Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Характеристика вороха пшеницы, как объекта послеуборочной обработки. Основные требования, предъявляемые к очистке зерна. 8
1.1.1 Характеристика вороха пшеницы, как объекта послеуборочной обработки 8
1.1.2 Основные требования, предъявляемые к очистке зерна 10
1.2 Анализ работы воздушных систем 13
1.3 Способы изменения скорости воздушного потока в каналах аспирационных систем 32
1.4 Цели и задачи исследований 39
2. Теоретические предпосылки совершенствования воздушной двухаспирационной системы 41
2.1 Определение параметров регулировочных окон в канале аспирации 41
2.2 Обоснование конструктивных и режимных параметров вертикального аспирационного канала 48
2.3 Выводы 60
3. Программа и методика экспериментальных исследований 61
3.1 Программа экспериментальных исследований 61
3.2 Экспериментальные установки и объекты исследований 61
3.3 Методика проведения экспериментальных исследований 68
3.3.1 Методика определения количественных и качественных показателей работы экспериментальных установок 68
3.3.2 Методика снятия аэродинамической характеристики воздушного потока в зоне сепарации 70
3.3.3 Методика определения энергоемкости процесса 71
3.3.4 Методика проведения многофакторного эксперимента 73
3.4 Математическая обработка результатов экспериментальных исследований 74
4. Экспериментальное исследование пневмосистем зерноочистительной машины 77
4.1 Исследование работы одноаспирационной пневмосистемы 77
4.2 Исследование работы двухаспирационной пневмосистемы 83
4.3 Экспериментальное обоснование способа регулирования скоростей воздушных потоков в каналах аспирации 89
4.4 Обоснование длины отражательных перегородок осадочных камер 91
4.5 Влияние расстояния от приемника зерна до канала сепарации на качество работы воздушной системы 94
4.6 Определение геометрических размеров регулировочного окна в аспирационном канале 96
4.7 Оценка работы двойного канала первой аспирации 98
4.8 Влияние подачи и засоренности вороха на изменение скорости воздушного потока в зоне разделения 100
4.9 Выводы 102
5. Технико-экономическая оценка эффективности применения способа изменения скорости воздушного потока в зерноочистительной машине 104
5.1 Реализация результатов исследований и их экономическая эффективность 104
5.1.1 Общие положения методики расчета экономической эффективности 104
5.1.2 Расчет экономической эффективности предложенного технического решения 107
Общие выводы и рекомендации 113
Список источников литературы 115
Приложения 131
- Основные требования, предъявляемые к очистке зерна
- Определение параметров регулировочных окон в канале аспирации
- Методика определения количественных и качественных показателей работы экспериментальных установок
- Исследование работы одноаспирационной пневмосистемы
Введение к работе
Одной из главных задач сельского хозяйства нашей страны является производство зерновых культур. Планируется, что к 2008 году производство зерна в России возрастёт в два раза по сравнению с сегодняшним днём и составит 140 млн. тонн [10]. Однако достичь таких результатов без использования высококачественных семян не представляется возможным. Урожайность зерновых культур в России, как правило, не превышает 16...17 ц/га, тогда как в Канаде она составляет 50.. .60 ц/га, а в ведущих странах Европы -80 ц/га. Столь низкая урожайность зерновых культур зависит от многих факторов: несоблюдение технологии возделывания культуры, погодно-климатических условий но, пожалуй, главной причиной можно назвать низкое качество семян. По данным Госсеминспекции, в последние годы в России стандартных семян высевают не более 20 %, тогда как в ведущих зернопро-изводящих странах 90...95 %, даже некондиционных семян по разным показателям качества высевают 10,5...34,9 %. Главными причинами низкого качества семян, является несвоевременная предварительная обработка зернового вороха, что ведёт к снижению качества семян, за счёт поражения их микроорганизмами, высокий уровень травмирования зерна при уборке и послеуборочной обработке, а также недостаточное выделение биологически неполноценного зерна при послеуборочной обработке.
Одной из проблем в производстве зерна остаётся его послеуборочная обработка - очистка, сушка и сортирование. При послеуборочной обработке продовольственное и семенное зерно доводится до требуемых кондиций по чистоте, влажности и ряду других показателей. При предварительной обработке зернового вороха необходимо выделить большую часть засорителей, особенно мелких, являющихся благоприятной средой для обитания и размножения микроорганизмов, и биологически неполноценное зерно.
Высокая засоренность вороха зерновых культур поступающего на послеуборочную обработку, достигающая 10% и более, основу которой состав-
5 ляют незерновые компоненты и мелкие примеси, наличие в ворохе значительного количества биологически неполноценного легковесного зерна, предопределяют разделение вороха по аэродинамическим свойствам воздушными системами зерноочистительных машин.
Исследователями доказано, что одним из главных направлений повышения эффективности очистки зерновых материалов, является совершенствование конструкции и технологического процесса зерноочистительных машин и их воздушных очисток.
Воздушные системы современных зерноочистительных машин имеют, как правило, два последовательно работающих аспирационных канала, с различными скоростными режимами [1,2,3,4,5,6,22,24,25,27,28,29,113,114,115, 128,129,130,131].
Подача воздуха зависит от многих факторов, одним из которых, являются устройства, регулирующие скорость воздушного потока. Эти устройства должны обеспечивать возможность независимой регулировки скоростей воздушных потоков в каждом аспирационном канале.
На основании выше перечисленного можно заключить, что совершенствование воздушных двухаспирационных систем зерноочистительных машин является актуальной задачей в области послеуборочной обработки зерновых.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ, тема № 11 "Совершенствование технологий и технических средств для производства продукции растениеводства и животноводства", номер государственной регистрации 01.200.1003988 и государственному контракту 2482 Р/ 4691 на выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по проекту № 474-1-163 «Разработка и организация производства технических средств для внедрения перспективной технологии послеуборочной подготовки высококачественных семян» и соответствует
специальности 05.20.01 - "Технологии и средства механизации сельского хозяйства".
Целью данной работы является улучшение показателей качества работы воздушной системы зерноочистительной машины, за счет совершенствования процесса регулирования скоростей воздушных потоков в пневмосепарирующих каналах двухаспирационнои системы.
Объектом исследований является технологический процесс сепарации зернового вороха в пневмосепарирующих каналах двухаспирационнои системы.
Предметом исследований являются закономерности разделения компонентов зернового вороха воздушным потоком в пневмосепарирующих каналах двухаспирационнои системы.
Научная новизна состоит в разработке математических моделей способа независимого регулирования скорости воздушного потока в пневмосепарирующих каналах двухаспирационнои системы и разделения вороха в канале с учётом его засорённости; в определении изменения скорости воздушного потока в зоне разделения с учетом подачи и засоренности вороха.
Практическая значимость заключается в предложенном техническом решении для независимого регулирования скорости воздушного потока в пневмосепарирующих каналах двухаспирационнои системы (решение ФИПС от 23.11.2006 о выдаче патента на изобретение № 2005111617/03(013481).
Результаты научных исследований использованы при разработке технической документации на зерноочистительные машины серии ОЗФ. Машины прошли приёмочные государственные испытания на Центрально-Чернозёмной МИС и рекомендованы для постановки на производство. Техническая документация передана ООО «ОСКОЛАГРО» г. Новый Оскол, Белгородской области для организации их производства.
На защиту выносятся; математическая модель, для определения скорости воздушного потока в пневмосепарирующих каналах двухаспирацион-ной системы; устройство для независимого регулирования скорости воздушного потока в пневмосепарирующих каналах и его параметры.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на ежегодных научных конференциях Воронежского государственного аграрного университета им. К.Д. Глинки в 2005 и 2006 гт. По теме диссертации опубликовано 5 работ, получено решение ФИПС о выдаче патента на изобретение.
Автор выражает глубокую искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, академику ААО А.П. Тарасенко консультанту на протяжении всей работы по данной проблеме; научному руководителю к.т.н. Оробинскому В.И. соавтору совместных публикаций; сотрудникам ООО «СемМаш» за содействие на различных этапах диссертационной работы - кандидатам технических наук А.А. Сундееву, В.В. Шередекину; доценту, кандидату технических наук Воронежского государственного университета им. К.Д. Глинки A.M. Гиевскому, преподавателям Воронежского государственного аграрного университета им. К.Д. Глинки за ценные замечания и предложения при апробации результатов исследований.
Основные требования, предъявляемые к очистке зерна
В зависимости от назначения зерна (для посева, продовольственных и фуражных целей) предъявляются различные требования к очищаемому продукту.
Из посевных качеств семян государственными стандартами нормируются: чистота, всхожесть, влажность, зараженность болезнями и вредителями. Своевременно и хорошо очищенное зерно лучше хранится. Хорошо очищенные и отсортированные семена снижают засоренность полей, повышают всхожесть семян и урожайность. Биологически полноценные, выровненные, свободные от примесей и болезней семена обеспечивают наиболее высокие энергию прорастания и лабораторную всхожесть, дружные и сильные всходы, высокую урожайность.
Для посева используют семена сортов, гибридных популяций, гибридов и родительских форм гибридов, внесенных в Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию, утвержденный в установленном порядке.
Категории семян классифицируют на оригинальные (ОС), элитные (ЭС), репродукционные для семенных целей (PC) и производства товарной продукции (РСТ).
Семена должны быть проверены на сортовые и посевные качества (таблица 1.3...1.5) и удостоверены соответствующими документами. Семена, не отвечающие сортовым и посевным качествам для заявленных категорий, переводят в более низкую категорию. Такой перевод допускается только при невозможности повышения качества семян за счет дальнейшей подработки. Допускается с разрешения уполномоченных органов управления сельским хозяйством субъектов Российской Федерации использовать для посева семена, выращенные в неблагоприятные по погодным условиям годы, со всхожестью менее установленных норм для ОС И ЭС на 3%, для PC и РСТ - на 5%.
ГОСТ Р 52325 - 2005 предъявляет к качеству семян пшеницы требования, которые представлены в таблице 1.3.
Для продовольственного зерна установлены базисные и ограничительные кондиции, отражающие его качество и гарантирующие сохранность и нормальные технологические свойства при дальнейшем использовании (таблица 1.4).
Машины предварительной очистки должны обеспечивать подготовку зернового материала к пропуску через шахтные сушилки или к временному хранению при активном вентилировании. При этом из зернового вороха выделяется не менее 50% сорных примесей. После предварительной очистки в ворохе должно быть соломистых примесей длиной до 50 мм не более 0,2 %. Содержание более длинных соломистых примесей не допускается. В отходах содержание полноценных зерен не должно превышать 0,05% от массы зерна основной культуры в исходном ворохе.
При первичной очистке зернового вороха полнота разделения должна быть не менее 60%, а суммарные потери свободного полноценного зерна - не более 1,5%. Зерновой ворох после очистки должен отвечать требованиям базисных кондиций на продовольственное зерно, за исключением случаев, когда он засорен примесями, для выделения которых требуются специальные машины.
Машины для вторичной очистки зерна должны доводить семена по чистоте до требований к посевным качествам семян за исключением случаев засоренности исходного вороха примесями, требующими для их выделения специальных машин. Полнота разделения должна быть не менее 80%», суммарные потери полноценного зерна во все отходовые фракции - не более 1,0%, а во второй сорт - до 30%». Общее дробление зерна допускается до 1%.
Анализ данных таблиц 1.3...1.4 показывает, что зерновая масса должна быть обработана и доведена до необходимой категории семян. При этом она проходит обработку на различных машинах обеспечивающих очистку от примесей, сушку, сортирование и т.д. Эти технологические процессы основаны на различии физико-механических свойств семян и примесей, таких как размеры, аэродинамические и гравитационные свойства, состояние поверхности, сыпучесть [18,19,20,23,38,49,60,64,72,74,85,97,103,106,126,137,141, 142] и т. д.
Воздушные системы могут быть составной частью зерноочистительных машин, а также самостоятельными машинами. Рабочими органами воздушных машин являются вентиляторы, сепарирующие каналы, осадочные камеры и пылеотделитель.
Определение параметров регулировочных окон в канале аспирации
Главным показателем, характеризующим работу пневмосистемы зерноочистительной машины, являются скорости воздушного потока в каналах аспирации. К устройствам для изменения скоростей воздушного потока предъявляется ряд требований [19,20,23,24,103,126,131]: Изменять скорость воздушного потока в диапазоне, который необходим при обработке данного зернового вороха. 1. Устройства регулирования не должны нарушать структуру воз душного потока в зоне сепарирования зернового вороха. 2. Регулирующие устройства не должны влиять на рабочую харак теристику вентилятора. 3. Обеспечивать независимое регулирование скорости воздушного потока в каналах двухаспирационной системы и не вызывая взаимного влия ния друг на друга. Регулирование скорости воздушного потока в каналах аспирации, в основном, осуществляется двумя способами: изменением характеристик вентилятора или сети. Первый способ наиболее экономичен и осуществляется путём изменения частоты вращения вентилятора [19,20,24,103,126]. Такой способ изменения скорости воздушного потока широко используется в зарубежных машинах, например в машинах фирмы «Cimbria» (Дания). Частоту вращения вала вентилятора изменяют с помощью преобразователей частоты вращения электродвигателя. В процессе перехода с обработки одного зернового вороха на другой требуется меньше времени на настройку машины, по сравнению с использованием сменных шкивов. Регулировка осуществляется с рабочего места оператора, без дополнительных затрат и оперативных вмешательств в машину. Второй способ реализуется изменением сопротивления пневмосисте-мы с помощью задвижки или дросселя. Этот способ наиболее применяем в машинах, и позволяет осуществлять регулирование только в сторону уменьшения производительности [15,19,20,23,29,85,103,108,126,138 ]. Изменение скорости воздушного потока путём изменения глубины пневмосепарирующего канала не находит широкого применения в машинах, что связано с изменением площади сепарирования, и как следствие снижением качество обработки вороха. В машинах МС-4,5 регулирование скорости воздушного потока осуществляется заслонками, расположенными в нагнетательной магистрали. Общая подача воздуха в каналы осуществляется поворотом заслонки в воздухо-подводящем канале. Сопротивление перепускного канала подобрано таким образом, чтобы при полностью открытом и закрытом перепускном канале выдерживалось соотношение скоростей в каналах аспирации. Скорость воздуха во втором канале при регулировании её в первом во всём диапазоне изменяется не более чем на 14% [23,45,60,85,126]. В пневмосепараторе А1-БДЗ для изменения скорости воздушного потока применяют дроссельную заслонку, расположенную на входе в осадочную камеру центробежного типа (рис. 1.8а). В машине применён диаметральный вентилятор, позволяющий получить компактные размеры. В пневмосепараторах канадской фирмы « Carter-Day» (рис. 1.86) скорость воздуха устанавливается регулировочной заслонкой расположенной также как и в пневмосепараторе А1-БДЗ. В этой серии применён также диаметральный вентилятор. По такой же технологической схеме изготовлен пневмосепаратор ПС-15, который отличается тем, что в осадочной камере применён жалюзийный отделитель, и скорость воздушного потока изменяется дроссельной заслонкой расположенной в канале нагнетания. Аналогичный способ регулирования, дроссельными заслонками нагнетательных каналов, применяется на машинах фирмы «Happle» [20,23,103,126 ]. Для регулирования скорости воздуха в канале сепарации самопередвижного очистителя вороха ОВС-25 в боковой стенке воздуховода, перед вентилятором, выполнено окно, закрываемое подвижной заслонкой.
Методика определения количественных и качественных показателей работы экспериментальных установок
Экспериментальные исследования проводили для пневмосепарирую-щих каналов двух видов: прямоугольного без сепарирующей поверхности площадью - 0,036 м2 и для канала с сепарирующей поверхностью площадью - 0,05 м2.
При работе установки ворох распределялся на три выхода: первый - в приёмник зерна, второй - в осадочную камеру и третий - вынос через вентилятор. В каждом выходе после опыта определяли количество целого и дробленого зерна. При проведении экспериментов подачу вороха изменяли в пределах 0,66 ... 0,78 кг/с.
Первоначально исследовали влияние скорости воздушного потока на распределение вороха по выходам и изменение мощности, затрачиваемой на привод вентилятора. Полученные результаты представлены в таблице 4.1 и на рисунках 4.1 и 4.2 и в приложении таблиц А4 и А5.
Из результатов видно, что с увеличением скорости воздушного потока в зоне сепарации количество вороха, поступающего в приёмник зерна, уменьшается, а в осадочную камеру - увеличивается, возрастая с 0,66 при 4 м/с до 23,99 % при 10 м/с. При этом так же возрастает и вынос материала через вентилятор. Мощность, затрачиваемая на привод вентилятора, с увеличением скорости воздушного потока увеличивается и при V=10 м/с достигает 0,63 кВт.
С увеличением скорости воздушного потока в зоне сепарации с 4 до 10 м/с выход компонентов, поступающих в приёмник, снижается с 99,33 до 75,78 %. Содержание различных засорителей и дробленого зерна уменьшаются соответственно: с 6,62 до 1,65% и с 6,07 до 3,58% (рис. 4.1).
Начиная со скорости 6 м/с наблюдается вынос дроблённого и целого зерна в осадочную камеру и при достижении 10 м/с возрастают соответственно с 0,11 до 3,28 и с 0,3 до 16,23 % (рис. 4.2).
По результатам проведённых опытов, можно сделать вывод, что для канала без сепарирующей поверхности рациональной будет скорость воздушного потока в пределах 5...6 м/с. При этом будет достигаться чистота зерна в пределах 87,53...91,65%, что соответствует требованиям, предъявляемым к каналам первой аспирации (рис. 4.1). Мощность, затрачиваемая на очистку, для лабораторной установки составляет 0,1.. .0,2 кВт.
Для получения семенного зерна необходимо увеличивать скорость воздушного потока в зоне сепарации, однако при этом возрастает вынос зерна в осадочную камеру. Разборка компонентов вороха показала, что в основном это зерно не пригодное для посевных целей, но которое можно использовать на фураж. Масса 1000 зёрен выделенных в приёмник при V= 9 м/с составила - 38,54 г., а вынесенного в осадочную камеру - 24,14 г.
Влияние скорости воздушного потока на распределение компонентов вороха и затрачиваемую мощность для аспирационного канала с сепарирующей поверхностью представлены в таблице 4.2 и на рисунках 4.3 и 4.4 и в приложении таблиц А4 и А5. Для канала с сепарирующей поверхность с увеличением скорости воздушного потока в зоне сепарации количество вороха, поступающего в приёмник зерна, уменьшается. При скорости воздушного потока 4 м/с выход зерна в приемник составляет 99,80%, а при 10 м/с - 87,40%. Одновременно увеличивается выход вороха в осадочную камеру -, возрастая с 0,19 при 4 м/с до 12,25 % при 10 м/с. При этом возрастает и вынос вороха через вентилятор с 0,01 до 0,35%.
Исследование работы одноаспирационной пневмосистемы
Из представленного графика следует, что в зависимости от подачи вороха в канал сепарации скорость в зоне разделения меняется (почти по прямой зависимости), и наименьшее изменение её происходит при минимальной подаче исходного зернового вороха (0,8 кг/с). Влияние же засорённости подчиняется квадратичной зависимости и имеет минимум изменения скорости воздушного потока при засоренности исходного вороха в пределах 12... 18 %. При уменьшении засоренности растет концентрация зернового материала в нижней части канала, через которую осуществляется забор воздуха, тем самым увеличивается сопротивление на входе и уменьшается скорость воздушного потока в зоне разделения.
При увеличении засоренности растет концентрация легковесных примесей уже в верхней части канала, уменьшая его действительное сечение. Это также ведет к росту сопротивления в верхней части канала и снижению скорости воздушного потока в зоне разделения.
Проведенные исследования показывают, что при увеличении производительности машины скорость в зоне разделения снижается. При обработке вороха с большим процентом содержания легковесных примесей происходит уменьшение реальной скорости в зоне сепарации.
Все это необходимо учитывать при настройке аспирационных систем. 1. Аспирационная установка с центробежным вентилятором показала, что с увеличением скорости воздушного потока с 4 до 10 м/с, чистота зерна в приемнике увеличивается с 87 до 95 %, но при этом происходит интенсивный вынос полноценного зерна в осадочную камеру и достигает 16 %, что не допустимо по агротехническим требованиям. Скорость воздушного потока при обработке такого вороха нужно устанавливать в пределах 5...6 м/с. 2. Установка сепарирующей поверхности в канале аспирации позволяет уменьшить вынос зерна при скорости воздушного потока 6...10 м/с почти в два раза, но при этом затраты мощности на привод вентилятора увеличиваются в среднем на 11% и с течением времени наблюдается забивание самой сепарирующей поверхности. Поэтому применение сепарирующей поверхности в канале при скорости до 5 м/с не рационально. 3.Экспериментальные исследования двухаспирационной воздушной системы показали, что наиболее рационально устанавливать скорость воздушного потока в первой аспирации до 5 м/с и во второй до 10 м/с. 4.Экспериментально подтверждены теоретические предпосылки регулирования скоростей воздушных потоков в каналах аспирации за счет применения воздухозаборных окон и изменения частоты вращения вентилятора. Скорость воздушного потока в зоне разделения первой аспирации уменьшается с 5 до 3 м/с при открывании окна на 100 мм, а во второй аспирации - с 10,6 до 7,1 м/с. Скорость воздушного потока в канале второй аспирации - 7...10 м/с необходимо устанавливать изменением частоты вращения вентилятора, а необходимую скорость воздушного потока в первой аспирации - 3...5 м/с величиной открытия воздухозаборного окна. 5. Обоснованы длины перегородок осадочных камер: для первой аспирации не менее 400 мм, для второй - не более 230...275 мм. Размеры отражательных перегородок должны быть согласованы с параметрами вентилятора: нижний обрез их должен быть ниже центра вентилятора на 80 мм. 6. Приемник зерна должен находиться от канала сепарации на расстоянии 300... 450 мм, как для первой, так и для второй аспирации, или через них необходимо обеспечить возможность дополнительного забора воздуха. 7. Обосновано применение двойного канала первой аспирации увеличивающего площадь поперечного сечения в зоне разделения в 1,5 раза. Изменение скорости воздушного потока с 6 до 4 м/с открытием регулировочного окна не влияет на режим работы второй аспирации и не требует увеличения частоты вращения вентилятора. 8.Увеличение засоренности вороха с 8 до 25% и повышение производительности на 20...30%) в процессе работы вызывают снижение реальной скорости воздушного потока в зоне разделения на 1,2 м/с. Это необходимо учитывать при настройке аспирационных систем.
