Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния проблемы шелушения зерна крупяных культур и обоснование задач исследований 15
1.1 Анатомическое строение, физико-механические, технологические свойства зерна крупяных культур и анализ их исследований в связи с процессом шелушения 15
1.2 Технологические основы переработки зерна в крупу и назначение шелушильных машин 26
1.2.1 Основы технологии промышленной переработки зерна крупяных культур 26
1.2.2 Переработка зерна крупяных культур в сельскохозяйственном производстве 31
1.2.3 Технологическая эффективность процесса шелушения и показатели ее оценки 36
1.3 Основные направления развития конструктивно-технологических схем машин для шелушения зерна крупяных культур 37
1.4 Аналитический обзор теоретических исследований процесса шелушения зерна крупяных культур 47
1.5 Постановка проблемы, цель и задачи исследований 60
2 Классификация объектов процесса шелушения зерна крупяных культур и разработка новых шелушителей пневмомеханического типа 63
2.1 Классификация способов интенсификации переработки зерна крупяных культур 63
2.2 Классификация факторов определяющих технологическую эффективность процесса шелушения 65
2.3 Классификация способов шелушения зерна крупяных культур 68
2.4 Классификация машин для шелушения зерна крупяных культур 71
2.5 Разработка конструктивно-технологических схем новых шелушителей пневмомеханического типа 74
2.6 Выводы по второму разделу 85
3 Разработка теории процесса пневмомеханического шелушения 86
3.1 Физическая сущность процесса пневмомеханического шелушения 86
3.2 Моделирование процесса пневмомеханическ ого шелушения 88
3.2.1 Структурная модель зерна крупяных культур как предмет шелушения 90
3.2.2 Моделирование процесса разрушения оболочки 97
3.2.3 Моделирование процесса разрушения ядрицы. 105
3.3 Теоретическое обоснование скорости удара при пневмомеханическом шелушении 109
3.4 Динамика процесса пневмомеханического шелушения зерна крупяных культур 115
3.5 Энергетические показатели процесса пневмомеханического шелушения 124
3.6 Выводы по третьему разделу 132
4 Теоретическое обоснование параметров пневмомеханических шелушителей 134
4.1 Обоснование параметров броскового вентилятора 134
4.1.1 Теоретический анализ процесса взаимодействия зерна крупяных культур с рабочими поверхностями лопаток ротора бросковых вентиляторов пневмомеханических шелушителей 135
4.1.2 Обоснование геометрических параметров лопаток ротора 144
4.1.3 Обоснование частоты вращения лопаточного колеса 150
4.1.4 Обоснование параметров кожуха броскового вентилятора 157
4.1.5 Определение секундной подачи зерна бросковым вентилятором в рабочую зону 162
4.2 Обоснование параметров шелушильной камеры 16 7
4.2.1 Исследование движения зерна в горизонтальной шелушильной камере и обоснование ее параметров 16 8
4.2.2 Моделирование процесса движения воздушно-зерновой смеси в вертикальной шелушильной камере 173
4.2.3 Исследование процесса движения зерна в вертикальной шелушильной камере с дополнительным рабочим органом и обоснование ее параметров 1 82
4.3 Обоснование параметров пневмосепаратора 19 6
4.4 Выводы по четвертому разделу 200
5 Программа и методика исследований 202
5.1 Программа исследований 202
5.2. Методика лабораторных экспериментальных исследований 20 4
5.2.1. Обоснование выбора предмета шелушения и повторности опытов... 204
5.2.2. Методика определения физико-механических и технологических свойств зерна крупяных культур 205
5.2.3. Методика и приборы исследования влияния влажности зерна и типа рабочей поверхности на величину деформирующей силы 208
5.2.4 Методика определения прочностных характеристик и проверки теоретических закономерностей процессов деформации и разрушения оболочки и ядрицы зерна крупяных культур 212
5.2.5. Методика и приборы для исследования влияния скорости взаимодействия на качество процесса пневмомеханического шелушения 214
5.2.6 Методика и приборы для исследования зависимости энерги и разрушения структурных элементов зерна крупяных культур (оболочка, ядрица) от влажности 217
5.3 Методика и оборудование для исследования влияния влажности зерна, конструктивных параметров и режимов работы шелушителей пневмомеханического типа на технологическую эффективность шелушения в лабораторно- производственных условиях 220
5.3.1 Лабораторные установки, измерительная аппаратура, технология подготовки и проведения опытов 220
5.3.2 Методика лабораторно-производственных экспериментальных исследований шелушителей пневмомеханического типа 222
5.4 Методика оценки энергетических затрат и технико-экономической эффективности шелушителей пневмомеханического типа в производственных условиях 228
5.5 Методика обработки результатов экспериментальных исследований...234
5.6 Выводы по пятому разделу 2 36
6 Экспериментальная проверка теоретических положений и оценка эффективности пневмомеханических шелушителей 237
6.1 Экспериментальная проверка закономерностей процесса шелушения зерна крупяных культур (на примере зерна гречихи) 237
6.1.1 Определение модуля упругости оболочки и ядрицы зерна гречихи...237
6.1.2 Экспериментальная проверка теоретических закономерностей процессов деформации и разрушения оболочки и ядрицы зерна крупяных культур 243
6.2 Результаты исследования влияния влажности зерна и типа рабочей поверхности на величину разрушающего усили я 245
6.2.1 Экспериментальное обоснование влажности зерна 245
6.2.2 Обоснование типа рабочей поверхности 247
- Анатомическое строение, физико-механические, технологические свойства зерна крупяных культур и анализ их исследований в связи с процессом шелушения
- Классификация способов интенсификации переработки зерна крупяных культур
- Физическая сущность процесса пневмомеханического шелушения
- Теоретический анализ процесса взаимодействия зерна крупяных культур с рабочими поверхностями лопаток ротора бросковых вентиляторов пневмомеханических шелушителей
Введение к работе
На современном этапе развития сельского хозяйства, характеризующимся глубоким реформированием и постоянным совершенствованием его структур на основе рыночных способов ведения производства, как никогда обостряется проблема возделывания конкурентоспособных, рентабельных видов сельскохозяйственных культур. К числу таких культур относятся и крупяные культуры, возделываемые, прежде всего, как сырье для получения различных видов крупяных изделий. Пищевые продукты, полученные при переработке крупяных культур, отличаются повышенным содержанием белка и жира, высокими вкусовыми качествами, питательностью, хорошей пе-ревариваемостыо [15, 42, 61, 83, 97, 102, 104, 186 и др.].
Кроме того, в процессе переработки зерна крупяных культур помимо основного продукта получают отходы которые могут быть использованы как кормовые добавки для животных, сырье для производства красителей и различных абсорбентов, а также как добавка к субстратам, используемым в зимних теплицах [84, 86, 125 и др.].
Имеющийся в литературе экспериментальный и теоретический материал показывает наличие широкого спектра технологий, базирующихся на применении различных способов и машин для шелушения [147, 148, 159, 215 и др.]. Конструктивно-технологические схемы существующих шелушителей основаны на традиционных способах воздействия на зерно (сжатие и сдвиг, сжатие и трение, удар и др). Основными недостатками существующих конструкций являются: необходимость использования дополнительного технологического оборудования для сортирования зерна перед поступлением в шелушильную машину и сепарации продуктов шелушения, невозможность получения высоких значений показателей технологической эффективности за однократный оборот продукта через шелушильную машину. Указанные не-
8 достатки снижают производительность технологической линии и приводят к повышению энергоемкости и металлоемкости процесса.
В связи с выше изложенным, проблема научного обоснования и создания новых машин для шелушения, обеспечивающих высокие показатели технологической эффективности при низких рессурсо-энергозатратах является актуальной, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Одним из путей решения данной проблемы является разработка и создание шелушильных машин комбинированного типа, основанных на комплексных способах воздействия на объект переработки. Производственный опыт и анализ исследовательских работ свидетельствуют о том, что технические средства комбинированного типа имеют более высокую производительность и намного снижают энергоемкость технологического процесса.
Анализ существующих технологий и конструктивно-технологических схем машин для шелушения, их систематизация по различным признакам, изучение состояния исследований в этой области показали, что наиболее целесообразным путем повышения производительности, технологической эффективности, снижения энергоемкости, следует считать использование ше-лушителей нового поколения пневмомеханического типа, основанных на комплексном (аэродинамическом и ударно-инерционном) воздействии на предмет шелушения (зерно).
Целью работы является разработка теоретических основ и создание новых машин пневмомеханического шелушения, обеспечивающих повышение эффективности переработки зерна крупяных культур, изготовление, исследование и внедрение их в сельскохозяйственное производство.
Научная новизна исследований заключается в установлении общих закономерностей процесса шелушения зерна крупяных культур, как тела состоящего из шарообразной ядрицы и сферической оболочки, а также в разработке теории, методов расчета, конструкций шелушителей нового поколения пневмомеханического типа, что подтверждается:
- установленными теоретическими и экспериментальными закономерно
стями, описывающими процессы деформации, разрушения и отделения обо
лочки предмета шелушения от ядрицы при статических и динамических си
ловых воздействиях, а также энергетические показатели процесса пневмоме
ханического шелушения;
- разработанными конструкциями шелушителей пневмомеханического типа с горизонтальной и вертикальной рабочими камерами (патенты РФ №2196000, №2247604);
полученными теоретическими зависимостями, описывающими процесс взаимодействия зерна с рабочими органами новых пневмомеханических шелушителей;
полученными математическими зависимостями, позволяющими обосновать основные конструктивно-технологические параметры новых пневмомеханических шелушителей;
установленными закономерностями изменения качественных и количественных показателей работы пневмомеханических шелушителей в зависимости от их конструктивно-технологических параметров и от физико-механических свойств зерна.
Использование новых пневмомеханических шелушителей обеспечивает реализацию ресурсо-энергосберегающих, экологичных технологий переработки зерна крупяных культур в крупу непосредственно в условиях сельскохозяйственного производства.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы научно-исследовательскими и конструкторскими организациями при разработке новых конструкций машин для шелушения зерна крупяных культур, а также при эксплуатации пневмомеханических шелушителей в производственных условиях.
Пневмомеханический шелушитель с горизонтальной рабочей камерой внедрен в технологическую линию зерноочистительно-сушильного комплек-
10 са совхоза «Актайский» Алькеевского района РТ. Пневмомеханические ше-лушители с вертикальными рабочими камерами внедрены в технологические линии переработки зерна ООО «Каргопольской» Алькеевского района РТ и ООО «Сабинский завод зернопродуктов» Сабинского района РТ.
Техническая документация на пневмомеханические шелушители с горизонтальной и вертикальной рабочими камерами, пневмомеханической горизонтальной камеры для очистки зерна и рекомендации внедрены в проектные работы ОАО КЗ «Россельмаш», ЗАО фирма «Марийагромаш», ОАО «Марийский машиностроительный завод», ПКБ ГУ Зонального НИИСХ Северо-Востока им. Рудницкого, ОАО «Казанский завод нестандартного оборудования», ОАО «Арскдизель», Чистопольского филиала ОАО «Элитные семена Татарстана».
Результаты разработок внедрены в учебные процессы агроинженерных специальностей сельскохозяйственных вузов Российской Федерации.
Основные результаты исследований по теме работы обсуждены и одобрены на научных конференциях в Казанской государственной сельскохозяйственной академии (1991-2004 г.г.), в Самарской ГСХА (1999 г), Вятской ГСХА (г. Киров 2001, 2002 г.г.), Межрегиональных научно-практических конференциях (г. Чебоксары 2001 г., г Ижевск 2002 г.), Международных научно-практических конференциях «Автомобиль и техносфера» (г. Казань, 2001, 2003 г.г.), Международной научно-практической конференции по проблемам научного обеспечения производства послеуборочной обработки, хранения и переработки зерна и других продуктов растениеводства (Республика Казахстан, г. Астана, 2001 г.), Международной конференции по проблемам механизации сельского хозяйства (г. Казань, 2002 г.), Всероссийских научно-практических конференциях по проблемам экологии (г. Казань 2000, 2002 г.), 9 Международном симпозиуме по проблемам экологии в растениеводстве (г. Варшава, 2002 г.), XI Международном симпозиуме по машинному доению и переработке молока (г. Казань, 2003 г.), Международной научной конферен-
11 ции по проблемам интенсификации производства сельскохозяйственной продукции (г. Варшава, 2003 г.), Межрегиональном симпозиуме по проблемам энергосбережения (г. Казань, 2003), Международной научной конференции по теории механизмов и машин, 2-ой Международной научно-практической конференции «Земледельческая механика в растениеводстве» (г. Москва, ВИМ, 2003 г.), научно-техническом совете Министерства сельского хозяйства и продовольствия Республики Татарстан (г. Казань, 2004 г.), научном совете по механизации сельского хозяйства Академии наук Республики Татарстан ( г. Казань, 2004 г.).
Результаты исследования демонстрировались на республиканских и межрегиональных выставках «Сабантуй - 95» (г. Казань 1995 г.), Агрокомплекс (г. Казань 1997 г.), «Татагроэкспо-99» (г. Казань 1999 г.), «Агрокомплекс: Интерагро-анимед. Фермер Поволжья» (г. Казань 2002г.), «Энергетика. Ресурсосбережение-2002», на международной научно-практической конференции «100 лет механизму Беннетта» (г. Казань 2003 г.).
Основные положения диссертации опубликованы в рекомендуемых ВАК РФ журналах, монографии (12,15 п.л.), брошюре (3,2 п.л.), статьях, опубликованных в материалах международных, межрегиональных конференций и симпозиумов и других изданиях в том числе 3 статьи за рубежом. Получены два патента (№2196000, №2247604), одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ (№2004610886). Всего по теме диссертации опубликовано 57 работ.
В первом разделе «Анализ состояния проблемы шелушения зерна крупяных культур и обоснование задач исследований» аналитически рассмотрены технологии и технические средства для переработки зерна крупяных культур, дан анализ конструктивно-технологических схем машин для шелушения и основные направления их развития. Приводится аналитический обзор работ по исследованию машин для шелушения и изучению анатомиче-
12 ских, физико-механических и технологических свойств зерна крупяных культур с позиции шелушения.
Во втором разделе «Классификация объектов процесса шелушения зерна крупяных культур и разработка новых шелушителей пневмомеханического типа» разработаны классификации способов интенсификации и факторов определяющих эффективность процесса шелушения, способов и машин для шелушения с включением новых шелушителей. Научно обоснованы и разработаны конструктивно-технологические схемы новых пневмомеханических шелушителей с горизонтальной и вертикальной рабочими камерами.
В третьем разделе «Разработка теории процесса пневмомеханического шелушения» приводятся основные теоретические положения пневмомеханического шелушения, которые включает физико-математическую модель зерна крупяных культур как предмет шелушения, теоретические зависимости разрушительных сил, энергии и скорости удара оболочки и ядрицы предмета шелушения при взаимодействии с рабочими органами от физико-механических свойств зерна, геометрических параметров и прочностных характеристик рабочей поверхности.
Здесь же рассмотрены основы динамики и энергетические показатели процесса пневмомеханического шелушения.
В четвертом разделе «Теоретическое обоснование параметров пневмомеханических шелушителей» теоретически описываются основные закономерности процессов взаимодействия зерна с новыми рабочими органами (бросковый вентилятор, шелушильная камера), обосновываются их конструктивно-технологические параметры и режимы работы пневмомеханических шелушителей с горизонтальной и вертикальной рабочими камерами.
В пятом разделе «Программа и методика исследований» изложены общая программа исследований, методика лабораторных и лабораторно-производственных экспериментальных исследований, методика энергетиче-
13 ской и экономической оценки, а также методика обработки результатов опытов.
В шестом разделе «Экспериментальная проверка теоретических положений и оценка эффективности пневмомеханических шелушителей» представлены результаты экспериментальных исследований по проверке теоретических положений и влияния основных конструктивных и технологических параметров шелушителей пневмомеханического типа на показатели эффективности рабочего процесса в производственных условиях.
В выводах приводятся основные результаты исследований, выполненных в соответствии с поставленными задачами.
На защиту выносятся следующие основные положения
классификационные схемы объектов процесса шелушения зерна крупяных культур;
общие закономерности процесса пневмомеханического шелушения;
теория и методы расчета пневмомеханических шелушителей;
конструктивно-технологические схемы шелушителей пневмомеханического типа;
результаты производственных испытаний, технико-экономические и энергетические показатели работы разработанных пневмомеханических шелушителей.
В диссертации представлены результаты проведенных автором теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в течении полутора десятка лет. В работе использованы некоторые материалы кандидатской диссертации, выполненной автором под руководством профессора Х.С Гай-нанова. В диссертационной работе использованы также материалы исследований, выполненных А.В. Дмитриевым и И.В. Маланичевым при личном участии и под руководством автора, по которым имеются совместные публикации.
14 Работа выполнена на кафедре сельскохозяйственных машин Казанской государственной сельскохозяйственной академии. Исследования проводились в соответствии с пятилетними планами НИР Казанской ГСХА 1990-2004 г.г.. Работа входила в план научных исследований по общесоюзной комплексной научно-технической программе О.СХ. 103.01 (номер государственной регистрации 01813000770). С 2000 года исследования проводились в рамках координационной программы по проблеме «Разработать системы технологизации и инженерно-технического обеспечения агропромышленного производства как основы стабилизации АПК субъектов Российской Федерации Северо-Кавказского, Приволжского и Уральского федеральных округов» на 2001-2005 годы по теме №03.01 «Разработать зональные и региональные системы перспективных технологий и машин для механизации агропромышленного производства в условиях рыночной экономики». Работа зарегестрирована ВИТНЦ (регистрационный номер 01.20.03 01955).
Диссертационная работа состоит из введения, 6-ти разделов, общих выводов, библиографического списка и приложений, изложена на 391 страницах машинописного текста, содержит 24 таблиц, 70 рисунков. Библиографический список включает 289 наименований, в том числе 36 на иностранных языках.
14 Работа выполнена на кафедре сельскохозяйственных машин Казанской государственной сельскохозяйственной академии. Исследования проводились в соответствии с пятилетними планами НИР Казанской ГСХА 1990-2004 г.г.. Работа входила в план научных исследований по общесоюзной комплексной научно-технической программе О.СХ. 103.01 (номер государственной регистрации 01813000770). С 2000 года исследования проводились в рамках координационной программы по проблеме «Разработать системы технологизации и инженерно-технического обеспечения агропромышленного производства как основы стабилизации АПК субъектов Российской Федерации Северо-Кавказского, Приволжского и Уральского федеральных округов» на 2001-2005 годы по теме №03.01 «Разработать зональные и региональные системы перспективных технологий и машин для механизации агропромышленного производства в условиях рыночной экономики». Работа зарегестрирована ВИТНЦ (регистрационный номер 01.20.03 01955).
Диссертационная работа состоит из введения, 6-ти разделов, общих выводов, библиографического списка и приложений, изложена на 391 страницах машинописного текста, содержит 24 таблиц, 70 рисунков. Библиографический список включает 289 наименований, в том числе 36 на иностранных языках.
15 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ШЕЛУШЕНИЯ ЗЕРНА КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР И ОБОСНОВАНИЕ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ
Анатомическое строение, физико-механические, технологические свойства зерна крупяных культур и анализ их исследований в связи с процессом шелушения
Научная разработка проблемы механизации переработки крупяных культур охватывает широкий круг вопросов. Одной из отправных точек решения данной проблемы является формирование оптимальных физико-механических и технологических свойств зерна, которые оказывают, существенное влияние на закономерности и характер протекания рабочего процесса Поэтому изучению биохимических особенностей, анатомического строения, а также физико-механических и технологических свойств зерна крупяных культур посвящено значительное количество работ отечественных и зарубежных исследователей [2, 3, 4, 9, 22, 28, 30, 59, 60, 64, 78, 80, 81, 85, 87, 11)1, 115, 220, 224, 225, 239, 241, 242, 247, 248, 254, 255, 256, 257, 260 и др.].
Развитию исследований в области изучения биохимических, физико-механических и технологических свойств зерна крупяных культур в нашей стране большой вклад внесли Г.А. Егоров, Е.П. Козьмина, А.С. Гинзбург, М.Е. Гинзбург, Е.И. Гринберг, ЯМ. Жислин, Е.Д. Казаков, И.С. Коваленко, Е.М. Мельников, И.Т. Мерко, А.Я. Соколов, И.В. Фесенко, П.Л. Шумилин, О.А. Соколов, В.Л.Кретович, Я.II. Куприн, Л.Я. Ауэрман, З.Ф. Аниканова, П.А. Кузьмин, Л.Н. Любарский, А.В. Лыков, В.В. Гортинский, В.В. Красников, A.M. Дзядзио, Л.А. Трисвятский, В.И. Алейников, В.В. Белобородов, П.М. Коньков и многие их ученики и последователи, а за рубежом - М. Мак-мастерз, Дж. Шелленбергер, В. Шефер, И. Глинка, Д. Джонс, Э. Калинский и др.
При разработке шелушильных машин очень важно знать анатомическое строение, физико-механические и технологические свойства зерна как биологического объекта, подверженного силовому воздействию. Зерно крупяных культур представляет собой биологическую систему, отличающуюся сложным строением и микроструктурой анатомических частей, а внешне специфичной для каждого сорта культур формой. Однако, несмотря на большое разнообразие типов, сортов крупяных культур, а также на их дополнительные специфические особенности, они могут быть подвергнуты определенной систематизации по анатомическому строению с точки зрения отделения оболочек. Такая систематизация позволяет разработать классификацию способов шелушения, а также дает основу для формулировки некоторых достаточно общих закономерностей процесса шелушения. При этом построение таких закономерностей возможно только на основе учета всего комплекса особенностей, присущих зерну как объекту шелушения, а также применения основополагающих законов механики разрушения, теорий упругости, прочности, теории оболочек, современных методов физического и математического моделирования, теории вероятностей, теории подобия и т.д.
Анализ анатомического строения зерновок наиболее распространенных крупяных культур (гречихи, овса, проса) и подсолнечника с позиций шелушения дает основание рассмотреть их как комплексную конструкцию, имеющую общий каркас (оболочку) и единый наполнитель (ядрицу), которые обладают разными прочностными характеристиками. Причем форма связи оболочки и ядра у различных культур разная. Немаловажной особенностью крупяных культур является также наличие пространства между оболочкой и ядром. Вышеназванные особенности анатомического строения зерновок крупяных культур определяют процесс шелушения как разрушение и отделение оболочки с максимальным сохранением цельности ядра.
Технологическая эффективность процесса шелушения, качество крупы и технико-экономические показатели шелушильных машин в немалой степени зависят также от качества, физико-механических и технологических свойств материала, подлежащего переработке. Под физико-механическими свойствами зерна крупяных культур в данном случае следует понимать свойства, определяющие зерно как материю, которая может изменять свои параметры под воздействием определенных внешних и внутренних факторов. К ним относятся показатели влажности, упругости, прочности, коэффициенты внутреннего и внешнего трения ядра и оболочки и консистенция эндоспермы.
Технологические свойства - это те свойства, которые оказывают существенное влияние на закономерности и характер протекания рабочего процесса переработки крупяных культур. К ним относятся геометрические размеры, выравненность по крупности, форма, аэродинамические свойства, пленчатость, масса, объемная масса, плотность, скважистость.
Такая классификация свойств зерна крупяных культур носит условный характер, так как многие свойства отдельных зерновок и зерновой массы одной группы могут оказывать существенное влияние на свойства относящиеся к другой группе.
Анализируя исследования в области изучения физико-механических и технологических свойств зерна, можно определить несколько основных направлений развития исследований свойств крупяных культур.
Первое направление включает вопросы, связанные с исследованием и формированием качественных показателей зерна и его технологических свойств в процессе селекции. Одним из путей увеличения производства крупяных культур является внедрение сортов с высокими показателями технологических свойств. Одновременно это является также резервом повышения технологической эффективности переработки крупяных культур. Для промышленной переработки наиболее эффективны сорта с крупным, а главное, выровненным по размеру зерном. Это требование связано с тем, что в пищу в основном используют целое ядро, которое в силу своей хрупкости может быть выделено из зерна только при осторожном силовом воздействии.
Классификация способов интенсификации переработки зерна крупяных культур
Проблема интенсификации процесса переработки зерна в крупу является многогранной и многие ее аспекты требуют специального изучения. Однако если рассмотреть ее с точки зрения повышения технологической эффективности, то можно наметить ряд конкретных направлений, представляющих собой основные пути ее развития. Известно, что основой интенсификации процессов производства и переработки является совершенствование технологии и технических средств, основанных на перспективных способах воздействия на объект возделывания и переработки [1, 69, 187, 230 и др.]. С целью выявления основных направлений интенсификации переработки зерна крупяных культур разработана их классификация. На рисунке 2.1 представлена схема классификации путей интенсифакции, которая наглядно показывает основные направления и пути развития технологических процессов переработки крупяных культур, методы совершенствования процессов взаимодействия рабочих органов с зерном, приемы повышения эффективности использования технических средств на основе интенсификации их взаимодействия с объектом переработки.
Анализ данной классификации показывает, что существует несколько основных направлений повышения эффективности переработки зерна крупяных культур. Перспективным направлением интенсификации процесса переработки зерна в крупу в условиях сельского хозяйства является разработка и создание машин с комбинированными рабочими органами, обеспечивающими эффективное сокращение технологических операций и реализацию прогрессивных способов их воздействия на объект переработки.
Применение в технологической линии зерноочистительно-сушильных комплексов сельскохозяйственных предприятий комбинированных машин, работающих по принципу комплексного воздействия на зерно, является одним из путей интенсификации переработки зерна крупяных культур в условиях сельского хозяйства. Основной технологической операцией при переработки зерна крупяных культур является процесс шелушения, которое осуществляется шелушильными машинами. Исходя из вышеизложенного можно утверждать, что при переработки зерна крупяных культур в сельскохозяйственном производстве машины для шелушения должны легко встраиваться в технологические линии зерноочистительно-сушильных комплексов и обеспечивать получение экологически чистой продукции при наименьших энергозатратах. При этом должна обеспечиваться высокая производительность и технологическая эффективность.
Однако выполненные исследования показали, что в настоящее время отсутствует шелушильная машина, которая могла бы легко встраиваться в технологическую схему зерноочистительно-сушильных комплексов и обеспечивать при этом повышение производительности, снижение энергоемкости, а также соответствие получаемой продукции стандартам.
Технологическая эффективность процесса шелушения, качество крупы и технико-экономические показатели шелушильных машин в основном определяют две группы факторов: факторы, обусловленные анатомическим строением, физико-механическими, технологическими свойствами зерна, и факторы, зависящие от конструктивно-технологической схемы шелушителей и их рабочих органов, а также режимов их функционирования (рисунок 2.2).
Физическая сущность процесса пневмомеханического шелушения
Теория пневмомеханического шелушения должна включать физико-математическую модель зерна как предмета шелушения и закономерности, описывающие явления, происходящие в процессе деформации разрушения и отделения оболочки от ядра с сохранением цельности последней, а также рассматривать движение единичного зерна в потоке и самого потока.
При пневмомеханическом шелушении имеет место динамическая природа разрушения. Основными факторами, обеспечивающими разрушение и отделение оболочки от ядрицы при пневмомеханическом способе шелушения, являются ударно-инерционная и фрикционная перегрузка зерна при взаимодействии с рабочими поверхностями под воздействием механических (ударно-инерционных, кулоновских) и аэродинамических сил. Основополагающими условиями разработки и создания пневмомеханических шелушильных машин являются исследование взаимодействия рабочих органов и объекта шелушения с учетом физико-механических и технологических свойств зерна крупяных культур на основе теоретических зависимостей и рациональных моделей описывающих процессы и закономерности деформации, разрушения и отделения оболочки от ядрицы с сохранением цельности последнего.
Степень влияния каждого из указанных факторов на разрушение и отделение оболочки неодинакова и в реальных условиях зависит: от формы связи ядрицы и оболочки; значения разности влажности ядра и оболочки; геометрических параметров и механических характеристик зерна, ядрицы, оболочки и рабочих поверхностей; скорости, времени, числа ударов, пути проскальзывания, скорости воздушного потока, а также от предыстории на-гружения. Изучая деформацию и разрушение оболочки зерновки крупяных культур, необходимо исходить из ее физического строения и реальных процессов, происходящих с зерном при воздействии силовых факторов со стороны рабочих органов, и на их основе установить схемы, критерии и основные принципы, на которых должна базироваться теория пневмомеханического шелушения зерна крупяных культур.
Рассмотрим основные силовые факторы, обеспечивающие процесс пневмомеханического шелушения. При столкновении объекта шелушения с рабочей поверхностью происходит силовая нагрузка зерновки под воздействием ударного импульса и сил трения, возникающих при проскальзывании предмета шелушения по рабочей поверхности, а также сдвигающих моментов, вызываемых силой трения и воздушного потока относительно оси симметрии зерна, проходящей через центр масс. Ударно-инерционная нагрузка является главным фактором, вызывающим предельные напряжения в оболочке зерна, в результате которых происходит скалывание и отделение ее от ядрицы. Однако следует отметить, что данный фактор имеет важное значение и с точки зрения предыстории нагружения, т.е. они вызывают определенные дефекты оболочки (трещины, сколы, остаточные деформации и напряжения) у зерновок, которые не обрушились при первом столкновении. Полученные дефекты при последующем фрикционном воздействии в процессе движения потока воздушно-зерновой смеси обеспечивают повышение эффективности процесса дошелушивания.
При описании процесса разрушения материалов используют различные подходы. В основном они базируются на законах механики разрушения твердых деформируемых тел. Их идея сводится к тому, что разрушение происходит тогда, когда соответствующие напряжения или комбинация напряжений достигают максимума [80, 172...174, 226...228, 232, 233, 240, 243, 245, 249, 267, 268 и др.].
При пневмомеханическом шелушении одним из основных факторов, разрушающих оболочку, является ударная нагрузка зерна. Создание методов расчета разрушения оболочек при ударной нагрузке является сложной и еще не вполне решенной задачей. Трудность заключается в том, что механиче-ские свойства оболочки и ядрицы, связанные с их анатомическим строением, изменяются со спецификой воздействия разрушающих усилий при взаимодействии с рабочим органом машин, а также в том, что по своей структуре и химическому составу зерно представляет собой сложное упруго-пластическое тело и, являясь живым организмом, обладает большой изменчивостью к сопротивлению разрушения и развитию деформации. Это утверждение относится как к оболочке зерна так и к ядрице. Кроме того, экспериментальные исследования динамических нагрузок представляют сложные дорогие и трудоемкие операции. А результаты исследования разрушения зерна в статических условиях не могут служить достаточным основанием для распространения результатов на случаи динамических нагрузок.
Большое количество переменных, часто взаимосвязанных факторов, определяющих процесс деформирования, разрушения и отделения оболочки объекта шелушения, затрудняют математическое описание этого процесса. Однако, используя теоретические и экспериментальные исследования, выполненные отечественными и зарубежными учеными в области разрушения материалов, в данной работе сделана попытка разработки теоретических основ процесса пневмомеханического шелушения.
Теоретический анализ процесса взаимодействия зерна крупяных культур с рабочими поверхностями лопаток ротора бросковых вентиляторов пневмомеханических шелушителей
При теоретических исследованиях процесса взаимодействия рабочего органа и объекта воздействия рассматривают движение не самого объекта, а материальную частицу. Вопросы теории движения частицы по рабочим поверхностям лопастных дисков рассматривались в работах [18, 68]. Некоторые теоретические положения, изложенные в указанных работах, были приняты за основу при теоретическом анализе процесса взаимодействия зерна крупяных культур с рабочими поверхностями лопастных дисков вентиляторов броскового типа пневмомеханических шелушителей [50...55, 137, 138, 141, 149]. Причем все исследования в этом направлении имели конкретную задачу - расчет и обоснование параметров бросковых вентиляторов пневмомеханических шелушителей различного конструктивного исполнения.
При дальнейших теоретических исследованиях процесса движения воздушно - зерновой смеси по лопасти ротора принимаем следующие допущения: - хаотичное движение частицы отсутствует; - разница в скоростях движения воздушного потока и частицы в пределах длины лопатки незначительная; - движение происходит только по поверхности лопатки; - начальная скорость движения частицы по поверхности лопатки равна нулю.
Эти допущения позволяют рассматривать движение частицы без отрыва от поверхности лопатки с учетом силы трения только по поверхности лопатки.
Рассмотрим движение частицы (единичной зерновки) по поверхности лопатки произвольной формы ротора вентилятора, равномерно вращающегося с постоянной угловой скоростью со вокруг горизонтальной или вертикальной оси. При вращении лопастного колеса частица, находящаяся на его поверхности, будет вращаться вместе с лопаткой с окружной скоростью Эт и одновременно перемещаться по ее поверхности со скоростью #,,. Для получения закона движения зерна по рабочим поверхностям необходимо составить дифференциальные уравнения движения частицы по поверхности лопаток прямой и криволинейной форм.
Дифференциальные уравнения движения частицы по прямой лопатке, наклоненной вперед по ходу вращения с учетом силы тяжести были составлены и решены в работах [137, 138, 141, 149]. Поэтому здесь составим дифференциальное уравнение движения без учета силы тяжести и силы сопротивления воздушного потока, так как по сравнению с другими силами их величины при совместном движении с воздушным потоком незначительна. С целью получения дифференциального уравнения движения частицы рассмотрим силы, действующие на нее (рисунок 4.1): центробежная сила (/ = mrw2); сила Кориолиса (Jk=2mwvr).
Таким образом, в результате анализа процесса взаимодействия зерна с поверхностью прямых лопаток ротора получены уравнения, описывающие движение зерна по лопатке и выражения, которые могут быть использованы при определении конструктивных и технологических параметров броскового вентилятора шелушителей пневмомеханического типа.
Дифференциальные уравнения движения частицы по лопатке криволинейной формы, загнутой вперед по ходу вращения, с учетом силы тяжести были составлены и решены в работах [50...52, 54, 55]. Поэтому здесь составим дифференциальное уравнение движения без учета силы тяжести, так как по сравнению с другими силами величина ее при совместном движении с воздушным потоком незначительна. На частицу при движении по поверхности криволинейной лопатки с учетом принятых допущений действуют силы, представленные на рисунке 4.2. Это центробежная сила [J = тгсо2), сила Кориолиса (jк =2m\v&r), сила трения о поверхность лопатки [F = JN). Как видим, эти силы аналогичны силам, действующим на частицу при движении по поверхности прямой лопатки.
Анализ вышеперечисленных сил на частицу при ее движении по криволинейной поверхности лопатки рассмотрен П.М. Василенко [18]. На основе анализа этих сил им было выведено дифференциальное уравнение углового перемещения материальной частицы по криволинейной лопасти.
где (р - угловое перемещение частицы в относительном движении (полярная координата).
Решение этого уравнения возможно в том случае, когда известно уравнение кривой горизонтального сечения лопатки, т.е. когда задано уравнение связи.
