Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы по повышению эффективности послеуборочной обработки зерна и задачи исследований 12
1.1 Анализ существующих технических средств для послеуборочной обработки зерна и перспективы их развития 12
1.1.1 Существующие зерноочистительные машины и агрегаты для очистки и сортирования зерна 12
1.1.2 Формы отверстий и геометрия перемычек плоских решет и их связь с кинематическими параметрами зерноочистительных машин 30
1.2 Анализ научных исследований по сепарации зерна на решетах с повышенной ориентирующей способностью 44
1.3 Обзор и анализ исследований по очистке решет от застрявших в отверстиях зерен 53
1.4 Обзор работ по устойчивости кинематического режима работы плоских решет 65
1.5 Пути повышения эффективности послеуборочной обработки зерна 72
1.6 Проблемная ситуация в послеуборочной обработки зерна и задачи исследований 75
2 Теоретические положения сепарации зерна на решетах с цилиндрическими перемычками разного диаметра 79
2.1 Расчетная схема и математическая модель движения решетной машины и обрабатываемого материала 79
2.2 Вероятность попадания частиц в отверстия при опускании на неподвижные решета с различной геометрией продольных перемычек 86
2.3 Перемещение частиц по решету с перемычками различной геометрии при прямолинейных колебаниях 96
2.4 Перемещение частиц по перемычкам решет при круговых колебаниях в горизонтальной плоскости 108
2.5 Анализ факторов, влияющих на вероятность попадания частиц в отверстия решет 113
2.5.1 Исследование влияния кинематических параметров на вероятность попадания частиц в отверстия решет при возвратно-поступательных колебаниях 113
2.5.2 Исследование влияния кинематических параметров на вероятность попадания частиц в отверстия решет с перемычками различной геометрии при возвратно-поступательных колебаниях 118
2.5.3 Сравнительный анализ разворота частиц эллипсоидной формы на продольных перемычках различной геометрии 124
Выводы по главе 128
3 Сепарация зерновой смеси на решетах с различной формой отверстий и геометрией перемычек при прямолинейных и круговых колебаниях в горизонтальной плоскости 130
3.1 Сепарация зерна на решетах с различной формой отверстий и геометрией перемычек при прямолинейных колебаниях 130
3.1.1 Оценка ориентирующей способности решет с различной формой отверстий и геометрией перемычек 130
3.1.2 Влияние кинематических параметров на ориентирующую способность решет с различной формой отверстий и геометрией перемычек при прямолинейных колебаниях 136
3.1.3 Влияние нагрузки на решето с продольными перемычками разного диаметра на полноту разделения зерна при различных кинематических параметрах 140
3.2 Сепарация зерна на решетах с различной формой отверстий и геометрией перемычек при круговых колебаниях в горизонтальной плоскости 144
3.2.1 Качественные показатели работы решет при круговых колебаниях в горизонтальной плоскости 144
3.2.2 Взаимодействие технологических и кинематических параметров на качественные показатели работы решет 152
Выводы по главе 158
4 Очистка решетных полотен при круговых колебаниях 160
4.1 Импульсная очистка решет от застрявших в отверстиях зерен . 160
4.2 Изгибная жесткость решет 164
4.3 Собственные колебания решет 173
4.4 Колебания решет под действием повторяющихся импульсов 180
4.5 Исследование влияния параметров ударной очистки решет с круговыми колебаниями на качественные показатели работы машины 187
Выводы по главе 195
5 Динамика решетных станов при круговых колебаниях 197
5.1 Изгибная жесткость круглых подвесок решетных станов 197
5.2 Динамика решетных станов при круговых колебаниях 207
5.3 Определение мощности на поддержание круговых колебаний решетного стана в горизонтальной плоскости 218
Выводы по главе 223
6 Рекомендации производству по модернизации зерноочистительных машин первичной очистки, реконструкции агрегатов и проектированию новых семяперерабатывающих пунктов, технико-экономические показатели результатов исследования
6.1 Рекомендации производству по модернизации зерноочистительных машин первичной очистки зерна 225
6.1.1 Модернизация приводного механизма решетных станов 226
6.1.2 Модернизация механизма очистки решет 229
Технологические схемы модернизированной и новых машин первичной очистки зерна 232
Реконструкция существующих зерноочистительных агрегатов и новые технологические линии для послеуборочной обработки зерна и семян 235
Реконструкция существующих зерноочистительных агрегатов 235
Новые технологические линии для послеуборочной обработки зерна и семян 240
Технико-экономическое обоснование результатов исследований 245
Расчет экономической эффективности результатов исследования 246
Выводы по главе 249
Заключение и общие выводы 250
Литература 253
- Существующие зерноочистительные машины и агрегаты для очистки и сортирования зерна
- Расчетная схема и математическая модель движения решетной машины и обрабатываемого материала
- Оценка ориентирующей способности решет с различной формой отверстий и геометрией перемычек
- Импульсная очистка решет от застрявших в отверстиях зерен
Введение к работе
Актуальность темьь Для производства зерна и семян на промышленной основе необходима индустриальная технология их послеуборочной обработки. Созданные для этой цели зерноочистительные агрегаты и комплексы позволили механизировать работы на токах и снизить затраты на послеуборочную обработку зерна. Конструкции машин данных технологических линий постоянно совершенствовались, т.к. производительность и качество очистки не удовлетворяли требованиям стандартов на сдаваемую продукцию. Появились новые, более мощные агрегаты и комплексы, в которых увеличение производительности достигалось не за счет интенсификации процесса сепарации, применения новых рабочих органов и режимов их работы, а за счет увеличения количества машин и технологических линий. Поэтому заметного повышения качества очистки зерна от сорных примесей и особенно семян не наблюдалось.
Причина этого явления заключается в том, что основу зерноочистительных агрегатов составляют машины с возвратно-поступательным движением рабочих органов, в которых процесс сепарации построен по принципу виброперемещения материала по шероховатой поверхности, т.е. без учета геометрических размеров семян, ориентации их относительно отверстий решета, формы отверстий и геометрии перемычек.
При возвратно-поступательном движении рабочих органов возникают динамические нагрузки, которые вызывают дополнительные возбуждения рабочих органов из-за упругой деформации звеньев машин, потери устойчивости заданного движения рабочих органов и вибрации корпусов машин. Эти динамические процессы не учитывались при создании машин, что приводило к снижениям производительности агрегатов в 2...3 раза, качества очистки зерна, надежности машин и увеличению потерь зерна на токах, достигающих 12%. После 4...6 лет эксплуатации сложная, дорогостоящая зерноочистительная техника из-за износа становится непригодной к эксплуатации. В результате возникла реальная опасность разрушения индустриальной технологии послеубо-
рочной обработки зерна и перевода ее на простейшие методы, по которым трудно получить высококачественные семена по чистоте.
Повысить эффективность и сохранить индустриальную технологию послеуборочной обработки зерна возможно за счет использования решет с повышенными ориентирующей и пропускной способностями, при высоком качестве очистки зерна от примесей и колибровании семян, обеспечения устойчивости движения рабочих органов сепарирующих систем, снижения энергозатрат и повышения надежности работы зерноочистительной техники.
Исследования в этом направлении следует квалифицировать как теоретическое обобщение важной народнохозяйственной задачи - повышение эффективности послеуборочной обработки зерна.
Работа выполнялась по плану НИР Челябинского государственного агро-инженерного университета в соответствии с разделом 02.01.06.01 «Разработать исходные требования, обосновать основные конструктивные и технологические параметры технических средств для послеуборочной обработки и хранения зерна и семян и для работ в селекции, сортоиспытании, первичном семеноводстве» тематического плана Межведомственной Координационной Программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001...2005 гг.
Научная гипотеза. Теоретические основы процессов сепарации зерна базируется на изучении закономерностей благоприятного расположения семян на сепарирующей поверхности, создании рабочих органов и режимов их движения, обеспечивающих такое расположение.
Цель исследований. Повышение эффективности сепарирующих систем в послеуборочной обработке зерна круговыми и импульсными возбуждениями рабочих органов.
Объект исследования. Процесс сепарации зернового материала на решетах с различной формой отверстий и геометрией продольных перемычек при кру-
говых и импульсных возбуждениях во взаимосвязи с обеспечением виброустойчивости рабочих органов зерноочистительных машин.
Предмет исследования. Закономерности процесса сепарации зерна на решетах с различной формой отверстий и геометрией перемычек при круговых и импульсных возбуждениях.
Методы исследований. При выполнении исследований использовались известные математические аппараты теорий движения частиц по наклонной плоскости, устойчивости движения и колебаний рабочих органов сепарирующих систем. При выполнении работы применялись методы математического моделирования, статистического анализа, факторного эксперимента, регрессионного анализа, технико-экономической оценки. Проводились экспериментальные исследования и производственные испытания модернизированных зерноочистительных машин, реконструированных агрегатов и комплексов. Анализ результатов и обработка опытных данных производились с помощью персонального компьютера с использованием прикладных программ в среде Windows.
Новизна основных положений выносимых на защиту:
Теоретические положения по оценке ориентации частиц эллипсоидной формы относительно отверстий с различной формой отверстий и геометрией перемычек при возвратно-поступательных и круговых колебаниях сепарирующих систем.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований частот собственных колебаний решет с различным коэффициентом «живого» сечения.
Влияние динамических характеристик решетных станов (жесткости подвесок, частот собственных колебаний решет, расположение центра масс решетного стана, центра жесткости подвесок и оси вращения дебаланса) на устойчивость их движения при круговых колебаниях.
Зависимость усилия расклинивания частиц из отверстий от динамических характеристик решет (прогиба, коэффициента «живого» сечения, жестко-
сти, частоты собственных колебаний), направления, продолжительности и повторносте импульса.
Влияние круговых и импульсных возбуждений сепарирующих систем на качественные показатели работы зерноочистительных машин.
Результаты испытаний реконструированных зерноочистительных агрегатов и новой семяочистительной линии.
Практическая значимость и реализация работы.
Разработаны методы расчета, позволяющие производить оценку устойчивости сепарирующих систем с круговыми и импульсными возбуждениями на стадии расчета и проектирования. Эти материалы отражены автором в книге «Расчет и конструирование зерноочистительных машин» и практических рекомендациях, одобренных НТС межрегионального комитета по сельхозмашиностроению Ассоциации экономического взаимодействия областей и республик уральского региона.
Созданы новые сепарирующие органы с повышенной ориентирующей способностью, защищенные патентами Российской федерации.
Материалы работы используются ГСКБ «Зерноочистка» при создании новых зерноочистительных машин, агрегатов и комплексов.
Разработаны рекомендации по модернизации существующих зерноочистительных машин, которые позволяют повысить производительность и качество сепарации зернового вороха и продлить их срок службы. Для реализации данных рекомендаций выполнены конструктивные разработки приводных механизмов рабочих органов, осуществлена модернизация машин первичной очистки зерна в хозяйствах Курганской области.
Разработаны рекомендации по реконструкции существующих зерноочистительных агрегатов, позволяющие повысить производительность и качество сепарации зернового вороха. Выполнены реконструкции зерноочистительных агрегатов в хозяйствах Курганской области.
Разработаны проекты и по ним построены в хозяйствах Курганской области новые семяочистительные комплексы, позволяющие за один пропуск через технологическую линию получать семена І и 2 класса.
Результаты исследований используются в учебном процессе Курганской государственной сельскохозяйственной академии, при изучении курса «Детали машин», в Челябинском государственном агроинженерном университете на кафедре «Уборочные машины».
Апробация. Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях в ЧГАУ (г. Челябинск, 1993...2003 гг.), КГСХА (г. Курган, 1993...2003 гг.), на научно-технических советах АПК Курганской области в 1991 и 2000 гг., на научно-техническом совете межрегионального комитета по сельхозмашиностроению Ассоциации экономического взаимодействия областей и республик Уральского региона (Курган, 2002 г.), на международной научно-практической конференции «Стратегия социально-экономического развития территорий Уральского экономического района» (Курган, 1997 г.), на межрегиональной научно-практической конференции «Роль науки в переходе Курганской области на модель устойчивого развития» (Курган, 1999 г.), на научно-практической конференции при проведении в рамках региональной выставки-ярмарки «Промышленный Урал - труженикам села» (Курган, 2001 г.), на XI международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России - Проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции» (Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства, Российская Академия сельскохозяйственных наук, г. Москва -2002 г.).
В ведении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность работы, конкретизируется объект и предмет исследования, приводятся основные положения работы, выносимые автором на защиту, дается общая характеристика выполненных исследований.
В первой главе "Состояние проблемы по повышению эффективности послеуборочной обработки зерна и задачи исследований" дана общая характеристика существующей зерноочистительной техники. Приведены различные виды плоских решет с различной формой отверстий и геометрией перемычек. Сделан анализ работ по оценке ориентирующей способности плоских решет, по их очистке от застрявших в отверстиях зерен, по устойчивости кинематического режима решетных станов зерноочистительных машин. Намечены пути сохранения и повышения эффективности послеуборочной обработки зерна, сформулированы проблемная ситуация в послеуборочной обработки зерна и задачи исследований.
Во второй главе " Теоретические положения сепарации зерна на решетах с цилиндрическими перемычками разного диаметра" составлены расчетные схемы движения частиц по сепарирующим поверхностям с различной формой отверстий и геометрией перемычек при прямолинейных и круговых колебаниях сепарирующей плоскости. Определены факторы, влияющие на процесс ориентации частиц эллипсоидной формы относительно отверстий решет.
Третья глава " Сепарация зерновой смеси на решетах с различной формой отверстий и геометрией перемычек при прямолинейных и круговых колебаниях в горизонтальной плоскости" посвящена экспериментальным исследованиям ориентирующей способности плоских решет с различной формой отверстий и геометрией перемычек. Установлены законы распределения сориентированных зерен по длине различных видов решет. Определены кинематические и технологические режимы работы плоских решет при различных видах колебаний -прямолинейных и круговых в горизонтальной плоскости.
В четвертой главе " Очистка решетных полотен при круговых колебаниях" обосновано использование ударного импульса для очистки отверстий решет от застрявших зерен. Установлены факторы импульсного воздействия на сепарирующие поверхности для очистки отверстий от заклинивших в них зерен. Определены частоты собственных колебаний различных видов решет и их колебания под действием повторяющихся импульсов. Установлены место и сила на-
несения импульса по решетам, взаимосвязь этих параметров на процесс сепарации.
В пятой главе "Динамика решетных станов зерноочистительных машин" рассмотрены вопросы устойчивости движения решетных станов при круговых колебаниях и факторы, влияющие на этот процесс. Установлены режимы круговых колебаний решетных станов, условия при которых наблюдается равенство радиуса колебаний всех точек решетного стана. Рассмотрены вопросы колебаний рам зерноочистительных машин при различных видах возбуждения рабочих органов.
В шестой главе "Рекомендации производству по модернизации зерноочистительных машин первичной очистки, реконструкции агрегатов и проектированию новых семяперерабатывающих пунктов, технико-экономические показа-тели результатов исследования" рассмотрены мероприятия по использованию модернизированных приводных механизмов в существующих зерноочистительных машинах, технологические проекты реконструкции агрегатов и комплексов, представлена технико-экономическая оценка результатов исследования.
Список используемой литературы содержит 232 источника.
В приложении представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по различным главам, акты внедрения разработок, а также копии патентов на изобретения.
Автор работы выражает искреннюю благодарность коллективам Челябинского государственного агроинженерного университета, Курганской государственной сельскохозяйственной академии, а также заслуженному деятелю науки и техники, доктору технических наук профессору Косилову Н.И., и другим исследователям за всестороннюю помощь и консультации при выполнении настоящей работы.
Существующие зерноочистительные машины и агрегаты для очистки и сортирования зерна
Человечество с древнейших времен возделывает зерновые культуры. Было важно не только засеять, вырастить и убрать урожай, но и сохранить его, очистить от примесей, выделить семена «...отделить зерна от плевел...» 111. Техника очистки зерновых смесей от примесей не стояла на месте и развивалась от простейших ручных приспособлений на заре цивилизации до сложных зерноочистительных агрегатов конца XX века. История механизации послеуборочной обработки зерна подробно изложена в работе Н.И. Ульриха /214/.
Для создания зерноочистительных машин были проведены многолетние исследования физико-механических свойств и процессов сепарации семян, кинематики и динамики рабочих органов зерноочистительных машин. Большой вклад в разработку теории и конструкций зерноочистительных машин внесли В.П. Горячкин, Н.Н. Ульрих, М.Н. Летошнев, И.Е. Кожуховский, З.Л. Тиц, Г.Д. Терсков, Г.Т. Павловский, П.П. Колышев, Н.Г. Гладков, М.В. Сабликов и др. /39,46,87,89,142,156,171,192,202,214/.
Усилиями ученых ВИМа, ВИСХОМа, СибИМЭ, ГСКБ ПО «Воронежзер-номаш», ЧИМЭСХ, ХИМЭСХ, ЛСХИ и других организаций были разработаны и за короткий период времени (в течение пятидесяти лет) созданы и пущены в эксплуатацию свыше 100 тысяч зерноочистительных агрегатов и комплексов различной мощности и производительности, семяочистительные приставки и семяперерабатывающие пункты, 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 /7,8,22,26,45, 51,54,65,67,74,83,95,105,106,110,118,143,148,152,161,165,177,181,185,195,208/.
Однако зерноочистительные машины, агрегаты и комплексы имеют существенные недостатки. Действительная производительность зерноочистительных машин, а, следовательно, и агрегатов оказалась ниже номинальной паспортной производительности на 30...60%, что объясняется организационными, техническими и технологическими причинами /106,113/. К ним относятся, в первую очередь, низкая пропускная способность плоских решет и высокая вибрация корпусов машин, превышающая в несколько раз допустимые значения/111,113,114/.
Основу зерноочистительных агрегатов, комплексов и семяочистительных линий составляют решетные машины предварительной, первичной и вторичной очистки, обладающие низкой энергоемкостью по сравнению с другими способами очистки зерновых смесей. Они выполняют различные функции и имеют разные решета: зерновые, подсевные и сортировальные, но работают такие машины на одном режиме - амплитуда колебаний решетных станов А = 0,0075 м, частота колебаний со = (46...50) рад/с, угол наклона a = (6...8) град /25,39,45,48,54,57,59,65,67... 74,82,88,89,113,144,153/.
Этот режим благоприятный для виброперемещения сыпучих материалов. Но для разделения зерновой смеси на отдельные фракции он является низкоэффективным, т.к. требуется значительное количество последовательно работающих машин и решет, чтобы довести качество зерна и особенно семян до необходимых требований ГОСТов.
Так, по данным райзаготинспекции Курганской области в 1980...1990 гг., при сдаче зерна на элеваторы рефакция зерна по сорным примесям составляла 2,5...3,0%/13,119/.
Кроме этого, при эксплуатации зерноочистительных машин были выявлены неравенства амплитуд колебаний верхнего и нижнего решетных станов, что способствует возникновению параметрических колебаний с резким увеличением их размаха /59,115/. Так, в машине ЗАВ-10.30000 амплитуда колебаний верхнего решетного стана Ав = (6,15...6,35) мм, а нижнего - Ан= (8,65...8,85) мм; в машине ЗВС-20 у верхнего решетного стана Ав— (8,05...8,25)мм, нижнего - //=(6,75...6,95) мм /115/. По паспорту у этих машин АВ = АН =7,5 мм.
На характер движения решетных станов оказывает влияние работа механизма очистителей решет. При движении щеточного механизма отмечены его заклинивания в крайних положениях /45/. Это приводит к поломкам деталей данного механизма. До 70% отказов в решетных машинах приходится на механизм очистителей решет /114/.
Указанные недостатки не стали основой для изучения динамики решетных зерноочистительных машин с дебалансным возбудителем колебаний. Вместо приводного механизма с уравновешенными силами инерции (ЗВС-20) установили привод верхнего и нижнего решетных станов от индивидуального механизма с неуравновешенными динамическими нагрузками (ЗВС-20А). В новых машинах типа ОЗТ, ОЗР, ОЗП, ОЗМ («Воронежсельмаш») и ОЗС (ГСКБ «Зерноочистка») /170,222/ в конструкции механизма очистки решетных станов также имеются недостатки. Значительные динамические нагрузки возникают при работе очистителей решет, которые приводят к значительному износу шарнирных соединений, поломке валов и т.д. /141/.
В агрегатах ЗАВ-25 и ЗАВ-50 вместо машины предварительной очистки ЗД-10000 стали устанавливать МПО-50, а вместо машины первичной очистки ЗАВ-10.30000 - ЗВС-20, или МПЗ-25. Результаты сравнительных испытаний данных машин по производительности и качеству очистки в литературе не приводится. Но имеются данные по установленной в машинах мощности электродвигателей. У машины ЗД-10000 Р = 4,0 кВт, ЗАВ-10.30000 Р = 1,1 кВт, ЗВС-20 Р = 5,5 кВт, МПЗ-25 Р = 5,9 кВт. У новых машин этот показатель значительно выше, чем у старых (приложение 1, таблица 1.2) /67,68,69,70,71,72,73/. 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 равен 81 кВт /67,68,69,70,71,72,73/. 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 (рис. 1.1).
Кроме этого, специалисты отмечают и высокий уровень травмирования семян в зерноочистительных агрегатах (ЗАВ-20 - 9,4%; ЗАВ-40 - 10,4%; ЗАВ-50 - 14,5%) /201/. Это вызвано наличием большого количества транспортирующих устройств, которое составляет у ЗАВ-20 - 37,8 м; ЗАВ-40 - 42,3 м; ЗАВ-50 - 102,0 м (рис. 1.2) /201 /.
Расчетная схема и математическая модель движения решетной машины и обрабатываемого материала
До 40% трудовых затрат при возделывании и уборке зерновых приходится на послеуборочную обработку зерна. Созданные в 60-тые годы двадцатого века зерноочистительные агрегаты позволили повысить в 8... 10 раз производительность труда на току и снизить в 1,5...2,0 раза затраты на послеуборочную обработку зерна. К 1990 г. в сельском хозяйстве было смонтировано свыше 100 тыс. агрегатов. Первым таким агрегатом был ЗАВ-10 с паспортной производительностью 10 т/ч. Этой производительности оказалось недостаточно. Поэтому вскоре был создан агрегат ЗАВ-20 с двумя технологическими линями ЗАВ-10, а затем ЗАВ-40, ЗАВ-25, ЗАВ-50, ЗАВ-100, но производительности агрегатов по прежнему не хватало.
Увеличение производительности агрегатов осуществлялось не за счет интенсификации процесса сепарации, а за счет увеличения количества машин, технологических линий и ширины решетных станов. Одновременно с этим увеличивались количество транспортирующих машин и энергозатраты на обработку зерна. Если в агрегате ЗАВ-10 затраты энергии на обработку одной тонны зерна составляли 18,0 кВт, то в агрегате ЗАВ-25 - 81,0 кВт.
Стремление к увеличению проектной мощности обусловлено тем, что действительная производительность агрегатов в 1,5...3,0 раза была ниже номинальной, паспортной производительности, а требуемое качество очистки зерна и подработки семян достигалось неоднократным пропуском материала в агрегате, что приводило не только к увеличению затрат, но и к травмированию семян, что способствовало снижению будущего урожая, т.к. до 70% семян терялось в почве безвозвратно.
Основу зерноочистительных агрегатов составляют решетные машины, характеризующиеся малым расходом мощности по сравнению с аспирационными и триерными системами. Теоретические положения процесса сепарации на решетах связаны с определением оптимальной скорости виброперемещения материала. Однако в решетном стане на одинаковом кинематическом режиме одновременно работают четыре решета, выполняющих различные функции. Средней скоростью можно оценить процесс сепарации на зерновом решете, ширина отверстий которого больше толщины и ширины семян. Произвести оценку процесса сепарации зерна на сортировальных решетах по средней скорости не возможно, т.к. требуется учесть взаимодействие зерен с перемычками, разворот и ориентацию относительно отверстий.
Кроме этого, при традиционных прямолинейных колебаниях решетного стана возникают динамические нагрузки, которые вызывают вибрацию корпусов машин в 2...5 раза, превышающую допустимые нормы, потерю устойчивости движения рабочих органов, нарушение кинематических, технологических параметров и процесса сепарации, а также способствуют снижению надежности машин. Особенно остро эти недостатки проявляются при выработке машин своего ресурса. На приобретение и новой техники у хозяйств нет средств, в результате возникла реальная опасность разрушения индустриальной технологии послеуборочной обработки зерна и перевода ее на простейшие технологии на открытом току, по которым трудно осуществлять качественную очистку зерна и получать выровненные по толщине семена. В 70...80-х года прошлого века, при низких ценах на электроэнергию и сельхозмашины, высокая энергоемкость послеуборочной обработки зерна и низкая надежность машин большой роли не играли - расходы электроэнергии мало контролировались, а вышедшая из строя техника заменялась новой. В настоящее время положение изменилась и в АПК сложилась проблемная ситуация, заключающаяся в том, что затраты существующей технологии послеуборочной обработки зерна не покрываются уровнем цен на продовольственное зерно. Решение проблемы повышения эффективности технологии послеуборочной обработки зерна связано с определением видов и режимов возбуждения рабочих органов, обеспечивающих перемещение зернового материала с заданной скоростью, ориентацию частиц относительно отверстий, очистку решет от застрявших в отверстиях зерен, а за счет уравновешивания динамических нагрузок - повышения надежности машин. В настоящее время у нас в стране и за рубежом проводятся исследования по замене традиционных прямолинейных колебаний на круговые, позволяющие повысить производительность решет. Однако оптимальные режимы сепарации зерна не установлены. Поэтому кинематические параметры таких машин лежат в широком диапазоне: радиус круговых колебаний R = (2...45) мм, частота со -(15... 80) раді с. В Челябинском агроинженерном университете и Курганской сельскохозяйственной академии проводятся исследования работоспособности решет с цилиндрическими перемычками, которые обладают повышенной пропускной способностью. Однако виды и режимы возбуждения таких решет не установлены. Решение данных вопросов позволит повысить эффективность сепарирующих устройств, сохранить индустриальную технологию послеуборочной обработки зерна и снизить затраты на ее проведение. Для решения поставленной ранее цели работы - повышение эффективности сепарирующих систем в послеуборочной обработке зерна круговыми и импульсными возбуждениями рабочих органов были поставлены следующие задачи исследования: 1. Разработать расчетные схемы и математические модели для исследования пропускной способности плоских решет с различной формой отверстий и геометрией перемычек при круговых и импульсных возбуждениях. 2. Определить влияние динамических параметров решетных станов (жесткости подвесок, частот собственных колебаний решет, расположение центра масс решетных станов, центра жесткости подвесок и оси вращения дебаланса) на устойчивость их движения при круговых и импульсных возбуждениях. 3. Установить влияние технологических и кинематических параметров на качественные показатели работы решет с различной формой отверстий, геометрией продольных перемычек и видами возбуждений. 4. Определить влияние величины, место приложения и направление импульсного возбуждения решет на качество очистки решет от застрявших зерен и на полноту разделения зерновой смеси. 5. Установить влияние начальной нагрузки на качественные показатели работы реконструированного зерноочистительного агрегата и нового семяочисти-тельного комплекса.
Оценка ориентирующей способности решет с различной формой отверстий и геометрией перемычек
За один цикл движения решет частицы займут положения, отличающиеся от исходного углами р\, рх , (рх". При этом проекция большей полуоси частицы определится как а\= а cos pt (рис. 2.19). Следующий цикл разворота частица будет начинать именно с угла ф\, при этом углы направления действия сил нормального давления определяются для эллипса (2.50), имеющего длину а\, при сохранившейся толщине. Аналогично имеем для второго, третьего, четвертого цикла и т.д.
В результате было определено, что при одинаковых кинематических параметрах для полного разворота частицы эллипсоидной формы, при несовпадении центра масс с продольной осью отверстия А = 0,6 мм на плоских перемычках потребуется 10 циклов, на перемычках круглого сечения, но разного диаметра 4 цикла, на продольных перемычках, состоящих из одной плоской, другой - круглого сечения - 3 цикла.
Анализ полученных результатов показал, что с увеличением количества циклов угол разворота частицы возрастает. Это объясняется следующим образом: углы между малыми радиус-векторами зависят от геометрических размеров и координат точек контакта эллипса с кромками отверстия решета /ПО/. При развороте на последующих циклах частица меняет эти координаты, и с увеличением количества циклов проекция эллипса по длине будет уменьшаться и стремиться к окружности. Причем на последних циклах угол разворота значительно увеличивается по сравнению с первыми в 3...7 раза. Это согласуется с проведенными ранее исследованиями, которые показывали, что частицы с меньшими размерами имеют больший угол разворота за один цикл, по сравнению с большими по размерам частицами /109/.
Теперь рассмотрим процесс разворота частицы эллипсоидной формы относительно прямоугольного отверстия решета совершающего круговые колебания в горизонтальной плоскости с радиусом R = 0,006 м, частотой колебаний со = ЗО раді с с углом наклона а— 8. В исходном положении частица расположена поперек отверстия. За первый цикл колебаний, с учетом продольного X (2.103) и поперечного Z (2.104) перемещений, а также с учетом отставания относительного движения от переносного по фазе на угол (2.101), частица займет положение от исходного на угол q)\ = 0,25 рад (рис. 2.18). Следующий разворот частица начнет с угла q \ = 0,25 рад и т.д. Для разворота частицы относительно исходного положения на угол л/2 при отмеченных параметрах частице потребуется шесть циклов колебаний решета (рис. 2.18).
Сравнив разворот частиц при прямолинейных и круговых колебаниях решет с прямоугольными отверстиями, можно отметить следующее. При круговых колебаниях частицы разворачиваются интенсивнее, чем при прямолинейных. Это объясняется следующим, при круговых колебаниях частицы имеют продольное и поперечное перемещение относительно отверстий, что увеличивает траекторию их движения, а следовательно, и вероятность попадания продольной осью в прямоугольное отверстие решет. Так для разворота при прямолинейных колебаниях частице потребуется 10...30 циклов, при условии, что центр масс частицы не совпадает с продольной осью прямоугольного сечения отверстия. При круговых колебания такое условие необязательно, а для разворота частицы на угол л/2, потребуется 6...8 циклов колебаний решета, что в 4...6 раз больше, чем при прямолинейных колебаниях решета. Представленная методика позволила провести сравнение по определению угла разворота и вероятности ориентации частиц эллипсоидной формы на различных сепарирующих поверхностях при различных кинематических параметрах и видах колебаний решет, что позволяет определить наилучшие условия для сепарации зернового вороха в решетных машинах. Выводы по главе 1. Составленные расчетная схема и математическая модель позволили связать в единую систему динамику рамы машины, решетного стана и частицы зерновой смеси, находящейся на решете, что помогает раскрыть физическую сущность взаимосвязи отмеченных элементов системы. Описание движения представленной системы произведено наиболее эффективным методом - с помощью уравнения Лагранжа II рода. 2. Установлено, что вероятность попадания частиц длиной осью вдоль продолговатого отверстия при опускании их на решето находится в пределах 0,11...0,42 и зависит от размеров частиц и их положения относительно отверстия решета. 3. С помощью различной геометрии продольных перемычек отверстий решета можно добиться неустойчивого положения частиц, обеспечить быстрый разворот длинной осью относительно отверстий и повысить ориентирующую способность сепарирующих поверхностей. 4. Проведенные исследования показали, что на решетах с продольными перемычками круглой формы разного диаметра и с продольными перемычками плоской и круглой формы частицы ориентируются в 2,5...3,3 раза быстрее, чем на плоскопробивных решетах. 5. Установлено, что при круговых колебаниях сепарирующей поверхности вероятность ориентации частиц увеличивается в 4...6 раз по сравнению с прямолинейными колебаниями решетных полотен.
Импульсная очистка решет от застрявших в отверстиях зерен
При принятых пределах изменения факторов наибольшее влияние на полноту разделения для плоскопробивного решета с продолговатыми отверстиями оказывают угол наклона решета а (Ьг — 0,0092), частота колебаний со (63= 0,0125), а также взаимодействие двух факторов: угол наклона а и круговая частота со (&23 = 0,0097). Значение остальных коэффициентов намного ниже выбранного уровня значимости.
Для плоскопробивного решета с продолговатыми отверстиями, расположенными под углом 45, наибольшее влияние на полноту разделения зерновой смеси оказывают влияние частота колебаний со {Ьт, = 0,016), взаимодействие двух факторов: радиус круговых колебаний R и исходная засоренность зернового материала а0 (Ь\5— 0,0101), а также совместное взаимодействие угла наклона решета а и удельной начальной нагрузки q (Z 24 = 0,0112), кроме этого следует отметить еще два фактора имеющих одинаковое количественное значение Ь$ Ь\з « 0,006: исходная засоренность зерновой смеси а0 и совместное взаимодействие двух факторов - радиус R и частота круговых колебаний со. Следует отметить, что по качественным показателям данное решетное полотно уступает решету с продолговатыми отверстиями, расположенными вдоль решета.
Для решета проволочно-сварной конструкции следует отметить следующие факторы, которые играют существенную роль на процесс сепарации - угол наклона решета а (Ь2 - 0,0229), исходная засоренность зернового материала а0 (b5 — 0,0194), совместное взаимодействие угла наклона решета а и удельной начальной нагрузки q (&24= 0,0127), удельной начальной нагрузки q и исходной засоренности материала а0 (&45 = 0,0152). Отдельное внимание заслуживает удельная начальная нагрузка q, в уравнении регрессии этот фактор имеет значение коэффициента Ь4 — 0,0104, кроме того, данный фактор присутствует в двух значимых двойных коэффициентах Ь24 и 645. По качественным показателям решето проволочно-сварной конструкции значительно превосходит решета 1 и 2.
Значительно уступает по качественным показателям трем первым решетам решетное полотно с круглыми отверстиями диаметром 0 4 мм. Для этого решета в уравнении регрессии наибольшее влияние на параметр оптимизации -оказывают следующие коэффициенты: Ъ-х,- 0,0107, Ь4 = 0,0142, 6]2= 0,0076, bl5 = 0,0086, Z 34 = 0,005 и Z 45 = 0,0065. Количественное значение оставшихся коэффициентов уравнения регрессии (3.22) намного ниже выбранного уровня значимости. Из проведенного исследования по поиску наилучшего сочетания выбранных факторов на качественные показатели работы данного решета следует, что плоскопробивное решетное полотно с круглыми отверстиями при круговых колебаниях использовать нерационально, т.к. оно обладает низкой эффективностью при таких колебаниях.
Для поиска оптимальных значений начальной удельной нагрузки и кине-матического режима со R/cosa, при котором достигается наибольшая полнота разделения Е на решете с продолговатыми отверстиями размером 2,2х 16 мм, представим взаимосвязь выбранных факторов в пространстве с координатами q, со R/cosa, Е (рис. 3.14). Как известно из требований ГОСТ 5888-74, для машин первичной очистки полнота разделения зерновой смеси не должна быть ниже значений Е = 0,6. Проведем на поверхности Е =f(q, со R/cosa) (рис. 3.14) плоскость Е - 0,6. В результате их пересечений получена кривая ABC. Точке В соответствует при Е = 0,6 следующие координаты q = 1,25 кг/с-м (наибольшая удельная нагрузка) и со R/cosa = 13,8 м/с (кинематический режим, при котором была достигнута наибольшая удельная нагрузка).
Аналогичным способом была построена поверхность для решета проволочно-сварной конструкции (рис. 3.15). В результате пресечения плоскости Е = 0,6 с поверхностью Е =f(q, со R/cosa) были получены следующие координаты, соответствующие полноте разделения Е = 0,6: q = 2,0 кг/с-м и со R/cosa =11,0 м/с . Сравнив полученные оптимальные параметры работы плоскопробивного решета с продолговатыми отверстиями с параметрами решетного полотна проволочно-сварной конструкции, отметим, что последнее имеет качественные показатели, а именно полноту разделения Е = 0,6 при удельной начальной нагрузке в 1,6 раза больше чем плоскопробивное решето. При этом кинематиче-ский режим со R/cosa (м/с ) работы решета проволочно-сварной конструкции значительно отличается в меньшую сторону от плоскопробивного, это указывает на то, что частицы зерновой смеси попадая на сепарирующую поверхность имеющую цилиндрические перемычки быстрее ориентируются относительно отверстий и проходят в них, при незначительных колебаниях.
Выводы по главе: 1. Экспериментальными исследованиями установлено, что вероятность ориентации частиц зерновой смеси на плоскопробивных решетах происходит по закону равной вероятности. Величина этой вероятности находится в пределах 0,15...0,22, т.е. для того чтобы все попавшие на решето частицы сориентировались относительно отверстий и прошли в него необходимо увеличить длину решета в 3...5 раза или увеличить количество сепарирующих устройств. 2. Установлено, на решетах имеющих одну плоскую, другую круглую перемычки, а также на решетах с перемычками круглой формы разного диаметра ориентация частиц зерновой смеси относительно отверстий происходит по закону Вейбула-Гнеденко. Наибольшее количество сориентированных зерновок наблюдалось на первых 2..3 участках решет. Для частиц зерновой смеси попавших на такие сепарирующие поверхности достаточно незначительных возмущений, чтобы они сориентировались и прошли в отверстия решет. При этом вероятность ориентации частиц зерновой массы на решетах с различной геометрией продольных перемычек выше в 2...4 раза, чем на плоскопробивных решетах. 3. В результате многофакторного эксперимента определена взаимосвязь кинематических и технологических параметров работы решета с цилиндрическими перемычками. Это позволяет определять различные режимы работы решет в зависимости от засоренности и удельной нагрузки. 4. Установлен режим работы решета с цилиндрическими перемычками, совершающего круговые колебания в горизонтальной плоскости. При радиусе круговых колебаний R = 6 мм, частоте со = 44 с"1, угле наклона решета а - 9 град.; удельной нагрузке на решето q = 0,9 кг/см была установлена наибольшая полнота разделения зерновой смеси Е = 0,76, при исходной засоренности смеси 95%. Полнота разделения такого решета Е = 0,6 наблюда-лась при нагрузке q = 2,0 кг/с-м , что выше в 1,6 раза чем на решете с продолговатыми отверстиями.
