Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и анализ технологиче ского процесса дозирования семян хвойных пород 16
1.1. Физико-механические свойства семян хвойных пород 16
1.2. Процесс истечения материалов из бункера 19
1.3. Анализ конструкций подающих и дозирующих устройств 29
1.4. Неоднородность характеристик технологического процесса дозирования семян хвойных пород 47
1.5. Цель и задачи исследования 62
2. Теоретическое иследование технологического процесса подачи семенного материала щеточным питателем 65
2.1. Разработка конструкции бункера-дозатора 65
2.2. Аналитические зависимости конструктивных и технологических параметров щеточного питателя 68
2.3. Определение производительности (подачи) щеточного питателя и статические характеристики 79
2.4. Исследование динамики процесса подачи семенного материала из бункера 102
3. Методика экспериментальных исследований 117
3.1. Лабораторная установка для экспериментальных исследований 117
3.2. Методика исследований физико-механических свойств семян сосны 120
3.3. Методика исследования конструктивно-технологических характеристик бункера-дозатора 126
3.4. Методика распределения семян по длине решета бункерадозатора 130
3.5. Методы обработки экспериментальных данных и моделирова ния технологического процесса дозирования в бункере-дозаторе с учетом неоднородности характеристик 132
4. Результаты экспериментальных исследований характеристик семян хвойных пород 145
4.1. Статистическая характеристика исходного вороха и основных свойств семян 145
4.2. Физико-механические характеристики семян 147
4.3. Результаты предварительных исследований по истечению семян из бункера 151
5. Моделирование и оптимизация технологиче ского процесса дозирования в бункере-дозаторе с щеточным питателем 159
5.1. Декомпозиция математического описания технологического процесса дозирования в условиях неоднородностей 159
5.2. Математическое описание технологического процесса подачи семенного сырья бункером-дозатором 167
5.3. Математическое описание равномерности распределения семян 173
5.4. Верификация математических моделей технологического процесса в бункере-дозаторе 176
5.5. Оптимизационная модель технологического процесса в бункере-дозаторе 182
6. Результаты реализации и экономическая эффективность применения решетной установки для сортирования семян 187
6.1. Описание экспериментального образца машины 187
6.2. Оценка экономической эффективности машины 191
Заключение 200
- Процесс истечения материалов из бункера
- Неоднородность характеристик технологического процесса дозирования семян хвойных пород
- Определение производительности (подачи) щеточного питателя и статические характеристики
- Методика исследований физико-механических свойств семян сосны
Введение к работе
Актуальность проблемы Леса России являются экологическим каркасом биосферы, они составляют более 20 % мировых лесных ресурсов и занимают 69 % суши Российской Федерации В настоящее время значительные площади лесов вырубаются и уничтожаются пожарами Поэтому обеспечение воспроизводства лесов России — не только национальная, но и глобальная проблема, жизненно важная для всего человечества
Для высококачественного и своевременного выращивания посадочного материала на больших площадях и воспроизводства лесонасаждений в лесной промышленности необходимо широкое применение средств механизации и автоматизации всех технологических процессов, важнейшим из которых является подготовка семенного материала к посеву
Получение высококондиционного посевного материала для основных ле-сообразующих пород (сосны, ели, лиственницы) требует обескрыливания, предварительной очистки, пневмосортирования, вторичной очистки и сортирования семян по размерам Последние технологические операции являются наиболее важными и заключительными стадиями процесса обработки семян Существующие машины не в полной мере обеспечивают требуемые качественные показатели этих операций В последние годы начали разрабатываться решетные и безрешетные сепараторы для вторичной очистки и сортирования семян хвойных пород Однако они недостаточно эффективны из-за того, что используемые питатели бункерных устройств не обеспечивают равномерную и дозированную подачу семенного материала из бункера на рабочий орган машины До настоящего времени в лесной промышленности для воспроизводства вырубок лесов нет достаточно эффективного устройства для равномерной и дозированной подачи семенного материала на рабочий орган сортировальных устройств Поэтому разработка бункера-дозатора с обоснованными конструктивно-технологическими параметрами для машин по вторичной очистке и сортированию семян является актуальной задачей лесной промышленности
Как правило, при разработке систем механизации и автоматизации технологических процессов в лесной промышленности для воспроизводства лесов, являющееся одной из ее важнейших функций, не учитывается один из существенных показателей, характеризующих разнообразие физико-механических характеристик биологических объектов, в частности семян хвойных пород, при разработке бункеров-дозаторов с оптимальными конструктивно-технологическими параметрами Класс этих объектов управления, имеющих различие, приводящее к увеличению разнообразия, образуют объекты с неоднородными характеристиками, а при разработке бункеров-дозаторов лишь кос-
венно и частично учитывается различие (неоднородность) семян хвойных пород как биологических объектов, что не в полной мере обеспечивает качество процесса управления и не позволяет разработать достаточно полное алгоритмическое обеспечение, повышает ошибку при планировании экспериментов для формирования оптимизационной задачи При этом целевые функции должны формироваться для однородных объектов управления, что обеспечит оптимальное проектирование бункеров-дозаторов и повышение эффективности и качества их функционирования
Работа выполнялась в рамках госбюджетной программы Воронежской государственной лесотехнической академии «Совершенствование машин для лесовосстановления и рубок ухода в различных типах леса» и с основными научными направлениями Воронежского государственного технического университета «Проблемно-ориентированные системы управления» и «САПР и методы автоматизации производства»
Целью диссертационной работы является разработка методологических основ проектирования и исследования бункеров-дозаторов семян хвойных пород с оптимальными конструктивно-технологическими параметрами для повышения равномерности и обеспечения дозирования подачи семян
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач исследования.
изучить состав семенного вороха, его компонентов и основные физико-механические свойства семян как исходные данные для обоснования конструкции и параметров бункера-дозатора,
обосновать новую конструкцию и разработать экспериментальный образец бункера-дозатора для подачи семян на рабочий орган решетной установки,
получить аналитические зависимости конструктивных и технологических параметров с компьютерной поддержкой для определения количества размещенных в заслонке прутков, зазора между прутками, объема и массы очищаемого материала, захватываемого щеткой за один оборот, количества подаваемого семенного материала бункером-дозатором в единицу времени,
дать оценку неоднородности биологических объектов и предложить метод определения неоднородности семян хвойных пород для декомпозиции математического описания технологического процесса в бункере-дозаторе,
получить математическое описание бункера-дозатора по производительности и коэффициенту вариации методом планирования эксперимента,
сформировать оптимизационную модель технологического процесса дозирования семян,
провести многофакторные экспериментальные исследования нового бункера-дозатора, на основе которых получить математические модели для обоснования оптимальных конструктивно-технологических параметров бункера-дозатора решетной установки,
провести лабораторные исследования и испытания новой конструкции бункера-дозатора и дать технико-экономическое обоснование эффективности использования разработанной конструкции бункера-дозатора решетной установки
Методы исследования В ходе выполнения работы использовались основные положения теории системного анализа, методы математической статистики и теории вероятностей, методы математического моделирования, планирования эксперимента и оптимизации сложных объектов управления, методы оценки неоднородности объектов управления и методы декомпозиции и математического описания объектов с неоднородными характеристиками
Научная новизна В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной
конструкция нового бункера-дозатора решетной установки, оригинальность которой защищена патентом, отличающаяся тем, что щеточный питатель отделен от семенной массы наклонным днищем, а в зоне выпускного отверстия предусмотрена регулировочная гребенчатая заслонка,
аналитические зависимости конструктивных и технологических параметров, позволяющих оптимально определять количество размещенных в заслонке прутков, зазор между прутками, объем и массу очищаемого материала захватываемого щеткой за один проход и количество подаваемого семенного материала бункером-дозатором в единицу времени,
комплекс методов определения неоднородности семян хвойных пород, позволяющих осуществлять декомпозицию математического описания технологического процесса в бункере-дозаторе для формирования оптимизационной модели с использованием обобщенного показателя неоднородности,
методика экспериментального исследования бункера-дозатора с щеточным питателем, позволяющая определить физико-механические свойства семян хвойных пород и конструктивно-технологические параметры бункера-дозатора для оценки неоднородности для математического описания и формирования оптимизационной задачи,
математические модели для определения оптимальных параметров технологического процесса подачи семян на рабочий орган устройства предложенным дозирующим устройством и установления оптимальных конструктив-
но-технологических параметров бункера-дозатора, обеспечивающих равномерную и дозированную подачу семян на верхнее решето установки,
оптимизационная модель технологического процесса равномерной и дозированной подачи семян и по коэффициенту вариации, учитывающая ограничения задаваемой производительности бункера-дозатора и неоднородность семян хвойных пород,
оптимальные конструктивные параметры и технологические режимы работы нового бункера-дозатора, обеспечивающие равномерную и дозированную подачу семенного материала на верхнее решето установки, достоверность которых подтверждена хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных данных и положительными результатами лабораторных исследований и испытаний бункера-дозатора в производственных условиях
Практическая значимость и реализация результатов исследования В результате научных исследований разработана конструкция бункера-дозатора, оригинальность которой защищена патентом РФ № 2167725, позволяющая производить равномерную и дозированную подачу семенного материала на рабочий орган машины, определены оптимальные конструктивные параметры и технологические режимы работы дозирующего устройства Разработаны практические рекомендации по использованию бункера-дозатора в машине для вторичной очистки и сортирования семян хвойных пород, позволяющие минимизировать потери ценного семенного материала Материалы научных исследований переданы в ЦОКБ «Лесхозмаш», используются в учебном процессе ВГЛТА и в учебном процессе на кафедре проектирования механизмов и подъемно-тарнспортных машин ВГТУ Разработанная конструкция решетной установки с новым бункером-дозатором прошла опытно-производственную проверку в Бобровском опытном лесокомбинате и Семилукском лесхозе Воронежского комитета природных ресурсов, показав хорошее качество работы, подтвержденное технико-экономическими оценками
Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Химико-лесной комплекс - научное и кадровое обеспечение Проблемы и решения» (Красноярск, 2000), межвузовской конференции «Интеграция» (Воронеж, 2000), научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития лесохозяйственного машиностроения» (Пушкино, 2000), Международной конференции «Новые технологии и устойчивое управление в лесах Северной Европы» (Петрозаводск, 2001), Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения В Е Печенкина (Йошкар-Ола, 2001), Международной научно-практической конференции (Минск, 2002), Все-
российской конференции «Лесной и химический комплексы, проблемы и решения» (Красноярск, 2003), Всероссийский научно-практической конференции с международным участием (Воронеж, 2004), межвузовской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы лесного комплекса» (Воронеж, 2005), Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 2005), Всероссийской конференции «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж, 2005-2007), заседаниях кафедры «Механизация лесного хозяйства и проектирование машин» ВГЛТА (1999-2002), на заседаниях кафедры «Проектирование механизмов и подъемно-транспортных машин» ВГТУ (2007), научно-тематическом семинаре ВГТУ «Проблемно-ориентированные системы управления» (2005-2007)
Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 49 научных работах, в том числе 14 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, соискателем представлен теоретический материал для проектирования плоских механизмов [2], разработаны математические подходы для определения угла наклона решет в решетной установке [20, 26], получены и проанализированы результаты математического моделирования параметров бункера-дозатора [18, 22, 25, 30, 33], разработаны и изучены аналитические зависимости для определения осевой скорости движения семян хвойных пород [19, 21, 23], проведен анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований бункеров-дозаторов [29, 32]
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 209 наименований и приложения Основная часть работы изложена на 203 страницах, содержит 39 рисунков и 29 таблиц
Процесс истечения материалов из бункера
Основной количественной характеристикой процесса истечения является объем и масса сыпучего материала, истекающего через выпускное отверстие бункера в единицу времени. Определением расхода сыпучих материалов через выпускные отверстия из бункеров занимались многие ученые. Были предложены разнообразные методы по определению дозирования - расхода. В основе одних методов лежали теоретические предпосылки; другие были получены экспериментальным путем. Важнейшая закономерность истечения сыпучих материалов из выпускных отверстий - постоянство расхода и независимость его от высоты столба сыпучего тела. В устройствах и машинах для переработки семян, где одним из важнейших технологически значимых узлов является бункер-дозатор, равномерная и дозированная подача семенного материала на рабочий орган машины определяет качество обработки семян. Рассматривая работы ряда авторов К.В. Алферов [18, 19, 20], В.А. Бого-мягких [28, 29, 30, 31, 32], П.Н. Платонов [154], Г.И. Покровский [158], Л.В. Гячев [52, 53, 54, 55], Ричмонд [168], Дженике Э.В. [59], Kvapil R. [205, 206] выявлено, что существует три вида истечения материалов из выпускных отверстий бункера - нормальный, сплошной и гидравлический. При нормальном истечении частицы находятся в движении лишь в зоне столба материала, расположенного над выпускаемым отверстием бункера (рис. 1.1.а) К.В. Алферов [18], Л.В. Гячев [52, 55], Р.Л. Зенков [68, 69], В.Ф. Семенов [190], Н.М. Луткин [129]. При этом свободная поверхность сыпучего тела представляет собой воронку, вдоль стенок которой частицы перемещаются в центральную зону. Вокруг воронки материал находится в неподвижном состоянии, а угол конуса осыпи приблизительно равен углу естественного откоса материала. Нормальное истечение происходит в бункерах, которые имеют наклон стенок равный или больший нежели угол естественного откоса. Такое истечение из бункера присуще сыпучим материалам. При сплошном истечении все частицы находятся одновременно в движении (рис. 1.1.6). Поверхность сыпучего материала в бункере не имеет четко выраженной воронки; все частицы опускаются в зону выпускного отверстия одновременно.
При сплошном истечении материала в бункере практически отсутствует застойная зона, так как стенки бункера имеют большой угол наклона к горизонтали примерно равный 70-80. В таких бункерах происходит обрушение практически всего объема сыпучего материала, а скорость материала при выходе из выпускного отверстия практически не зависит от высоты столба в бункере. Она зависит от величины выпускного отверстия. Гидравлическое истечение (рис. 1.1.в) наблюдается в бункерах работающих с влажным материалом, имеющим вид суспензии. Такое истечение может иметь место при любом наклоне стенок бункера к горизонтали, а скорость истечения материала зависит от высоты столба насыпного материала в бункере, так как материал истекает из отверстия как жидкость, без образования динамических сводов. В лесном хозяйстве могут использоваться бункеры с нормальным и сплошным видами истечения, но для внедрения таких конструкций бункеров необходимы научные исследования, которых пока недостаточно. Как правило используемые загрузочные бункера в питомниковых сеялках и машинах для очистки и сортировки семян включают в свою конструкцию принудительно вращающиеся устройства (ворошители) для предотвращения образования сводов. Исследования по определению равномерной и дозированной подачи семян питателем из бункера в машинах для очистки и сортировки ограниченны, так как в целях исследований основным объектом являлся процесс отделения семян от крылаток. В работе А.И. Мансимова [133] исследуется процесс истечения семенного материала и норма высева (подачи) в бункерах высевающих аппаратов. Им приводится формула для определения оптимальной емкости бункера из которой наибольшая норма высева определяется как: где Уб - объем бункера, Вр - рабочая ширина захвата семян, Е - объемная масса семян, L - длина гона. Предложенная формула применима для определения количества высеваемых семян клена остролистного, а это семена плохо сыпучие, поэтому конструкция бункера в питомниковой сеялке существенно отличается по своим технологическим требованиям от конструкции бункеров питателей, работающих с семенами хвойных пород. Большое влияние на производительность истечения материала оказывает размер выпускного отверстия бункера. Ряд авторов для расчета производительности истечения дают различные зависимости. Большое количество и разноречивость формул свидетельствует о многогранности процесса истечения и необходимости дальнейших исследований.
Практически доказано, что для каждого сыпучего тела существует определенный размер отверстия, при котором истечение прекращается. Основным фактором, определяющим расход Q при свободном истечении, является площадь выпускаемого отверстия: где гг - гидравлический радиус отверстия, равный отношению площади отверстия к его периметру; сип- постоянные, зависящие от условий истечения: свойств сыпучей массы, формы бункера, выходного окна и так далее. Чтобы сравнивать производительность истечения через отверстия различной площади, введено понятие удельной производительности истечения, равной количеству сыпучего материала, проходящего в единицу времени через единицу площади выпускного отверстия, которое может выражаться в объемных или массовых единицах, то есть где qMnq0- соответственно массовая и объемная удельная производительность истечения; F- площадь выпускного отверстия. Кроме размеров отверстия на производительность истечения оказывает влияние физико-механические свойства материала: размер семян, засоренность семенной массы примесями, коэффициент внутреннего трения между семена- ми, соотношение определенных конструктивных параметров загрузочно-подающего устройства и т. д. Для определения пропускной способности бункеров часто применяют формулу Р.Л. Зенкова [68]: где и - скорость истечения насыпного материала из отверстия бункера; ум -объемная масса насыпного материала; со - площадь отверстия истечения. Данная формула может применяться для нахождения производительности подачи семенного материала, но только для конструкций обеспечивающих свободное истечение из бункера. Автором принимается постоянная скорость истечения насыпного материала из отверстия бункера, что не всегда выполнимо. Выпускные отверстия, прямоугольных бункеров в зависимости от конструкции бункера и типа применяемых затворов или питателей выполняют квадратными или прямоугольными [56]. Однако при одинаковой площади отверстий квадратное лучше обеспечивает беспрепятственное высыпание материала, чем прямоугольное. Поэтому, представляется целесообразным проводить исследования по изучению равномерной и дозированной подачи семенного материала из бункера. Изучение вопроса истечения сыпучих тел из отверстий бункера раскрыто в работах А.В. Гячева [52, 53, 54, 55]. Им предложена теория движения сыпучего тела. В основу его теории положена модель абсолютно твердых шарообразных частиц, а сыпучий материал берется как дискретная среда, состоящая из отдельных частиц. Рассмотрев действия сил на шарообразную частицу, им составлено дифференциальное уравнение движения совокупности шарообразных частиц. Интегрирование дифференциальных уравнений позволило получить основные закономерности истечения сыпучих материалов из сосудов.
Неоднородность характеристик технологического процесса дозирования семян хвойных пород
Если мы имеем некоторый объект, состояние которого описывается вектором переменных состояния /) (выходных переменных), на вход его подается вектор-функция возбуждения u{f) (управляющие воздействия), а сам объект характеризуется множеством структур S и вектором параметров q, то различие объектов будет определяться разнообразием (неоднородностью) множества S и возможных значений вектора q [131, 166, 204]. Естественным является разнообразие объектов по S и q, имеющих различную физическую природу и различное назначение. Однако указанное разнообразие (неоднородность) имеет место и для объектов одной физической природы и одного назначения. Совокупность объектов, имеющих одинаковую физическую сущность и для которых характерны единый цикл и определенная последовательность функционирования, направленные на достижение общей цели, образуют множество D (группу объектов). Разнообразие множества D можно уменьшить путем выделения подмножеств QV(V = \,...,q) (подгруппы объектов) в связи с их различным назначением. Объекты, относящиеся к подмножеству 0.у, имеют одинаковую физическую природу, один и тот же подвергаемый изменению (воздействию) в процессе их функционирования исходный материал (состояние), но различаются по некоторым признакам Qj(j = \,...,m) [131, 166, 204]. Основным источником разнообразия объектов подгруппы Qv(Vr = li...,q) в этом случае является неоднородность, обусловленная различием объектов по структуре S и параметрам q. Неоднородности можно разделить на внутренние и внешние [131]. К внутренним неоднородностям относится различие характеристик между объектами по управляемым входным переменным и неоднородности, вызванные многоэтапностью процессов, протекающих в объектах. При одинаковой физической природе объекты в подгруппе С1У различаются неодинаковыми связями в статике и динамике между выходными и управляемыми входными переменными (управляющими воздействиями), неодинаковым набором управляющих воздействий в зависимости от диапазона управления. Кроме того, каждый v-й объект подгруппы Qv имеет свои особенности, которые определяют различные параметры этих связей q. Неоднородность, порождаемая многоэтапностью, определяется тем, что на этапе коррекции достигается желаемое или заданное значение выходных переменных, а на этапе стабилизации эти значения поддерживаются постоянными для получения заданных свойств за счет внутренних процессов.
Внешние неоднородности - это неоднородности неуправляемых входных переменных, которые в свою очередь делятся на конструкционные и производственные. Конструкционная неоднородность связана с зависимостью выходных переменных от пространственных параметров и конструкции объектов. К производственным неоднородностям относятся различие исходного материала (состояния) и технологической среды. В зависимости от природы источников неоднородности бывают дискретные, непрерывные, стохастические, детерминированные, количественные и качественные [131]. По степени проявления неоднородности в свою очередь делятся на групповые и индивидуальные [131]. Групповые неоднородности, присущие группе или подгруппе объектов, влияют на выбор управления, а индивидуальные определяют вид и величину управляющих воздействий, которые изменяются от объекта к объекту в подгруппе Qy(V = \,...,q). Как групповые, так и индивидуальные неоднородности бывают существенные и несущественные. Таким образом, имеется целый ряд неоднородностей, которые в конечном счете являются источником разнообразия множества S и вектор параметров q. Разнообразие множества S обусловлено многоэтапностью процессов, кон-струкционностью, различным характером зависимости между выходной переменной y(t) и управляющим воздействием и{І) по диапазону управления, неодинаковым числом существенных входных переменных и наиболее информативными переменными состояния. Вектор параметров q определяется неоднородностью производственных входных переменных (неоднородность исходного материала (состояния) и технологической среды, старение, деградационные процессы, износ и т.п.). При формализации объекта управления разнообразия (неоднородность) выражается в том, что модель объекта представляет собой набор математических зависимостей вида: где fj S - однородные по структуре компоненты математического описания; q] - внутренние параметры модели, которые в общем случае являются функциями неуправляемых входных переменных и времени; q2 - параметры, определяющие условия переключения между fj в рамках множества структур S.
Для выявления неоднородности структур и параметров объекта также, как и для построения математического описания при определенных /, є S, используется два подхода: аналитический и экспериментально-статистический. При выявлении неоднородностей аналитический подход следует использовать для предварительного анализа физических априорных источников неоднородности, возможных классов математических зависимостей /,. Однако детальное исследование неоднородностей и выделение отдельных компонент (однородных компонент (1.11) будет проводиться на основе результатов наблюдений. Пусть в результате наблюдения объект описывается измеряемым множеством где Х- множество значений входных переменных; Y- множество значений выходных переменных. Объект или подгруппу объектов будем считать однородными, если на множество М можно построить однородное семейство мер, «то есть, что любые две меры этого семейства абсолютно непрерывны одна относительно другой» [131]. «Меры JU{ и ju2 абсолютно непрерывны одна относительно другой (//, = pi2), если не существует множества ЕеМ, для которого /І, (Е) = 0, ju2 (Е) Ф 0 или цх (Е) 0, ju2 (Е) = 0 » [131]. Таким образом, для неоднородного объекта или подгруппы объектов существует множество ЕеМ, для которого //, (Е) = 0, //2 (Е) 0 или //, {Е) 0, /.i2 () = 0. В качестве меры \i принимаются значения признаков показателей объекта, либо их вероятностные характеристики [131]. Если объекты одной подгруппы Qy однородны, то по каждому признаку QjU = U,m) где киї- номера сравниваемых объектов по заданному признаку Qj, или по каждому признаку Qj дисперсии б& Ddon. В частности, если характеристики от объекта к объекту не изменяются, то совокупность последних образует подгруппу объектов с однородными характеристиками. К однородным характеристикам объектов относится одинаковая структура, набор управляющих и выходных переменных, форма связи между ними и общая постановка задачи оптимального управления.
Определение производительности (подачи) щеточного питателя и статические характеристики
Производительность или подача очищаемого материала на решето (Q, кг/с, кг/ч - мы будем говорить о массовой производительности) определяется рядом конструктивных и кинематических параметров щеточного питателя. Помимо перечисленных в п. 2.1 сюда необходимо отнести: - число "рабочих зон" на ширине бункера, т.е. областей, в которые проникают щетки при проходах, (это число определяется по формулам (2.4)); - ширину бункера Вб для очищаемого материала. Будем предполагать, что рабочая длина прутьев I р достаточна для обеспечения зачерпывания очищаемого материала из заштрихованной зоны на рис. 2.3 (эту величину рекомендуется рассчитывать по формулам (2.17)). Значительное влияние на подачу (в частности, на равномерность подачи во времени) оказывают число щеток - 2Щ и частота вращения их приводного вала пщ. При этом верхний предел частоты вращения лимитируется величиной окружной скорости щетки, входящей в рабочую зону в точке С: где сОщ - угловая скорость щетки. Наибольшее значение V окр может быть обосновано с позиций отсутствия травмирования захватываемого материала, или с позиций ограничения скорости материала при его перемещении по днищу бункера на участке В А. Очевидно также, что производительность щеточного питателя будет зависеть от жесткости щеток, которая должна быть достаточной для того, чтобы щетка имела наименьшую возможную деформацию на участке СС В (для большего захвата), но не должна быть чрезмерной, чтобы на участке ВА силы упругости деформированных щетин не травмировали бы частицы очищаемого материала. Число захватов материала из бункера в час определяется простым выражением: Очевидно, что производительность питателя определяется объемом материала, захватываемого из зоны проникновения щеток в подпрутковое про- странство. В предположении о том, что жесткость щетки достаточна и ее деформация на участке ССЛВ (рис. 2.3) незначительна, будем считать, что траектория движения верхней грани щетки на этом участке - дуга окружности. Площадь заштрихованного сегмента ССЛВ при этом будет равна: Необходимо подчеркнуть, что щетки захватывающие частицы сыпучего материала из бункера, при каждом очередном проходе воздействуют на частицы, лежащие в непосредственной близости от захватываемых, это активизирующее воздействие за счет сил внутреннего трения передается сыпучему материалу, не контактирующему со щетками непосредственно (лежащему в "мертвых зонах" под прутками заслонки).
Следовательно, часть материала увлекается из этих "мертвых зон". Учесть этот факт можно введением в выражение (2.24) поправочного коэффициента к, численные значения которого могут быть определены экспериментально. Этот коэффициент будет зависеть от: вида очищаемого материала; его фракционного состава; влажности; коэффициента внутреннего трения; сыпучести, оцениваемой величиной динамического угла внутреннего трения; окружной скорости щетки; от соотношения "рабочих" и "мертвых" зон по ширине бункера (т.е. от , А и dnp). На основании вышеизложенного запишем: С учетом формул (2.24)-(2.25) можно получить выражение для производительности щеточного питателя в форме, показывающей влияние всех конструктивных и кинематических параметров: Анализ выражения (2.26) позволяет сделать выводы: 1. Производительность щеточного питателя прямо пропорциональна: ширине бункера - Вб; зазору между прутками - А; радиусу щеточной основы - Кщ\ (в предположении о том, что используются стандартные щетки с определенной длиной щетин -1ЩУ, числу щеток в механизме - zm; частоте вращения приводного щеточного вала пщ\ насыпной плотности очищаемого материала р; 2. Увеличение угла а наклона к горизонту прутковой заслонки при прочих равных условиях влечет за собой увеличение производительности питателя (за счет увеличения глубины проникновения щеток в слой очищаемого материала). 3. Величины Н (высота расположения приводного вала над днищем бункера) и соответственно 8тах (максимальная продольная деформация щетки) заметного влияния на производительность питателя не оказывают. 4. Рассмотренная схема не учитывает жесткости щеток (было просто предположено, что она "достаточная"). В целом увеличение жесткости щеток должно вести к увеличению производительности питателя. 5. По-видимому, коэффициент к также зависит от соотношений гщ и пщ,: к J \щ)У1ирУокр)-но при расчете производительность конкретной конструкции (с фиксированными параметрами) можно считать, что коэффициент к зависит только от свойств семенного материала.
Таким образом, предложенная методика позволяет обосновать ряд конструктивных и кинематических параметров щеточного питателя для бункера-дозатора в машине для вторичной очистки и сортировки семян, а также с помощью изменяемых критериев питателя добиться максимальной производительности машины. Необходимо отметить, что возможности регулирования подачи рассмотренным вариантом конструкции щеточного питателя с постоянными зазорами между круглыми прутками и oc=const весьма ограничены. Поскольку конструктивно сложно регулировать подачу за счет изменения числа щеток или частоты вращения приводного вала (для этого необходимо предусмотреть вариатор, или привод с несколькими вариаторами передаточного отношения - для ступенчатой регулировки), очевидно, требуемая по технологическим соображениям подача может быть (при zm, пщ=соп8і), получена только за счет подбора угла на- клона решетки к горизонту - а. Величина указанного угла, требуемая для получения необходимой подачи, поддается обоснованию при анализе выражения (2.26). Выразим угол а через производительность. Перенеся в левую часть уравнения (2.26) величины, независящие от а и воспользовавшись известным тригонометрическим соотношением для синуса суммы двух углов, после несложных преобразований получим уравнение для расчета необходимого угла наклона прутковой решетки к горизонту, который обеспечит требуемую подачу. Предполагается, что все прочие конструктивные и кинематические параметры (?щ Пщ Л A, dnp, Вб, Ііщ, іщ,...) задаются при проектировании. Это уравнение имеет следующий вид:
Методика исследований физико-механических свойств семян сосны
Основные физико-механические свойства семян определялись на примере семян сосны обыкновенной из Сомовского лесхоза. Состав вороха семенного сырья, предназначенного для вторичной очистки и сортирования, имеет большое значение для обоснования рабочих процессов подачи семенного сырья бункером - дозатором. Характеристика исходного вороха необходима для получения численных величин по различным фракциям семян и примесей в исходном семенном ворохе. Рассев проводили на ситах с продолговатыми отверстиями размером: для мелких примесей -1,1 мм, мелких семян - 1,3 мм, средних семян - 1,5 мм, среднекрупных семян - 1,7 мм, крупных - 1,9 мм. Для изучения состава исходного вороха семян использовали образцы, составленные из однородных партий методом выемок с соблюдением ГОСТ 13056.1-86 [46], ГОСТ 13056.3-86 [47]. Средний образец выбирали из исходного вороха способом крестообразного деления. Анализу подвергали порции семян массой 1кг, которую потом использовали для исследований по производительности бункера-дозатора. Объемная масса и масса 1000 шт. семян важна для выбора и обоснования объема и параметров загрузочного бункера и определялась следующим образом. Семена засыпаются в мерную литровую емкость до 1 дм3 объема после чего полученную партию семян увеличивали. Объемную массу находили по формуле [171]: где т - масса засыпанных семян, г; V- объем, занятый партией семян вместе с пустотами, дм3. Опыты проводились в 10-кратной повторности. Насыпная плотность семян показывает массу в единице объема. Для ее определения применяли следующий метод. Сосуд определенного объема (1дм3) накрывали сверху металлической сеткой, устанавливали на весы. Затем исследуемые семена насыпали в сосуд до краев, устанавливали сетку и взвешивали, получая численное значение массы (т) семян в сосуде. Затем в мерную колбу наливали воды до отметки 1дм .При этом происходило заполнение пустот во- дой. При подъеме семян их удержание на соответствующей отметке (1дм) обеспечивает сетка. Объем воды, налитый из колбы в сосуд, соответствующей объему пустот между семенами, а объем оставшейся воды в мерном цилиндре численно равен объему (V\) исследуемых семян. Зная массу (т) и объем семян (Vi) определяли их плотность по формуле: Повторность опытов принималась 10-кратная. Основными показателями, влияющие на формулу и параметры загрузочного бункера является угол естественного откоса. При проведении опытов по нахождению этого угла применили метод СВ. Полетаева. Семена высыпали на стол, оставшиеся семена в бункере показывали угол обрушения, а семена, высыпавшиеся конусом на стол угол естественного откоса.
Повторность замеров принята 30-кратная. Полученные результаты обрабатывались на ЭВМ методами изложенными [36,153,160] с помощью прикладных пакетов компьютерных программ. Важным показателем качества семян является их масса 1000 штук, так как она отражает их полнозернистость, а так же необходима при определении норм высева семян в питомнике. Масса 1000 штук семян зависит от породы и колеблется в значительных пределах, поэтому для одной и той же породы этот показатель не является постоянным. Размерные характеристики семян сосны имеют важное значение для обоснования зазора между прутками в гребенчатой заслонке бункера и при выборе размеров пробивных отверстий решет. Величину семян сосны обыкновенной характеризовали тремя величинами: длина, ширина, толщина. Исследованию подвергались навески из состава средних образцов, взятых согласно ГОСТ 13056.1-86[46]. Для получения точных показателей использовали оптический метод с помощью эпидиаскопа ЭПД-455 (рис. 3.2, 3.3) и прозрачной призмы. Перед замерами устанавливали масштаб воспроизводимого изображения и в процессе измерений проверяли его. При измерении семян на эпидиаскопе, они закреплялись в специальной призме 4, выполненной из прозрачного оргстекла и имеющей прямоугольную форму. Конструкция призмы позволяла за счет ее получения высокой достоверности результатов опыта проводили в 100-кратной повторное для каждого размера семян. После измерений проводили статистиче- С целью получения высокой достоверности результатов опыта проводили в 100-кратной повторности для каждого размера семян. После измерений проводили статистическую обработку результатов на ЭВМ и строили кривые распределения, используя вариационные ряды. Полученные данные обрабатывались на ЭВМ с помощью прикладных пакетов компьютерных программ Excel и Statistika, вычисляя основные статистические характеристики. Коэффициенты трения по различным поверхностям являются одним из основных показателей характеризующих свойства семян. Данные о коэффициентах трения статическом (трение покоя) и динамическом (трение движения) являются основополагающими при проектировании и конструировании загрузочных устройств.
Определение коэффициентов трения связано с необходимостью обеспечения реальных условий трения по различным поверхностям. Из существующих методов для определения коэффициентов трения семян хвойных пород использовалась наиболее простая методика [178, 183]. Она заключается в следующем. Исследуемые семена помещали на поверхность, покрытую определенным материалом, имеющую небольшой наклон к горизонту. Затем с помощью механизма подъема увеличивают угол наклона поверхности до тех пор, пока семена начнут скользить вниз. Угол наклона, при котором начинается движение семян вниз, является статическим углом трения семян. Его фиксируют с помощью угломеров. С целью определения коэффициентов трения по стальному листу, ка-пролону, прорезиненной ткани, стальной сетке проведены опыты по определению их показателей. Для этого было разработано и изготовлено специальное устройство (рис. 3.4), представляющее собой поверхность с изменяющимся углом наклона от 0 до 45. В качестве материалов поверхности использовали стальной лист и резина. Опыты проводили в 50-кратной повторности. Полученные результаты обрабатывались на ЭВМ с помощью прикладных пакетов компьютерных программ методами, изложенными в работах [36,153, 160, 193]. 3.3. Методика исследования конструктивно-технологических характеристик бункера-дозатора Загрузочный бункер в установке для вторичной очистки и сортирования семян является емкостью для создания запаса исходных семян, которые подаются на решета для дальнейшей обработки. Исходя из этого нами при обосновании объема и конструкции бункера принято во внимание условие, чтобы объем создаваемого запаса семян обеспечивал непрерывную работу установки в течение одного часа. Для выполнения исходного требования должно выполняться условие: где УбуНК - полезный объем бункера для заполнения семенами, дм ; Q4ac - часовая производительность всей установки, кг/ч чистых семян, Q4-\0 кг/ч; к - коэффициент, учитывающий наличие крупных и мелких примесей, а также пустых и недоразвитых семян в исходном материале, к= 1,1 -1,15 - для семян сосны с высокими посевными качествами (I класс); к= 1,22-1,3 -для семян с низкими посевными качествами (к= III класс качества). Для обеспечения часовой работы установки в течение часа объем бункера может быть вычислен следующим образом: Для этого чтобы принять конкретные размеры бункера и выполнить его конструктивно нами учтен ряд замечаний, которые выявлены при лабораторных испытаниях щеточных питателей [8, 134, 180, 182], а именно: во многих конструкциях загрузочных бункеров питатель размещен в средней его части и при работе постоянно контактирует с семенной массой. Это невыгодно во-первых, из-за многократного контактирования питателя с семенной массой происходит повреждение семян, а во-вторых, с энергетической точки зрения поскольку вращается почти вся масса семян, находящаяся в бункере.
