Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние зерноочистительной техники и проблемная ситуация в процессах сепарирования зерновых и зернобобовых культур .
1.1 Анализ существующих технических средств для очистки зерновых и зернобобовых культур и перспективы их развития 10
1.2 Анализ научных исследований по повышению эффективности работы сепарирующих рабочих органов 16
1.2.1 Сепарирование на плоских решетах 16
1.2.2 Центробежное сепарирование 30
1.2.3 Сепарирование по фрикционным свойствам 33
1.2.4 Воздушное сепарирование 35
1.3 Фракционирование зернового вороха 37
1.4 Обзор работ по устойчивости кинематического режима работы зерноочистительных машин 40
1.5 Содержание проблемы и пути ее решения 42
2 Сепарирование зерна и сои на решетных станах с уменьшающимся динамическим воздействием на материал по длине решета 45
2.1 Анализ факторов, определяющих процесс сепарирования 45
2.2 Классификация кинематических схем сепараторов 57
2.3 Разработка алгоритма расчета процесса сепарирования 62
2.4 Сепарирование зерна на решетных станах с нормальной составляющей в траектории движения сепарирующей поверхности . 66
2.4.1 Расчетная схема и математическая модель вибрационного перемещения частиц 66
2.4.2 Расчетная схема и математическая модель процесса просеивания проходовых частиц в отверстия решет 70
2.4.3 Обоснование методов расчетных исследований 75
2.4.4 Исследование влияния кинематических параметров на процесс сепарирования на решетном стане с эксцентриковым приводом 80
2.4.5 Исследование влияния кинематических параметров на процесс сепарирования на решетном стане с кулачковым приводом 91
2.5 Сепарирование зерна и сои на решетном стане, совершающем колебания в плоскости сепарирующей поверхности по эллиптическим траекториям 101
2.5.1 Расчетная схема и математическая модель вибрационного перемещения частиц 101
2.5.2 Исследование влияния кинематических параметров колебаний решета на перемещение частиц 109
2.5.3 Исследование влияния кинематических параметров колебаний решета на процесс сепарирования 123
Выводы по главе 131
3 Устойчивость кинематического режима работы решетных станов 133
3.1 Выбор метода расчета колебаний решетных станов 133
3.2 Разработка математических моделей колебаний решетных станов 143
Выводы по главе 148
4 Фракционирование и очистка зернового вороха в пневморешетном сепараторе 150
4.1 Принципиальная технологическая схема пневморешетного сепаратора для фракционной очистки зернового материала 150
4.2 Расчетная схема и математическая модель движения компонентов зернового материала в наклонном воздушном потоке 154
4.3 Снижение нетехнологических колебаний пневморешетного сепаратора 162
4.4 Модернизация поточных линий на базе пневморешетного сепаратора 167
Выводы по главе 176
5 Сепарирование сои 177
5.1 Поточная линия для фракционной очистки сои 177
5.2 Сепарирование сои по фрикционным свойствам 184
5.3 Исследование процесса сепарирования сои в центрифуге непрерывного действия 198
5.3.1 Исследование движения материала по внутренней поверхности ротора центрифуги 198
5.3.2 Определение производительности центрифуги 208
5.3.3 Исследование колебаний центрифуги 216
5.3.4 Производственные испытания центрифуги 218
5.3.5 Направление дальнейших исследований центробежного сепарирования 229
Выводы по главе 231
6 Рекомендации для предприятий АПК, технико-экономические показатели результатов исследования 232
6.1. Рекомендации для предприятий АПК 232
6.2. Энергетический анализ поточной линии с пневморешетным сепаратором для фракционной очистки зерна 233
6.3. Технико-экономические показатели результатов исследований очистки сои 235
Выводы по главе 243
Заключение и общие выводы 243
Литература 246
Приложения 269
- Анализ существующих технических средств для очистки зерновых и зернобобовых культур и перспективы их развития
- Анализ факторов, определяющих процесс сепарирования
- математических моделей колебаний решетных станов
- Принципиальная технологическая схема пневморешетного сепаратора для фракционной очистки зернового материала
Введение к работе
Актуальность темы. Цель сельскохозяйственного производства - обеспечение населения качественными продуктами питания. Для успешной работы сельского хозяйства необходимо развитие всех его звеньев от производства до потребления. Для обеспечения населения продуктами питания, а животноводства - кормами требуется увеличение производства зерна и бобовых культур с высоким содержанием белка. Среди бобовых культур уникальной по содержанию белка является соя.
Важнейшим фактором роста урожайности сельскохозяйственных культур является качество семян. Основными причинами снижения полевой всхожести семян являются: посев семенами низких кондиций, травмированными и биологически разнокачественными семенами. В общей структуре затрат на производство семян затраты на их послеуборочную обработку и хранение достигают 60%, что в первую очередь объясняется низкой производительностью зерноочистительных линий. Требуемое качество обработки семенного материала хозяйства получают путем многократного пропуска через зерноочистительные агрегаты; при этом увеличиваются затраты на обработку, повышаются потери и травмирование семян. Снизить травмирование семян могут технологические линии, способные на начальных этапах очистки выделять наиболее качественные фракции по аэродинамическим признакам. Эффективное выделение таких фракций при неупорядоченной подаче вороха в воздушный поток невозможно из-за взаимодействия компонентов вороха.
Одним из путей решения проблемы высококачественного семенного материала, выровненного по биологической ценности, при одновременном снижении материальных и трудовых затрат на его производство является разработка и внедрение фракционной технологии очистки семян, которая заключается в получении на первом этапе очистки разнокачественных фракций зерна и их раздельной обработки. Однако из-за отсутствия машин первого этапа очистки такой способ не получил широкого применения. Следовательно, разработка фракционной технологии очистки семян, разработка и создание на ее основе машин, повышающих качество семян при минимальных затратах, является актуальной задачей в научном и практическом плане.
Применяемые в хозяйствах зерноочистительные агрегаты и комплексы для послеуборочной обработки зерновых и бобовых культур и очистки их перед переработкой выработали свой физический и моральный ресурс.
Изложенное обусловило выбор темы для исследования.
Тема диссертационной работы соответствует разделу федеральной программы по научному обеспечению АПК Российской Федерации: шифр 01.02 «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.», Межведомственная координационная программа фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001-2005 гг. одобрена Президиумом Российской Академии сельскохозяйственных наук 18 октября 2001 г., межведомственным координационным советом по формированию и реализации программы 31 октября 2001 г.
Цель работы. Повысить эффективность сепарирования зерна и сои на основе совершенствования фракционных технологий и машин.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи.
Установить и исследовать взаимосвязи параметров воздушного и решетного сепарирования с качественными и количественными показателями очистки зерна и сои.
На основе установленных взаимосвязей разработать расчетные схемы и математические модели движения компонентов вороха в свободно-затопленной воздушной струе по фрикционным и перфорированным поверхностям, колебаний предлагаемых машин.
Выявить возможности управления технологическими свойствами компонентов вороха и разработать основы интенсификации его сепарирования в свободно-затопленной воздушной струе фрикционными и перфорированными поверхностями.
Разработать технические средства, позволяющие интенсифицировать процесс разделения вороха на стадиях послеуборочной обработки и подготовки к переработке, установить рациональные режимы их работы.
Обосновать перспективные технологии обработки зерна и сои с использованием разработанных технических средств и определить эффективность реализации основных научных положений.
Научная гипотеза. Совершенствование фракционных технологий и машин для сепарирования зерна и сои возможно посредством разработки математических моделей на основе метода статистического моделирования и дифференциальных уравнений движения компонентов' вороха.
Объект исследования. Процессы очистки и фракционирования зерна и сои в свободно-затопленной воздушной струе фрикционными и перфорированными поверхностями.
Предмет исследования. Закономерности и взаимосвязи параметров процессов очистки и фракционирования зерна и сои в свободно-затопленной воздушной струе фрикционными и перфорированными поверхностями, закономерности изменения степени их очистки и фракционирования в функции конструктивных и кинематических параметров решетных, пневморешетного, центробежного и фрикционного сепараторов.
Научная новизна положений работы, выносимых на защиту:
- закономерности образования взаимозависимых связей парамет
ров процессов очистки и фракционирования зерна и сои, закономер
ности изменения степени их очистки и фракционирования в функции
конструктивных и кинематических параметров решетных, пневморе
шетного, центробежного и фрикционного сепараторов;
- математические модели и закономерности движения компонен
тов вороха зерна и сои в свободно-затопленной воздушной струе по
фрикционным и перфорированным поверхностям;
- конструкции сепараторов и технологические линии очистки
зерна и сои с повышенными, по сравнению с аналогами, показателями
работы.
Практическая значимость и реализация работы
- решена важная народнохозяйственная задача, позволяющая
обеспечивать требуемое качество очистки зерна и получать семена
первого класса за один пропуск через зерноочистительную линию;
разработаны математические модели и алгоритмы расчета движения компонентов вороха в наклонном воздушном потоке, по решетам, просеивания через отверстия решет и колебаний зерноочистительных машин, которые могут использоваться на стадии проектирования зерноочистительных машин;
разработанные технологии и машины для очистки зерна и сои использованы ОАО «Курганский опытный механический завод», ОАО
«Курганский машиностроительный завод мельничного оборудования», Государственным проектным институтом «ГПИ Мясомолпром» при разработке технологий и машин для АПК России;
в колхозе «Дружба» Кетовского района Курганской области смонтирована поточная линия для фракционной очистки зерна;
Курганским центром стандартизации, метрологии и сертификации Госстандарта России утверждены и приняты к применению в системе пищевой промышленности и агропрома технические условия: «Соя экструдированная кормовая», ТУ 9296-024-00932117-99; «Продукт сухой соевый», ТУ 9146-010-51133105-02; «Обогатитель соевый сухой» ТУ 9146-012-51133105-02; «Обогатитель соевый пищевой (окара)», ТУ 9146-003-4501014322-02) и технологические инструкции по производству экструдированной сои, сухой окары и сухого соевого молока;
технология переработки сои и технические средства (участок очистки сои, измельчитель замоченного соевого зерна, экстрактор, теплообменник, центрифуга, сушилка окары), разработанные автором, внедрены на ООО «Молоко Зауралья», г. Курган;
разработан проект комбикормового завода производительностью 2500 тонн в месяц с цехом очистки зерновых компонентов. Разработан проект завода экструдироваиия сои производительностью 1500 тонн в месяц с цехом очистки сои. Проекты прошли государственную экспертизу. Выполнен монтаж завода экструдироваиия сои в ООО «Научно-производственная компания «Белковые комбикорма», г. Курган;
результаты исследований используются в учебном процессе Курганской ГСХА и Челябинского ГАУ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на ежегодных научно-практических конференциях ЧИМЭСХ - ЧГАУ (г. Челябинск, 1990-2006 гг.); научно-технических конференциях КСХИ - КГСХА (г. Курган, 1988-2006 гг.); Втором всероссийском конгрессе зернопереработ-чиков (г. Барнаул, 2003 г.); на заседании научно-технического совета департамента сельского хозяйства Курганской области 26 мая 2005 г.; на заседании научно-технического совета Межрегионального комитета по сельхозмашиностроению Ассоциации экономического взаимодействия областей и республик Уральского региона (г. Челябинск, 1 декабря 2005 г.); на заседании секции по системе машинных техноло-
гий и техники для животноводства Научно-методического Совета по системе машинных технологий и техники для сельского хозяйства (г. Москва, 20 апреля 2006 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 37 научных работах, изложены в монографии и пяти проектах предприятий; защищены авторским свидетельством и двумя патентами.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы, включающего в себя 227 наименований (в т. ч. 5 на иностранных языках) и приложений. Работа изложена на 268 страницах, содержит 5 таблиц, 92 иллюстрации.
Анализ существующих технических средств для очистки зерновых и зернобобовых культур и перспективы их развития
Совершенствование технологии и технических средств для возделывания и уборки зерновых выдвигает соответствующие требования к послеуборочной обработке зерна. Пропускная способность и техническая насыщенность предприятий для послеуборочной обработки должны соответствовать объемам производства и структуре посевных площадей. В зависимости от организационных форм хозяйствования и группировки хозяйств по крупности должен выбираться типоразмер технологических линий и оборудования. Наметившаяся тенденция к многоукладности в ведении сельского хозяйства, развитие фермерских хозяйств требуют учета этих особенностей при проектировании предприятий для послеуборочной обработки зерна. От качества послеуборочной обработки семян в хозяйствах зависит урожайность и, следовательно, объемы производства зерна.
Большой вклад в изучение процесса сепарации зерновых смесей внесли Н.Е. Авдеев, В.И. Анискин, А.С. Архипов, Н.Г. Гладков, В.В. Гортинский, В.П. Горячкин, А.Г. Громов, П.М. Заика, А.Н. Зюлин, А.И. Климок, И.Е. Кожуховский, Н.Ф. Конченко, Н.И. Косилов, В.А. Кубышев, П.Н. Лапшин, ИЛ. Лапшин, М.Н. Летошнев, А.А. Лопан, Е.А. Непомнящих, Г.Т. Павловский, Ю.В. Терентьев, Г.Д. Терсков, М.А. Тулькибаев, Н.Н. Ульрих, В.М., Цециновский и другие исследователи [32,38,70,77,85,92,93,102,103,104,120, 121,126,139,142-146,156,158,163,165,166,170,174,176,182,183,226].
Усилиями ученых ВИМ, ВИСХОМ, СибИМЭ, ГСКБ ПО "Воронежзер-номаш", ЧГАУ, КГСХА, ХИМЭСХ, ЛСХИ и других организаций были разработаны и в течение пятидесяти лет созданы и пущены в эксплуатацию свыше 100 тысяч зерноочистительных агрегатов и комплексов различной мощности и производительности, которые позволили механизировать послеуборочную обработку зерна, повысить производительность труда при послеуборочной обработке в 8... 10 раз и снизить затраты на обработку зерна в 1,5...2,0 раза, а главное, появилась возможность для получения высококлассных семян - основы повышения урожайности зерновых культур.
Основу зерноочистительных агрегатов, комплексов и семяочиститель-ных линий составляют решетные машины предварительной, первичной и вторичной очистки, обладающие сравнительно низкой энергоемкостью по сравнению с другими способами очистки зерновых смесей.
Так, по данным облзаготинспекции Челябинской и Курганской областей, в 1980...2000 гг., т.е. в период наибольшего оснащения АПК зерноочистительными агрегатами, при сдаче зерна на элеваторы рефакция зерна по сорным примесям составляла 2,5...3,0 %. В настоящее время рефакция продаваемого зерна достигает 8 %.
Работа зерноочистительных агрегатов осуществляется при больших затратах электроэнергии. Так в агрегате ЗАВ-20 полная установочная мощность оборудования - 33,2 кВт, в агрегате ЗАВ-25 этот показатель составляет 81 кВт. В последнем агрегате повышение мощности произошло за счет увеличения количества транспортирующих устройств, а конструкции зерноочистительных машин практически остались неизменными. Аналогичная картина наблюдается и в зерноочистительных агрегатах ЗАВ-40 и ЗАВ-50.
Кроме того, специалисты отмечают высокий уровень травмирования семян зерноочистительными агрегатами (ЗАВ-20 -9,4 %; ЗАВ-40 - 10,4 %; ЗАВ-50 - 14,5 %). Это вызвано наличием большого количества транспортирующих устройств, длина транспортирования составляет: у ЗАВ-20 37,8 м; у ЗАВ-40 42,3 м; у ЗАВ-50 102,0м [33,48,49,99,115,141,155,159,219,220].
Анализ работы существующих поточных линий и зерноочистительных машин в хозяйствах Челябинской области показал, что за один пропуск через технологическую линию невозможно получать семена первого класса. Перед обработкой в агрегатах ЗАВ-20, ЗАВ-40 зерновую смесь предварительно
очищали передвижными зерноочистительными машинами ОВП-20А или ОВС-25. Тем не менее, обработанный зерновой материал не соответствовал требованиям стандарта по чистоте третьего класса.
В зерноочистительном агрегате ЗАВ-50 зерновой ворох был дважды пропущен через всю технологическую линию. При первом пропуске триерные блоки были отключены. После второго пропуска семена по чистоте соответствовали требованиям первого класса, при этом загрузка агрегата составляла только 20 % от номинальной.
В семяочистительной линии "Петкус" не удавалось получить семена первого класса, но после установки в данную линию машины ОС-4,5А семена по чистоте стали соответствовать требованиям стандарта первого класса. Таким образом, типовые зерноочистительные линии не в состоянии производить качественную очистку зерна и сортировку семян за один технологический пропуск. Это приводит к увеличению энергозатрат, которые составляют до 5 кВт на одну тонну обработанного зерна без его сушки.
По данным Госсеминспекции, в последние годы в России семян первого класса высевается не более 20 %, а в ведущих зернопроизводящих странах высевают их до 90...95 %. Такое кризисное состояние с качеством семян в,л России специалисты объясняют недостаточным и низким технологическим и техническим уровнем механизации производства семян.
К настоящему времени срок службы исчерпан у 95 % машин и оборудования. Даже при паспортной производительности оставшихся зерноочистительных агрегатов и 500-часовой эксплуатации в сезон на таком оборудовании можно обработать не более 15 % урожая 2002 года. Кроме того, на зер-нотока хозяйств стала поступать зерновая смесь с повышенным содержанием сорной примеси. Производительность зерноочистительных машин и агрегатов в значительной степени зависит от фактических значений влажности и засоренности. Так, в соответствии с ГОСТ 5888-63, каждый процент увеличения сорных примесей в зерне основной культуры сверх 10 % снижает производительность ветро-решетных машин при очистке на 2 %, а каждый про цент увеличения влажности зерна свыше 16 % - на 5 %.
По данным ВНИИЭСХ, производительность зерноочистительных машин и агрегатов при проведении различных операций (предварительной, первичной и окончательной очистки) заметно снижается и отличается от паспортных данных. В результате этого зерно хранится на открытых площадках, что ухудшает его товарные качества и увеличивает потери. При создавшейся ситуации многие хозяйства вынуждены отказаться от предварительной и первичной обработки зерна, что приводит к утрате значительной части уже вложенных средств из-за снижения качества и увеличения потерь производимого зерна и семян.
Анализируя приведенные выше факты, можно отметить, что существующая технология послеуборочной обработки зерна в сельскохозяйственных предприятиях имеет ряд существенных недостатков. Основной недостаток существующей технологии послеуборочной обработки зерна - низкие производительность и качество очистки от примесей зернового материала, которые вызваны почти полным износом основных технических средств в агропромышленных предприятиях.
Практически на каждом этапе существующей технологии требуется очистка от засорителей и примесей: в хозяйствах АПК - на элеваторах - на мукомольных и комбикормовых заводах.
Анализ факторов, определяющих процесс сепарирования
Факторы, влияющие на эффективность послеуборочной обработки зерна с некоторой долей условности можно разделить на четыре группы: при-родно-производственные, агротехнологические, технические и организационные (рисунок 2.1), [24, 34, 64, 75]. Первые две группы факторов определяются условиями производства, принятой системой земледелия, своевременностью и качеством выполнения технологических операций по возделыванию зерновых культур. Эти факторы для послеуборочной обработки зерна являются внешней средой и считаются заданными для проектирования и выбора перспективных машин и методов их рационального использования.
Управляемыми факторами, которые являются элементами системы послеуборочной обработки зерновых культур, являются организационные и технические. Причем, технические возможности машин могут быть реализованы с учетом использования всей гаммы организационных факторов. С другой стороны, организационные факторы задают исходный уровень требований к техническим параметрам машин.
Для успешной работы сельского хозяйства необходимо развитие всех его звеньев от производства до потребления (рисунок 2.2). Животноводство и птицеводство являются потребителями кормов. Продукция животноводства поступает на переработку. Растениеводство потребляет семенной материал, который проходит очистку. Продукция растениеводства проходит первичную очистку и поступаег на переработку. Зерновые отходы используются на корм животным и птице.
Зерно делится на семенной материал, фуражное и товарное зерно. Товарное зерно перед переработкой в продукты питания подвергается очистке. В процессе
производства продуктов питания необходимо разделять промежуточные продукты и очищать готовые продукты. Зерновые отходы и отходы производства использовать на корм животным и птице.
Как видно из схемы (рисунок 2.2), наибольшее разнообразие имеет материал, поступающий на производство кормов. Корма имеют большой перечень компонентов и большой диапазон их физико-механических свойств. Поступившие компоненты, промежуточные продукты переработки и готовые корма проходят операцию сепарирования.
Степень очистки основной культуры и точность классификации посевного материала во многом влияют на урожай, а также на стабильность качества зерна при хранении. Очистка зерна перед измельчением на мукомольных и комбикормовых заводах и перед шелушением на крупяных заводах предопределяет качество готовой продукции. Четкость сепарирования на промежуточных стадиях измельчения и шелушения влияет на качество продукции, степень использования сырья и определяет нагрузку и эффективность работы остальных технологических машин.
Процесс производства продуктов питания как система может быть расчленен на четыре подсистемы, расположенных на втором уровне (рисунок 2.3). При производстве продуктов питания сельскохозяйственная продукция подвергается операциям: транспортирование, измельчение, дозирование, сепарирование и другим, которые можно представить как подсистемы третьего уровня. Далее очистка представлена системой более высокого уровня по отношению к свойствам компонентов, по которым осуществляется сепарирование вороха. Процессы сепарирования в рабочих органах, перечисленных на пятом уровне (рисунок 2.3), представлены как элементы многоуровневой системы, которые не подлежат дальнейшему расчленению.
Далее рассмотрим процесс сепарирования на решетном стане как систему и представим моделью черного ящика (рисунок 2.4). Метод «черного ящика» исходит из теоретического представления о том, что функция, как проявление поведения объекта в определенных границах, является результатом трансформации входных (первичных) величин в выходные (конечные). Метод основывается на анализе различий между исходной позицией, понимаемой как состояние перед использованием объекта, и выходной позицией, то есть состоянием в момент использования либо после использования объекта. Из анализа различий между этими двумя состояниями, а также реакции на выходной (конечной) стадии познается поведение, то есть функция объекта как целенаправленной системы.
К параметрам внешней среды относятся: влажность вороха, размеры и плотность частиц. Внутренние связи учитывают влияние воздействия решета на частицы вороха и взаимодействие между частицами. Входными управляющими параметрами являются конструктивно-кинематические параметры решетного стана: размеры и форма отверстий, угол наклона, частота и амплитуда колебаний решета. В качестве выходных параметров принимаем: удельную просеваемость для ворохового решета, удельную просеваемость и полноту выделения для подсевного решета, характеризующие эффективность процесса сепарирования.
Одним из основных признаков системы является наличие у всей системы общей цели. Целью определения рациональных параметров решетного стана является выполнение процесса сепарирования с максимальной производительностью и полнотой выделения сорных примесей при минимальных потерях зерна и эксплуатационных затратах. Системный подход к исследованию проблемы ориентирует на выбор такого решения, которое в наибольшей степени соответствует целям, стоящим перед системой, в том числе приведение в соответствие решений по частным вопросам. результатом трансформации входных (первичных) величин в выходные (конечные). Метод основывается на анализе различий между исходной позицией, понимаемой как состояние перед использованием объекта, и выходной позицией, то есть состоянием в момент использования либо после использования объекта. Из анализа различий между этими двумя состояниями, а также реакции на выходной (конечной) стадии познается поведение, то есть функция объекта как целенаправленной системы.
К параметрам внешней среды относятся: влажность вороха, размеры и плотность частиц. Внутренние связи учитывают влияние воздействия решета на частицы вороха и взаимодействие между частицами. Входными управляющими параметрами являются конструктивно-кинематические параметры решетного стана: размеры и форма отверстий, угол наклона, частота и амплитуда колебаний решета. В качестве выходных параметров принимаем: удельную просеваемость для ворохового решета, удельную просеваемость и полноту выделения для подсевного решета, характеризующие эффективность процесса сепарирования.
Одним из основных признаков системы является наличие у всей системы общей цели. Целью определения рациональных параметров решетного стана является выполнение процесса сепарирования с максимальной производительностью и полнотой выделения сорных примесей при минимальных потерях зерна и эксплуатационных затратах. Системный подход к исследованию проблемы ориентирует на выбор такого решения, которое в наибольшей степени соответствует целям, стоящим перед системой, в том числе приведение в соответствие решений по частным вопросам.
математических моделей колебаний решетных станов
Расчет колебаний машин выполнен с распределенной массой и учетом неупругого сопротивления. При изгибных колебаниях прямых стержней положение поперечного сечения и внутренние силовые факторы в нем характеризуются четырьмя величинами: прогибом, углом поворота, изгибающим моментом и поперечной силой. Амплитудные значения этих величин составляют четырехмерный вектор: Z = (U, p,M,Q). (3.13)
При расчете вынужденных гармонических изгибных колебаний проводится три расчета [136, 111, 190]: два расчета однородной задачи, которые не отличаются для случая свободных колебаний, и один расчет неоднородной задачи. Расчетная схема участка стержня и правило знаков при колебаниях показаны на рисунках 3.4 и 3.5. При изгибных колебаниях переход от сечения к сечению осуществляется путем умножения матрицы перехода М 4x4 на вектор состояния X. Весь переход от крайнего левого к крайнему правому сечению вала можно представить в виде:
При исследовании гармонических колебаний сложных систем их удобно разделять на более простые подсистемы [187]. Отделение подсистем друг от друга может быть достигнуто устранением связей между ними (метод динамических податливостей). В этом случае по направлению отброшенных связей прикладываются их реакции, которые затем определяются из условий совместимости деформации подсистем: эти искомые реакции также меняются по гармоническому закону.
Предложено [136, 189, 190] при исследовании изгибных колебаний механических передач с карданными шарнирами колебательную систему расчленять на подсистемы по карданным шарнирам. На наш взгляд, такая методика расчета не рациональна. Необходимо стремиться уменьшать число устраняемых этого необходимо разработать матрицу перехода через карданный шарнир как с упругим элементом, так и без него. о о о 1 Матрица перехода через упругий шарнир имеет вид [60]: 1 0 0 (3.17) "001 0 0 где связей, что значительно упрощает алгоритм расчета. Однако для Сш - коэффициент моментной жесткости шарнира ( Н м).
При переходе через шарнир, не имеющий упругого элемента (идеальный шарнир), появляется свободный поворот AY,, на который отличается угол поворота сечений конца і-го участка и начала (і+1)-го участка. Параметр AYr входит в математическую модель как новое неизвестное, которое впоследствии подлежит определению. Это усложняет модель.
Свободный поворот AY: не появляется, если задача решается в комплексной форме. Для безмассового упругого шарнира с демпфированием дифференциальное уравнение движения запишем в виде: СТшЦ/+ Сшу/ = М COS 0)t, (3.18) где аш - коэффициент сопротивления шарнира /Н-м-с /.
Для отыскания частного решения, описывающего стационарное периодическое движение с периодом вынуждающего момента, используем метод комплексных амплитуд, введем в рассмотрение комплексную величину ij/t, действительная часть которой совпадает с выражением для смещений:
Полученные в данном разделе матрицы (3.15) и (3.27) позволяют выполнять расчет изгибных колебаний машиностроительных конструкций, представленных в расчетной схеме цепочкой с распределенными параметрами без разделения на подсистемы по карданным шарнирам.
Для расчета крутильных колебаний центрифуги используется также метод начальных параметров в матричной форме. В случае крутильных колебаний вектор Xj (вектор состояния) - двумерный:
При изгибно-продольных и изгибно-крутильных колебаниях вектор состояния содержит шесть величин, а матрица перехода М 6 х 6.
Исходными данными для расчета колебаний машиностроительных конструкций являются: количество принятых сечений; длина, внешний и внутренний радиусы участков; масса единицы длины участков; коэффициенты жесткости и сопротивления опор; коэффициенты жесткости и сопротивления карданных шарниров. Геометрические параметры конструкций определены по чертежам. Массы и моменты инерции отдельных деталей определялись взвешиванием и по известным методикам. Коэффициенты жесткости и сопротивления опор и карданных шарниров определялись экспериментально по логарифмическим декрементам колебаний.
Принципиальная технологическая схема пневморешетного сепаратора для фракционной очистки зернового материала
Сравнительный анализ делительной способности сепарирующих рабочих органов при разделении по основным признакам (аэродинамическим свойствам, толщине, ширине, длине) показывает, что в реальных условиях хуже всего используются возможности воздушного потока. Технологическая эффективность работы воздушного потока может составлять всего лишь 15...30 % [132, 150, 153]. Причинами этого являются конструктивные недостатки в результате использования воздушных каналов как дополнительного рабочего органа в решетных зерноочистительных машинах. Это приводит к неравномерности загрузки воздушного потока, невыровненное его поля скоростей, высокой концентрации компонентов в зоне разделения, сложности технологической настройки.
Под равномерностью скоростного поля потока понимают степень различия скоростей в определенных точках поперечного и продольного сечений пневмосепарирующего канала или камеры. Многочисленные исследования [41, 123] позволили установить, что равномерность скоростного поля потока является важным условием, обеспечивающим качественное разделение зернового материала.
Создать выровненный по высоте и длине канала воздушный поток можно одновременным применением всасывающего и нагнетающего вентиляторов и специальных воздухораспределительных устройств [138, 140]. Кроме того, такая компоновка вентиляторов позволяет более полно использовать энергию воздушного потока. Увеличение угла наклона воздушного потока к горизонту до 30 повышает время сепарации и улучшают условия разделения вороха. Для достижения более высокого качества разделения в
наклонном воздушном потоке следует уменьшать скорость ввода материала [107, 123]. Практически это требование находится в противоречии с требованием повышения производительности и поэтому не всегда может быть осуществлено.
Создание оптимальной концентрации компонентов в зоне сепарирования возможно за счет применения каналов различной формы (кольцевой, круговой и т.д.), многократного воздействия воздушного потока, применения дополнительных устройств, препятствующих попаданию крупных и соломистых частиц в зону сепарации и обеспечивающих подачу материала по всей рабочей длине канала.
При выборе очередности расположения сепарирующих рабочих органов в технологических линиях, осуществляющих фракционный принцип разделения, на первой стадии предварительной очистки следует отдать предпочтение воздушному потоку, т.к. в сравнении с решетом и триером эффективность работы его в меньшей степени зависит от влажности и засоренности исходного вороха [11, 55].
Исходя из выше изложенного и на основании исследования закономерностей процессов сепарирования зернового материала, с целью повышения эффективности предварительной очистки семян при фракционной технологии послеуборочной обработки в Курганской ГСХА разработана технологическая схема пневморешетного сепаратора с рассредоточенным дифференцированным вводом зернового материала в воздушный поток (рисунок 4.1) [106-110,222].
Процесс сепарирования осуществляется решетами и в наклонном воздушном потоке, ограниченном стенками сепаратора. Высота канала определена структурой потока, соответствующей затопленной струе, что позволяет увеличить время взаимодействия компонентов смеси с воздушным потоком и тем самым повысить эффективность сепарирования. Равномерность скоростного поля воздушного потока обеспечивается применением отсасывающего 2 и нагнетающего 10 вентиляторов. Повышение качества сепарирования достигается за счет рассредоточенного ввода частиц в наклонный воздушный поток. Это обеспечивает каскад решет 5, 6 и 8, установленный по линии верхней границы струи.
Такая компоновка снижает вредное влияние решет на равномерность скоростного поля воздушного потока и вредное влияние воздушного потока на эффективность работы решет. Размеры отверстий решет по мере приближения к нагнетающему патрубку вентилятора 10 увеличиваются. В нижней части камеры расположены приемники фракций 11, 12 и 13, количество которых определяется задачами обработки.
