в общем случае не интегрируется. Были установлены только два случая, которые могут служить в качестве общих приемов решения таких задач. К этим случаям относятся: движение точки по инерции и движение точки по опорной поверхности без трения, рассмотренные Василенко П.М. [24].
Дифференциальные уравнения движения материальной точки по поверхности в проекциях на касательную и нормаль могут быть записаны в таком виде:
где m — масса материальной точки, кг; V — скорость материальной точки, м/с; ds — дифференциал дуги траектории движения точки, м; Fx, Fy и Fz-проекции приложенных сил на оси декартовых координат, Н; р — радиус кривизны траектории движения, м; у — угол между главной нормалью и нормалью к поверхности, рад; Л, // и V— направляющие косинусы.
Исследованию движения материальной точки по поверхности с применением геометрических приемов посвящена работа И.И. Рахманинова. Его уравнения движения после некоторых преобразований, выполненных Василенко П.М., могут быть приведены к интегрируемому виду. Рассмотренный им метод исследований движения материальной точки по поверхности может найти практическое применение, если данная поверхность будет принята за идеально гладкую, а получаемые при этом уравнения интегрируются [24].
Фундаментальные исследования, посвященные теории движения материальной точки по шероховатой поверхности, выполнил П. Воронец. Однако решение задач о движении точки по поверхности при наличии трения в конечном виде не всегда осуществимо. Такое решение было получено Василенко П.М. лишь в некоторых частных случаях [24].
Таким образом, дифференциальные уравнения движения частиц по поверхности даже в идеальных случаях, т.е. при отсутствии силы трения, не имеют обобщенного метода решения. Еще большие трудности возникают при разработке такого метода для решения задач о движении частиц по поверхности с учетом сил трения и сопротивления среды. Поэтому при решений технических вопросов данной проблемы прибегают обычно к частным приемам решения. Однако отсутствие общего метода решения, пригодного для всех случаев, не исключает возможность разработки и применения частных решений, которые могут иметь место при решении сходных между собой в механико-математическом отношении задач. Следует заметить, что точное решение задач данной проблемы не всегда осуществимо. В этом случае целесообразно прибегать к приближенным методам решения (к графическим или численным методам интегрирования).
Чаще, в силу конструктивных соображений, вместо наклонных плоскостей применяют поверхности выпуклой или вогнутой формы. Так как выпуклость или вогнутость обычно симметрична по отношению к горизонтальной плоскости, т.е. образующая поверхности лежит в вертикальной плоскости, то движение частицы по такой поверхности является плоским, если начальная скорость движения направлена по касательной к образующей, а движущей силой является только сила веса частицы.
Кривые или поверхности, по которым перемещение осуществляется вследствие действия силы веса mg самой частицы, носят название гравитационных. Если такая кривая — идеально гладкая, то перемещение частицы по ней соответствует закону Галилея, скорость V перемещения частицы в этом случае не зависит от формы кривой; она зависит только от начальной скорости VQ И высоты у положения частицы.
При учете силы трения fN и центробежной силы тУ /р (рисунок 1.1), дифференциальные уравнения движения будут иметь такой вид [24]:
где N — нормальная реакция, Н; р — радиус кривизны, м; а — угол наклона поверхности скольжения, град; f— коэффициент трения.
В этом случае кинематические элементы движения будут зависеть также и от формы гравитационной кривой.
Математическая модель движения потока сыпучего материала в открытом криволинейном канале
Для описания движения материала на первом участке принята модель, предложенная профессором Л.В. Гячевым [45] для случая скольжения сыпучего материала по плоскости прямолинейного лотка. Исходные предпосылки и допущения в этом случае: зерновки, вытекающие из емкости со скоростью Ув (рисунок 2.2,а), падают с высоты Н на наклонную шероховатую поверхность АВ, составляющую угол а с горизонтом. Коэффициент трения зерновок о плоскость равен /; удар считаем абсолютно неупругим; зерновки скользят (а не перекатываются) по плоскости АВ; сопротивлением воздуха будем пренебрегать. Скорость Ув истечения зернового материала из емкости принимаем постоянной [45].
Применив теорему об изменении кинетической энергии
я Й_ = гпоН » находим скорость Vn падения материала на плос 2 2й
Поскольку точка Мп имеет составляющую скорости Fm.=K„-sina, направленную вниз по наклонной плоскости, то реакция R плоскости, возникающая в момент удара, отклонена от нормали к плоскости на угол трения ф в сторону, обратную скорости V . В результате скорость скольжения Уф) определяется геометрически (см. рисунок 2.2,6) Кс(0) Vn +Уп » гДе Vп — скорость, потерянная частицей за счет реакции R.
1. Движение сыпучего материала осуществляется сплошным неразрывным потоком. Это означает, что векторы скорости каждой частицы в одном сечении одинаковы, а относительные скорости частиц равны нулю. Траектории движения каждой частицы потока при этом совпадают с направляющей внутренней поверхности закрытого криволинейного канала у=Ф(х).
2. Поток считается несжимаемым, т.е. его плотность постоянна.
3. Приведенный коэффициент трения для каждой частицы потока считается постоянным.
4. Расход сыпучего материала через любое поперечное сечение закрытого криволинейного канала постоянный.
На втором участке направляющую разобьем на п частей точками М](Х};у]), М2(х2;Уі), ... , Mn(xn;yJ. Каждую дугу направляющей заменим хордой, в результате получим ломаную М]М2...Мп. Будем рассматривать движение материала по цилиндрической поверхности, направляющая которой является ломаная М/М2...Мп.
Предположим, что движение материала осуществляется по направляющей криволинейной поверхности фиксированной длины, заданной уравнением дуги окружности, с центральным углом ро=9@ (рисунок 2.4). Аналогично ранее рассмотренной модельной задаче направляющая криволинейной поверхности заменяется ломаной с большим числом п прямолинейных участков. Точка входа и выхода на каждом участке соединена по радиусу с центром дуги окружности, образуя малый центральный угол Afio=fi(/n а число участков равно числу малых центральных углов. Сумма величин малых центральных углов равна центральному углу /?о, соответственно сумма длин участков, равная длине гибкого самотека-затвора, будет равна четверти длины дуги окружности.
Исследование модели движения потока сыпучего материала в закрытом криволинейном канале с учетом центробежной силы и изменения приведенного коэффициента трения
Математичегкое моделирование процесса движения зернового материала по цилиндрической поверхности с криволинейной образующей необходимо для решения задачи проектирования ряда технических устройств и выбора их оптимапьных параметров [24]. Необходимо отметить, что учет максимального числа существенных факторов является естественной составляющей процесса математического моделирования. По этой причине целесообразно оценить (возможно, численными расчетами) насколько существенным является тот или иной фактор. Влияние, например, центробежной силы может выражаться через увеличение или уменьшение силы трения.
Рассмотрим движение элементарного объема материала в закрытом канале зернопровода. Предполагается, что канал достаточно длинный и поэтому реализуется однослойное движение материала, т.е. все параметры (скорость, сила трения, центробежная сила) частиц потока меняются только от сечения к сечению. Движение частиц плоскопараллельное, причем траектория движения центра масс элементарного объема совпадает с направляющей цилиндрической поверхности. Внутреннее взаимодействие всей большой совокупности частиц некоторого элементарного объема уравновешивается (третий закон Ньютона), поэтому рассматривается движение центра масс этого объема. Предположение о тонком слое дает возможность считать траекторию движения центра масс совпадающей с направляющей поверхности.
Данная задача является линейной, однако при ее решении получаются громоздкие выражения. Поэтому более эффективным является численный метод [15,49,106]. Задача решалась методом Эйлера (неявная схема), в системе MathCAD, а также для сравнения методом Рунге-Кутта с помощью специальных функций системы.
При движении сыпучего материала в канале круглого сечения необходимо учитывать изменение поверхности контакта материала и канала. Увеличение поверхности контакта ведет к увеличению силы трения. В результате для элементарного объема сыпучего материала переменной является так называемый приведенный коэффициент трения.
Приведенный коэффициент трения рассчитывается в соответствии с представлением [45]. При этом предполагается плоская форма свободной поверхности. В результате полученная система является нелинейной и решается численно (метод Эйлера, неявно-явная схема).
Рассмотрим сечение канала в виде круга радиуса RK и найдем зависимость площади "живого сечения" FM от глубины кж потока сыпучего материала в канале (рисунок 2.15),
Математическая модель реализуется в форме конкретного вычислительного алгоритма, характеристики которого (допустимый диапазон изменения параметров, погрешность вычислений, устойчивость и длительность итерационных циклов, необходимый объем памяти ЭВМ) должны быть оптимальными [160]. Обеспечение приемлемых характеристик необходимо для практической реализации алгоритма. С целью оптимизации указанных свойств проводилось сравнение различных алгоритмов. При этом использовались системы программирования TURBO BASIC и MathCAD.
Программа для расчетов составлена в системе MathCAD. В данном случае важное значение имеет структура программы. Она выбрана из условия параметрического исследования задачи (например, применения градиентных методов при идентификации модели). Блок-схема программы приведена на схеме П. 1.4, приложения 1.
Итак, рассмотрев движение материала со свободной поверхностью, сравнение результатов расчета по неявной схеме первого порядка точности и по схеме Рунге-Кутта показало, что последняя может повысить точность только на 2-3% при приемлемом компьютерном времени расчетов.
На рисунке 2.20 показано влияние центробежной силы на скорость потока. Например, при а 2, к\—0,7, к2=0,7 уменьшение скорости потока в среднем составляет 6%.
На рисунке 2.21 показана зависимость расчетного расхода сыпучего материала от угла отклонения от оси Оу направляющей поверхности закрытого криволинейного канала, которая определяет его расположение в пространстве, при этом форма канала является близкой к реальной, а длина канала остается постоянной, равной L.
Полученная расчетная расходная характеристика закрытого криволинейного канала показывает наличие трех основных участков: участок постоянного расхода сыпучего материала, регулировочная ветвь, угол прерывания потока сыпучего материала.
Оценка влияния засоренности зернового материала на расходную характеристику гибкого самотека-затвора
Выше бычо сказано, что часто самотеки и бункерные затворы работают с зерновым ворохом с содержанием соломистых примесей в значительных количествах. Содержание соломистых примесей оказывает влияние на расход материала.
Опыты показали (таблицы П.2.1, П.2.9, П.2.10, П.2.11 и П.2.12, приложение 2), что объемный вес зернового вороха зависит от процентного содержания соломистых примесей: чем больше содержание соломистых примесей в основной культуре, тем меньше объемный вес зернового вороха. Повышение содержания соломистых примесей отрицательно сказывается на сыпучих свойствах зернового вороха, т.е. увеличиваются угол естественного откоса, уменьшается скорость истечения.
Выявлено, что на диапазоне регулирования угла а отклонения самотека-затвора от 0" до 45" (на чистом материале), до 40" (при засоренности вороха 0,5% и 1,0%) и до 35 (при засоренности 1,5% и 2,0%) расход материала остается практически неизменным по каждой засоренности в пределах указанных углов, однако уменьшается с 0,55 кг/с до 0,48 кг/с с увеличением засоренности с 0% до 2,0%. Это качественно согласуется с результатами теоретических исследований (рисунок 2.11): при уменьшении насыпного веса вороха массовый расход снижается, среднее относительное расхождение полученных значений при этом составило не более 2%.
При увеличении угла до х =75 (при засоренности вороха 0% и 0,5%), до (1=70 (при засоренности 1,0% и 1,5%) и до a =65" (2,0%) наблюдается снижение расхода q.
Соответственно дальнейшее увеличение угла а расположения гибкого самотека-затвора ведет к прекращению истечения зернового вороха.
Предельные значения углов окончания истечения вороха также согласуются с теоретическими результатами (рисунок 2Л0): при увеличении процентного содержания соломистых примесей в ворохе увеличиваются углы внешнего и внутреннего трения, и, следовательно, снижается массовый расход. Наблюдаемое различие углов начала снижения расхода на ±10 говорит о качественном согласовании с теорией, однако каличественное сопоставление осложняется точностью определения углов трения засоренного вороха.
В ходе экспериментов выявлено, что при увеличении засоренности более 1,5% наблюдается пульсация истечения материала даже при незначительном отклонении самотека-затвора.
Содержание соломистых примесей более 2,0% в ворохе ведет к прекращению истечения. Это обусловлено наличием значительно большего коэффициента сопрстивления движению кс вороха по сравнению с чистым зерном и небольшим размером сечения опытного гибкого самотека-затвора. Очевидно, что при большем сечении самотека-затвора предельное содержание соломистых примесей будет большим.
Средние значения результатов опытов представлены на рисунок 4.5.
Как было сказано в первой главе, семена в основном травмируются при падении на металлическую поверхность или зерновую массу, при защемлении затворами в процессе прерывания истечения, при трении по пути движения в самотеках, при регулировании интенсивности и направления истечения в перекидных клапанах и т.д.
Выполненные сравнительные исследования по влиянию запирающих и самотечных устройств на травмирование семян пшеницы показали существенное преимущество гибкого самотека-затвора перед шиберной заслонкой при запирании самотечного зернового потока.
В результате проведенных экспериментов получены таблицы (приложение 2, таблицы П.2.13, П.2.14) и графики (рисунок 4.6, 4.7,4.8, 4.9, где линией 1 обозначена шиберная заслонка, а линией 2 — гибкий самотек-затвор), показывающие изменение уровня макро- и микротравмирования и изменение посевных качеств семян озимой пшеницы Дон-93 при различном числе прерывании зернового потока шиберной заслонкой и гибким самотеком-затвором.
Графики зависимостей макро- и микроповреждений (рисунок 4.6 и 4.7) показывают значительное возрастание количества всех видов травм при прерывании потока семян шиберной заслонкой, при этом наличие макротравм при прерывании потока семян гибким самотеком-затвором не наблюдалось, а уровень микротравмирования увеличился незначительно.
Так, например, при 10-кратном прерывании потока семян заслонкой среднее значение макротравмирования составило 0,963% при исходном уровне 0,950%, а при 50-кратном — 1,017%, т.е. увеличилось в 1,07 раза или на 7,1% относительно начального значения.
По уровню микротравмирования картина аналогична: при исходном уровне 23,0% наблюдается повышение до 28,0% при 50-кратном прерывании заслонкой, т.е. увеличение в 1,21 раза или на 21,7% от первоначального уровня.
По гибкому самотеку-затвору картина иная: даже при 50-кратном прерывании потока семян уровень макротравмирования остался на исходном уровне (0,943-0,953%), незначительные расхождения находятся в пределах ошибки опыта.
По уровню микротравмирования наблюдается некоторое увеличение: при исходном уровне 22,5% наблюдается повышение до 24,0% при 50-кратном прерывании потока семян гибким самотеком-затвором, т.е. увеличение в 1,07 раза или на 6,7% относительно начального значения.
