Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1 Основы технологии переработки семян подсолнечника и требования, предъявляемые к ним 9
1.2 Факторы, определяющие технологическую эффективность обрушивания 17
1.3 Анализ существующих способов обрушивания семян подсолнечника 23
1.4 Основные направления развития машин для обрушивания семян подсолнечника и анализ результатов их исследований 35
1.5 Краткие выводы. Цель и задачи исследования 48
2 Теория движения воздушно-зерновой смеси в рабочей зоне пневмомеханического обрушивателя 50
2.1 Теоретическое определение конструктивных параметров вентилятора-метателя и обоснование входного сечения конфузора 51
2.2 Теория взаимодействия семян с рабочей поверхностью конфузора 56
2.3 Теория движения воздушно-зерновой смеси в рабочей зоне пневмомеханического обрушивателя 59
2.3.1 Определение скорости семян после отражения от поверхности конфузора 59
2.3.2 Определение параметров скорости воздушного потока в удлинителе нагнетательного патрубка вентилятора-метателя с учетом проницаемости стенок конфузора 62
2.4 Математическое моделирование движения воздушно-зерновой смеси в рабочих зонах пневмомеханического обрушивателя и обоснование параметров рабочей пары «конфузор-полусфера» 69
3 Программа и методика экспериментальных исследований 74
3.1 Общая программа экспериментальных исследований 74
3.2 Методика лабораторных исследований 74
3.2.1 Методика определения показателей качества и
аэродинамических свойств семян подсолнечника 74
3.2.2 Методика исследования усилий разрушения при статических нагрузках 79
3.2.3 Методика экспериментального определения коэффициента восстановления семян подсолнечника 81
3.2.4 Методика исследования характера и скорости воздушного потока в удлинителе нагнетательного патрубка вентилятора-метателя 84
3.3 Методика лабораторно-производственных исследований 86
3.3.1 Методика исследования влияния режимов работы
обрушивателя на показатели технологической эффективности процесса 86
3.3.2 Методика оценки энергетических затрат 90
3.3.3 Методика обработки результатов экспериментальных исследований 91
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 95
4.1 Результаты лабораторных исследований 95
4.1.1 Определение показателей качества и аэродинамических свойств семян подсолнечника 95
4.1.2 Исследования усилий разрушения при статических нагрузках 96
4.1.3 Определение коэффициента восстановления семян подсолнечника 101
4.1.4 Исследования характера и скорости воздушного потока в удлинителе нагнетательного патрубка вентилятора-метателя 103
4.2 Результаты лабораторно-производственных исследований 106
4.2.1 Результаты исследований зависимости показателей технологической эффективности работы пневмомеханического обрушивателя от частоты вращения ротора вентилятора-метателя и конструктивных параметров рабочей пары «конфузор-полусфера» 106
4.2.2 Результаты исследований влияния расстояния между рабочими органами и частоты вращения ротора вентилятора-метателя на обобщенный показатель технологической
эффективности 112
5 Оценка эффективности работы обрушивателя пневмомеханического типа 118
5.1 Оценка показателей эффективности пневмомеханического обрушивателя в производственных условиях 118
5.2 Энергетическая оценка и сравнение разработанной пневмомеханической семенорушки с бичевой семенорушкой типа МНР 120
5.3 Технико-экономическая оценка эффективности семенорушки пневмомеханического типа 126
Общие выводы по работе 130
Список использованной литературы 132
- Основные направления развития машин для обрушивания семян подсолнечника и анализ результатов их исследований
- Определение параметров скорости воздушного потока в удлинителе нагнетательного патрубка вентилятора-метателя с учетом проницаемости стенок конфузора
- Методика экспериментального определения коэффициента восстановления семян подсолнечника
- Определение показателей качества и аэродинамических свойств семян подсолнечника
Введение к работе
Основной задачей АПК является обеспечение населения в достаточном количестве качественными продуктами питания. Продукты, полученные при переработке семян подсолнечника, находят широкое применение в пищевой промышленности и кормопроизводстве.
Одним из важнейших процессов при переработке семян подсолнечника является - обрушивание, которое оказывает существенное влияние на выход и качество подсолнечного масла, его товарный вид: вкус, запах, цвет, прозрачность. Качество обрушивания также оказывает существенное влияние на износ рабочих органов маслопрессов.
Существующие обрушиватели в основном работают по принципу однократного (центробежные) и многократного (бичевые) удара. Рушанка, полученная этими машинами, в своем составе имеет большое количество сечки и масличной пыли. Кроме того, существующие обрушиватели снижают производительность технологической линии и повышают энергоемкость процесса из-за необходимости использования дополнительного оборудования для отделения лузги от обрушенного продукта.
На основании вышеизложенного можно утверждать, что создание обрушивателя, позволяющего повысить производительность и снизить энергоемкость технологической линии переработки семян подсолнечника, а также обеспечивающего высокое качество рушанки является актуальной народнохозяйственной задачей.
Цель работы. Повышение эффективности обрушивания семян подсолнечника на основе обоснования . конструктивно-технологических параметров обрушивателя пневмомеханического типа.
Объект исследования. Процесс пневмомеханического обрушивания семян подсолнечника, экспериментальный образец нового обрушивателя пневмомеханического типа.
Предмет исследования. Закономерности взаимодействия воздушно-зерновой смеси с рабочими органами пневмомеханического обрушивателя, зависимости количественных и качественных показателей работы от конструктивно-технологических параметров.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием законов классической механики, механики газосмесей и аналитической геометрии. Экспериментальные исследования проводились на специально изготовленном оборудовании с использованием соответствующих ГОСТов. Результаты экспериментов обрабатывались методами математической статистики на ЭВМ.
Научная новизна.
Получены теоретические зависимости, описывающие процессы движения воздушно-зерновой смеси и взаимодействия семян с рабочими органами пневмомеханического обрушивателя с учетом его конструктивных параметров и физико-механических свойств семян;
Разработана математическая модель технологического процесса обрушивателя, позволяющая обосновать его основные конструктивно-технологические параметры с учетом фильтрации воздуха через стенки конфузора и его параметров;
3. Установлены закономерности изменения количественных и качественных показателей работы пневмомеханического обрушивателя в зависимости от его конструктивно-технологических параметров и физико- механических свойств семян подсолнечника.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2312706 и №88990.
Практическая значимость:
Использование нового пневмомеханического обрушивателя обеспечивает реализацию ресурсо-энергосберегающих технологий переработки семян подсолнечника и повышает качество рушанки.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы конструкторскими организациями и научно-исследовательскими учреждениями при создании новых конструкций обрушивателей, а также при эксплуатации разработанного обрушивателя в производственных условиях.
Реализация результатов исследований. Экспериментальный обрушиватель семян подсолнечника пневмомеханического типа внедрен в технологическую линию цеха по производству подсолнечного масла в СХПК «Хузангаевский» Алькеевского р-на РТ. Некоторые результаты диссертационной работы используются в учебном процессе студентами Института механизации и технического сервиса ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ».
Научные результаты, полученные лично соискателем. Разработана математическая модель технологического процесса обрушивателя, позволяющая обосновать его основные конструктивно-технологические параметры, при которых происходит разрушение и отделение оболочки с максимальным сохранением цельности ядра. Разработан, изготовлен, внедрен в производство новый пневмомеханический обрушиватель и определены его технологические и технико-экономические показатели.
Положения, выносимые на защиту: конструктивно-технологическая схема обрушивателя семян подсолнечника пневмомеханического типа; - теоретические зависимости, описывающие процессы движения воздушно-зерновой смеси и взаимодействия семян с рабочими органами пневмомеханического обрушивателя; математические зависимости и модели для обоснования и расчета конструктивно-технологических параметров пневмомеханического обрушивателя; результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний разработанного обрушивателя и его технико-экономическая и энергетическая оценка.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации доложены и одобрены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Казанского ГАУ (2005-2011 г.г.), Ижевской ГСХА (2005 г.), на VI международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» (КНИТУ-КАИ, 2011 г.). Экспериментальный обрушиватель семян подсолнечника пневмомеханического типа демонстрировался на международной выставке «АГРОКОМПЛЕКС: Интерагро. Анимед. Фермер Поволжья» (РТ, г. Казань 2011г.)
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 научных работах, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Получены 2 патента РФ на изобретение № 2312706 и на полезную модель №88990.
Основные направления развития машин для обрушивания семян подсолнечника и анализ результатов их исследований
В настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом ведется большая работа по разработке надежных и эффективных конструкций машин для обрушивания семян подсолнечника. Исходя из анализа существующих способов обрушивания, рассмотрим машины, следуя классификации способов, рассмотренной в предыдущей главе.
Бичерушка МРН, представленный на рисунке 1.5, включает в себя три основных узла: питающее устройство, бичевой барабан и деку станины [1, 4, 29...32, 58].
Рабочими органами бичерушки являются бичевой барабан 5 и дека 1. На горизонтальном валу укреплено два или три диска со ступицами. Для придания жесткости дискам с обеих сторон их приварены ребра 7. на наружной кромке диска расположено 16 пар уголков под углом 55 к осевой линии. К этим уголкам при помощи болтов прикреплены бичи 6. каждый бич представляет собой прямоугольник размеров 972x100 мм, изготавливаемый из стали марки СтЗ. Вся эта система называется бичевым барабаном, которому при работе сообщается вращательное движение. Для нормальной работы бичерушки окружная скорость бичевого барабана (считая по наружной кромке бичей), как установлено практикой, должна быть в пределах 20.. .26 м/с.
При помощи регулировочных механизмов можно изменять расстояние между декой и бичевым барабаном в пределах от 8 до 80 мм.
Работа бичерушки осуществляется следующим образом. Семена поступают в питающий бункер, валиком равномерно распределяются по длине барабана. Пройдя щель питающего бункера, семена попадают на бичи быстро вращающегося барабана; здесь они ударяются о них, и при достаточной окружной скорости происходит обрушение семян. Если окружная скорость недостаточна, то семена при встрече с бичами не обрушаются, но отбрасываются с большой скоростью на деку, где и происходит обрушение. В случае, если семена и при ударе не обрушились, они подвергаются повторны ударам бичей. Обрушенные семена (ядро, сечка, лузга) и недоруш опускаются в нижнюю часть корпуса бичерушки и выводятся из машины.
Одним из существенных недостатков из-за того, что технологический процесс основан на многократном ударе семян о деку, в бичерушках образуется большое количество сечки и масличной капли.
Поэтому были созданы принципиально новые машины для обрушения семян, использующие принцип однократного непрерывного удара в центробежном поле [1, 4, 10, 22, 30...32, 43, 50, 93...96]. К этому типу машин относятся семенорушки А1-МРЦ (рисунок 1.6) и РЗ-МОС (рисунок 1.7).
В обрушивателе А1-МРЦ семена подают в цилиндрический питатель, закрепленный на крышке корпуса по оси ротора. Из питателя семена поступают в каналы ротора, под действием центробежной силы они перемещаются с большой скоростью к деке. Вылетая из каналов, семена ударяются о деку, и их плодовая оболочка разрушается. Рушанка, отскакивая от деки, через патрубки удаляется из машины. Работа центробежной обрушивающей машины РЗ-МОС происходит следующим образом. Семена поступают в бункер, опускаются вниз к решетке, где удаляются крупные примеси. Далее семена разделяются на два потока внутренним и наружным питателем. Внутренний питатель подает семена на ту часть ротора, которая направляет семена на нижнюю часть цилиндрической деки, внешний питатель - на внешнюю ее часть. Конструкция верхней и нижней части цилиндрической деки устроена так, что обрушенные семена или рушанка направляются соответственно в верхнюю или нижнюю приемную часть машины. Полученная часть рушанки поступает в два циклона, в которых и происходит отделение рушанки от воздуха и масличной пыли за счет установки в них цилиндрических сит. Таким образом, за счет мощного направленного однократного удара семени о деку в описанной машине образуется значительно меньше сечки и масличной пыли; кроме того, увеличивается производительность машины.
Определение параметров скорости воздушного потока в удлинителе нагнетательного патрубка вентилятора-метателя с учетом проницаемости стенок конфузора
В пневмомеханическом обрушивателе семян подсолнечника, где отделение ядра от лузги происходит в результате взаимодействия семян с рабочей парой «конфузор-полусфера», на эффективность обрушивания сушественное влияние оказывают характер и скорость воздушного потока в рабочей зоне [86]. Сетчатый конфузор устанавливается в удлинителе нагнетательного патрубка (УНП) вентилятора-метателя, исследование скоростей воздушного потока в различных сечениях сетчатого конфузора является важной задачей.
Конфузор позволяет уменьшить коэффициент местного сопротивления С, (коэффициент Дарси) (вследствие более плавного сужения воздушного потока и предотвращения отрыва пограничного слоя и образования вихрей), а следовательно, уменьшить потери давления, развиваемого вентилятором [49, 79].
Из-за сужения канала в конфузоре средняя скорость потока будет возрастать. Учитывая, что конфузор имеет прямоугольное сечение и проницаемые боковые грани, изменения средней скорости можно определять из условия постоянства объема воздушного потока по следующей формуле:
HSH = -d{x)Sx + S , (2.22) где дн - скорость воздушного потока при входе в конфузор, м/с;
SH - входное поперечное сечение конфузора, м ;
$(х) - скорость воздушного потока в поперечном сечении конфузора на расстоянии х от входного сечения конфузора, м/с;
Sx - поперечное сечение конфузора на расстоянии х от входного сечения, м ;
Sn — площадь боковой поверхности конфузора на участке от входного сечения до сечения х, м ;
дф - средняя скорость фильтрации воздушного потока через стенки
конфузора, м/с.
На расстоянии х от входа площадь поперечного сечения конфузора Sx определяется углами наклона соответствующих стенок (рисунок 2.6):
Sx = (h- 2xtgP)Q - 2xtgp6), (2.23)
где h — высота входного сечения конфузора (/г = hn, где hn — высота нагнетательного патрубка вентилятора-метателя, м);
Ъ — ширина входного сечения конфузора (Ь = Вп, где Вп — ширина нагнетательного патрубка вентилятора-метателя, м);
х — расстояние от входа до рассматриваемого сечения конфузора, м; Тогда из равенства (2.22), подставляя вместо Sx выражение (2.23), получим выражение для определения скорости воздушного потока в сечении х конфузора:
(h-2xtgPXb-2xtgfi6) Рассмотрим влияние нижней и верхней стенок на направление воздушного потока. В произвольном сечении х рабочая область конфузора определяется интервалом изменения у от (xtg/З) до (h — 2xtgP) (рисунок 2.7). При этом угол отклонения направления средней скорости потока а изменяется от /? до -/?. В центре канала а = 0.
Рисунок 2.7 - Изменение угла направления среднего потока в поперечном сечении конфузора
Для инженерных расчетов изменение угла наклона воздушного потока от +/? у стенок до 0 в центре канала можно считать пропорциональным.
Запишем уравнение прямой, проходящей через точки C(xtg/3; /3) и
№-xtgP; -Ю у - xtgp _а-р h - Ixtgfi -2/? 65 Отсюда для вычисления направления средней скорости воздушного потока в конфузоре получим:
h-2y
а=й=шГРр- (2 25)
Продольные и поперечные компоненты воздушного потока определяются следующим образом:
дх = д(х) cos а; ду = д(х) sin а. (2.26)
Поскольку sin(—а) = — sin а и cos(—а) = cos а, несложно убедиться, что зависимости (2.25), (2.26) справедливы во всей области поперечного сечения, т.е. от нижней рабочей поверхности конфузора до его верхней стенки. На нижней половине конфузора а меняется от В до 0, при этом ду 0. При изменении а от 0 до -В во верхней половине канала, поперечная составляющая скорости имеет отрицательное значение ду 0.
Для определения скорости воздуха в конфузоре, с учетом фильтрации через ее стенки, рассмотрим движение воздушного потока в произвольном сечении канала образуемого стенками УНП и конфузора (рисунок 2.6).
Методика экспериментального определения коэффициента восстановления семян подсолнечника
Одним из основных факторов, обеспечивающих процесс отделения оболочки от ядра в пневмомеханических семенорушках, является ударно-инерционное взаимодействие семян подсолнечника с рабочими поверхностями [87]. При этом необходимо знать значения коэффициента восстановления скорости семян при разных влажностях семян. Они могут быть определены только экспериментальным путем. Для определения коэффициента восстановления скорости была собрана лабораторная ус ановка [54]. Схема экспериментального стенда показана на рисунке 3.5.
Семена небольшими порциями подаются на ротор вентилятора-метателя, где разгоняются и направляются на установленную наклонно стальную пластину-отражатель, с которой испытывают столкновение. Процесс фиксируется видеокамерой, направление съемки которой перпендикулярно плоскости движения семян. Для повышения контрастности изображения устанавливается белый экран с подсветкой. В поле зрения камеры находится масштабная линейка. Затем видеозапись оцифровывается, подвергается цифровой обработке и анализируется.
Быстро движущаяся частица на фотографии или кадре видеозаписи образует размытое изображение - «трек» (рисунок 3.6).
Для определения величины и направления скорости семян с кадров видеозаписи (изображений размером 384 х 288 пикселей) визуально в графическом редакторе снимались координаты (в пикселях) четырех точек: А - начальной точки трека, В - конечной точки трека, а также С и D - концов масштабного отрезка (рисунок 3.7). АВ - трек, CD -масштабный отрезок, d - диаметр частицы, L - перемещение зерна. Рисунок 3.7 - Схема анализа кадра с изображением трека семени Если время экспозиции одного кадра texp (величина, известная из технической характеристики), перемещение семян L, то скорость частицы v можно определить по формуле: v = L/texp , (3.7) где v - скорость частицы, м/с; L - перемещение семян, м; texp - время экспозиции одного кадра, с. Также эту скорость можно определить через координаты характерных точек изображения: v = l/texp(l р(хВ - хА)2 + х2% + (УЛ - У02- d , (3.8) где / - длина масштабного отрезка, м; А - начальная точка трека; В - конечная точка трека; С и D - точки концов масштабного отрезка;
d - диаметр частицы, м. Направление скорости определяется углом между прямыми АВ и CD по известным формулам.
3.2.4 Методика исследования характера и скорости воздушного потока в удлинителе нагнетательного патрубка вентилятора-метателя
В пневмомеханическом обрушивателе семян подсолнечника скорость воздушного потока оказывает существенное влияние на процесс обрушивания. С целью интенсификации процесса обрушивания, в удлинителе нагнетательного патрубка (УНП) устанавливается сетчатый конфузор. Знание параметров воздушного потока в УНП без конфузора и с конфузором имеет большое значение при теоретическом обосновании траектории воздушно-зерновой смеси, конструктивных параметров нагнетательного патрубка, сетчатого конфузора и режимов работы вентилятора-метателя.
Эксперименты проводились на специально изготовленной лабораторной установке (рисунок 3.8).
Основными элементами лабораторной установки являются: вентилятор-метатель (2), клиноременный вариатор (1) для изменения оборотов, удлинитель нагнетательного патрубка (3). Опыты проводились сетчатым конфузором (6), геометрические параметры которого были обоснованы в работе [86]. Замер воздушного потока осуществлялся с помощью микроманометра ММН-2400 (7) и трубки Пито-Прандтля (5). Частота вращения ротора вентилятора измерялось с помощью тахометра ТЧ-10-Р.
Вначале измерялся динамический напор (/гд) в УНП перпендикулярной плоскости ротора по высоте (Н) в четырех точках. Затем измерялся динамический напор в сечениях параллельной плоскости ротора по ширине (В) в пяти точках. Причем в обоих случаях измерения проводились при входе в УНП и на расстоянии 200 мм от входа. Далее устанавливался конфузор. Измерения проводились при входе в УНП и на выходном сечении конфузора. Каждое измерение проводилось в трехкратной повторности. Скорости воздушного потока в каждой точке вычисляли по формуле [39]:
V -1,29 jhЛ , где V - скорость воздуха, м/с; кд - динамический напор, Па. Результаты опытов обрабатывались по стандартной методике [24, 99].
Определение показателей качества и аэродинамических свойств семян подсолнечника
Определение показателей качества и аэродинамических свойств семян подсолнечника проводилось с целью подготовки их для проведения последующих экспериментов, а также для использования в полученных теоретических зависимостях по обоснованию технологических и конструктивных параметров пневмомеханического обрушивателя.
Отбор образцов и выделение, навесок семян подсолнечника для экспериментов производились по ГОСТ 10852-86. Семена подсолнечника по базисным кондициям соответствовали существующим стандартам [60]. Для исследований, как было отмечено в третьей главе, применялся районированный сорт подсолнечника «Санмарин».
Определение аэродинамических свойств производили согласно изложенной методики. Результаты опытов и соответствующие требования стандартов представлены в таблице 4.1.
Как видно из результатов опытов, данная партия семян подсолнечника по всем показателям качества соответствует требованиям базисных кондиций следовательно, она может быть применена для проведения последующих опытов.
Анализ полученных значений скоростей витания необрушенных семян подсолнечника и ядрицы показывает, что они мало отличаются друг от друга и находятся в пределах 7,5...8,6 м/с. Скорость витания лузги отличается от скорости витания целого семени и ядрицы более чем в 3,5...5 раз. Это свидетельствует о том, что существует возможность разделения обрушенного продукта воздушным потоком, создаваемым вентилятором-метателем.
Одним из важных показателей, характеризующих физико-механические и технологические свойства семян, является влажность, конкретные значения которых необходимы для выявления минимальной разности разрушающих усилий оболочки и ядрицы семян подсолнечника. Чем меньше эта разница, тем эффективнее процесс обрушивания с точки зрения приложения необходимого усилия для разрушения оболочки и при этом сохранения ядра в целостности.
Для выявления минимальной разницы разрушающих усилий оболочки и ядрицы эксперименты проводились на специально изготовленном лабораторном обрушивателе, описанный в научных трудах Нуруллина Э.Г. [53...55].
Работает обрушиватель следующим образом. Исследуемый материал укладывается между двумя рабочими платформами, изготовленными из стали. Такой выбор был сделан исходя из того, что из стали изготовлены основные элементы пневмомеханической семенорушки, в том числе и рабочие поверхности рабочей пары «конфузор-полусфера». При вращении регулятора верхняя платформа опускается и давит на зерновку, оказывая разрушающее воздействие. Это усилие отражается на нижнюю платформу, которая, в свою очередь, оказывает воздействие на пружину, прогибая ее. Перемещение верхней платформы и прогиб пружины фиксируется индикаторами часового типа. Верхний индикатор показывает деформацию, нижний - усилие сжатия.
Для проведения настоящих исследований были подготовлены пять порций семян подсолнечника сорта Санмарин. Опыты проводились при пяти значениях влажности (W=2,4; 4,7; 5,6; 6,8; 8,7 %) по описанной методике в разделе 3.2. Влажность зерна определялась стандартным методом [63].
Минимальное усилие, при котором начинается разрушение оболочки, принят как показатель начала обрушивания данного семени (ядра). Следующее усилие, при котором происходит скачок деформации, является исходным показателем обрушивания данного семени (ядра).
Результаты опытов, представленные в таблицах (приложение Б), обрабатывались методом математической статистики. По полученным результатам были построены графические зависимости усилий (Р, Н) от длины деформации (h, мм) для каждой влажности (рисунки 4.1 - 4.5).
Вершины графиков соответствуют усилиям, при которых начинаются разрушения оболочки или ядра, являющиеся исходными показателями обрушивания плодовой оболочки или ядра семян подсолнечника.
Как видно из графиков, наименьшая разница в усилиях разрушения ядра и оболочки, будет при влажности 5...6%. Это говорит о том, что обрушивание семян в пределах этой влажности даст наиболее высокие значения технологической эффективности.
Следует также отметить, что полученные данные были использованы при исследовании закономерностей изменения количественных и качественных показателей работы пневмомеханического обрушивателя в лабораторно-производственных условиях.
