Структурный синтез технологических отделений зерноочистительных агрегатов для послеуборочной очистки семян зерновых культур тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, доктор наук Бутовченко Андрей Владимирович

• Бутовченко Андрей Владимирович
• доктор наук
• 2022

Оглавление диссертации доктор наук Бутовченко Андрей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Современные технологии и технические средства для послеуборочной очистки семян зерновых культур

1.2 Пути повышения эффективности очистки семян зерновых культур

1.3 Выводы, цель и задачи исследования

2 МОДЕЛЬНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОСЛЕУБОРОЧНОЙ ОЧИСТКИ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

2.1 Математическая модель функционирования отделений очистки зерноочистительного агрегата

2.2 Зависимость показателей функционирования отделения очистки агрегата от эффективности выполнения частных технологических операций на решетах зерноочистительных машин

2.3 Зависимость показателей функционирования отделения очистки агрегата от эффективности выполнения частных технологических операций в пневмоканалах зерноочистительных машин

2.4 Зависимость показателей функционирования отделения очистки агрегата от эффективности выполнения частных технологических операций в триерном блоке

2.5 Зависимость показателей функционирования отделения очистки агрегата от эффективности выполнения частных технологических операций на пневмосортировальном столе

2.6 Зависимость показателей функционирования отделения очистки агрегата от взаимосвязи частных технологических операций внутри агрегата

Выводы по главе

3 МЕТОДИКА И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Программа и методика исследования процесса сепарации зернового вороха на решётных модулях

3.2 Программа и методика исследования процесса пневмосепарации зернового вороха в вертикальном аспирационном канале

3.3 Оборудование для проведения исследований

3.4 Описание зерноочистительных агрегатов, используемых для проведения стендовых и производственных исследований

Выводы по главе

4 СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЗДУШНО-РЕШЁТНОЙ ЗЕРНООЧИСТИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

4.1 Анализ пространственной структуры решётных модулей

4.2 Математические модели, описывающие процесс сепарации на решетах с использованием статической теории сепарирования

4.3 Моделирование процесса функционирования решётных модулей различной пространственной конфигурации

Выводы по главе

5 СТРУКТУРНАЯ И ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

5.1 Структура и математическая модель функционирования зерноочистительного агрегата

5.2 Экономическая оценка показателей функционирования зерноочистительных агрегатов

5.3 Технико-экономическое обоснование применения рационального зерноочистительного агрегата в составе комбайновой технологии уборки зерновых культур

5.4 Стендовые исследования технологических отделений очистки зерноочистительных агрегатов

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А Акты внедрения

Приложение Б Патенты на изобретения

Приложение В Конкурсные награды

Приложение Г Матрица независимых путей

Приложение Д Функциональные схемы зерноочистительных агрегатов

Приложение Е Результаты моделирования функционирования

зерноочистительных агрегатов

Приложение Ж Основные экономические показатели очистки зернового

материала в зерноочистительных агрегатах

Приложение И Пример расчёта технологических и экономических показателей

при структурно-параметрической оптимизации технологии уборки,

транспортировки и очистки

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурный синтез технологических отделений зерноочистительных агрегатов для послеуборочной очистки семян зерновых культур»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Продовольственная безопасность и продовольственная независимость России - важнейшие стратегические задачи, без которых невозможно существование государства. Продовольственная безопасность Российской Федерации - состояние социально-экономического развития страны, при котором обеспечивается продовольственная независимость Российской Федерации, гарантируется физическая и экономическая доступность для каждого гражданина страны пищевой продукции, соответствующей обязательным требованиям, в объемах не меньше рациональных норм потребления пищевой продукции, необходимой для активного и здорового образа жизни. Продовольственная независимость Российской Федерации -самообеспечение страны основными видами отечественной сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия. В рамках «Доктрины продовольственной безопасности Российской Федерации» утверждённой Указом Президента Российской Федерации от 21 января 2020 года под номером 20 определены показатели продовольственной безопасности и индикаторы их оценки. Индикатор продовольственной независимости определяется как уровень самообеспечения в процентах, рассчитываемый как отношение объема отечественного производства сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия к объему их внутреннего потребления и имеющий пороговые значения в отношении: зерна -не менее 95 процентов; семян основных сельскохозяйственных культур отечественной селекции - не менее 75 % и т.д.

По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) представленной в аналитическом отчёте за 2020 год о положении дел в области продовольственной безопасности и питания в мире, не смотря на существующие темпы роста общего объёма производства продуктов питания, прогнозируется рост распространения недоедания и числа недоедающих более чем на 150 млн. в 2030 г.

Решение задач продовольственной безопасности невозможно без производства собственных качественных семян на современных зерноочистительных агрегатах (ЗОА). Как правило, в настоящее время качественные семена получаются за несколько проходов очищаемого зернового материала через зерноочистительный агрегат. При этом в режиме первичной очистки, агрегаты типа ЗАВ-50, ЗАВ-40, ЗАВ-25, ЗАВ-20 и другие, отличаются друг от друга набором зерноочистительных машин способных обеспечить быструю очистку зернового материала поступающего с поля и последующую его доочистку (одно- или двукратную). Повышение количества последующих операций очистки ведёт к повышению количества взаимодействия рабочих органов с зерновым материалом, что в свою очередь приводит к дополнительным затратам на очистку и появлению дополнительных микро- и макроповреждений в семенном материале, снижающих его качество и как следствие, понижающего эффективность производства продукции растениеводства. В ряде источников указывается прямая взаимосвязь между наличием микро- и макроповреждений в зерновом материале и урожайностью. Так повышение микроповреждений за счёт дополнительного прохода семенного материала через агрегат, а также его травмирования в результате перевалочных операций, на каждые 10 % снижает урожайность на 1 ц/га. Данная проблема связана с невысокой производительностью агрегатов при работе в режиме семенной очистки, а также, наличием «узких» элементов системы - элементов, ограничивающих своей производительностью общую производительность всей поточной линии очистки. Используя резервы по повышению эффективности функционирования отдельных рабочих элементов зерноочистительного агрегата, а так же за счёт использования различных пространственных траекторий перемещения зернового материала внутри технологического отделения (применения последовательных и фракционных схем очистки) возможно получить качественный семенной материал, отвечающий агротребованиям с высокой потенциальной урожайностью и минимальными микро- и макроповреждениями за один его проход через отделение очистки зерноочистительного агрегата.

Увеличение габаритов базовых конструкций, их металлоёмкости и энергонасыщенности приводит к непропорциональному росту не только их стоимости, но и стоимости их использования. При этом такие машины не вписываются в существующие технологические линии и строительную базу существующих зерноочистительных агрегатов, что приводит к невозможности их использования при реконструкции.

Решение задач продовольственной безопасности невозможно без производства собственных качественных семян на современных зерноочистительных агрегатах.

Необходимость и актуальность данного исследования связана с изменением цепочек производства, переработки и сбыта произведённой продукции растениеводства. Во-первых большинство существующих зерноочистительных агрегатов находятся за периодом срока эксплуатации, требуют модернизации и морально устарели, во-вторых данные агрегаты, базирующиеся на строительной части агрегатов типа ЗАВ, были созданы исходя из целостности предприятия, производящего продукцию растениеводства (колхозы, совхозы), однако в настоящее время помимо предприятий данного типа собственности присутствуют такие формы производственных единиц как крестьянские (фермерские) хозяйства и агрохолдинги, что усиливает внутреннюю конкуренцию.

При существующих формах хозяйствования и присутствующих в них культурах земледелия, поступающий на послеуборочную обработку зерновой ворох, исходя из реализуемой хозяйством технологии производства продукции растениеводства, имеет широкую вариацию технологических свойств, что в свою очередь усложняет выбор оптимального ресурсосберегающего зерноочистительного агрегата для его послеуборочной обработки.

Основным барьером при этом являются габаритные размеры. Избежать этого возможно за счёт разработки более эффективных решётных модулей с развитой пространственной структурой, пневмосепараторов, имеющих несколько зон сепарации, за счёт создания решёт с повышенной просевающей способностью, за счёт рационального пространственного перемещения зернового

материала внутри технологического отделения зерноочистительного агрегата. Так же решение этого невозможно без применения математических моделей описывающих целостную систему частных технологических операций с широкой вероятностью свойств исходного зернового материала, поступающего на очистку и средств позволяющих проводить структурно-параметрическую оптимизацию в автоматизированном режиме.

Программа и методика проведения экспериментальных исследований основывалась на большом объёме статистических данных собранных в результате выполнения плана НИР Донского государственного технического университета по темам: «Исследование закономерностей кластеризации компонентов гетерогенных сыпучих сред под воздействием механической энергии» (№ госрегистрации 012000805691), «Обоснование рациональной подсистемы операций для кластеризации сыпучих гетерогенных сред» (№ госрегистрации 01201057244), «Кластеризация гетерогенных сыпучих сред по системе технологических признаков» (№ госрегистрации 01201157454), плана НИР Кубанского государственного аграрного университета (номер госрегистрации 121032300060-2, подраздел 17.2 «Разработка ресурсосберегающих процессов посева, химической обработки, уборки и очистки семян сельскохозяйственных культур на основе новых конструктивно-технологических решений», а так же в рамках инициативных НИР.

Научная проблема состоит в том, что новые формы хозяйствования и изменения технологий производства продукции растениеводства не позволяют эффективно использовать созданные для типовых хозяйств системы послеуборочной обработки семян зерновых культур, что требует нового подхода к обоснованию оптимальных ресурсосберегающих технологий, технологических отделений, параметров рабочих органов и режимов функционирования зерноочистительных агрегатов для послеуборочной очистки семян зерновых культур с широкой вариацией технологических свойств исходного зернового материала при использовании структурного синтеза.

Для решения данной проблемы недостаточны разработанные методологии экспериментальных исследований и математические модели, позволяющие системно анализировать многомерные процессы и проводить структурный синтез частных технологических операций и их подсистем, обеспечивающих эффективную сепарацию зерновых культур в технологических отделениях зерноочистительных агрегатов, при широкой вариации технологических свойств исходного зернового материала. Существующие математические модели не в полной мере отражают показатели функционирования различных подмножеств технологических операций и их подсистем, обеспечивающих решение поставленной проблемы.

Цель работы - повышение эффективности функционирования технологических отделений для послеуборочной очистки семян зерновых в зерноочистительном агрегате путём совершенствования ресурсосберегающих машинных технологий и структурной оптимизации технологических комплексов.

Задачи исследования:

1. Выполнить анализ возможностей повышения эффективности функционирования зерноочистительных агрегатов и машин, входящих в технологические отделения.

2. Провести имитационное моделирование прогнозируемого роста эффективности функционирования зерноочистительных агрегатов при широкой вариации свойств исходного зернового материала от возможного роста эффективности функционирования решётных модулей, пневмоканала, триерных блоков, пневмосортировального стола и изменения взаимосвязи частных технологических операций (применения фракционных схем) внутри технологического отделения зерноочистительного агрегата.

3. Разработать алгоритм и уравнения, описывающие параметры функционирования каждого элемента системы решётного модуля через основные показатели процесса сепарации.

4. Провести моделирование и анализ новых зависимостей функционирования решётных модулей различных пространственных структур.

5. Выполнить структурную оптимизацию технологических отделений с разработкой функциональных схем зерноочистительных агрегатов, их ориентированного графа, структурной схемы расчёта и математических моделей, описывающих процесс функционирования технологических отделений зерноочистительных агрегатов.

6. Провести моделирование и анализ полученных результатов моделирования показателей функционирования разработанных зерноочистительных агрегатов.

7. Выполнить технико-экономическое обоснование применения рационального зерноочистительного агрегата в составе комбайновой технологии уборки зерновых культур и определить экономическую эффективность функционирования разработанных зерноочистительных агрегатов.

Объект исследования - технологии, технологические отделения и их элементы, многомерный технологический процесс для очистки семян зерновых культур.

Предмет исследования - зависимости функционирования технологических отделений зерноочистительных агрегатов для очистки семян зерновых культур при вариации подмножеств частных операций технологических отделений для послеуборочной очистки семян зерноочистительными агрегатами.

Методология и методы исследований. В качестве методов исследований использовались структурный синтез, системный анализ, математическая статистика и сравнительный эксперимент.

При выполнении работы использованы стандартные и частные методики с применением физического и математического моделирования, современных приборов и ЭВМ. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики.

Научная гипотеза - структурный синтез технологических комплексов для определения оптимально обоснованных рациональных параметров и структур технологических отделений агрегатов для послеуборочной очистки семян позволит для конкретных условий функционирования выбирать рациональные

структуры технологических отделений зерноочистительных агрегатов и технологию очистки (последовательную или фракционную) при минимизации затрат и получении максимальной прибыли при соблюдении заданных технологических показателей функционирования технологических комплексов.

Научная новизна работы:

- многомерный анализ процессов функционирования очистки технологических отделений зерноочистительных агрегатов при их различных обоснованных рациональных структурах и параметрах;

- зависимости функционирования элементов подсистем и систем различных подмножеств частных технологических операций для последовательной и фракционной сепарации гетерогенных сыпучих сред;

- зависимости изменения экономических показателей системы различных подмножеств частных технологических операций при широкой вариации структур зерноочистительных агрегатов и технологических свойств материала, поступающего на очистку;

- алгоритм определения показателей функционирования зерноочистительных агрегатов с использованием существующих математических моделей для возможности анализа влияния роста эффективности отдельных частных технологических операций на показатели функционирования агрегата в целом при широкой вариации свойств исходного зернового материала, поступающего на очистку;

- обобщенная математическая модель функционирования системы частных технологических операций с широкой вероятностью технологических свойств исходного зернового материала.

Новизна технических решений подтверждается патентами Российской Федерации на полезную модель.

Теоретическая и практическая значимость результатов исследований:

- имитационные модели и результаты анализа зависимостей прогнозируемого роста эффективности функционирования зерноочистительных агрегатов при широкой вариации свойств исходного зернового материала,

функционирования решётных модулей, пневмоканала, триерных блоков, пневмосортировального стола и изменения взаимосвязи частных технологических операций (применения фракционных схем) внутри технологического отделения зерноочистительного агрегата;

- структурный синтез технологических комплексов для определения оптимально обоснованных рациональных параметров и структур технологических отделений агрегатов для послеуборочной очистки семян;

- алгоритм и уравнения, описывающие параметры функционирования каждого элемента системы решётного модуля через основные обобщения показателей процесса сепарации;

- новые технические решения зерноочистительных агрегатов для послеуборочной очистки семян зерновых культур с широкой вариацией технологических свойств исходного зернового материала.

Достоверность научных положений: подтверждена результатами лабораторных и полевых исследований, проведённых с использованием современной измерительной аппаратуры, обеспечивающей приемлемую точность измерений, обработкой экспериментальных данных с использованием компьютерных математических программ, адекватностью полученных теоретических выражений.

Основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- структурный синтез технологических отделений зерноочистительных агрегатов для послеуборочной очистки семян зерновых культур с широкой вариацией технологических свойств исходного зернового материала;

- методика многомерного анализа процессов функционирования очистки технологических отделений зерноочистительных агрегатов при их различных обоснованных рациональных структурах и параметрах;

- зависимости функционирования элементов подсистем и систем различных подмножеств частных технологических операций для последовательной и фракционной сепарации гетерогенных сыпучих сред;

- имитационные модели и результаты анализа зависимостей прогнозируемого роста эффективности функционирования зерноочистительных агрегатов при широкой вариации свойств исходного зернового материала.

Апробация работы: Основные результаты работы представлены на международных выставках и конференциях «Интерагромаш» 2011-2021, в рамках которых награждены золотыми медалями и дипломами выставки, в рамках выставки «День Российского поля» награждены золотой медалью, в рамках Международного салона изобретений и новых технологий «Новое время» -серебряной медалью. Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ДГТУ в 2004-2020 гг., на национальной научно-практической конференции «Технологические новации как фактор устойчивого и эффективного развития современного агропромышленного комплекса» (Рязань, 2020 г.); научно-практических конференциях СКНИИМЭСХ «Разработки для АПК» 2013-2015 гг. (г. Зерноград), ежегодных Международных научно-практических конференциях «Инновационные технологии в науке и образовании» (2013-2021 гг., с. Дивноморское); научно-практической конференции «Современные инновационные технологии в сельскохозяйственном машиностроении» (Ростов-на-Дону, 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения», (Ростов-на-Дону, 2008 и 2009 гг.); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиноведения и высоких технологий» посвящённой 75-летию ДГТУ 2005 г., научно-технической конференции посвящённой 100-летию кафедры «Сельскохозяйственные машины и оборудование» в 2011 г., Всероссийской научно-практической конференции конференция «Актуальные проблемы машиностроения», (Самара, 2013 г.); XI Международном научно-техническом форуме «Инновации, экология и ресурсосберегающие технологии» (ИнЭРТ-2014) и др.

Публикация результатов: основные положения диссертации опубликованы в 42 научных работах, в том числе 1 2 работ опубликованы в

изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 работы в изданиях индексируемых в базах данных Scopus, 3 монографиях, получены 4 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 480 страницах, включает 75 рисунков, 20 таблиц и 7 приложений. Список использованных источников включает 159 наименования, в том числе 7 -на иностранном языке.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Современные технологии и технические средства для послеуборочной

очистки семян зерновых культур

В настоящее время производство продукции растениеводства включает различные технологические операции, имеющие взаимосвязанные между собой и влияющие как на качественные, так и на количественные показатели производимого конечного продукта. В зависимости от ряда факторов (регион производства продукции, применяемые агротехнологии, используемые средства механизации, наличие определённой логистики и т. д.) производимый продукт, обладающий набором свойств, будет иметь различную себестоимость, и как следствие, определённую маржинальность и конкурентоспособность. Системный подход к решению данного вопроса производства позволяет выделять ряд взаимосвязанных технологических операций, представленных на рисунке 1.1, каждая из которых состоит из различных технологических процессов, которые в свою очередь могут выполняться с широкой вероятностью технологических параметров. Каждый параметр технологического процесса будет влиять на конечный результат производства с различной степенью.

Рисунок 1.1 - Надсистема производства продукции растениеводства. Системы технологических операций: 1 - основной обработки; 2 - поверхностной обработки; 3 - посева (посадки); 4 - ухода за посевами; 5 - уборки; 6 - послеуборочной обработки

Одним из элементов системы существенно влияющим на получение продукции растениеводства является система послеуборочной обработки зернового материала, поступающего с поля. Огромный многолетний вклад в создании научно-технологической базы по формированию разнообразных ресурсосберегающих структур зерноочистительных машин и агрегатов был сделан профессором Ю. И. Ермольевым [45-95]. Многообразие, накопленной в

результате совместной работы статистической информации, по функционированию систем послеуборочной обработки, машин входящих в них, а так же отдельных элементов зерноочистительных машин позволили сформировать системный подход к процессу производства зерна и провести структурный синтез технологических отделений зерноочистительных агрегатов с широкой вариацией свойств зернового вороха поступающего на очистку. Необходимость и актуальность данного исследования связана с изменением цепочек производства, переработки и сбыта произведённой продукции растениеводства. Во-первых большинство существующих зерноочистительных агрегатов находятся за периодом срока эксплуатации, требуют модернизации и морально устарели, во-вторых данные агрегаты, базирующиеся на строительной части агрегатов типа ЗАВ, были созданы исходя из целостности предприятия производящего продукцию растениеводства (колхоз, совхоз), однако в настоящее время помимо предприятий данного типа собственности присутствуют такие формы производственных единиц как фермерские хозяйства и агрохолдинги, что усиливает внутреннюю конкуренцию. При этом одни производят продукцию исходя из фактора доступности (используют семена, которые смогли себе позволить, обработку ведут с помощью орудий и техники, которая имеется в наличии и т. д.) под залог будущего урожая, другие сразу ориентируясь на внешние рынки ведут планирование основанное на глубоком анализе и производят посев, опираясь не на площадь клетки поля, а из планируемого урожая кратного объёму отгружаемых барж на экспорт. При таком существующем разнообразии форм хозяйствования и присутствующих в них культуры земледелия, поступающий на послеуборочную обработку зерновой ворох, исходя из реализуемой хозяйством технологии производства продукции растениеводства, имеет широкую вариацию технологических свойств, что в свою очередь усложняет выбор оптимального ресурсосберегающего зерноочистительного агрегата для его послеуборочной обработки.

Активно развивающиеся технические системы сбора информации о качественных и количественных показателях выполнения различных

технологических процессов позволяют получать «чистые» данные с минимальной ошибкой с заданным интервалом времени. Это связано с появлением более точных автоматизированных средств измерения параметров выполнения технологических процессов и условий их выполнения, с возможностью мгновенной автоматической передачи в облачные аналитические информационные системы с формированием цифровой тени технологического процесса. Системный подход к исследованию процесса производства, как системе взаимосвязанных факторов, позволит выявлять лимитирующие факторы и выстраивать долгосрочные стратегии, направленные на программирование урожая. Совокупность взаимосвязанных математических моделей, описывающих технологические процессы производства, и структурный синтез позволят создать новое научное направление, позволяющее комплексно исследовать системы производства продукции растениеводства с широкой инвариантностью применяемых агротехнологий и средств для их реализации с целью получения продукции заданного качества и необходимого объёма с учётом почвенно-климатических особенностей.

Большое количество учёных и инженеров внесли свой вклад в развитие и совершенствование технологий и машин для послеуборочной обработки зерновых культур. Работы выполненные А. И. Бурковым [2], В. Д. Галкиным [24],

A. М. Гиевским [27], В. М. Дринча [41], Ю. И. Ермольевым [44-95],

B. Л. Злочевским [98], А. Н. Зюлиным [99-100], М. В. Киреевым, Б. А. Карповым, И. Е. Кожуховским [102-104], А. И. Косиловым, А. Я. Малисом, А. С. Матвеевым, М. Н. Московским [114-117], В. И. Оробинским [122], Г. Т. Павловским, В. Е. Саитовым [129], С. Ф. Сороченко, Н. П. Сычуговым [134], А. П. Тарасенко [135-136], З. Л. Тилицем, В. Г. Чумаковым, I. Wessel [159] и многими другими учёными позволяют глубоко изучить и выявить основные пути совершенствования данных машин и технологий.

Существенное влияние на качество семян и последующую урожайность оказывают операции послеуборочной обработки, включающие очистку от примесей и при необходимости сушку. В большинстве случаев доведение семян

до базисных кондиций с использованием текущих технологий очистки и сушки предусматривает двух-, а иногда и трёхцикловую очистку и сушку, что приводит к дополнительным технологическим операциям транспортировки и хранения. Это повышает себестоимость и срок выполнения работ с одновременным снижением качества семенного материала за счёт появления новых микро- и макроповреждений. На количество циклов очистки влияют исходные свойства семенного материала, поступающего на очистку, а именно состав и количественное наличие примесей. При этом факторы влияющие на возможность получения в зерноочистительном агрегате качественного семенного материала за один цикл очистки комплексно не анализировались. Поступающий на очистку исходный зерновой ворох имеет широкие вариации технологических свойств, которые существенно влияют на эффективность работы не только рабочих органов машин, но и всей системы получения качественного семенного материала в целом [3, 5-6, 12].

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Бутовченко Андрей Владимирович, 2022 год

/ / / /

_/

\/ / Х/'

/У

10

О

2

4

8

Производительность, О, т/ч

в)

Производительность, О. т/ч

Г)

Рисунок 2.23 — Основные экономические показатели работы зерноочистительных агрегатов, функционирующих по последовательной (1) и фракционной (2) схемам

Проведённый анализ функциональных и экономических показателей, при заданных условиях показал, что при очистке зернового материала по фракционной схеме прибыль составила 12816,3 руб/т исходного очищенного зерна, а по последовательной 14340,8 руб/т. По фракционной схеме прибыль от очистки зерна в агрегате из одной тонны исходного очищенного зерна ниже, чем по последовательной, за счёт высокого выхода зернового материала в продовольственное зерно. Однако, при большом содержании засорителей в исходном зерновом материале производительность агрегата функционирующего по последовательной схеме (рисунок 2.20) ограничивается выполнением агротребований - чистота зернового материала не менее 99 %, в данном случае -

1,5 кг/с (таблица 2.7, рисунок 2.22, а), при этом агрегат функционирующий по схеме 2 выполняет агротребования при производительности 2,5 кг/с, следовательно прибыль за агросрок (400 ч) с учётом максимальной производительности составит: при очистке по последовательной схеме - 24,2 млн. руб., по фракционной - 36,9 млн. руб.

Исходя из вышеперечисленного можно сделать вывод, что фракционная схема более эффективно выделяет сорные и зерновые примеси, однако её применение экономически целесообразно на зерновом материале с высоким содержанием засорителей в исходном зерновом материале, при котором последовательная схема не позволяет получить семенной материал с высокой производительностью агрегата с учётом агротребований.

Выводы по главе

В результате имитационного моделирования получены новые зависимости функционирования зерноочистительных агрегатов при широкой вариации свойств исходного зернового материала, прогнозируемого проста эффективности функционирования решётных модулей, пневмоканала, триерных блоков, пневмосортировального стола и изменения взаимосвязи частных технологических операций (применения фракционных схем).

При минимальном содержании отделяемых примесей в исходном зерновом материале и при увеличении коэффициента роста к эффективности функционирования решётного модуля в 1,3 раза - производительность агрегата, при соблюдении агротребований, возрастает на 6,45 % с 2,4 кг/с до 2,56 кг/с. пневмоканала в 1,43 раза - производительность агрегата возрастает на 1,23 % с 2,51 кг/с до 2,54 кг/с, триерного блока в 1,3 раза - производительность агрегата возрастает на 2,57 % с 2,525 кг/с до 2,59 кг/с, пневмосортировального стола в 1,24 раза - производительность агрегата возрастает на 6,33 % с 2,53 кг/с до 2,69 кг/с. При максимальном содержании отделяемых примесей в исходном зерновом материале и при увеличении коэффициента к роста эффективности

функционирования решётного модуля в 1,3 раза - производительность агрегата возрастает на 33,91 % с 1,43 кг/с до 1,92 кг/с, пневмоканала в 1,43 раза -производительность агрегата возрастает на 6,25 % с 2,06 кг/с до 2,19 кг/с, триерного блока 1,3 раза - производительность агрегата возрастает на 14,78% с 2,03 кг/с до 2,33 кг/с, пневмосортировального стола в 1,24 раза -производительность агрегата возрастает на 15,38 % с 2,08 кг/с до 2,4 кг/с.

Полученные новые зависимости изменения производительности зерноочистительного агрегата в зависимости от взаимосвязи частных технологических операций (применения фракционных схем), содержания примесей в исходном зерновом ворохе, а так же анализ функциональных и экономических показателей показали, что при очистке зернового материала по фракционной схеме прибыль составила 12816 руб/т исходного очищенного зерна, а по последовательной 14340 руб/т. По фракционной схеме прибыль от очистки зерна в агрегате из одной тонны исходного очищенного зерна ниже, чем по последовательной, за счёт высокого выхода зернового материала в продовольственное зерно. Однако, при большом содержании засорителей в исходном зерновом материале производительность агрегата функционирующего по последовательной схеме (рисунок 2.21) ограничивается выполнением агротребований - чистота зернового материала не менее 99 %, в данном случае -1,5 кг/с, при этом агрегат функционирующий по схеме 2 выполняет агротребования при производительности 2,5 кг/с, следовательно прибыль за агросрок (400 ч) с учётом максимальной производительности составит: при очистке по последовательной схеме - 24,2 млн. руб, по фракционной - 36,9 млн. руб. Фракционная схема более эффективно выделяет сорные и зерновые примеси, однако её применение экономически целесообразно на зерновом материале с высоким содержанием засорителей в исходном зерновом материале, при котором последовательная схема не позволяет получить семенной материал с высокой производительностью агрегата с учётом агротребований.

3 МЕТОДИКА И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Программа и методика проведения экспериментальных исследований основывалась на большом объёме статистических данных собранных в результате выполнения плана НИР Донского государственного технического университета по темам: «Исследование закономерностей кластеризации компонентов гетерогенных сыпучих сред под воздействием механической энергии» (№ госрегистрации 012000805691), «Обоснование рациональной подсистемы операций для кластеризации сыпучих гетерогенных сред» (№ госрегистрации 01201057244), «Кластеризация гетерогенных сыпучих сред по системе технологических признаков» (№ госрегистрации 01201157454), плана НИР Кубанского государственного аграрного университета (номер госрегистрации 121032300060-2, подраздел 17.2 «Разработка ресурсосберегающих процессов посева, химической обработки, уборки и очистки семян сельскохозяйственных культур на основе новых конструктивно-технологических решений», а так же в рамках инициативных НИР.

Лабораторное оборудование и изготовленные в процессе исследований по госбюджетным НИР кафедры и различных хоздоговорных работ зерноочистительные агрегаты функционирующие по различным схемам с широким набором машин и в различных режимах при широкой вероятности свойств технологического материала поступающего на послеуборочную обработку позволили выявить новые зависимостей их функционирования, создать новые и уточнить существующие математические модели частных технологических операций. Технологические отделения очистки данных агрегатов имели существенное отличие от серийно выпускаемых агрегатов, при этом при монтаже оборудования использовалась существующая строительная часть.

Теоретические исследования проводились с целью дальнейшего повышения эффективности функционирования зерноочистительного агрегата за счёт структурной оптимизации отдельных частных технологических операций в

пневмоканале, на решётах зерноочистительных машин, триерном блоке и пневмосортировальном столе. Полученные в результате научных исследований статистические данные и новые зависимостей позволили разработать специализированные программы (CXM2, Work 3, Works 4, SH1, МОС-9), позволяющие моделировать процессы системной сепарации в зерноочистительном агрегате.

Целью экспериментальных исследований при исследовании рабочих органов и агрегатов являлось получение эмпирических данных, необходимых для оценки адекватности математических моделей и получения дополнительной информации для параметрического и структурного синтеза технологических комплексов при послеуборочной очистке семян зерновых культур. Экспериментальные исследования проводились на различных лабораторных стендах кафедры «Проектирование и технический сервис транспортно-технологических систем» ДГТУ и «Эксплуатации МТП» КубГАУ (рисунок 3.1, рисунок 3.3) и на экспериментальных образцах зерноочистительных агрегатов: на базе агрегата ЗАВ-60, расположенного в СПК «Победа» Целинского района Ростовской области, на образце зерноочистительного агрегата расположенного в х. Майоркский Орловского района Ростовской области, на базе зерноперерабатывающего предприятия ООО «Деметра», Аксайского района, Ростовской области, на агрегатах ЗАВ-50/25/10 и ЗАВ-40, включающем центробежно-вибрационную машину Р8-БЦСМ-50-01, в совхозе «Жуковское» (Песчанокопский район, Ростовская область), на модернизированном зерноочистительном агрегате ЗАВ-50/30/10 в с. Чалтырь Мясниковского района Ростовской области, ЗАВ-40 в колхозе «Кубань» Краснодарского края, ЗАВ-50/30/12 СПК «Колос» (Ростовская область, Мясниковский район), АРЗМ-1 и АРЗМ-1 производства ООО МИП «КЛЕН-АГРО» (Краснодар) и ООО «РИСМ» (Ростов-на-Дону).

3.1 Программа и методика исследования процесса сепарации зернового

вороха на решётных модулях

Экспериментальное исследование процесса сепарации зернового вороха на решётных модулях проводилось на специальном лабораторном стенде, расположенном в лаборатории сепарации кафедры «Проектирование и технический сервис транспортно-технологических систем» (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Лабораторный стенд

Конструктивные особенности лабораторного стенда для исследования процесса сепарации зернового вороха на решётных модулях позволяли изменять частоту (100-900 мин-1, при помощи вариаторов) и амплитуду (0-40 мм, с помощью регулируемого кривошипа) колебаний; угол установки решёт к горизонту (0...120, изменялся путём изменения крепления решёт), направленность колебаний (с помощью изменения точки подвеса на секторах и изменения угла наклона шатуна); подачу зернового вороха, поступающего на очистку (путём поднятия заслонки в бункере на определённую высоту); использовать решёта с различными сепарирующими поверхностями.

Методика проведения экспериментальных исследований включала отбор и анализ проб исходного зернового материал, зерновых и сорных фракций, последующая их разборка в соответствии с ГОСТ 12036-85 [38], оценка их

показателей в соответствии с ГОСТ 30483-97 [35], с использованием набора специального оборудования (рисунок 3.4). При исследовании процесса определялось прохождение отдельных компонентов под решётный стан по всей длине сепарации. Для этого под решётным станом в секционный ящик устанавливались отдельные контейнеры по 100 мм каждый.

Рисунок 3.2 - Схема лабораторного стенда: 1 — рама; 2 - засыпной бункер; 3 - питающий валик;

4 - решетный стан; 5 - кривошип; б - вариатор; 7 - рукоятка изменения числа колебаний решетного стана; 8,9, 10, 11 - сектор; 12 - рукоятка регулировки загрузки решета

Ф

Конструкция лабораторного стенда (рисунок 3.2) включала: массивную раму, жёстко закреплённую на полу лаборатории и имеющую конструктивные особенности в виде секторов, позволяющих изменять углы подвесов решётного стана; засыпного бункера, имеющего активный питатель вращающийся с частотой 50 мин-1, что позволяет равномерно подавать исходный зерновой ворох с высоким содержанием примесей склонных к сводообразованию особенно при малых подачах; решётного стана с возможностью установки решёт с различной последовательностью и длинной, что позволяет исследовать различные структуры решётных модулей; системы привода состоящей из электродвигателя, вариатора, кривошипа и эксцентрикового вала. Система привода позволяет регулировать частоту колебаний решётного стана с помощью рукоятки. Амплитуда регулировалась за счёт изменения эксцентриситета на эксцентриковом валу. Конструкция стенда позволяла изменять параметры функционирования решётного модуля не зависимо друг от друга, в том числе и от подачи. При работе

стенда исследовался только квазистатический процесс. Для этого, после открытия заслонки засыпного бункера выжидалось время, когда закончится переходный процесс заполнения решётного стана зерновым ворохом. Затем под решётный стан вводилась кассета с 24 контейнерами длиной 100 мм, расположенными по всей длине решётного стана. Длинна кассеты составляла 2400 мм, ширина 70 мм, высота 120 мм. Одновременно засекалось время, за которое происходило частичное наполнение контейнеров прошедшей фракцией. При уменьшении уровня зернового вороха в бункере кассета с контейнерами выводилась из-под решётного стана и фиксировалось время сепарации зернового вороха. Подача регулировалась высотой открытия заслонки засыпного бункера.

Исследования, проводимые на лабораторном стенде, позволяют решать следующие задачи: определять влияние кинематических параметров режимов эксплуатации при широкой вариации исходного зернового вороха, подач, типов решёт, материала его изготовления, параметров сепарирующих отверстий, наличия различных на решете ориентаторов на качественные и количественные показатели процесса сепарации.

Программа экспериментальных исследований предусматривала: определение фракционного состава исходного зернового вороха и его размерных характеристик, оценку эффективности сепарации зернового материала по длине сепараторов, оценку эффективности выделения примесей в зависимости от количества и параметров решет, угла наклона решёт к горизонту, амплитуды, частоты и направленности колебаний, подачи зернового материала.

3.2 Программа и методика исследования процесса пневмосепарации зернового вороха в вертикальном аспирационном канале

Для исследования процесса пневмосепарации зернового вороха с широкой вероятностью технологических свойств в вертикальном аспирационном канале была изготовлена экспериментальная установка. Общий вид и технологическая схема экспериментальной установки приведены на рисунках 3.3 и 3.4. Модель

экспериментального аспирационного пневмоканала имеет ширину В=0,45 м и натуральные размеры в длину и в высоту.

Рисунок 3.3 — Общий вид экспериментального аспирационного пневмоканала

Рабочий процесс экспериментального аспирационного пневмоканала для очистки зернового вороха протекает следующим образом. Всасываемый вентилятором 1 воздушный поток поступает в воздуховод нагнетательного вентилятора 4. Регулировка характеристики воздушного потока в пневмосепараторе осуществляется при помощи дефлектора 2. Исходный зерновой материал равномерно поступает из бункера накопителя 1 в вертикальный пневмоканал 7. Далее зерновой материал проходит участок «кармана» пневмоканала 5 и затем выводится из пневмосепаратора при помощи устройства вывода 3. Лёгкая фракция и запылённый воздух попадает в отстойную камеру 8. Лёгкая фракция, проходя под осадитель 9, за счёт инерционно-гравитационных сил осаждается и выводятся при помощи устройства вывода «лёгкой» фракции 11. Запылённый воздух выводится из пневмосепаратора при помощи пылеуловителя 10.

И

-— - обрабатываемый зерновой материал, —^—— - запылённый воздух;

—#—— - "легкая" фракция зернового материала, —в —*— воздушный поток. ----— - "тяжелая" фракция зерноЬого материала,

Рисунок 3.4 — Технологическая схема экспериментального аспирационного пневмоканала включала в свой состав: 1 — вентилятор; 2 — дефлектор; 3 — устройство вывода; 4 — воздуховод нагнетательного вентилятора; 5 — «карман»; 6 — устройство ввода (бункер); 7 — вертикальный пневмоканал; 8 — отстойная камера; 9 — осадитель; 10 — пылеуловитель

Конструкция экспериментального стенда позволяла независимо друг от друга изменять угол установки дефлектора, расход воздуха через вентилятор, подачу гетерогенной сыпучей среды.

Характеристика воздушного потока в сечениях А-А и Б-Б (рисунок 3.4) представлена на рисунке 3.5 (а, б).

II/„А * И »/г

(а) (б)

Рисунок 3.5 — Характеристика воздушного потока в сечениях пневмосепаратора:

а) сечение А-А; б) сечение Б-Б

Результаты лабораторных исследований процесса пневмосепарации зернового вороха при широкой вероятности технологических свойств обрабатывались и анализировались с учётом общепринятых методик в соответствии с ГОСТ 30483-97 [35], с использованием набора специального оборудования.

Программа исследований с использованием данного лабораторного стенда позволяла определять: основные аэродинамические характеристики исходного зернового вороха; эффективность сепарации зернового материала в зависимости от скорости и направления ввода материала в пневмоканал, структуры и скорости воздушного потока; эффективность сепарации зернового материала в зависимости от неравномерности поступления зернового материала по ширине канала; эффективность сепарации зернового материала в зависимости от содержания и свойств сыпучей среды поступающей в пневмосепаратор; проводить анализ траекторий движения компонентов сепарируемой сыпучей среды в зависимости от свойств среды, параметров воздушного потока и параметров самого канала.

3.3 Оборудование для проведения исследований

Исследования проводились в соответствии со стандартизированными методиками. Отбор образцов проб, полученных по результатам экспериментальных испытаний, и выделение репрезентативных выборок проводилось в соответствии с ГОСТ 12036-85 [38]. Их разбор и анализ производился по известным методикам в соответствии с требованиями ГОСТ 30483-97 [35] и использованием специализированного оборудования.

Для разбора проб зернового материала использовался решётный классификатор РА-5 (рисунок 3.6), позволяющий разделять полученный материал по фракциям. Для измерения веса использовались электронные весы с погрешностью измерения 0,0001г. (рисунок 3.9). Размерные характеристики зернового материала определялись с использованием электронного штангенциркуля. Насыпная плотность и масса тысячи зерен определялись с использованием весовой ёмкости и весов.

Рисунок 3.6 — Решетный классификатор

Содержание компонентов зернового вороха в полученных пробах, а также их чистота определялись в соответствии с ГОСТ 30483-97 [35].

Определение скорости воздушного потока определялась при помощи анемометра АТТ-1004 (рисунок 3.7).

Пневмоклассификатор

Весы электронные

Рисунок 3.7 — Анемометр с выносным датчиком для измерения скорости потока АТТ-1004

Рисунок 3.8 — Основные приборы для оценки технологических свойств компонентов зерносоломистого вороха

Определение влажности зернового вороха и его компонентов, осуществлялось с помощью влагомера Wile 65 (рисунок 3.9), предназначенного для экспресс-измерения температуры и влажности 16 видов различных зерновых, зернобобовых и масленичных культур

Рисунок 3.9 - Влагомер Wile 65

Для определения размерных характеристик зерна и его компонентов использовался цифровой штангенциркуль

Рисунок 3.10 - Цифровой штангенциркуль ADA Mechanic

Для определения частот вращения эксцентрикового вала привода решёт, частоты вращения крыльчатки вентилятора, частот вращения триерных блоков использовался цифровой бесконтактный тахометр DT2234C

А

Рисунок 3.11 - Цифровой бесконтактный тахометр БТ2234С

3.4 Описание зерноочистительных агрегатов, используемых для проведения стендовых и производственных исследований

Для верификации взаимодействия частных технологических операций и математических моделей описывающих функционирование систем частных технологических операций с широкой вероятностью исходных технологических свойств, а также набора статистических данных о функционировании как отдельных машин, так и агрегатов в целом использовались следующие зерноочистительные агрегаты:

- экспериментальный агрегат №1, созданный на базе агрегата ЗАВ-60, расположенного в СПК «Победа» Целинского района Ростовской области (рисунок 3.12);

- экспериментальный агрегат №2, созданный на базе зерноперерабатывающего предприятия ООО «Деметра», Аксайского района, Ростовской области (рисунок 3.13);

- экспериментальные агрегаты №3 и 4 созданные на базе на агрегатов ЗАВ-50/25/10 и ЗАВ-40, включающих центробежно-вибрационную машину Р8-БЦСМ-50-01, в совхозе «Жуковское» (Песчанокопский район, Ростовская область) (рисунок 3.14);

- экспериментальный зерноочистительный агрегат №5, созданный на базе зерноочистительного агрегата ЗАВ-50/30/10 в с. Чалтырь Мясниковского района Ростовской области (рисунок 3.15);

- экспериментальный зерноочистительный агрегат №6, созданный на базе зерноочистительного агрегата ЗАВ-50/30/12 СПК «Колос» (Ростовская область, Мясниковский район) (рисунок 3.16);

- экспериментальный агрегат №7, созданный на базе зерноочистительного агрегата расположенного в х. Майоркский Орловского района Ростовской области (рисунок 3.17) и другие.

Экспериментальный агрегат №1. Опытный образец зерноочистительного агрегата ЗАВ-60 был разработан нами совместно с «Предприятием «Синтез» ДГТУ и изготовлен из зерноочистительных машин ОАО ГСКБ «Зерноочистка» (г. Воронеж) и установлен в СПК «Победа» (Целинский район, Ростовская область). На данном агрегате проводилась экспериментальная оценка показателей функционирования отделения первичной очистки зерна, верификация моделей функционирования как отдельных элементов зерноочистительных машин, так и машин в целом, а также возможность функционирования агрегата в различных режимах и по различным схемам (последовательным и фракционным) при очистке различных зерновых культур, поступающих на очистку с различными засорителями при вариации подач.

Отделение очистки агрегата включало машины: МПО-100 с аспирационной системой, решётные зерноочистительные машины РМ-25.

Рисунок 3.12 - Зерноочистительный агрегат ЗАВ-60

Экспериментальный агрегат №2. Экспериментальный

зерноочистительный агрегат был разработан и изготовлен на базе зерноперерабатывающего предприятия ООО «Деметра», Аксайского района. На данном агрегате проводилась оценка эффективности функционирования экспериментального зерноочистительного агрегата при различных режимах очистки зерна и различных взаимосвязях подмножеств частных технологических операций при широкой вероятности технологических свойств исходного зернового материала для получения зависимостей изменения качественных показателей очищенного зернового материала в зависимости от использования триерного блока.

Технологическое отделение очистки зерноочистительного агрегата включало в свой состав: зерноочистительную машину «Петкус-Гигант» К-531А, триерный блок, К -553А, две нории НПЗ-10 (рисунок 3.13).

Рисунок 3.13 — Зерноочистительные машины отделения очистки зерноочистительного агрегата: а) «Петкус-гигант» К-531А, б) переоборудованный триерный блок фирмы «Петкус» К-553А

Экспериментальные агрегаты №3 и 4. Экспериментальные зерноочистительные агрегаты были разработаны и изготовлены на базе зерноочистительных агрегатов ЗАВ-30/25/10 (рисунок 3.14, а) и ЗАВ-40 с центробежно-вибрационной машиной Р8-БЦСМ-50-01 (рисунок 3.14, а) в совхозе «Жуковское» (Песчанокопский район, Ростовская область). На данных агрегатах проводилось определение технологических показателей функционирования зерноочистительного агрегата при выполнении ими агротехнических требований к очистке зернового материала семенного назначения; получение размерных характеристик очищенного зернового материала семенного назначения при различных схемах очистки; сравнительные исследования и оценка качества очистки семян зерновых при различных схемах и режимах очистки при широкой вероятности поступающего на очистку исходного зернового вороха. Исследования параметров работы данных агрегатов проводились на семенной одноцикловой очистке зерна пшеницы по трём различным функциональным схемам: последовательной, с триерным блоком ЗАВ-1090000А и пневмостола МОС-9, по фракционной схеме, с триерным блоком ЗАВ-1090000А и с использованием пневмостола МОС-9.

а) б) в)

Рисунок 3.14 — Зерноочистительные агрегаты: а) общий вид агрегатов (слева агрегат №3, справа №4); б) воздушно- решетная машина ОЗС 50/25/10 с триерным блоком ЗАВ-1090000А. установленные в агрегате, в) комплект решет к центробежно-вибрационной машине

Р8-БЦСМ-50-01

Экспериментальный агрегат N5. Экспериментальный модернизированный зерноочистительный агрегат ЗАВ-50/30/10 (рисунок 3.15) созданный в с. Чалтырь Мясниковского района Ростовской области, включающий воздушно-решётную зерноочистительную машину 0ЗС-50/25/10 с 4-х ярусным решётным модулем. На данном агрегате проводились исследования влияния частных технологических операций на систему очистки агрегата при широкой вариации свойств зернового вороха, поступающего на очистку при различных режимах очистки и настройки рабочих органов при вариации подач. Анализ работы агрегата проводился на зерновых культурах, подсолнечнике и кукурузе.

Отделение очистки агрегата включало машины: МП0-50, решётную приставку РП-50, зерноочистительную машину ЗАВ-50/30/10.

а) б) в)

Рисунок 3.15 — Отделение очистки агрегата: а) машина предварительной очистки МПО - 50 (1) и решётная приставка РП - 50 (2); б) решётный модуль машины ОЗС - 50/25/10; в) завальная яма зерноочистительного агрегата ЗАВ - 50/30/10 с исходным ворохом

Экспериментальный агрегат №6. Экспериментальный зерноочистительный агрегат ЗАВ-50/30/12 был установлен на строительной базе агрегата ЗАВ-25 (рисунок 3.16) центрального тока СПК «Колос» (Ростовская область, Мясниковский район). Исследования работы агрегата проводились по 5 различным функциональным схемам в различных режимах с широкой вариацией исходного вороха, поступающего на очистки. Оценивалось влияние каждой машины с различными её настройками на показатели функционирования агрегата.

Отделение очистки агрегата включало машины: МПО-50, решётную приставку РП-50, воздушно-решётную зерноочистительную машину ОЗС-50/25/10, триерный блок ЗАВ-1090000А, пневмостол МОС-9.

Рисунок 3.16 — Зерноочистительный агрегат ЗАВ-50/30/12

Экспериментальный агрегат №7. Универсальный зерноочистительный агрегат расположенный на току х. Майоркский, Орловского района, Ростовской области (рисунок 3.17). имеет в своём составе машину предварительной очистки МПО-50, воздушно-решётную машину ОЗС-50/25/10, триерный блок, пневмосортировальный стол МОС-9. Исследования работы агрегата проводились с целью определения технологических показателей функционирования агрегата при выполнении им агротехнических требований к очистке зернового материала

продовольственного и семенного назначения с широкой вариацией технологических свойств поступающего на очистку зернового вороха.

Рисунок 3.17 — Универсальный зерноочистительный агрегат

В рамках договора №254 (от 15.05.2019) «Поиск оптимальных параметров функционирования опытной воздушно-решётной зерноочистительной машины» совместно с ООО «РИСМ» была создана опытная воздушно-решётная машина (рисунок 3.18) и выполнены исследования по достижению максимальной эффективности очистки сельскохозяйственных культур с учётом различных свойств поступающего материала. В рамках гранта «Старт 1» по договору 3401ГС1/57520 от 05.02.2020 разработаны аэродинамические решетные зерноочистительные машины (рисунок 3.19-3.20), которые легли в основу создания селекционного семяочистительного комплекса (рисунок 3.21) (разработанного совместно с ООО «РИСМ» и ООО МИП «КЛЕН-АГРО» реализованного в «Научно-исследовательском институте зерна и зернобобовых культур», Республике Узбекистан, г. Андижан.

Рисунок 3.18 - Опытная воздушно-решётная машина

Рисунок 3.19 - Аэродинамическая решетная зерноочистительная машина АРЗМ-2

Рисунок 3.20 - Аэродинамическая решетная зерноочистительная машина АРЗМ-5

Разработаны совместно с ООО МИП «КЛЕН-АГРО» и ООО «РИСМ» техническая документация для серийного выпуска аэродинамической решётной зерноочистительной машины: рабочие чертежи и спецификации, руководство по эксплуатации, технические условия, технический паспорт, типовой технологический процесс, оперативные карты, монтаж элементов.

Аэродинамическая решётная зерноочистительная машина соответствует требованиям технического регламента Таможенного союза «О безопасности машин и оборудования» (ТР ТС 010/2011, протокол испытаний №12-129-2020 от 17.12.2020 года), «О безопасности низковольтного оборудования» (ТР ТС 004/2011, протокол испытаний « 12-130-2020 от 17.12.2020 года), «Электромагнитная совместимость технических средств « (ТР ТС 020/2011, протокол испытаний 12-0128-2020 от 17.12.2020 года).

Аэродинамическая решётная зерноочистительная машина внедрена в Кубанском ГАУ (г. Краснодар), ДГТУ (г. Ростов-на-Дону), Научно-исследовательском институте зерна и зернобобовых культур (Республика Узбекистан).

Выводы по главе

Используемая для формирования и верификации математических моделей лабораторная база, многообразие зерноочистительных агрегатов имеющих различный состав машин и способных функционировать в различных режимах по

различным функциональным схемам с различными настройками рабочих органов при вариации подач и свойств поступающего исходного зернового материала, а также результаты испытаний и работы данных агрегатов позволили набрать необходимое количество статистических данных, позволяющих верифицировать разрабатываемые математические модели описывающие процессы функционирования как отдельных рабочих органов, так и всей системы очистки в системе в целом.

4 СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЗДУШНО-РЕШЁТНОЙ ЗЕРНООЧИСТИТЕЛЬНОЙ

МАШИНЫ

Проведённый анализ влияния на систему частных технологических операций в зависимости от роста их эффективности показал значимость их влияния. Одним из наиболее сложных и инвариантным влиятельным элементом является решетный модуль имеющий большой потенциал для роста эффективности функционирования. Поэтому проведём более глубокий анализ возможности структурно-параметрической оптимизации решётного модуля.

4.1 Анализ пространственной структуры решётных модулей

Приняв за основу гипотезу о возможном росте эффективности очистки зернового вороха на решётных модулях различных пространственных конфигураций и ранее полученные результаты об эффективности функционирования решётного модуля с последовательно-параллельной компоновкой решёт решалась задача сравнения функционирования решётных модулей различных конфигураций.

Используя логико-эвристический подход с целью минимизации частных технологических операций, а так же проведенный ранее предварительный анализ, проведенные поисковые исследования, позволил выделить ряд функциональных схем решётных модулей воздушно-решётных (решётных) машин, отображенных конечным мультиграфом (рисунок 4.1), включающим решетные модули различных пространственных конфигураций изображённые на рисунке 4.2.

Критерием оптимальности оптимизируемых систем, при известных или прогнозируемых технико-экономических показателях их элементов (рабочие органы) и системы в целом могут быть критерий Еф [80] эффективности реализации технологического процесса (параметрическая оптимизация) и приведенные затраты 3пр на очистку единицы массы зернового материала, определяемые по показателям функционирования всего агрегата и нормативным экономическим показателям (структурная оптимизация).

Целевой функцией при данном подходе является - максимальное выделение из зернового материала на решётном модуле отделяемых компонентов при обеспечении выделения из него «деловых» фракций (семена, зерно продовольственное, фуражные и др. отходы) с заданными технологическими ограничениями на их качество.

I

а б

1 1

Функция цели: £ф = 1 -1-\--> тах; I = 2,3..к, (4.1)

1=2

а1

где к - количество выделяемых из зернового материала компонентов; а1 -содержание компонента зернового вороха в очищаемом материале; б1 - полнота

выделения 1-го компонента в процессе сепарации в очищенную фракцию.

Математическую модель процесса функционирования решётного модуля как замкнутой квазистатичной системы с заданной -й функциональной схемой в общем виде:

ЪфЗМ ={Гр,Ар,03[кш(х\Тш(х)§^т^ (4.2)

хевм(х9и). (4.3)

Ограничения на технологические показатели конечного продукта - семян:

где ^ - вектор входных воздействий на принятую в зерноочистительной машине систему операций, из которых выделяются входные воздействия Р на решётный

модуль.

Р = [, а,,W, М (Ь,) ,о> (Ь, ) /е (В,), /е (Н), / (1< )]. (4.4)

Активные средства, определяющие эффективность функционирования решётной машины, определялись вектором Ам, а функционирования решётных

модулей Ар:

вр

(4.6)

Ар (4-5)

Выходные показатели функционирования решётных модулей зерноочистительной машины определяются вектором Вр, независимые аргументы которого случайные в вероятностно-статистическом смысле величины

Оок

' ^jxi, У щх , Утл , У jxi, У, bnjxi,Ьjxi \

Обозначение элементов входящих в выражение 4.5-4.6 представлены в разделе 2.1.

Каждая вершина Х1 конечного замкнутого графа О (X,и) предоставляет Х.-ую частную технологическую операцию множества Х = {Х1,Х2,...Х22}. В графе (рисунок 4.1) представлены операции: Х1 - накопление исходного зернового материала; Х2 - Х5 - распределение зернового материала по решетным модулям; Х6 - выделение из зернового материала мелкой сорной фракции; Х7 -выделение из зернового материала фуражных примесей Х8 - выделение из зернового материала мелкой зерновой фракции; Х9 - выделение из зернового материала крупных примесей.

Множество дуг графа и = {и2;иъ>—ит5}, соединяющих его вершины

несут информацию о результатах предыдущей технологической операции, отражая внутреннюю взаимосвязь системы. При решении задач многомерной оптимизации функциональных схем решётных модулей необходимо создание банка исходных данных - независимых путей графа и методов оценки весомости дуг графа.

Q Схема №1

а)

loo

Схема N%

с

г)

д)

е)

Схема №7

ж)

о Схема №12

м)

Рисунок 4.2 — Расчётные схемы решётных модулей типа: а) Petkus А12; б, г) Clipper Prelude, МЗС-25/10/5; в) Petkus А09; д) Petkus U12, Petkus U15; е) МВР-6, 0ЗС-50/25/10, СВУ-60; ж) Cimbria; з) Petkus V12, Petkus V15; и) Petkus M12, Petkus M15; к) прототип; л) 0ЗФ-80/40/20; м)

ЗВС-20А, МПУ-70, 0ВС-50

Топологию графа О (х, и) описали матрицей независимых путей графа, определяющей функциональные схемы всех исследуемых систем частных технологических операций (таблица 4.1) и матрицей А = смежности весов

графа, определяющей взаимосвязи вершин графа (таблица 4.2).

Таблица 4.1 - Матрица независимых путей

Номер схемы Дуги графа

1-4 1-5 1-10 1-10 2-2 2-2 2-3 2-3 2-3 2-3 2-4 2-6 2-6

1 х х х

2 х

3 х х х х х

4 х

5 х х х х

6 х х х х х х х

7 х х х х х

8 х х х

9 х

10 х х х х х

11 х х х х х х х х

12 х х х х х х

Продолжение таблицы 4.

Номер схемы Дуги графа

2-6 2-6 2-7 2-7 2-10 3-3 3-3 3-3 3-3 3-3 3-3 3-3 3-3

1

2 х

3

4 х х

5 х х х

6 х х

7 х х

8 х х х х

9 х х х х х х х х

10 х х х х

11 х х

12

Продолжение таблицы 4.1

Номер схемы Дуги графа

3-3 3-5 3-5 3-5 3-5 3-6 3-6 3-7 3-7 3-7 3-7 3-7 3-7

1 х

2 х

3 х х

4 х х х х

5 х х х х

6 х х х х х х х х

7 х х х х

8 х х х х

9 х х х х х х х

10 х х х х х х х х

11 х х

12 х х

Продолжение таблицы 4.1

Номер схемы Дуги графа

3-7 3-7 3-7 3-7 3-7 3-7 3-9 3-9 3-9 3-9 4-2 4-2 4-2

1 х х

2 х

3 х х

4 х х

5 х х х

6

7 х х

8 х х х х

9 х х х х х х х х х х

10 х х х х

11 х х х х х

12 х х х х

Продолжение таблицы 4.1

Номер схемы Дуги графа

4-2 4-3 4-3 4-4 4-4 4-4 4-4 4-5 4-5 4-5 4-5 4-10 5-2

1 х

2 х х

3 х х

4

5 х х

6

7 х х х

8 х х х х х х х х х х

9

10

11 х х х х х

12 х х

Продолжение таблицы 4.1

Номер схемы Дуги графа

5-2 5-3 5-3 5-4 5-4 5-5 5-5 5-5 5-5 5-8 5-8 5-8 5-8

1 х х х х х х

2 х х х

3 х х

4 х

5 х

6 х х х х

7 х х х х

8 х х х х х х х х

9 х х х х х х

10 х х

11 х х х х

12 х х х х

Продолжение таблицы 4.1

Номер схемы Дуги графа

5-9 5-9 5-9 5-9 5-10 5-10 5-10 5-10 5-10 5-10 10-2 10-2 10-2

1

2

3 х х

4 х

5

6 х х х х х х х

7 х

8

9 х х х х х х

10 х х х х

11

12

Окончание таблицы 4.1

Номер Дуги графа

схемы 10-2 10-3 10-3 10-3 10-3 10-4 10-4 10-5 10-5

1

2

3

4 х х

5 х х х х

6 х

7 х х

8 х х

9 х х х х

10 х х

11 х х

12 х х

Анализ пространственной структуры решётных модулей позволил выделить характерные признаки для их классификации. Первый, наличие решёта -фракционера (рисунок 4.2 а, б, в, д, ж, з, л, м), позволяющего разделять потоки по размерам частиц, и снижать удельную нагрузку на последующие решёта. Так же для вновь образовавшихся потоков устанавливать решётные полотна, которые более эффективно выделяют из них примеси. Наличие решета фракционера существенно снижает удельную нагрузку на решето для выделения крупных примесей, идущих за ним, тем самым повышая производительность машины, ограниченную потерями зернового материала, за счёт уменьшения вероятности попадания целого зерна во фракцию крупные отходы, идущую сходом. Второй, параллельная компоновка решётных модулей (рисунок 4.2 в, г, д, е, ж, з, и, к, л, м). Использование делителей потоков позволяет создавать функциональные схемы с параллельной компоновкой решётных модулей, снижающих удельную нагрузку на решето, тем самым проявляя эффект тонкослойной сепарации, при которой процесс выделения примесей происходит более эффективно. Третий, последовательное расположение решёт в ярусе и ярусов решёт (рисунок 4.2 д, ж, з, и, к, л), позволяющее увеличить длину сепарации тем самым увеличить вероятность выделения примесей.

Таблица 4.2 - Элементы замкнутого графа О (X, и) и их функциональные характеристики

№ частных операций (вершин графа) Наименование частных технологических операций, признаков разделения материала Обоз наче ние опера ций Рабочие органы, выполняющие операцию Вектор Рх1 входных воздействий на х^ую операцию Вектор Ах1 активных средств хгой операции Вектор Вх1 выходных показателей х1-ой операции

1 2 3 4 5 6 7

1, 6-9 Операции накопления: исходного зернового материала, сорных отходов, зерновых отходов (фураж), зерна очищенного, крупных примесей, XI Хб Х7 Х8 Х9 Бункера накопители Р =\0 ,а Ж,3 } х1 (_ ¿-'Х!' Х1~ Х1~ X! ) II Вх, = т, Мх,}

10 Разделение потока зернового материала по решётным модулям; подача зернового материала на каждый модуль Х10 Делители широких потоков щелевые, лотковые (о а Ж С ] П ^¿хг > "у'хг > " хг > ^ Ы > Р = 1 Г Х! Г) { (В ) 1 }х!' ^ Qx1\ х! ' п ВХ1 ={РохХ1 (Н)}

2, 3, 4, 5 Выделение из зернового материала мелких сорных, зерновых и крупных примесей по размерам; толщина, ширина Х2 Хз Х4 Хз Решётные сепараторы с продолговатыми отверстиями Р =< Х1 (2x1' а]Х1' ' Ры' ' РахАВхдМ(Ъш)р М (ЬТ ) ; > Пр,(ВрХЬрП АХ1 =1^15 Г5 ^5 Прг5 [ [Кр,5 арг5 к3 (X ) 1 [е У 1 ух/5 щх15 в = \у У 1 X1 ЛХ1> ]Х1> ^X1 5 Ь}ух1 5 Ь]х1

Исходя из этих признаков схемы выявлена возможность классификации решётных модулей на фракционные (рисунок 4.2 а, б), параллельные (рисунок 4.2 г, е), фракционно-параллелъные (рисунок 4.2 в, м), последовательно-параллельные (рисунок 4.2 и, к), фракционно-последователъно-параллелъные (рисунок 4.2 д, ж, з, л).

4.2 Математические модели, описывающие процесс сепарации на решетах с использованием статической теории сепарирования

Анализ статистической теории сепарирования для квазистатического процесса, разработанной Е. А. Непомнящим [118-119], позволил выявить основные зависимостей процессов сепарирования зернового вороха на решётных модулях. При этом использование этой теории для структурного и параметрического синтеза решётных модулей не позволяет просчитать все необходимые показатели процесса из-за отсутствия отдельных экспериментально полученных показателей.

Рассмотрим возможности использования этой теории при оценке ряда эмпирических показателей через основные обобщения показателей процесса сепарации, что позволит анализировать эффективность функционирования решет и их модулей без проведения специальных экспериментов.

Для условий равномерного распределения компонентов в зерновом материале, что присуще для основных условий сепарирования зерновых материалов на решетных сепараторах без устройств для предварительных расслоений зерновых материалов, разработаны алгоритмы расчетов для ЭВМ показателей просеивания зерновых материалов на решетах для условий «затрудненного» и «незатрудненного» просеивания компонентов через различные решета.

В качестве допущения будем считать поступление зернового материала с объемной плотностью у на решето постоянным по времени с равномерным начальным распределением у-х компонентов в зерновом материале. Подача ( зернового материала по ширине В решета определяется плотностью вероятности

/о>(В) случайной величины 2(В). На первом этапе рассмотрим зависимостей сепарации зернового материала на дискретной ширине В решета с плотностью вероятности /д(В)=1/В (подача зернового материала равномерна по ширине участка В).

Для условий «затрудненного» просеивания полнота просевания е/1) у-го компонента зернового материала по длине I решета определяется из выражения [112]:

£.( I ) = 1 - а ( к ) ехр

А,

Н (/),

(4.7)

где а (к) - коэффициент, зависящий от начального распределения у-х

компонентов в зерновом материале, для равномерного начального распределения у-го компонента в зерновом материале [69].

8к2

а1 (к), =■

(4.8)

р, (р} 2 + 4й2 + к)'

где рХ] - определяется из трансцендентного выражения (положительный корень):

р-tgp = 2• к . (4.9)

Для каждого к, фиксированного в заданных пределах, из выражения (4.9) находится величина рх- и величина ах (к) - из выражения (4.8).

Значения к и р, для которых выполняется условие:

а (к ) - а(к ) < Аа(к ), (4.10)

определят искомые значения к и р, где

а (

^2-А)'

(4.11)

), =[(1 -£ Г12 -" ] / ^(1 -^2)

Здесь £ и £ .2 - полнота просевания у-го компонента зернового материала через участки решета длиной соответственно Ь и Ь2 (Ь}<Ь2), Аа(к ) - допустимая погрешность расчетов.

Параметр Н (I). получим из выражения:

Н (1 ) ,=

е

(4.12)

у ■вV2■ Ь ■1 ■ V'

где ¥;■ - относительная средняя скорость перемещения у-х компонентов зернового материала по решету;j=l, 2,..., Ь; Ь- коэффициент сепарирования.

(1 -л Г

ь=-

Г2Н2 ■ Гл

у К ■ А

1п

а1(к)- у

(4.13)

(4.14)

где И - толщина слоя зернового материала в начале решета.

*=т—е—\, (V У' в)

где V - средневзвешенная по массе у-х компонентов относительная средняя скорость перемещения слоя зернового материала по решету:

V=^ ■ а. (4.15)

Для условий «незатрудненного» просевания полнота просевания у-го компонента зернового материала по длине I решета определяется из выражения:

£] = 1

у

ехр

-л

16

Н (I )-

(4.16)

Параметр Н

н=

Л2

16 1п Г 8 ^ и2 У - 1п (1 --

(4.17)

Для фиксированной длины I решета, при известной для принятой полноты просеивания у-го компонента £■, из выражения (4.17) получим параметр Н, а

затем коэффициент сепарирования Ь и параметр И(1)/:

е2

ь =-

] 2у2 ■ в2 ■ I ■ V. ■ ну

(4.18)

Н (1)- (419)

Дискретные значения интенсивности просевания у-го компонента зернового

материала на участке А/ задаваемых длин решета, определяющие

дифференциальный закон просевания у-го компонента по длине решета, определим из выражения:

Се,

С/

[ / ) - е-(/ - М)], (4.20)

При / = М ^ ^ = е.( /);; при / = 0 ^ ^ = 0. С/ Л } С/

Массау-го компонента, просеявшаяся под решето длиной / и идущая сходом с решета уу, определяется из выражений:

У- = Q • а- -е(I), (4.21)

у = Q • ау [ 1 -е- (I)]. (4.22)

Содержание у-го компонента в проходной Ъщ и Ъ сходовой фракции зернового материала:

а • е, (/)

Ьп- = Ь

X

-=1

а

]_]_

V (Л (4.23)

X а е(/)

ь = - [1 -е-(/)]

* А _ -. (4.24)

X а,.[1 -е- (/)]

-=1

Разработанный алгоритм (4.11-4.24) позволяет оценить основные технологические показатели частной операции процесса сепарации зернового материала на отдельном решете различной длины, являющемся элементом системы совокупно связанных решетных полотен (решетного модуля), определить полноту и интенсивность просевания у-х компонентов по заданной длине решета.

Рассмотрим многоярусный решетный модель (рисунок 4.3) с неоднородными по длине и по высоте в ярусах решетами [46], причем решета, расположены друг под другом, имеют равные длины Ьы и ширину Ь

Рисунок 4.3 — Схема перемещения у-ых компонентов зернового материала в многоярусном решётном модуле

В общем виде, на ярусы решет (рисунок 4.3) поступает Уоу, У20у, У^

количество у-го компонента сыпучего материала с их торца и на все /-е решета (/=1,2,...,т,...п) р-х ярусов (р=1,2,...к), кроме решет первого яруса и решет [к(п+1)] по всей их длине проход у-го компонента через /-е решета (р-1)-го яруса.

В качестве допущения здесь и далее будем считать поступление сыпучего материала на решетные поверхности модуля постоянным по времени (процесс квазистатичный) с плотностью вероятности распределения по ширине /¡(В) и с равномерным распределением у-х компонентов в зерновом материале.

Предварительно рассмотрим зависимостей сепарации зернового материала по дискретной ширине В участка решетного стана для условий /¡¡(В) =1/В.

При подаче на начало 11-го решета (рисунок 4.3) У1оу^ количества у-го компонента сыпучего материала с 11 -го решета сойдет, для условий «затрудненного» просеивания, а, следовательно, поступит на 12-е решето этого яруса У11у количества этого компонента, величина которого определяется из выражения [118].

Ynj = Y10j ■ a11j •(h )• exP

ti • B, - P2 • 2b,,j • ^j • Z 1 4£2

где - подача сыпучего материала на 11-е решето.

011 =Х Yloj •

(4.25)