Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований 7
1.1. Свойства зерна как объекта переработки 7
1.1.1. Технологические свойства зерна 8
1.1.2. Структурно-механические свойства зерна 10
1.1.3. Гидротермические свойства зерна 11
1.2. Классификация машин для обработки зерна водой 14
1.3. Существующие конструкции технических средств мойки зерна перед размолом или посевом 15
1.4. Анализ существующих исследований мойки зерна 24
1.4.1. Транспортирующие рабочие органы спирально-винтового типа 30
1.5. Выводы. Цель и задачи исследований 34
2. Теоретические исследования 36
2.1. Конструктивно-технологическая схема, устройство и рабочий процесс разработанной установки для мойки зерна и удаления от поверхности зерна внешней влаги 36
2.2. Движение зерна в спокойной водной среде осаждением 40
2.3. Процесс заволаживания зерна перед размолом или посевом 43
2.4. Удаление воды вертикальным перемещением влажного зерна спирально-винтовой центрифугой 47
2.4.1. Производительность и продолжительность перемещения зерна по вертикальной трассе 54
2.5. Энергетические параметры технологического процесса подготовки зерна к размолу 62
2.6. Выводы 65
3. Программа и методика экспериментальных исследований 67
3.1. Программа исследований 67
3.2. Приборы, установки для исследований 67
3.3. Методика определения основных показателей процесса перемещения зерна 70
3.4. Методика обработки результатов экспериментальных исследований 71
3.4.1 Выбор экспериментальной области факторного пространства 73
3.4.2. Выделение наиболее значимых факторов 73
3.5. Выводы 77
4. Экспериментальные исследования 78
4.1. Материально-техническая база экспериментальных исследований 78
4.2. Вертикальный подъем зерна 78
4.3. Горизонтальное перемещение зерна в водной среде 83
4.4. Движение зерна в водной среде 91
4.5. Работоспособность спирали вертикального подъема 92
4.6. Выводы 93
5, Эффективность исследований „.-95-
5.1. Общие положения 95
5.2. Стоимость изготовления устройства для мойки зерна 97
5.3. Выводы 101
Общие выводы 101
Литература 103
Приложения 112
- Существующие конструкции технических средств мойки зерна перед размолом или посевом
- Производительность и продолжительность перемещения зерна по вертикальной трассе
- Выбор экспериментальной области факторного пространства
- Работоспособность спирали вертикального подъема
Введение к работе
Производство и переработка продукции сельского хозяйства, в том числе растениеводческой продукции, в частности, зерновых культур для получения хлебобулочных изделий или увеличения всхожести семян гречихи является одним из главных задач сельского хозяйства.
Получение качественной, экологически чистой муки с наименьшими затратами труда и энергии — основная задача мельничных предприятий. Производство муки и круп - это сложный технологический, процесс с большим разнообразием технических средств механизации. Несмотря на это, вопросы предразмольной или предпосевной подготовки зерна на предприятиях небольшой производительности решены не полностью, в особенности - мойка зерна водой.
В настоящее время из-за несовершенства конструктивного исполнения, сложности изготовления, большого расхода моечной воды (до 2...3 куб. м на 1 т зерна), потерь зерна при отводе воды основная масса мельниц перешли на сухой способ очистки зерна от микропримесей. Но это не позволяет достичь полной очистки поверхности зерна, которую позволяет мойка в водяной емкости.
Неоспоримым преимуществом водной мойки зерна является очистка наружных покровов зерна и особенно бороздок от пыли и микроорганизмов, а также выделения примесей, отличающихся от зерна удельным весом. Установлено, что при нахождении зерна в воде продолжительностью до 12с, вода удерживается только на поверхности зерна и вовнутрь не проникает. После центрифугирования на поверхности зерна остается вода не более 1...2% по отношению к воде на поверхности зерна до центрифугирования [1, 72, 77].
В настоящее время в регионах России, как итог реорганизации колхозов и совхозов, формируются фермерские хозяйства, кооперативы и лично-подсобные хозяйства населения.
Мелкотоварное производство занимает большой удельный вес, а при- менение специальных высокопроизводительных машин для малых хозяйств нецелесообразно при их объеме производства, так производительность мельничных комплексов в данном случае составляет около 1 т муки в час.
Это требует, в свою очередь, развития новых, наименее энергоемких и менее металлоемких машин и технических средств, доступных для среднего круга сельскохозяйственных производителей, которые позволили бы снизить трудовые, материальные и энергетические затраты на производство муки повышенного качества или увеличения всхожести гречихи.
Известно, что при сухой мойке появляются дополнительные затраты, связанные с использованием машин для доувлажнения зерна перед размолом или посевом и для их заволаживания (кондиционирования).
В свою очередь, вопросы механизации процесса мойки зерна водой в малых мельницах с последующим центрифугированием обрабатываемого материала с целью удаления от него внешней влаги с помощью вращающихся спирально-винтовых транспортирующих рабочих органов остаются недостаточно изученными.
Совершенствование технологического процесса погрузки зерна в моечную емкость, мойки зерна, выгрузки мытого зерна, отвода загрязненной воды с примесями, удаления от зерна внешней влаги центрифугированием и подачи мытого зерна к бункерам для заволаживания путем разработки нового моечного устройства на базе вращающихся спирально-винтовых транспортирующих рабочих органов является актуальной задачей, решение которой имеет важное народнохозяйственное значение на пути механизации трудоемких процессов и сокращения затрат при размоле зерна и повышения интенсивности всхожести семян гречихи.
Существующие конструкции технических средств мойки зерна перед размолом или посевом
По данным [77,95] на мукомольных предприятиях в машинах типа ЗКМ-60, БМЗ и Ж-9-БМА зерно промывается, ополаскивается водой, осаж 16
даются тяжелые примеси, выделяются путем пенной флотации легкие примеси, обезвоживается зерно под действием центрифугирования, частично шелушатся плодовые оболочки и подсушивается поверхность зерна воздушным потоком.
Техническая характеристика моечных машин с вертикальной отжимной колонкой приведена в таблице 1.1.
Общий вид и устройство [95] машины ЗКМ-60 приведен на рисунке 1.9, отжимной колонки - на рисунке 1.10.
Основные рабочие органы моечной машины, моечная ванна 3 с камне-отделителем и отжимная (1) колонка (рисунок 1.9). В моечной ванне расположены две пары горизонтальных шнеков, два шнека перемещают зерно вправо, два шнека нижних для перемещения влево осевших частиц, камней, песка. Между моечной ванной и отжимной колонкой находится сплавная камера 2, куда зерно подается шнеком, откуда зерно перемещается в отжимную колонку гидравлическим способом.
Зерно перемещается в моечной машине шнеками со скоростью 0,25...0,3 м/с.
Отжимная колонка (рисунок 1.10) состоит из нижней фундаментальной чаши и верхней коробки, опирающейся на четыре стойки. Между чашей и коробкой по всей поверхности цилиндрической части колонки установлены металлические штампованные сита с ячейками 1,2x20 мм. Внутри отжимной колонки находится ротор. Моечные машины БМЗ и Ж-8-БМА имеют аналогичный рабочий процесс с машиной ЗКМ-60, общий вид и устройство которых приведены на рисунках 1.11 и 1.12.
Испытаниями моечной машины Ж-9-БМА установлено, что зольность зерна уменьшается на 0,02...0,04% , улучшается выделение из зерна минеральных примесей при большей частоте вращения зерновых шнеков, при п = 220 мин"1 - 59,9%, при п = 330 мин"1 - 72,8%. Количество битых зерен при угле наклона гонков на бичах отжимной колонки ос= 45 - 1,14%, при а=60 -1,62%.
Установка для мойки зерна включает основание - 1, раму - 2, на которой смонтированы все узлы и детали установки, ванну - 3 с крышкой - 4, рабочий орган - 5, привод - 6, загрузочный бункер - 7 и устройство для подачи воды - 8. Рабочий орган - 5 установлен вдоль днища ванны - 3 и состоит из гибкого винтового транспортера - 9 с перфорированным кожухом - 10, который копирует профиль днища. Ванна - 3 двустенная, а ее днище имеет дугообразную форму. В нижней части ванны - 3 установлен патрубок для удаления тяжелых примесей -11, верхняя часть которого сообщается с внутренней полостью ванны. Соответственно с патрубком для удаления тяжелых примесей - 11 расположен сливной патрубок -12, верхняя часть которого сообщается с межстенным пространством ванны - 3. В верхней части днища ванны -3 находится разгрузочное окно -13. В боковых стенках ванны -3 выполнены переливные окна -14, перекрываемые заслонками -15, установленными с возможностью регулирования их положения по высоте ванны -3. Устройство для подачи воды -8 расположено под перфорированным кожухом -10 ближе к загрузочному бункеру -7, оно состоит из патрубка -16 и соединенного с ним двустенного желоба -17. Внутренняя стенка желоба -17, который повторяет нижний контур рабочего органа, имеет перфорацию.
Установка работает следующим образом.
Из загрузочного бункера -7 зерно гибким винтовым транспортером -9 перемещается внутри перфорированного кожуха -10 в зону интенсивной мойки. Чистая вода через перфорацию двустенного желоба -17 подается внутрь перфорированного кожуха -10. Мойка осуществляется струями воды при непрерывном перемешивании зерна витками транспортера -9. Тяжелые примеси проходят через перфорацию кожуха -10 и оседают на дно ванны -3, откуда отводятся через патрубок -11, а легкие примеси всплывают на поверхность. Всплывающие легкие примеси подхватываются потоком воды, выливающейся через переливные окна -14, и удаляются с ней через сливной патрубок -12. Зерно транспортируется к разгрузочному окну -13. При движении по участку перфорированного кожуха -10, расположенному выше уровня воды в ванне -3, происходит удаление поверхностной влаги через перфорацию. Отмытое зерно выгружается через разгрузочное окно -13. Уровень воды в ванне -3 регулируется положением заслонок -15.
Повышение качества мойки достигается за счет активной системы подачи воды в зону мойки, которая обеспечивается устройством для подачи воды.
Перфорация кожуха позволяет вымывать из зерна как легкие примеси (шелуха и пр.), так и тяжелые минеральные примеси с последующим удалением обеих фракций через переливные окна и сливной патрубок соответственно.
Наличие гибкого винтового транспортера позволяет осуществить интенсивное перемешивание зерна внутри перфорированного кожуха, дополнительно повышая качество мойки исходного продукта.
Производительность и продолжительность перемещения зерна по вертикальной трассе
Согласно технологической схеме предполагается удаление поверхностной влаги от зерна при вертикальном перемещении зерна спиральным винтом через перфорированный кожух. Принципиальная схема установки приведена на рисунке 2.11.
Рабочий процесс. Спиральный винт (пружина) -4 приводится во вращательное движение приводом -1. Влага от поверхности зерна удаляется через перфорированные отверстия кожуха -2 за счет центрифужных сил инерции и сливается изнутри глухого кожуха -3 вниз, в канализацию.
Согласно выбранному технологическому процессу спирально-винтовая центрифуга должна отвечать следующим требованиям:
— обеспечить необходимую производительность подъема зерновой массы;
— обеспечить в достаточной степени съем поверхностной влаги центро бежными силами инерции;
— обеспечить требуемую (достаточно кратковременную) продолжи тельность нахождения влажного зерна в центрифуге.
В общем виде производительность, давление внутри кожуха, создаваемые винтовой поверхностью спирали, осевая скорость движения зерна зависят от многих факторов, таких как: физико-механические свойства перемещаемого зерна и режимно - конструктивных параметров компоновки рабочего органа, трассы перемещения и других:
эффициент внутреннего трения перемещаемого материала; _/п - коэффициент трения перемещаемого материала о поверхность проволоки спирали; fK - коэффициент трения перемещаемого материала о поверхность кожуха; fnK - коэффициент трения проволоки спирали о внутреннюю поверхность кожуха; р - плотность перемещаемого материала; KF - коэффициент наполнения кожуха материалом; Kv - коэффициент осевого отставания перемещаемого материала от осевой скорости винтовой поверхности спирали; г\— вязкость перемещаемого материала; Kf - коэффициент, учитывающий форму поперечного сечения витка проволоки спирали рабочего органа и др. 56 внутренний, средний, наружный радиусы спирали; Н— высота центрифуги; Л= (DK-d„)/2 — зазор; d0 - диаметр перфорированных отверстий Рисунок 2.11. — Схема работы спиральной центрифуги
В первом приближении производительность определится из уравнения: W=K.MFM-/3,KT/C (2.43) где vZM. - осевая скорость материала, м/с; FM — площадь поперечного сечения движущегося внутри кожуха материала, м2; р - плотность материала, кг/м3. Осевая скорость материала взаимосвязана с осевой скоростью v-„ винтовой поверхности спирали, и уравнение связи имеет вид v-..„ = v-и -Kv = S-n -Kv, (2.44) где Kv - коэффициент осевого отставания материала. Площадь поперечного сечения движущегося материала всегда меньше площади поперечного сечения кожуха на величину, учитываемую коэффициентом наполнения, который определяется из соотношения KF = FM/Fk = (Fk-FJ/F =VG+Vn/VK, (2.45) где Fk - площадь поперечного сечения кожуха; Fn = п$/4-since - пло S щадь поперечного сечения проволоки; a=arctg угол наклона винтовой ж ср линии спирали; dcp = dM- 8- средний диаметр спирали; VK - объем кожуха; VG - объем материала; Vn - объем рабочего органа (спирали). Объем рабочего органа (спирали) определяется из уравнения: Vn = n$V4 = 7?tfdcpL/4Scosa, (2.46) где / - длина проволоки спирали; 5- диаметр проволоки спирали. Основополагающим составляющим уравнения производительности при неизменности внутреннего диаметра кожуха является осевая скорость перемещения материала vz.,v., а первопричиной рабочего процесса является вращающаяся винтовая поверхность пружины. Перемещаемый материал, заполняющий пространство между внутренней поверхностью кожуха и винтовой поверхно ї стью пружины, находится в весьма сложных условиях, и изучение движения частиц материала представляет труднейшую проблему, как для экспериментальных, так и теоретических исследований.
Выбор экспериментальной области факторного пространства
Этот выбор связан с тщательным анализом априорной информации. Прежде всего нужно оценить границы областей определения факторов. Основной (нулевой) уровень выбирается путём рассмотрения различных ситуаций. Затем выбирают интервал варьирования факторов. Для каждого фактора определяется два уровня, на которых он варьируется в экспериментах. Уровни факторов симметричны относительно основного уровня. В задачах интерполяции интервал охватывает всю описываемую область. Выбранные уровни факторов приведены в таблице 3.1.
Цель эксперимента - выделение доминирующих факторов режима работы и конструкции выгрузного устройства. Все факторы были разбиты на две группы. В первую включили факторы: производительность (W) и частота вращения (п)- для которых отсеивающий эксперимент не производился, так как они оказывают существенное влияние на процесс выгрузки и должны быть включены в основной эксперимент. Ко второй группе отнесли факторы, обозначенные (DK, 5, S, L, Н).
Для них был проведён отсеивающий эксперимент методом «случайного баланса». Матрицу построили случайным смешиванием строк факторного экс-перимента типа 2 . Уровни факторов закодированы так, что верхнему уровню соответствуют (+1), нижнему (-1).
Условия проведения и результаты эксперимента вносим в таблицу 3.2. Матрица планирования экспериментов методом «случайного баланса» приведена в таблице 3.3.
После проведения эксперимента проверяли однородность дисперсий воспроизводимости и переходили к расчёту параметров модели и её анализу.
Коэффициенты уравнения регрессии рассчитывали с помощью метода наименьших квадратов. В общем виде формула имеет вид:
ЬІ= 2 / ,у /«,7 = 0,1,2; і = 1,2,3,4 (3.8)
Опыты, заданные матрицей, рандоминизированы во времени, т.е. обеспечивали случайный порядок их проведения. Это позволило нивелировать систематическое воздействие неконтролируемых факторов (износ спирали; кожуха).
Кодированные значения факторов, входящих в матрицу планирования и являющихся основой уравнения регрессии получали по формуле кодирования:
где Xj - безразмерная величина, колеблющаяся от «-1» до «+1»; Xj - натуральное значение фактора; х0\ - натуральное значение фактора на основном уровне; Лх\ - интервал варьирования. Для каждой серии опытов вычисляли среднее арифметическое значение функции отклика: К (3.9) Усрі =-rHyjN ,G = 1,2,3 ...N), K N=l где К - число параллельных опытов, проведённых при одинаковых условиях (в нашем случае К =3); N- число опытов по принятой матрице планирования. Оценку дисперсии (среднеквадратичное отклонение) производили согласно уравнению: к J S = ЦіУ iN Усрі)2 (ЗЛО) Для проверки воспроизводимости опытов находили отношение наибольшей оценки дисперсии к сумме всех оценок дисперсий для полнофакторного элемента эксперимента, которое называется расчётным значением критерия Кохрена: max s] Gp=- . (3.11) 7=1 Если условие Gp Gma6n выполняется, то опыты можно считать воспроизводимыми, а оценки дисперсий однородными. Для нахождения функциональных связей использовали данные опытов в виде таблиц, графиков и диаграмм. При построении графиков использовали «Графическое сглаживание» - сумма отрезков нормалей, опущенных из опытных точек на кривую должна равняться нулю.
Результаты исследований обрабатывались методом математической статистики и корреляционного анализа. Методом корреляционного анализа были найдены основные зависимости между конструктивными параметрами рабочего органа, производительностью и энергозатратами, между режимами работы спирально-винтового рабочего органа и показателями, характеризующими требования к выполнению технологических операций. При обработке данных исследований определялись:
Работоспособность спирали вертикального подъема
На основе экспериментальных исследований, включающих изучение процесса перемещения зерна по горизонтальной-и вертикальной трассе, мойки зерна в емкости с водой, удаления поверхностной (внешней) влаги от зерна на центрифуге со спирально-винтовым рабочим органом и конической центрифуге (рисунки 4.1), а также моечных емкостях установлено:
1. Удаление внешней влаги центрифугированием со спирально-винтовым рабочим органом через отверстия сетчатого кожуха (диаметры отверстий 0,7 мм) при коэффициенте центробежностиКц = 222 показало, что снаружи сетки образовывается водяная пленка, затрудняющая активное удаление воды.
2. Исследования центрифуги со спирально-винтовым рабочим органом с перфорацией кожуха круглыми отверстиями при коэффициенте центробежности К =222 показали, что для зерен пшеницы диметры отверстий перфорации не должны превышать 2 мм. Установлено, что при диаметре отверстий в 3,2 мм наблюдается застревание зерен в отверстиях, и зерна располагаются по их длине.
3. Установлено, что при вертикальном подъеме зерна транспортером со спирально-винтовым рабочим органом при частоте вращения спирали и=1060 мин_1и коэффициенте центробежности КІІ=60 в центре кожуха устанавливается устойчивая пустотная зона (пустотное кольцо) площадью в 25...30% от общей площади поперечного сечения кожуха с внутренним цилиндром DK=103 мм, наружном диаметре спирали d„=96 мм, шаге винтовой линии спирали S=S0 мм.
4. Установлено, что при высоте подъема Н=2 м уменьшение шага спирали от 80 до 30 мм и увеличение частоты вращения спирали от 1060 до 2050 мин"1 позволяет изменять продолжительность нахождения влажного зерна в процессе удаления поверхностной влаги от 2,3 до 5 с.
5. Удельные энергозатраты при вертикальном подъеме зерна, угле наклона винтовой линии спирали а=620 , шаге спирали =30 мм и частоте вращения спирали л=2050 мин"1 составляют JV ;=196 Вт/т-м, а при а=16, шаге спирали 80 мм и частоте вращения спирали 72=1060 мин"1, соответственно, Ny = 278, Вт/т-м.
6. Установлено, что заданная производительность для большинства мельничных устройств віт муки в час обеспечивается при выгрузке зерна из моечной емкости при горизонтальном перемещении спирально-винтовым транспортирующим устройством, варьированием диаметра, шага и частоты вращения спирали [W ffd,,, S, п)] в пределах- диаметр спирали 30...40 мм, шаг спирали 30...50 мм, частота вращения 750... 1200 мин"1, что позволяет установить продолжительность выгрузки в пределах 2.. .4с.
7. На основе данных экспериментальных исследований получены уравнения регрессии, отражающие зависимости продолжительности нахождения зерна в моечной установке (/, с) от производительности выгрузного рабочего органа и частоты вращения спирали.
8. Установлено, что скорость осаждения зерен пшеницы плотностью /7=750 кг/м в водной среде как единичных зерен, так и потока зерна составляет 6,6 см/с.
9. Установлено, что работоспособность рабочей спирали в случае ее наибольшей нагрузки (подъем материала вверх) при диаметре проволоки =8 мм и использования материала Ст.65Г обеспечивается, и при этом прочность, согласно третьей теории прочности, составляет сг„р=2100 кг/см2, удлинение спирали Я=7,75 см, или 3,85% от первоначальной длины спирали. 5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ
Основными показателями экономической оценки использования результатов научно-исследовательских работ, новой" техники, изобретений, согласно методике определения1 экономической эффективности использования в сельском хозяйстве результатов исследований, служат прирост производства продукции, улучшение ее качества и получаемый в хозяйствах годовой экономический эффект.
Годовой экономический эффект представляет собой суммарную экономию всех производственных ресурсов (живого труда, материалов, капитальных вложений), которую получает народное хозяйство в результате использования завершенных научно-исследовательских работ, новой техники, изобретений и рационализаторских предложений, и которая, в конечном счете, выражается в увеличении национального дохода. Кроме годового экономического эффекта, рассчитывают также прирост валовой продукции, повышение урожая, срок окупаемости дополнительных капиталовложений, рентабельность производства продукции, повышение производительности труда, высвобождение работников и другие показатели.
Исходя из общей методики, годовой экономический эффект определяется по экономии приведенных затрат и рассчитывается по формуле:
Э = [{Сб+Ен-Кб)-{СН+Ен-КН)]АН,
где Э - годовой экономический эффект, руб.; Сб, С н - себестоимость единицы продукции (работы) по базовому и новому вариантам, руб.; Кб, Кн -удельные (в расчете на единицу продукции) капитальные вложения в базовом и новом варианте, руб.; Е = 0,15 - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (равный 0,15 для Министерства сельского хозяйства РФ); А „ - объём применения результатов научных исследований и новой техники в расчетном году в натуральных единицах. Основным составляющим оценки новой техники является сравнение с
аналогами, общая сравнительная характеристика с существующими зерномоечными машинами (Глава 1). Технические характеристики моечных машин приведены в таблице 5.1.
Стоимость изготовления и покупки изделий для мойки и центрифуги, приведённых на рисунках 2.1, 2.2 и 2.3, (обоснование рекомендуемого технического средства, Глава 2), включает следующие составляющие:
I. Стоимость комплектующих деталей для всей линии мойки.
П. Стоимость изготовления вертикального транспортёра.
III. Стоимость конической центрифуги.
IV. Стоимость моечной установки.
Перечень комплектующих деталей для линии мойки и центрифугирования влажного зерна:
1. Электродвигатели,руб/шт -3100
2. Проволока стальная пружинная (Сталь 65 Г), руб./кг. - 25
3. Кожух полиэтиленовый, руб./м -120
4. Металлический уголок, руб./кг - 30
5. Подшипники качения (радиальные), 6 шт., руб — 700
6. Шкивы (6 шт.), руб - 1900
7. Ремень клиноременный (3 шт.), руб -140
8. Болты, гайки, шайбы, руб - 100
9. Электрокабель (10 м), руб - 200
Ю.Пускатели (3 шт.), руб - 440
