Обоснование параметров конструкции и режима работы воздушно-шнекового сепаратора для очистки зерна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Ческидов Максим Владимирович

• Ческидов Максим Владимирович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Ческидов Максим Владимирович

Введение

Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Требования, предъявляемые к машинам для послеуборочной

обработки зерна

1.2 Классификация и анализ машин для послеуборочной обработки зерна

1.3 Анализ пневмосистем зерноочистительных машин

1.3.1 Анализ конструкций воздушных систем зерноочистительных машин

1.3.2 Анализ технологии очистки зерна от легких примесей

1.4 Цель, гипотеза и задачи исследования

Глава 2 Теоретическое обоснование параметров воздушно-шнекового сепаратора с горизонтальным винтовым аспирационным каналом

2.1 Разработка и обоснование конструктивной схемы и принципа работы воздушно-шнекового сепаратора

2.2 Теоретическое обоснование параметров конструкции и режима работы воздушно-шнекового сепаратора

2.2.1 Обоснование диаметра винтового воздушного канала

2.2.2 Обоснование скорости воздушного потока в винтовом канале воздушно-шнекового сепаратора

2.2.3 Обоснование конструктивной длины рабочего органа воздушно-шнекового сепаратора

2.2.4 Расчет затрат мощности на привод шнека

2.2.5 Обоснование количества секций сепаратора

Выводы по главе

Глава 3 Программа и методика экспериментальных исследований

3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований

3.2 Методика экспериментальных исследований

3.2.1 Методика определения свойств зернового вороха

3.2.2 Определение траектории движения частицы под действием воздушного потока в пневмоканале сепаратора

3.2.3 Определение взаимосвязей между параметрами конструкции

и режимом работы сепаратора

Глава 4 Результаты экспериментальных исследований

4.1 Результаты лабораторных исследований по определению физико-механических свойств зерна

4.2 Траектории движения зерна и сорных частиц под действием воздушного потока в винтовом аспирационном канале рабочего органа сепаратора

4.3 Результаты исследования взаимосвязей между параметрами конструкции

и режимом работы сепаратора с эффективностью сепарирования

4.4 Оценка технико-экономической эффективности

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров конструкции и режима работы воздушно-шнекового сепаратора для очистки зерна»

Введение

Актуальность темы. Обеспечение продовольственной безопасности является ключевой задачей сельскохозяйственного производства. Резервом увеличения объемов сельскохозяйственной продукции является ее сохранение за счет своевременной послеуборочной обработки. Так, засоренность зерна после обмолота в условиях Южного Урала колеблется от 6 до 15 %, а влажность от 16 до 20 %. При хранении зернового вороха его качество может снизиться и произойти порча урожая в случае, если не провести вовремя очистку от сорных примесей. Находящиеся в зерновом ворохе легкие сорные примеси увеличивают риск возникновения процесса самосогревания зерна. В качестве легкой сорной примеси основную часть составляют пыль, легкие семена сорных растений, битое зерно. При производстве зерна отсутствие очистки ведет к снижению эффективности производства. Очистка зернового вороха позволяет удалить большую часть сорняков, до 3 % снизить среднюю влажность зерновой массы. В настоящее время для очистки зерна по аэродинамическим свойствам используют воздушные сепараторы с вертикальным или горизонтальным аспирационным каналом. Установлено, что в сепараторах с вертикальным аспирационным каналом при увеличении подачи концентрация компонентов в рабочей зоне возрастает, что ведет к снижению технологической эффективности работы воздушного потока до 15-30 %.

Отличительной особенностью сепараторов с горизонтальным аспирацион-ным каналом является то, что направления силы тяжести и аэродинамической силы у них не совпадают, что снижает вероятность взаимных столкновений частиц зернового вороха.

Повысить эффективность очистки зерна в воздушных сепараторах возможно за счет использования винтового аспирационного канала с рациональными параметрами конструкции и режимом работы, при которых качество отделения сорных примесей будет наивысшим.

Разработка новых решений в области сепарации способствует повышению качества очистки зерна. В настоящее время наибольшее распространение имеют

пневмосепараторы с вертикальным аспирационным каналом. Сепараторы с горизонтальным расположением аспирационного канала менее распространены, но требуют дальнейшего изучения. Одной из перспективных конструкций является горизонтальный винтовой аспирационный канал, в котором воздушный поток движется по винтовой траектории. Винтовой аспирационный канал имеет более сложную форму, чем большинство горизонтальных сепараторов. В настоящее время процесс очистки зернового вороха в винтовом аспирационном канале под действием воздушного потока недостаточно изучен. Взаимосвязи параметров конструкции и режима работы воздушно-шнекового сепаратора (ВШС) с эффективностью очистки от сорных примесей являются актуальными.

Цель исследования. Повышение эффективности процесса очистки зерна от сорных примесей на основе обоснования параметров конструкции и режима работы воздушно-шнекового сепаратора.

Объект исследования. Технологический процесс очистки зерна в винтовом аспирационном канале воздушно-шнекового сепаратора.

Предмет исследования. Взаимосвязь параметров конструкции и режима работы воздушно-шнекового сепаратора с горизонтальным винтовым аспирацион-ным каналом с показателями эффективности очистки зерна.

Сформулированы задачи исследования:

1. Разработать конструктивно-технологическую схему воздушно-шнеко-вого сепаратора с горизонтальным винтовым аспирационным каналом.

2. Установить и дать аналитическое описание взаимосвязи параметров конструкции и режима работы воздушно-шнекового сепаратора с показателями эффективности очистки зерна от сорных примесей при реализации процесса сепарирования.

3. Разработать методику и провести экспериментальные исследования эффективности очистки зерна от сорных примесей воздушно-шнековым сепаратором с горизонтальным винтовым аспирационным каналом. Дать оценку технико-экономической эффективности результатов исследования.

При теоретических исследованиях в диссертационной работе учитывались результаты исследования отечественных и зарубежных ученых.

Информационную основу составляют статьи, монографические работы, объекты интеллектуальной собственности, материалы научно-технических конференций.

Методы исследования. Теоретическая часть исследования выполнена на основании методов, применяемых в электротехнике, физике, математике, гидравлике, а также методики моделирования физических процессов в программном продукте «АКБУБ». Экспериментальные, лабораторные и производственные исследования, обработка их результатов проведены с использованием известных методов их реализации, с применением современных поверенных приборов, математической статистики.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

- установлены закономерности изменения и взаимосвязь эффективности очистки зерна от сорных примесей с параметрами конструкции и режимом работы воздушно-шнекового сепаратора и дано их аналитическое описание;

- впервые разработана конструктивно-технологическая схема воздушно-шнекового сепаратора с горизонтальным винтовым аспирационным каналом для реализации процесса очистки зерна от сорных примесей;

- разработана методика проведения экспериментальных исследований процесса очистки зерна от сорных примесей в воздушно-шнековом сепараторе с горизонтальным винтовым аспирационным каналом, при реализации которой установлены параметры исследуемого процесса.

На предлагаемое техническое решение получены патенты Российской Федерации на изобретение № 2611836 и № 2552037, а также патент на полезную модель № 180423.

Практическая значимость работы и реализация ее результатов.

Результаты исследований могут быть использованы в НИИ и КБ для разработки конструкции сепараторов. Они используются в учебном процессе ЮжноУральского государственного аграрного университета. Практическая значимость

работы заключается в использовании разработанного устройства в сельскохозяйственных предприятиях для очистки зерна. Разработанный экспериментальный образец воздушно-шнекового сепаратора прошел производственную проверку на агропромышленном предприятии ООО «Агрофирма «Ильинка» и в Институте агроэкологии - филиале ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Конструктивно-технологическая схема воздушно-шнекового сепаратора с горизонтальным винтовым аспирационным каналом.

2. Взаимосвязь параметров конструкции и режима функционирования разработанного воздушно-шнекового сепаратора.

3. Закономерности влияния параметров конструкции и режима функционирования разработанного воздушно-шнекового сепаратора на показатели эффективности очистки зерна при реализации процесса сепарирования.

4. Методика проведения экспериментальных исследований функционирования воздушно-шнекового сепаратора с горизонтальным винтовым аспирационным каналом при очистке зерна от сорных примесей.

5. Результаты оценки технико-экономической эффективности результатов исследования.

Выдвинута научная гипотеза: эффективность очистки зерна от сорных примесей определяется взаимосвязью с параметрами конструкции и режимом работы воздушно-шнекового сепаратора с горизонтальным винтовым аспирационным каналом.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на: НУ международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству» ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ (2015 г.), LУ международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству» ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ (2016 г.), I Всероссийской научно-практической конференции «Техническое обеспечение технологий производства сельскохозяйственной

продукции» Курганской государственной сельскохозяйственной академии им. Т.С. Мальцева (2017 г.). Научная разработка была представлена в рамках межрегионального конкурса «Славим человека труда» в номинации «Лучший инженер-механик в области механизации сельского хозяйства», где заняла первое место (г. Курган) (2017 г.). Получена золотая медаль областной агропромышленной выставки «АГРО-2015» (г. Челябинск), серебряная медаль VIII Межрегиональной агропромышленной выставки УРФО (2017 г., г. Тюмень), золотая медаль на конкурсе «Инновации в АПК» в рамках XXIV областной агропромышленной выставки «АГРО-2017», золотая медаль на выставке «Золотая осень» (2017 г., г. Москва).

Достоверность результатов работы. В результате проведения экспериментальных и теоретических исследований получены данные, удовлетворяющие требованиям достоверности.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК; 2 статьи в изданиях входящих в базу SCOPUS, получены 2 патента РФ на изобретение и патент на полезную модель.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованных источников и 6 приложений. Содержит 149 страниц машинописного текста, 73 рисунка и 12 таблиц. Библиография включает 112 наименований.

Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Требования, предъявляемые к машинам для послеуборочной обработки зерна

Машины для послеуборочной обработки зерна предназначены для очистки, сушки и доведения до требуемых кондиций зернового вороха. В первую очередь зерновой ворох необходимо очистить от примесей, качественно проведенная очистка снижает затраты на проведение дальнейших операций. Зерно после уборки можно хранить на площадке не более суток.

Во время очистки зернового вороха его разделяют на отдельные фракции за счет разницы компонентов по физико-механическим свойствам. Очистка зернового вороха делится на три стадии: предварительную, первичную и вторичную.

Свежеубранное зерно, поступающее с поля, может иметь влажность до 35 %. Такое зерно подвергают предварительной очистке, после которой содержание наиболее крупных и мелких сорных примесей снижается (с 15... 20 до 3...5 %). Кроме того, снижается влажность зерна за счет удаления части избыточной влаги, что уменьшает вероятность возникновения процесса самосогревания зерна во время хранения.

После проведения предварительной очистки зерно с влажностью 18. 22 % отправляют на первичную очистку для отделения легких, крупных примесей, а также дробленого и щуплого зерна. После проведения первичной очистки снижается содержание сорных примесей до 1 .3 %. Кроме очистки также происходит процесс сортировки для разделения на очищенное зерно, примеси и фуражные отходы.

Вторичная очистка применяется для выделения семенного материала, при этом из зерна отделяются примеси, имеющие сходные с семенным материалом параметры, так называемые трудноотделимые примеси. В ходе проведения первичной очистки зерновой ворох разделяется на семенную фракцию, зерно второго сорта, легкие примеси, мелкие и крупные примеси [25, 50, 60, 84, 93, 94].

Различные сорные примеси обладают разными физико-механическими свойствами. Принцип действия всех сепараторов для очистки зерна основан на разнице этих свойств и возможности отделять частицы с определенным набором свойств (рисунок 1.1). Чем больше разница в величине определенного параметра у зерна и примеси, тем легче отделить их друг от друга. Наибольшая эффективность очистки достигается при комбинировании принципов разделения зернового вороха, например, масса и форма, форма и размер и т. д.

Рисунок 1.1 - Свойства примесей зернового вороха

Существуют различные конструкции и способы очистки зерна. Однако не все из них достаточно эффективны. В настоящее время наиболее широко распространены следующие способы сортирования и очистки:

а) разделение зернового вороха воздушным потоком;

б) разделение зернового вороха на решетных станах по размерам частиц;

в) разделение зернового вороха на триерах по длине;

г) разделение зернового вороха на основании разницы в форме и свойствах поверхности частиц;

д) очистка и сортирование зернового вороха на основании разницы по плотности;

е) методы электрического разделения зернового вороха.

На практике, кроме возможности качественно проводить очистку, современные сепараторы должны обладать рядом качеств. К машинам для очистки зерна предъявляются следующие требования [43].

1. Возможность стабильно проводить разделение зернового вороха по заданным требованиям.

2. Возможность производить регулировку процесса сепарации, адаптируясь под партии зерна разного качества с разным содержанием примесей.

3. Возможность проведения комплексной очистки зерна от различных примесей.

4. Легкость в управлении и настройке.

5. Высокое качество проведения очистки зернового вороха (отделение 4-5 % сорных примесей за проход).

6. Долговечность.

7. Малый срок окупаемости.

8. Низкие эксплуатационные затраты, включающие в себя затраты на электроэнергию, зарплату работникам и т. д.

9. Конструкция сепаратора должна обеспечивать легкий доступ к его узлам для осуществления ремонта.

10. Уровень вибрации, шума и запыленности должен соответствовать требованиям законодательства.

11. Конструкция зернового сепаратора должна обеспечивать безопасную эксплуатацию сепаратора оператором.

Кроме перечисленных выше требований, для каждого типа сепаратора предъявляются специальные требования, например, для воздушных сепараторов должна обеспечиваться постоянная скорость воздушного потока, соответствующая номинальным значениям (рациональным режимам работы) [86].

Современные сепараторы обладают высокой эффективностью (до 85.90 %) и производительностью (10.15 т/ч), однако имеют высокую стоимость.

1.2 Классификация и анализ машин для послеуборочной обработки зерна

Предварительная обработка - это разноплановая сложная научно-техническая проблема. Предварительный процесс обработки включает в себя следующие этапы: очистка зерна, сушка, формирование партий, отпуск.

По функциональному признаку и способу воздействия на зерновой ворох сепараторы подразделяются на:

1) решетные сепараторы;

2) триеры (сепараторы, разделяющие смеси по длине);

3) магнитные сепараторы;

4) воздушные сепараторы;

5) сепараторы ударно-истирающего действия;

6) воздушно-решетные сепараторы.

Кроме этого, существуют сепараторы комбинированного действия, в которых используется совокупность физико-механических свойств. Такие сепараторы подразделяются на:

1) фрикционно-гравитационные;

2) виброфрикционные;

3) гидрогравитационные;

4) пневмофрикционные;

5) ударно-фрикционные.

Общая технологическая линия очистки зерна включает в себя сепараторы с различными принципами работы [8, 9, 11, 13, 14, 15, 18, 23, 26, 38, 40, 42, 49, 51, 53, 55]. Первыми в технологической линии находятся машины для предварительной очистки зернового вороха от сорных примесей (МПО-50, МПО-100, СПО-50) (рисунок 1.2).

Технологическая схема таких сепараторов (рисунок 1.3) включает пневмосе-паратор и скальператор в виде сетки. В данных сепараторах цикл движения воздуха является замкнутым.

Скальператор представляет собой сетку с размером ячейки 15-20 мм. Скаль-ператор необходим для отделения крупных предметов, способных повредить сепаратор, если их не убрать. Скальператоры устанавливаются непосредственно перед сепараторами.

j

Рисунок 1.2 - Сепаратор МПО-50 (слева) и современный аналог TAS (LAAB)

компании Buhler (справа)

КРУПНЫЕ ПРИМЕСИ ЛЕГКИЕ ПРИМЕСИ «//^ ВОЗДУШНЫЙ поток

С ЛЕГКИМИ ПРИМЕСЯМИ ВОЗДУХ

Рисунок 1.3 - Технологическая схема сепаратора МПО-50

Схемы замкнутого цикла воздуха не загрязняют окружающую среду отделенными сорными примесями и не требуют отдельных систем очистки воздуха [7, 22, 28, 41, 48, 59, 76, 88].

Скальператоры существуют в виде отдельных агрегатов (рисунок 1.4). Они включаются в линию, если машины для обработки не имеют встроенного механизма отделения очень крупных примесей.

Рисунок 1.4 - Скальператор МК2М фирмы ВиШег и его технологическая схема

Одним из представителей решетных сепараторов является бурат. Он представляет собой цилиндрическую решетку, внутри которой находится зерновой ворох, при этом цилиндрическая решетка вращается (КБС-1270, БЦС, ОЗБ). Недостатком данных сепараторов является то, что процесс сепарирования идет на относительно небольшом участке поверхности цилиндрической решетки (рисунок 1.5). При этом такие сепараторы обладают значительными габаритными размерами. Для обеспечения непрерывного процесса сепарирования ось цилиндра должна быть наклонена под углом к горизонту, а для улучшения качества очистки используется вибрация, однако это приводит к еще большему увеличению размеров сепаратора, возникновению дополнительных нагрузок на его узлы.

Рисунок 1.5 - Схема работы цилиндрических сепараторов

Скальператоры хоть и схожи по принципу действия с цилиндрическими сепараторами, относятся к другому классу сепараторов, так как они выполняют роль предохранителя, не допуская попадания крупных предметов в далее стоящие сепараторы.

Наиболее распространенными машинами для очистки зерна являются воздушно-решетные сепараторы. Основными поставщиками данной техники в России являются: Воронежсельмаш, Cimbria (Дания), Petkus (Германия), DenisDamas (Дания) (рисунок 1.6).

Решетные рабочие органы используются для разделения частиц зернового вороха по геометрическим параметрам (длина, ширина, толщина). В отрасли используют штампованные (пробивные), металлотканые сита, а также тканые сита из шелковых и синтетических тканей. Решета представляют собой металлические листы со штампованными отверстиями различной формы, размера и взаимного расположения. Листы изготавливаются из тонколистовой оцинкованной стали толщиной 0,5-1,5 мм (рисунок 1.7).

Рисунок 1.6 - Схема работы сепаратора DELTA 146 Comdi

Рисунок 1.7 - Классификация ситовых сепараторов

Решетные полотна изготавливаются следующих типов:

1) с круглыми отверстиями, центры которых расположены в вершинах правильного шестиугольника;

2) с продолговатыми отверстиями, расположенными рядами;

3) с треугольными, равносторонними отверстиями, расположенными рядами. В зависимости от типа культуры и примесей форма отверстий и их расположение в ситах могут меняться (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 - Форма отверстий в решетах

Наибольшее распространение имеют решетные сепараторы зарубежного производства Petkus М12/15, DELTA 146 Combi. Данные модели имеют площадь решетной поверхности до 30 м2, производительность до 300 т/ч при использовании в качестве машин для предварительной очистки.

Среди отечественных производителей можно выделить ОАО «Воронежсель-маш», который изготавливает универсальный сепаратор СВУ-60. В данном сепараторе установлены четыре яруса решет, которые работают параллельно. Каждый

ярус вмещает в себя три решета, при этом размер отверстий увеличивается в соответствии с направлением движения зерна. Данная конструкция обеспечивает отделение крупных и мелких сорных примесей из зернового вороха.

1.3 Анализ пневмосистем зерноочистительных машин

Принцип действия воздушных сепараторов основан на различии аэродинамических свойств компонентов смеси. Частицы зернового вороха обладают разной массой, объемом, геометрической формой, поверхностью.

Анализ современного состояния сепарирующих рабочих органов позволяет сделать вывод о том, что при разделении частиц зернового вороха по основным признакам (толщине, ширине, длине, аэродинамическим свойствам) использование воздушного потока реализуется не полностью. Технологическая эффективность использования воздушного потока при разделении частиц зернового вороха находится в пределах 15.30 %. Данный эффект объясняется использованием воздушных каналов в качестве дополнительного рабочего органа в зерноочистительных сепараторах. Воздушный поток загружен неравномерно, скорость воздушного потока в разных частях канала отличается, зерновой поток создает эффект аэродинамической тени, когда находящиеся с краю частицы препятствуют воздействию воздушного потока на частицы, находящиеся в центре вороха. Наилучшая эффективность сепарирования достигается при разработке воздушных каналов как отдельных рабочих органов [69].

При движении частицы в воздушном аспирационном канале на нее действуют основные силы: сила тяжести О и аэродинамическая сила Я. Если частица расположена в воздушном потоке так, как показано на рисунке 1.9 а, то аэродинамическая сила Я зависит от скорости воздушного потока, плотности частиц и площади миделева сечения частицы. При движении частицы в горизонтальном аспирационном канале дополнительно возникает подъемная поперечная сила Я" (рисунок 1.9 б). При этом аэродинамическая сила Я определяется векторной суммой Я" и Я'.

Основное назначение пневмосепараторов - это отделение легких примесей: пыли, шелухи, частей стеблей, половы, битого зерна. Все эти частицы имеют более низкую скорость витания, чем цельное зерно. При поступлении воздушного потока определенной скорости эти частицы будут вынесены в отходы, в то время как для выноса цельного зерна скорость будет слишком мала [86].

Пневмосепараторы по конструкции можно разделить на пневмосепараторы с разомкнутым и замкнутым циклом движения воздуха. Пневмосепараторы также разделяются по типу расположения пневмоканала: с вертикальным, горизонтальным, наклонным.

Рисунок 1.9 - Силы, действующие на частицу в воздушном потоке: а - в вертикальном потоке; б - в горизонтальном потоке

Пневмосепараторы с разомкнутым циклом были одними из первых воздушных сепараторов. Основное достоинство таких сепараторов - это простота конструкции. После прохождения сепаратора воздушный поток и захваченные им частицы попадают прямиком в окружающую среду. При этом отсутствует необходимость в дополнительных трубопроводах, фильтрах и т. д. Также при такой системе нагрузка на нагнетательный вентилятор гораздо меньше (рисунок 1.10). Основным

недостатком такой системы является загрязнение окружающей среды. При разомкнутом цикле воздух подается, как правило, с улицы, при этом если его влажность выше необходимой, есть риск повышения влажности очищаемого зерна, что впоследствии негативно сказывается на его сохранности.

Современные пневмосепараторы работают по принципу замкнутой системы. При этом возникает необходимость в установке фильтров и циклонов. Однако отпадает проблема с загрязнением окружающей среды.

—- исходный продукт; о> - аэросмесь;-^ - воздух;

-Ч—> - тяжелая фракция; —- легкая фракция; 1 - приемный патрубок; 2 - воздуховод; 3 - вентилятор; 4 - осадочная камера; 5 - грузовой клапан; 6 - выпускной патрубок; 7 - регулятор

Рисунок 1.10 - Пневмосепараторы с разомкнутым и замкнутым циклами движения воздуха:

а - с замкнутым циклом движения воздуха; б - с разомкнутым циклом движения воздуха,

без вентилятора

1.3.1 Анализ конструкций воздушных систем зерноочистительных машин

Одним из перспективных направлений в области очистки зерна от легких примесей с помощью воздушного потока является использование горизонтального аспирационного канала (Агротех Алмаз-С, Воронежсельмаш СПС-10, НПФ Аэро-мех САД). Из приемного бункера зерно поступает в горизонтальный воздушный поток. Из-за различия в аэродинамических свойствах частицы переносятся на разное расстояние, попадая в соответствующий сборник фракции (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 - Схема работы сепаратора «Алмаз»

—- исходный продукт;-^ - воздух; —- легкая фракция (примеси, относы);

—- тяжелая фракция (очищенное зерно); 1 - вибратор; 2 - подвеска вибролотка; 3 - приемный патрубок; 4 - подвижная стенка; 5 - воздуховод; 6 - дроссельная заслонка; 7, 8, 9 - штурвалы; 10 - жалюзи; 11 - светильник; 12 - смотровое окно; 13 - выпускной конус; 14 - вибролоток

Рисунок 1.12 - Сепаратор Р3-БАБ

На мукомольных заводах, оснащенных комплектным оборудованием, широко используется воздушный сепаратор Р3-БАБ. Достоинством данного сепаратора является простота конструкции и малая стоимость по сравнению с аналогами. Пневмосепаратор Р3-БАБ (рисунок 1.12) имеет разомкнутый цикл движения воздуха и не имеет воздуходувной машины.

1.3.2 Анализ технологии очистки зерна от легких примесей

Теоретические и экспериментальные исследования пневмосепарации зерновых смесей проводили: Н.И. Косилов, А.В. Фоминых, В.Г. Чумаков, В.Ф. Веденьев,

A.В. Алешкин, А.Б. Демский, А.Я. Малис, В.Л. Андреев, В.И. Анискин, И.П. Без-ручкин, М.В. Пивень, М.А. Борискин, А.С. Матвеев, А.И. Бурков, Н.М. Бушуев, Т.А. Мовсесова, В.Н. Мякин, В.Е. Саитов, Е.Ф. Ветров, Н.Г. Гладков, А.И. Нелю-бов, В.В. Гортинский, А.Р. Демидов, В.И. Подоляко, В.М. Дринча, Н.В. Жолобов, Б.В. Зевелев, М.Е. Егоров, А.И. Климок, Н.Ф. Конченко, Н.Л. Конышев, А.М. Корн,

B.В. Коровин, Р.Ф. Курбанов, В.Б. Лебедев, А.С. Маликов, И.А. Пехальский, Б.Г. Плехов, О.П. Рощин, И.Д. Бадретдинов, В.И. Оробинский, С.Ф. Сороченко и другие ученые [8, 9, 11, 13, 14, 15, 18, 23, 26, 31, 32, 35, 38, 40, 42, 49, 51, 53, 54, 55, 57, 59, 61, 63, 64, 72, 73, 78, 79, 83].

Разделение зернового вороха в воздушном потоке происходит за счет разных значений размеров, плотности, состояния поверхности семян основной культуры и сорных примесей.

На частицу в воздушном потоке действует сила RB (H):

Яв = К-р-F-VB2, (1.1)

где Кс - коэффициент аэродинамического сопротивления; р - плотность воздуха, кг/м3; F - площадь миделева сечения, м2;

VB2 - скорость частицы относительно потока воздуха, м/с.

Показателями аэродинамических свойств частиц также являются коэффициент парусности Кп (м-1) и критическая скорость (скорость витания) ¥вт (м/с) [69, 74].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ческидов Максим Владимирович, 2020 год

- \Л

1 1 1 1 |

0.2

0.4 0.6

Расстояние, м

0.8

1.0

Рисунок 2.19 - Снижения давления при перемещении воздушного потока в воздушно-шнековом сепараторе без учета входного патрубка

Установлено, что при прохождении воздушным потоком из патрубка в аспи-рационный канал давление снижается в 3 раза.

Для определения необходимого давления, создаваемого вентилятором в ас-пирационном канале воздушно-шнекового сепаратора в зависимости от расстояния от места подачи воздушного потока до места загрузки продукта, при диаметре сепаратора 0,3 м был составлен график (рисунок 2.20).

Установлено, что с увеличением длины канала от 1,1 до 3 м давление должно быть увеличено со 129 до 140 Па. Давление, создаваемое вентилятором, должно быть увеличено в 3 раза при использовании патрубка диаметром 0,3 м и длиной 0,47 м (рисунок 2.21).

143

141

а 139

С 137

е, и 135

н

е л 133

« а 131

Д 129

127

125

1,1

1,5 2 2,5

Длина сепаратора, м

Рисунок 2.20 - Давление на входе в воздушно-шнековый сепаратор в зависимости от его длины

без учета падения давления во входном патрубке

430 420

а

С 410

е,

§ 400

ел

3 390 аД

380 370

1,572

1,972 2,472 2,972

Длина сепаратора общая, м

3,472

Рисунок 2.21 - Давление на входе в воздушно-шнековый сепаратор в зависимости от его длины

с учетом падения давления во входном патрубке

2.2.4 Расчет затрат мощности на привод шнека

Для работы воздушно-шнекового сепаратора необходим электродвигатель, обеспечивающий вращение шнека с заданной частотой. Для определения необходимой мощности на валу N0 необходимо воспользоваться формулой (2.21) [47, 77]:

N

= — ■(к ■© + Н) + (0,02-Я ■ ■ Ьг),

367

(2.21)

3

где N0 - мощность на валу винта, кВт;

0 - производительность сепаратора, т/ч; Ь - длина рабочего органа, м; Н - высота подъема, м;

ю - коэффициент сопротивления перемещению груза; Я - коэффициент, учитывающий характер перемещения винта; gk - погонная масса вращающихся частей конвейера; юе - коэффициент сопротивления в подшипниках.

При работе воздушно-шнекового сепаратора слой зерна перемещается в горизонтальной плоскости. Исходя из этого Н = 0. В соответствии с литературными источниками ю = 1,2; Я = 0,2 [47, 77].

В конструкции сепаратора используются стандартные подшипники качения с коэффициентом сопротивления юе = 0,01. Для определения погонной массы вращающихся частей gk существует известная формула:

где Дш - диаметр шнека, м (0,3).

Шнек воздушного сепаратора отличается от винтовых транспортеров наличием уплотнителя, обеспечивающего проход воздушного потока по винтовому каналу. Кроме того, специфика работы сепаратора предусматривает работу с зерновым ворохом, поступающим с поля, при этом его влажность может колебаться в широких пределах. Исходя из этого нами были введены добавочные коэффициенты, определенные экспериментальным путем: кг и ка, равные 2,8 и 1,2 соответственно [56, 71, 80, 89]. При этом формула (2.21) примет следующий вид:

gk =80•Д

(2.22)

^0 =0 •( Ь-ш + Н )• К1г •Ка + 0,02 • Я • gk • Ь,

367

(2.23)

где кг - коэффициент, учитывающий трение уплотнителя шнека о корпус; ка - коэффициент, учитывающий перепады влажности сырья.

Мощность электродвигателя Р определяется по формуле [47, 77]:

Р = ^ , (2.24)

п

где к - поправочный коэффициент, к = 1,1-1,35;

кга - коэффициент, учитывающий сопротивление редуктора, ктса = 1,7; П - коэффициент полезного действия электродвигателя, %. Объединив формулы (2.23) и (2.24), получим итоговую формулу для определения мощности электродвигателя для привода шнека:

\

ю

■ к ■ к 1

та

(Vю + Н )■ К,-Ка + 0,02-Я■ gk• Ь•, N0 = ---. (2.25)

п

Подставив в формулу (2.24) значения, можно определить необходимую мощность электродвигателя.

2.2.5 Обоснование количества секций сепаратора

Для повышения производительности воздушно-шнекового сепаратора при очистке зерна необходимо увеличение количества рабочих органов или диаметра рабочего органа. Для обоснования количества рабочих органов сепаратора необходимо знать плановый объем зернового вороха, подвергающегося обработке в течение суток. Весь поступающий зерновой ворох необходимо довести до требуемых кондиций. Это позволит сохранить зерно без потери его качества [44]. Для этого необходимо удалить легкие и крупные примеси и произвести съем поверхностной влаги.

Производительность одного рабочего органа сепаратора —с определяется по формуле (2.27) [46, 47, 77].

0с =

В-Е• п-ф^ рн 0,275

(2.26)

где В - диаметр винта, м;

Е - отношение шага винта к диаметру винта; п - частота вращения шнека, об мин-1; рн - насыпная плотность материала, кг/м3; ф - коэффициент заполнения шнека.

Диаметр винта принимаем равным 0,3 метра. Так как пшеница является неабразивным материалом, отношение шага винта к диаметру винта равняется 1. Насыпная плотность зерна пшеницы составляет 80 кг/м3. Для обеспечения возможности сортировки материала во время транспортировки его винтом и обеспечения достаточного пространства для прохождения воздушного потока коэффициент заполнения шнека составляет 0,3. Частота вращения шнека составляет 60 обмин-1, при этом материал находится достаточное время в камере сепарирования, чтобы из него были удалены легкие примеси и поверхностная влага. Потребное количество рабочих органов сепаратора Пр составит:

Пр = 0пл/0с,

где 0пл - плановый объем очистки зерна в течение суток, т.

При поступлении зерна с поля от комбайна количество рабочих органов ВШС определяется зависимостью:

п

а

зук

0с

где производительность комбайна определяется формулой:

Жк = 0,1 • Вр • Ур • т 7,

(2.27)

где Вр - рабочая ширина захвата жатки, (Вр = 0,96Вк); Вк - конструктивная ширина захвата жатки, м; У - урожайность, т/га; Ур - рабочая скорость комбайна, км/ч; т - коэффициент использования времени смены.

Часовая производительность комбайна Жк, т/ч, с жаткой шириной 6 м для пшеницы составит 1,3 т/ч, что при восьмичасовом рабочем дне составит 15,6 т/день.

Производительность одной секции составит 680 кг/ч. При непрерывной работе за сутки одна секция способна обработать 16,32 т/день [107].

Для небольшого фермерского хозяйства с одним комбайном необходим аппарат с 1 секцией, что позволит проводить качественную очистку от примесей и съем поверхностной влаги. Урожайность зерновых культур представлена в Приложении 3. При увеличении коэффициента использования времени смены за счет приобретения новой техники либо модернизации старой производительность комбайна увеличится и соответственно возрастет объем зерна, который необходимо переработать. Исходя из этого возрастает потребная производительность сепаратора (рисунок 2.22).

0,45 0,47 0,49 0,51 0,53 0,55 0,57 0,59 0,61 0,63 0,65 Коэффициент использования времени смены

Рисунок 2.22 - Зависимость необходимой производительности сепаратора от коэффициента использования времени смены для одного зерноуборочного комбайна

Аналогичная ситуация возникает и при увеличении урожайности (рисунок 2.23). График зависимости необходимой часовой производительности сепаратора от коэффициента времени смены (4,5-6,5) и урожайности (10-15 ц/га) представлен на рисунке 2.24.

Рисунок 2.24 - Зависимость необходимой производительности сепаратора от урожайности

для одного зерноуборочного комбайна

Рисунок 2.24 - График зависимости необходимой часовой производительности сепаратора

от коэффициента времени смены и урожайности

Таким образом, соотношение производительности рабочего органа ВШС и планового объема зерна для обработки позволит определить количество рабочих органов ВШС.

Выводы по главе 2

1. Впервые разработан принцип работы и предложена конструктивная схема воздушно-шнекового сепаратора. Установлено, что повысить эффективность работы воздушных сепараторов для очистки зерна возможно при создании закручивающегося воздушного потока, направленного в сторону окна выхода сорных примесей в горизонтальном винтовом аспирационном канале.

2. Моделированием обоснован режим работы воздушно-шнекового сепаратора. Установлено, что скорость воздушного потока в горизонтальном винтовом аспирационном канале в месте подачи зерна составляет 7,1... 7,9 м/с. Для обеспечения давления 120,7.133,4 Па в рабочем органе сепаратора вентилятор должен обеспечивать изначальное давление воздушного потока Р = 158,7. 175,4 Па.

3. На основе теоретических исследований обоснованы параметры конструкции воздушно-шнекового сепаратора. Так, при диаметре рабочего органа 0,3 м длина рабочего органа для подачи воздушного потока составляет 0,7 м, длина рабочего органа для очистки 0,6 м, площадь сечения винтового аспирационного канала составляет 0,33 м2, мощность двигателя для привода шнека составляет 0,75 кВт.

4. Для повышения производительности воздушно-шнекового сепаратора при очистке зерна необходимо увеличение количества секций или диаметра рабочего органа.

Глава 3 Программа и методика экспериментальных исследований

3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований

Целью экспериментальных исследований является получение данных на основании разработанной методики проведения экспериментальных исследований функционирования воздушно-шнекового сепаратора с горизонтальным винтовым аспирационным каналом при очистке зерна от сорных примесей.

На основании полученных данных необходимо определить взаимосвязь конструктивно-технологических параметров и режима функционирования разработанного воздушно-шнекового сепаратора с показателями эффективности очистки зерна от сорных примесей, закономерностями их изменения при реализации процесса сепарирования.

Для проведения экспериментальных исследований была разработана программа, включающая в себя четыре этапа (рисунок 3.1):

- лабораторные исследования с целью определить свойства зернового вороха;

- лабораторные исследования с целью определить траектории движения частиц под действием воздушного потока в сепараторе;

- лабораторные исследования с целью определить взаимосвязи между параметрами конструкции и режимом работы;

- проведение производственных испытаний.

Каждый из этапов включает в себя дополнительные шаги.

Поставленные в работе задачи, выдвинутая гипотеза и теоретические предпосылки определили следующую программу экспериментальных исследований.

Для проведения экспериментальных исследований функционирования воз-душно-шнекового сепаратора с горизонтальным винтовым аспирационным каналом при очистке зерна от сорных примесей использовались наблюдение и эксперимент.

Рисунок 3.1 - Программа экспериментальных исследований

3.2 Методика экспериментальных исследований

Разработанная методика экспериментальных исследований включает в себя определение траектории движения частицы под действием воздушного потока в рабочем органе сепаратора и определение влияния параметров конструкции и режима работы сепаратора на эффективность процесса сепарирования.

3.2.1 Методика определения свойств зернового вороха

Процесс производства зерна включает в себя важный этап, называемый послеуборочной обработкой. Одна из особенностей данного этапа заключается в том,

что затраты на послеуборочную обработку составляют малую долю от общего производства, однако если пренебречь данной операцией либо провести ее некачественно и несвоевременно, производитель понесет убытки, превосходящие стоимость данной обработки.

Производство зерна носит сезонный характер. Зерновой ворох различен по своему составу и состоит из зерна основной культуры и различных примесей. Классификация примесей представлена на рисунке 3.2.

Различные типы примесей обладают разными физико-механическими свойствами, что обуславливает разные подходы в подборе эффективного метода очистки зернового вороха. Кроме того, важно знать, какое влияние оказывает примесь на зерно, например, возможно увеличение влажности цельного зерна за счет перехода влаги от более влажных примесей. Некоторые примеси являются ядовитыми, и их содержание в зерне, отправляемом на переработку, не допускается (рисунок 3.3).

Рисунок 3.2 - Примеси зернового вороха и их состав

. Ригагшт 1 Бел.зерна ШШ Красные зёрна Й| Испорч. зёрна

Спорынья ^^^^ ^ г & Чёрный гркбок «Б очна пор ох а.* Повреждённые из-за жары 1

У ♦ г • > к « ч * /я * 1» '1 | 01л' 1 ¥ ¿Ж, 1 Дм 1

Семена сорняков °™сные не опасные Сорные примеси <л*эга' ость мякина)

Рисунок 3.3 - Классификация примесей по опасности для человеческого организма [8, 37, 84, 85, 99]

Влажность вороха колеблется от 10 до 40 % в зависимости от погодных условий и состояния хлебной массы. Засоренность достигает значения 1.. .25 %. Крайне важно в минимальные сроки проводить очистку и сушку поступающего зерна, при этом воздействие на цельное зерно должно быть минимальным [8, 29, 37, 84, 85, 99].

В соответствии с требованиями межгосударственного стандарта параметрами зерна являются: чистота, всхожесть и влажность. Для первого, второго и третьего классов содержание сорной примеси должно составлять не более 2 % [19, 20]. Основные требования для посевного материала зерновых культур приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Требования на посевные качества семян основных зерновых культур

Культура П шеница Рожь

Класс 1 2 3 4 5 1 2 3 4

Содержание сорной примеси, %, не более 2,0 2,0 2,0 2,0 5,0 2,0 2,0 2,0 5,0

в том числе:

минеральная примесь, % 0,3 0,3 0,3 0,3 1,0 0,3 0,3 0,3 1,0

Зерновая примесь, %, не более 5,0 5,0 5,0 5,0 15,0 4,0 4,0 4,0 15,0

Очистка зерна основана на возможности разделения компонентов зернового вороха, имеющих различные значения одного или нескольких параметров. К таким свойствам относятся геометрические размеры, форма зерна, плотность, тип поверхности, упругость и т. д. [9, 18, 33, 40, 54, 59, 70].

Разделение зерновой смеси по аэродинамическим показателям имеет ряд существенных преимуществ: простота конструкции сепараторов и их низкая материалоемкость, низкая травмируемость семян основной культуры, возможность выделять большую часть примесей, частичный съем влаги с зерна при незамкнутом цикле аспирации.

Скорость воздушного потока устанавливают таким образом, чтобы потери цельного зерна в отходы составляли не более 0,05 % при предварительной очистке и 1,5 % при первичной очистке [18, 24, 36, 38, 49, 52, 59, 103].

Для определения физико-механических свойств зерна использовались методики, описанные в ГОСТ 12041-82, ГОСТ 12042-81 [84, 99].

В качестве образцов использовались зерна пшеницы (сорт «Терция»). Определялись следующие физико-механические свойства:

1) форма и линейные размеры;

2) масса 1000 зерен;

3) влажность зерна.

Для определения геометрических показателей использовался штангенциркуль ШЦЦ-1 ГОСТ 24156-02 2-го класса точности. Линейные размеры зерна определялись путем обмера штангенциркулем партии из 100 семян, при этом замерялись длина, ширина и толщина зерна, результаты заносились в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 - Линейные размеры семян

Параметр Н омер измерения

1 2 3 4 5 6

а

Ь

1

dэкв

Полученные данные использовались для построения вариационных кривых, позволяющих получить наглядное представление о средних размерах зерен. По усредненным значениям размеров рассчитывался эквивалентный диаметр зерна по известной формуле (3.1):

<кв = , (3.1)

где а, Ь, I - толщина, ширина, длина зерна, м.

Для изучения состава зернового вороха использовался набор лабораторных сит для зерновых (рисунок 3.4). Высушивание образцов проводилось в сушильном шкафу ШС-80-01 (рисунок 3.5).

Рисунок 3.4 - Набор лабораторных сит для зерновых

Рисунок 3.5 - Сушильный шкаф ШС-80-01

Аэродинамические свойства семян определялись посредством парусного классификатора РПК-30 (рисунок 3.6). Масса навесок определялась с помощью аналитических весов [19, 20].

1 - поплавок; 2 - ротаметр; 3 - обечайка; 4 - аэродинамическая трубка; 5 - вентилятор; 7 - заслонка; 8 - стаканчик; 9 - автотрансформатор

Рисунок 3.6 - Парусный классификатор РПК-30

Массу тысячи зерен определяли на электронных лабораторных весах Госметр ВТ-600 путем взвешивания партий из тысячи зерен в пятикратной повтор-ности.

Методика определения аэродинамических свойств включает в себя следующие процедуры. Навеска зерен массой 30 г помещалась в обечайку. Далее плавно регулируя скорость воздушного потока, создаваемого вентилятором, определялся диапазон скоростей витания. Данный диапазон делится на девять равных частей, после чего засыпалась навеска массой 30 г. Скорость воздушного потока дискретно изменялась в соответствии с полученным диапазоном.

На каждом значении скорости воздушного потока определялась масса зерен, попавших в осадочную камеру.

На основании полученных значений определялось среднее значение скорости витания зерен, , после чего находился коэффициент парусности зерен по формуле (3.2):

К = уг- (3.2)

вср

Частота вращения вала шнека рабочего органа замерялась и контролировалась тахометром лазерным AD32 по установленной светоотражающей метке (рисунок 3.7).

Время замерялось с помощью электронного секундомера. Для управления частотой вращения шнека использовался мотор-редуктор NMRV и частотный преобразователь HYUNDAI N700E, позволяющий менять частоту вращения шнека рабочего органа в широких пределах.

Скорость воздушного потока в винтовом аспирационном канале определялась с помощью микроманометра ММН-240 и пневмометрической трубки Пито (рисунок 3.8) [2, 4, 17].

Рисунок 3.7 - Измерение частоты вращение лазерным тахометром

Рисунок 3.8 - Микроманометр ММН-240, пневмометрическая трубка Пито

Обработка результатов экспериментальных исследований была проведена на персональном компьютере с использованием программных продуктов, таких как Maple 2016, MathCAD, Microsoft Excel.

3.2.2 Определение траектории движения частицы под действием воздушного потока в пневмоканале сепаратора

Для подтверждения теоретических исследований и изучения траектории движения частиц в воздушно-шнековом сепараторе изготовлена лабораторная установка (рисунок 3.9).

1 - шнек; 2 - корпус; 3 - вентилятор

Рисунок 3.9 - Лабораторная установка «Воздушно-шнековый сепаратор»

Установка изготовлена из светопропускающего материала ПЭТ (полиэтилен-терефталат) для возможности проведения фиксации эксперимента с помощью фотокамеры.

Для создания воздушного потока использовался центробежный вентилятор мощностью 1,2 кВт с регулирующей заслонкой, позволяющей менять скорость воздушного потока. Мощность вентилятора подбиралась опытным путем и позволяла проводить эксперименты на режимах работы сепаратора, отличающихся от штатной.

Фото- и видеосъемка велись фотоаппаратом CANON PowerShot SX540 HS с двух направлений: фронтальная и боковая плоскость. Частота видеосъемки составила 30 кадров/сек.

Полученный в ходе эксперимента видеофайл разбивался на отдельные кадры, каждый кадр накладывался на координатную сетку (заранее откалиброванную, рисунок 3.10). Далее с помощью координатной сетки путем сопоставления определялись координаты исследуемой частицы.

Рисунок 3.10 - Координатная сетка Координаты точек заносились в таблицу 3.3.

Таблица 3.3 - Координаты движения точки

Тип частицы

Скорость воздушного потока

№ Время Координата X Координата У

1

2

3

4

5

п

Для проведения экспериментов использовались частицы зерна и легких сорных примесей. В результате проведения эксперимента на основании анализа видеокадров были отмечены точки местонахождения частицы, что позволило построить траекторию ее движения.

3.2.3 Определение взаимосвязей между параметрами конструкции

и режимом работы сепаратора

В мастерской ФГБОУ ВО «Южно-Уральский ГАУ» была создана лабораторная модель воздушно-шнекового сепаратора с винтовым аспирационным каналом (рисунок 3.11).

Принцип работы экспериментальной установки представлен на рисунке 2.1. Зерно из бункера 1 поступает в рабочий орган сепаратора 2. Легкие сорные частицы под действием воздушного потока перемещаются в левую часть сепаратора и выводятся через окно для вывода легких примесей 4. Очищенное зерно шнеком 3 перемещается к окну для вывода очищенного зерна 5.

1 - загрузочный бункер; 2 - корпус; 3 - вентилятор; 4 - окно выхода очищенного зерна;

5 - окно для выхода сорных примесей

Рисунок 3.11 - Экспериментальная установка воздушно-шнекового сепаратора

с винтовым аспирационным каналом

Конструкция лабораторной установки позволяет менять частоту вращения шнека посредством изменения частоты переменного тока и напряжения частотным преобразователем HYUNDAI N700E, поступающего на асинхронный двигатель, который присоединен к редуктору и посредством ременной передачи вращает шнек сепаратора (рисунок 3.12).

Рисунок 3.12 - Мотор-редуктор и ременная передача

Объем подачи продукта за единицу времени регулируется заслонкой, прикрывающей канал между бункером с зерновым ворохом и сепаратором.

Изменение места подачи продукта достигается за счет возможности смены места установки подающего бункера. На корпусе сепаратора предусмотрены три места крепления бункера, неиспользуемые места крепления закрываются сменными панелями.

Для создания воздушного потока использовался центробежный вентилятор (1) мощностью ВР 300-45 № 3,15 1,2 кВт, 1500 об/мин с регулирующей заслонкой (2), позволяющей менять скорость воздушного потока (рисунок 3.13). Мощность вентилятора подбиралась опытным путем и позволяла проводить эксперименты

на режимах работы сепаратора, отличающихся от штатной. Параметры центробежного вентилятора обеспечивают возможность проведения эксперимента с двойным запасом мощности.

1 - корпус вентилятора; 2 - регулирующая заслонка Рисунок 3.13 - Вентилятор ВР 300-45 № 3,15

Между ребром металлического винта и поверхностью корпуса рабочего органа имеется зазор (рисунок 3.14).

1 - ось винта; 2 - корпус рабочего органа; 3 - винт

Рисунок 3.14 - Рабочий орган сепаратора, вид сбоку

Для минимизации утечек воздуха через пространство между ребром шнека и корпусом на поверхность шнека смонтирована эластичная лента (рисунок 3.15), в результате чего диаметр винта становится равным диаметру корпуса рабочего органа сепаратора. Данная модификация препятствует возникновению турбулентных потоков, позволяет винту вращаться и обеспечивает течение воздушного потока в винтовой траектории в аспирационном канале.

Рисунок 3.15 - Модификация шнека гибким материалом

Поверхность рабочего органа сепаратора частично выполнена из светопро-пускающего материала (рисунок 3.16).

Рисунок 3.16 - Поверхность рабочего органа сепаратора

В процессе сепарирования в воздушно-шнековом сепараторе на эффективность очистки оказывают влияние множество факторов. В ходе предварительного анализа работы лабораторной установки были установлены контролируемые изменяемые факторы: частота вращения шнека, Х1 (об/мин); объем подачи продукта, Х2 (кг/ч); скорость воздушного потока, Х3 (м/с); место подачи сырья, Х4. Параметры зернового вороха в ходе эксперимента остаются неизменными, это достигается за счет того, что после проведения опыта очищенное зерно и сорные примеси смешиваются и вновь используются для следующего опыта. Таким образом, количество и состав примесей для всех опытов одинаковые.

В качестве отклика в эксперименте была принята масса отделенной сорной примеси У. Таким образом, задача экспериментальных исследований сводится к определению максимального значения отклика и взаимосвязей параметров и степени их влияния.

Для определения влияния факторов на массу отделенной примеси был составлен план многофакторного эксперимента. Многофакторный эксперимент проводился по стандартной схеме полного факторного эксперимента [1, 30, 39, 90, 95]. Контролируемые изменяемые факторы представлены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Кодирование факторов эксперимента

Характеристики Факторы X]

Частота вращения шнека, Х1 (об/мин) Объем подачи продукта, Х2 (кг/ч) Скорость воздушного потока, Х3 (м/с) Место подачи сырья, Х4

Основной уровень (центр эксперимента) 60 400 5,89 2

Интервал варьирования А/ 40 200 1,61 1

Нижний уровень 20 200 4,28 1

Верхний уровень 100 600 7,5 3

Обозначения кодированных факторов Х1 Х2 Х3 Х4

В данном случае число серий опытов составляет N = 24 =16.

Переход от действительных значений факторов к кодированным безразмерным величинам осуществляется по формуле (3.3):

X - X0

= , (3.3)

г до.

где х, - кодированное значение фактора; X, - действительное значение фактора; X0 - значение основного уровня;

АXi - интервал варьирования.

Таким образом, для каждого фактора кодированное значение нижнего уровня соответствует (-1), а верхнего - (+1). Матрица планирования эксперимента имеет вид, представленный таблицей 3.5.

Таблица 3.5 - Матрица планирования эксперимента

1 X! X2 Xз X4 Х1 Х2 Х3 Х4

1 100 600 7,5 1 +1 +1 +1 + 1

2 20 600 7,5 1 -1 +1 +1 + 1

3 100 200 7,5 1 +1 -1 +1 + 1

4 20 200 7,5 1 -1 -1 +1 + 1

5 100 600 4,28 1 +1 +1 -1 + 1

6 20 600 4,28 1 -1 +1 -1 + 1

7 100 200 4,28 1 +1 -1 -1 + 1

8 20 200 4,28 1 -1 -1 -1 + 1

9 100 600 7,5 3 +1 +1 +1 -1

10 20 600 7,5 3 -1 +1 +1 -1

11 100 200 7,5 3 +1 -1 +1 -1

12 20 200 7,5 3 -1 -1 +1 -1

13 100 600 4,28 3 +1 +1 -1 -1

14 20 600 4,28 3 -1 +1 -1 -1

15 100 200 4,28 3 +1 -1 -1 -1

16 20 200 4,28 3 -1 -1 -1 -1

Рандомизация опытов = 13, 9, 5, 14, 1, 11, 12, 10, 7, 8, 2, 16, 3, 15, 4, 6. Результаты каждого опыта заносились в таблицу 3.6.

Таблица 3.6 - Результаты опыта

Номер опыта

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

(U К К 1

Л О н 2

и о к 3

Для оценки полученных данных использовался критерий Кохрена (3.4), представляющий собой отношение максимальной оценки дисперсии к сумме всех дисперсий:

max S2

Gp = . (3.4)

J =1

По полученным результатам проводится построение поверхностей отклика в программе Maple 2016.

Для подтверждения гипотезы о достоверности математической модели использовался критерий Фишера (3.5):

s 2

, (3.5)

S2

воспр

где Б2д - остаточная сумма квадратов для проверки гипотезы адекватности (3.6);

SbL™ - дисперсия воспроизводимости, характеризующая ошибку опыта (3.7).

воспр

" - \2

U( Уи- Уи)

S, = -, (з.б)

J ад

где уи - величина, предсказанная уравнением регрессии;

уи - величина, найденная экспериментально (среднее из параллельных определений);

и = 1, 2, 3, ... N - порядковые номера опытов (Ы = 16); к - число членов в уравнении регрессии (к = 9);

уад - число степеней свободы, определяется зависимостью/ад = N - к - 1;

N и

— \2

( Уш Уи ) [_

Рво

^оспр = -, (3.7)

воспр

где уш - величина, полученная в и-м опыте ¡-й повторности;

и - число повторностей (и = 3), число степеней свободы, определяется зависимостью _/воспр = Ы(и - 1).

Далее полученное значение необходимо сравнить с табличным и сделать вывод о достоверности результатов эксперимента.

Таким образом, разработаны методика определения траектории движения частиц в винтовом аспирационном канале рабочего органа сепаратора, методика определения взаимосвязи параметров конструкции и режима работы сепаратора.

Глава 4 Результаты экспериментальных исследований

4.1 Результаты лабораторных исследований по определению физико-механических свойств зерна

Программой исследований было запланировано изучение свойств зернового вороха. Данное исследование включает в себя определение гранулометрических параметров зерна, его влажности и количества сорной примеси.

Расчеты эквивалентного диаметра зерна по методике, указанной в третьей главе, показали, что его значение колеблется в пределах 3,6.. .4,3 мм.

Согласно программе экспериментальных исследований были определены физико-механические свойства зерна, результаты представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Физико-механические свойства зерна

Показатель Значение показателя

Пшеница

Средние линейные размеры семян, мм

толщина а 2,9

ширина Ь 3,2

длина 1 6,1

Эквивалентный диаметр, мм 3,84

Масса 1000 зерен, г 63,7

Влажность зерна, % 18,0

Содержание сорной примеси, % 7,8

Для изучения состава зернового вороха навеска, согласно методике, указанной в третьей главе, разделялась посредством набора лабораторных сит для зерна. Верхнее сито имеет размер отверстий, равный 3 мм. После просеивания на данном сите остались наиболее крупные, выполненные зерна основной культуры (рисунок 4.1).

На ситах с размером отверстий 2 и 2,5 мм остался основной объем зерна (рисунок 4.2).

Рисунок 4.1 - Сход с сита 3 мм

Рисунок 4.2 - Сход с сит: а - 2,5 мм; б - 2 мм

На сите с размером ячеек 1,5 мм находится битое и невыполненное зерно, а также незначительное количество шелухи (рисунок 4.3).

Оставшаяся часть зернового вороха представляет собой частицы зерна, шелуху, полову, семена сорных растений, пыль. Часть из них задерживается на сите с размером отверстий 1,2 мм, остальная часть является проходом и остается на дне набора сит (рисунок 4.4).

б

а

Рисунок 4.3 - Сход с сита 1,5 мм

Рисунок 4.4 - Отсев: а - сход с сит 1,2 мм; б - проход, частицы менее 1,2 мм

Фракция, представленная на рисунке 4.4, является сорной. Анализ полученных снимков позволил визуально определить состав зернового вороха, наибольший объем сорной примеси составляют частицы диаметром менее 1,5 мм. Присутствуют частицы шелухи, задерживающиеся на ситах с диаметром 1,5 мм.

4.2 Траектории движения зерна и сорных частиц под действием воздушного потока в винтовом аспирационном канале рабочего органа сепаратора

Для исследования траектории движения частицы под действием воздушного потока в рабочем органе сепаратора использовалась лабораторная установка, описанная в разделе 3.2.2 (рисунок 3.7).

Экспериментальные исследования показали, что при скорости воздушного потока V = 7,5 м/с легкие частицы беспрепятственно увлекаются воздушным потоком и выносятся из сепаратора, при этом силы воздействия воздушного потока недостаточно для того, чтобы цельное зерно смогло совершить полный оборот в винтовом канале сепаратора (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 - Проекция траектории движения частиц в экспериментальной установке: а - легкие сорные частицы; б - цельное зерно

Для дальнейшего сравнения полученных результатов построены графики зависимости расположения частицы по координатной оси у во времени (рисунок 4.6).

Рисунок 4.6 - Графики зависимости расположения частицы по координатной оси у и времени проведения эксперимента (теоретические данные отображены в виде сплошной линии, а экспериментальные - в виде пунктирной

При проведении проверки гипотезы о равенстве дисперсий было получено экспериментальное значение критерия Фишера, равное К,ксп = 1,223. По таблице критических точек распределения Фишера-Снедекора при уровне значимости а = 0,05 и данным числам степеней свободы = 2,28. Так как К,ксп < ^кр, то нет оснований отвергать нулевую гипотезу (т. е. можно считать, что дисперсии двух выборок равны).

При проведении проверки гипотезы о равенстве генеральных средних (/-критерий Стьюдента) было получено экспериментальное значение критерия Стью-дента /эксп = 0,071. По таблице распределения Стьюдента /кр = 2,021. Экспериментальное значение критерия Стьюдента не попало в критическую область /эксп < /кр, поэтому нулевую гипотезу следует принять. Генеральные средние двух выборок

равны. Более развернуто расчеты представлены в Приложении 4. Изучение изменения скорости движения частицы со временем производилось путем определения пройденного частицей пути за единицу времени на основании известных координат начала и конца отрезка. Полученные результаты были соотнесены с результатами теоретических исследований (рисунок 4.7).

Рисунок 4.7 - Графики зависимости скорости частицы и времени проведения эксперимента (теоретические данные отображены в виде пунктирной линии, а экспериментальные данные

в виде сплошной линии)

Таким образом, анализ полученных данных позволяет с уверенностью сказать о том, что теоретические данные о скорости воздушного потока и траектории частиц в винтовом канале достоверны и подтверждаются экспериментальными исследованиями.

Для определения изменения давления в рабочем органе сепаратора в зависимости от расстояния от вентилятора были проведены замеры с интервалом 0,2 м в трехкратной повторности. Среднее арифметическое значение полученных результатов отображено на рисунке 4.8.

132— Теоретические данные • Экспериментальные данные

130-1

120 п—'—'—'—I—'—'—'—I—'—1—'—I—'-'—I—'—'—<—I—'—'—'—I—'—'—'—I

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

Расстояние от начала сепаратора, и

Рисунок 4.8 - График зависимости полного давления в рабочем органе сепаратора от расстояния от начала сепаратора (место крепления вентилятора)

Для анализа полученных результатов проведено сравнение выборок экспериментальных и теоретических данных по критерию /-Стьюдента и ^Фишера.

Для полученных данных расчетное значение критерия Фишера составило ^набл = 1,743. По таблице критических точек распределения Фишера-Снедекора при уровне значимости а = 0,05 и данным числам степеней свободы получено критическое значение = 4,28. Т. к. значение критерия Фишера при сравнении теоретических и экспериментальных данных меньше критического, гипотеза о равенстве дисперсий этих данных подтверждена.

Расчетное значение критерия Стьюдента составило /набл = 0,135. По таблице распределения Стьюдента критическое значение критерия при уровне значимости а = 0,05 составило /кр = 2,179. Экспериментальное значение критерия Стьюдента не попало в критическую область /набл < /кр, поэтому генеральные средние двух выборок равны. Более развернуто расчеты представлены в Приложении 5.

4.3 Результаты исследования взаимосвязей между параметрами конструкции и режимом работы сепаратора с эффективностью сепарирования

Для исследования взаимосвязей между конструктивно-технологическими параметрами сепаратора использовалась лабораторная установка, описанная в разделе 3.2.3.

Экспериментальные исследования воздушно-шнекового сепаратора проводились при установленных в третьей главе параметрах. В качестве очищаемого зернового материала использовалась пшеница (сорт «Терция») с влажностью 16 %.

Лабораторная модель воздушно-шнекового сепаратора с винтовым пневмо-каналом работает следующим образом. Зерновая смесь из бункера поступает через загрузочное отверстие в корпус. Далее она шнеком перемещается в сторону выпускного отверстия для зерна. Встречный поток воздуха, подаваемый вентилятором, захватывает легкие частицы и уносит их в выпускное отверстие для воздуха, где происходит оседание частиц и выход воздуха. Очищенное зерно выводится шнеком через выгрузное отверстие в выгрузной бункер. Для вывода зерна из выгрузного бункера служит дроссельная заслонка [67, 68].

Для проведения опыта отбиралась навеска 3,5 кг, влажностью 16 %, после очистки определялась масса отделенной сорной примеси, содержание цельного зерна в отходах. При проведении очистки в большинстве случаев происходит полное отделение легких примесей (части стеблей, полова, пыль и т. д.) и частичное отделение битого и невыполненного зерна. Так же отделяются семена сорных растений. Оценить визуально содержание сорной примеси в навеске зернового вороха массой 5 кг можно по рисунку 4.9. Содержание сорной примеси в очищенном зерне после проведения очистки не превышало установленные ГОСТом требования.

По результатам эксперимента было построено уравнение регрессии в закодированном виде, для У - отделенная сорная примесь:

У = 65,94 +10,09 • х1 - 20,55 • х2 + 54,57 • х3 - 2,86 • х4 + 5,16 • х1 • х3 - 20,43 • х2 • х3.

Рисунок 4.9 - Содержание сорной примеси в 5 кг зернового вороха после очистки

на воздушно-шнековом сепараторе

Влияние факторов на массу отделенной сорной примеси показано на рисунке 4.10, где Ъ1 - частота вращения шнека, Ъ2 - объем подачи продукта, Ъ3 - скорость воздушного потока, Ъ4 - место подачи продукта, Ъ13 и Ъ23 - взаимосвязь факторов.

На массу отделенной сорной примеси наибольшее влияние оказывает скорость воздушного потока. Для дальнейшего использования полученного уравнения его необходимо представить в раскодированном виде, для этого кодовые значения заменяются раскодированными. Раскодированное уравнение имеет вид:

Y = -223,18 - 0,22 • n - 0,27 • Q + 54,47 • V - 2,86 • hl + 0,08 • n • V - 0,06 • Q • V.

Для анализа полученной модели с помощью программы Maple 2016 были построены зависимости, которые представлены в виде графической проекции и поверхности отклика. На поверхности отклика взаимосвязи частоты вращения

и объема подачи продукта (рисунок 4.11) видно, что изменение объема подачи продукта равномерно влияет на изменение выходного параметра при любом значении частоты вращения.

Рисунок 4.10 - Влияние факторов на массу отделяемых сорных примесей

б

а

Рисунок 4.11 - Взаимосвязь частоты вращения и объема подачи продукта: а - поверхность отклика; б - контурный график

Рисунок 4.12 - Взаимосвязь частоты вращения и скорости воздушного потока: а - поверхность отклика; б - контурный график

б

а

б

а

Рисунок 4.13 - Взаимосвязь объема подачи продукта и скорости воздушного потока: а - поверхность отклика; б - контурный график

* 1.5

х4

Место попдчи сырья

Скорость воздушного потока, (м/с.)

4.5 5 5.5 6 6.5 7 Скорость воздушного потока, (м/с)

б

а

Рисунок 4.14 - Взаимосвязь места подачи продукта и скорости воздушного потока: а - поверхность отклика; б - контурный график

На поверхности отклика взаимосвязи частоты вращения и скорости воздушного потока (рисунок 4.12) видно, что изменение скорости воздушного потока равномерно влияет на изменение выходного параметра при любом значении частоты вращения. На поверхности отклика взаимосвязи объема подачи продукта и скорости воздушного потока (рисунок 4.13) видно, что изменение объема подачи продукта оказывает большее влияние на изменение выходного параметра при увеличении скорости воздушного потока.

На поверхности отклика взаимосвязи места подачи продукта и скорости воздушного потока (рисунок 4.14) видно, что взаимосвязь практически линейна и равномерна.

При визуальном наблюдении процесса сепарирования было обнаружено, что от места подачи зерна из бункера до отверстия вывода легких примесей расстояния 0,7 м достаточно для отделения примесей. Расстояние от места подачи зерна из бункера до отверстия вывода очищенного зерна должно составлять не менее 0,6 м, что позволяет шнеку сепаратора перемешивать слой зерна и удалять легкие сорные примеси воздушным потоком.

Проведение полного факторного эксперимента позволило определить взаимосвязь технологических параметров воздушно-шнекового сепаратора и их влияние на массу отделенной сорной примеси.

4.4 Оценка технико-экономической эффективности

Применение новых образцов техники обосновано, если экономическая эффективность варианта с использованием предлагаемой техники выше, чем экономическая эффективность базового варианта. Постоянный рост цен на основные энергоносители вынуждает сельскохозяйственных производителей искать способы сократить затраты на производство либо повысить качество и объем выпускаемой продукции.

Для небольших фермерских хозяйств была предложена технологическая линия (рисунок 4.15), зерновой ворох поступает с поля, складируется на площадке и далее транспортером загружается в разработанный воздушно-шнековый сепаратор.

1 - грузовой автомобиль; 2 - винтовой транспортер; 3 - сепаратор; 4 - ленточный конвейер

Рисунок 4.15 - Технологическая линия очистки зернового вороха с использованием воздушно-шнекового сепаратора

Для обработки большего объема вороха нами были предложены конструкции сепаратора с несколькими секциями (рисунок 4.16).

Рисунок 4.16 - Воздушно-шнековый сепаратор: а - с двумя секциями; б - с четырьмя секциями

Увеличение количества секций напрямую ведет к увеличению производительности, при этом качество очистки остается на высоком уровне. Характеристики многосекционных установок (ВШС) представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Характеристики сепарирующих машин серии ВШС

Параметры "ип установки

ВШС-1 ВШС-2 ВШС-4

Производительность, кг/ч 680 1360 2720

Мощность привода шнека, Вт 700 1400 2800