автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Параметры сепаратора для очистки фуражного зерна от крупных примесей

На правах рукописи

ФЕДОРЕНКО АНТОН СЕРГЕЕВИЧ

ПАРАМЕТРЫ СЕПАРАТОРА ДЛЯ ОЧИСТКИ ФУРАЖНОГО ЗЕРНА ОТ КРУПНЫХ ПРИМЕСЕЙ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Барнаул 2014

005554422

Работа выполнена на кафедре «Механизация животноводства» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный аграрный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Федоренко Иван Ярославович (ФГБОУ ВПО Алтайский государственный аграрный университет, заведующий кафедрой «Механизация животноводства»)

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Сабиев Уахит Калижанович (ФГБОУ ВПО Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина, профессор кафедры «Агроинженерия»)

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Орлов Алексей Андреевич

(ООО «Новосибирсксельмаш», директор)

Ведущая организация - Государственное научное учреждение

«Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакадемии)

Защита диссертации состоится «16» декабря 2014 года в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.02 в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, Алтайский край, г. Барнаул, проспект Ленина, 46. http//www.altstu.ru, e-mail: ntsc@desert.secna.ru; elnis@inbox.ru: тел/факс 8(3852)36-71-29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АлтГТУ им. И.И. Ползунова и на сайте http://www.altstu.ru/media/fyFedorenko-AS-DISSERTACIYa.pdf

Автореферат разослан «15» октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Куликова Лидия Васильевна

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время все больше используются комбинированные добавки для кормления крупного рогатого скота, рыб, птиц и многих других животных. Комбикорма готовят для сельскохозяйственных животных всех видов с учетом их пола, возраста, продуктивности и физиологического состояния.

Для получения качественного состава комбикормов нормами технологического проектирования предусмотрена очистка зерновых компонентов.

На сегодняшний день предложено много конструкций сепараторов, но они имеют существенные недостатки. К основным недостаткам известных сепараторов относятся: высокая металлоемкость, большие энергозатраты на движение рабочего органа (решета), затруднена очистка рабочей поверхности.

Поэтому встаёт вопрос об устранении выше перечисленных недостатков, создании сепаратора, простого и надёжного в работе, а также достижение требуемого качества очистки зернового материала.

Цель исследования - повышение эффективности работы сепаратора для очистки фуражного зерна путем совершенствования его конструкции.

Объект исследования — технологический процесс работы сепаратора.

Предмет исследования — зависимости, факторы и взаимосвязи, характеризующие работу сепаратора.

Методы исследований — основные законы механических колебаний, дифференциальное и интегральное исчисление, вычислительный эксперимент, методы математической статистики и планирования эксперимента.

Научная гипотеза - заключается в том, что удовлетворительной очистки фуражного зерна можно добиться при помощи вибрационного сепаратора с неподвижным решетом.

Научная новизна. 1) Получены расчётная модель и теоретические зависимости, определяющие параметры процесса сепарирования.

2) Получены экспериментальные зависимости оценочных показателей установки для сепарирования фуражного зерна от ее конструктивных параметров в виде математической модели процесса сепарирования.

Техническая новизна подтверждена патентами РФ на изобретения: № 2400051 «Устройство для очистки фуражного зерна», № 2446022 «Просеиватель фуражного зерна», № 2459674 «Устройство для очистки фуражного зерна».

Практическая ценность:

- разработано устройство для сепарирования фуражного зерна, позволяющее очищать зерновой материал в комбикормовом производстве;

- обоснованы параметры вибрационного сепаратора, которые могут быть использованы конструкторскими организациями при проектировании устройств для очистки фуражного зерна.

На защиту выносятся:

- теоретические зависимости вибрационных процессов, осуществляемых при сепарировании фуражного зерна;

- результаты экспериментальных исследований по обоснованию конструктивно-кинематических параметров установки для очистки фуражного зерна.

Реализация результатов исследований:

- результаты проведенных исследований используются в учебном процессе Алтайского государственного аграрного университета при проведении практических и лабораторных работ по курсам «Технология и механизация животноводства», «Сельскохозяйственные машины»;

- разработаны исходные требования к проектированию вибрационного очистителя фуражного зерна.

Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на следующих конференциях:

- научно-техническая конференция студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава АГАУ (Барнаул, АГАУ, 2009 г);

- конференция II этапа Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства РФ Сибирского федерального округа (Красноярск, 22 марта 2012 года);

- конференция АГАУ «Молодые ученые - инженерному развитию АПК Алтая» (Барнаул 20 марта 2013 года).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, в том числе в 4 статьях в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК, а также получено 3 патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 24 таблицы и 9 приложений. Список использованной литературы включает 139 наименований, в том числе 10 на иностранных языках.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, ее цель, показаны объект и предмет исследований, раскрыты научная гипотеза, новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследования» изложены общие сведения о кормовой ценности комбикормов и кормовых добавок, описаны известные комбикормовые агрегаты и оборудование для вибросепарирования фуражного зерна, а также существующие модели процесса сепарирования.

Исследованиям процесса сепарирования зерна посвящены работы В.П. Го-рячкина, В.В. Гортинского, П.М. Заики, П.М. Василенко, П.Н. Лапшина, П.И. Леонтьева, Г.Е. Листопада, М.А. Талейсника, Г.Д. Терскова, У.К. Сабиева,

В.М. Дринчи, В.А. Кубышева, Е.А. Непомнящего, JI.H. Тшценко, Н.И. Стри-кунова, В.А. Патрина, Н.М. Иванова, Г.Е. Чепурина, С.Ф. Сороченко, В.А. Дрюка, B.JI. Злочевского, В.П. Тарасова, A.B. Фоминых и др.

При анализе существующих способов сепарирования, конструкций устройств для их осуществления и теоретических исследований установлено:

комбикорма и кормовые добавки должны соответствовать ГОСТу или техническим условиям, в связи с этим встает вопрос о качественной очистке компонентов, поступающих на производство комбикорма;

очистка исходного фуражного зерна присутствует в технологическом процессе всех без исключения малогабаритных комбикормовых агрегатов;

известные в настоящее время сепараторы не отвечают предъявляемым к ним требованиям, поэтому встает вопрос о необходимости совершенствования конструкции в направлении снижения энергоемкости, металлоемкости, увеличения качества очистки и уменьшения потерь зерна в отходы;

нужен поиск новых конструкций сепараторов, обеспечивающих качественную очистку зернового материала и имеющих малую энерго- и металлоемкость.

Для достижения цели работы сформулированы следующие задачи исследования:

1. Получить математические модели движения слоя и отдельных частиц по рабочим поверхностям сепаратора;

2. Разработать конструкцию сепаратора и обосновать его конструктивно-кинематические параметры;

3. Получить экспериментально-математическую модель качества сепарирования в зависимости от конструктивно-кинематических параметров сепаратора. Выявить рациональные параметры разрабатываемого сепаратора;

4. Оценить экономическую эффективность использования разрабатываемого сепаратора при производстве комбикорма.

Во второй главе «Математическое описание процесса просеивания зернового материала в сепараторе с вибрируемыми планками» рассмотрены и проанализированы закономерности процесса вибросепарирования зернового материала на рабочих поверхностях сепаратора, обоснованы параметры сепаратора для очистки фуражного зерна, при которых обеспечивается максимальная производительность сепаратора.

Существующие модели поведения зернистого материала под действием вибрации можно разделить на две группы. Модели одиночной частицы представляют зернистый материал как дискретную среду, в которой каждая частица движется сама по себе, не взаимодействуя с другими частицами, либо это взаимодействие очень слабо. Модели сплошной среды рассматривают зернистый материал как некую единую целую и непрерывную среду, движущуюся особым образом под действием колебаний.

Для нашего случая, при малой толщине слоя (Ь<20с1, где с! - диаметр частицы), возможно его моделирование моделью одиночной частицы.

Из рис. 1 видно, что планки 2 с поперечной перекладиной 5 совершают

возвратно поступательные движения (А, со) таким образом, что приводят в движение зерновой слой 3. Последний, совершая возвратно-поступательные движения, увлекает за собой частицу 4 на которую действует сила тяжести С=т$>. Под действием силы тяжести С и поперечных вибраций, частица 4 начинает движение вниз в направлении решета 1 и проходит через отверстие с диаметром с1.

Векторное уравнение, характеризующее сепарацию растительных частиц (рис. 1), имеет вид (по И.И. Блехману):

и, ¡Г = »»0 (А -1)(£ - ¿7) + ¥(¥), (1)

где IV - вектор скорости частицы относительно среды; и — вектор абсолютной скорости среды в точке, совпадающей с центром тяжести частицы (скорость переносного движения); т1 - эффективная масса частицы; т0 — масса среды в объеме, равном объему частицы; Д - отношение средних плотностей частицы и среды; Г— сила трения частицы о среду.

Проецируя данное уравнение на оси х и у, получим два скалярных уравнения:

Рисунок 1 - Движение частицы в слое зернового материала между планками рабочего органа

j/л^Jc+Fx/^х2+у2 = 8Ш(Ф/ + <5)

1 у+ру/Ь2+у2

1.

Введем обозначения:

т

тд(Д-1)Ла2 то(Д-1)Лй)

Тогда система уравнений (2) примет вид

Срх + гх/-^

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Для решения нелинейных дифференциальных уравнений (4) и (5) мы использовали метод линеаризации на основе принципа энергетического баланса, предложенный Боголюбовым Н.Н. и Митропольским Ю.А.

ЛУ +У,

у/Г*

х2 + у2 = зт(<у/ + 3);

х2+у2 =Е\

I

• 2 -2

х + у

* О

Речь идет о преобразовании:

х

л/

•2

■» ДЛГ;

-Г2

-> уУ

(7)

где Ду - коэффициенты линеаризации; Л-, 7 - новые (усредненные) переменные.

В различных технологических расчетах чаще всего необходимо знание величин: а - амплитуды проскальзываний частицы относительно окружающего материала; V- средняя скорость опускания частицы в слое. Формулы для этих величин были получены на основе решения дифференциальных уравнений (4)

и (5):

а = Ал 1

—Г

Е{к)-(\-к^)К(к)

Г

(8)

V = асоБИ , (9)

где К(к), Е(к) - полные эллиптические интегралы с модулем к; А, со - амплитуда и частота колебаний планок; ЬЪ = У/асо - число Струхаля. Модуль к определяется выражением:

к = -

V1 + 5/Г

Формулу (9) можно записать в виде:

V — 1,43&4а>Е .1]

|л*[

Е(к)-{\-кА)К(к)

(10)

(И)

Скорость движения (диффундирования) частиц к решету будет определяться из формулы (11), и с учетом обозначений (3), примет вид:

диффун

„=1,4384т0(А~'Ч

ч

/Лд(Д- ])Лй>

-¡ад-о-^Щ*)

(12)

Рисунок 2 - Движение материальной точки по неподвижному решету

Рассмотрим далее движение материальной частицы по неподвижному решету разрабатываемого сепаратора (рис. 2).

Материальная точка 4 совершает колебательные движения по решету 3 с определенной скоростью сползания, поскольку решето наклонено к горизонту. Материальную точку 4 приводит в движение колебания соседних частиц, а в конечном счете рабочий орган (набор вибрирующих пластин 1, которые соединены с перекладинами 2). Эта модель движения материальной точки напоминает нам движение частицы по вибрирующему решету сепаратора.

Планки относительно решета совершают колебания по закону:

т) = Asin(cjt + 6), (13)

где А, со - амплитуда и угловая частота колебаний; 5 - угол сдвига фаз между движением планок и частицы.

Дифференциальные уравнения движения частицы относительно решета записываются в виде:

Г mx + mfq cos a~r=== = тАш2 sin(ti)t + 5); (14)

J V* +У

L my + mfgcosa-j=== - mg sin a; (15)

Vx2+y2 Ф 0, (16)

где /- коэффициент трения между частицей и плоскостью; а - угол наклона плоскости к горизонту; g - ускорение свободного падения.

Введем обозначения:

= = = *£*£!- = £££= е. (П)

Дш2 н fgcosa 4<u2 fgcosa f

С учетом введенных обозначений, уравнения (14) и (15) примут вид системы дифференциальных уравнений (4, 5) рассмотренной выше, а значит формулы для определения скорости (9) и амплитуды колебаний (8) можно применить и в данном случае.

Для численного решения системы дифференциальных уравнений (4, 5) применили программу MathCAD с функцией Odesolve, которая использует алгоритм Adams/BDF.

Решение представлено в виде графиков (рис. 3, 4).

Рисунок 3 - Вибролеремещение Рисунок 4 - Виброперемещение

частицы под действием вибра- частицы под действием вибрации

ции относительно оси X относительно оси У

Из их анализа следует, что частица имеет разгонный участок от 0 до 0,15 с, и далее виброперемещение по оси х приобретает вид колебаний, близкий к гармоническим.

V.:

мм

Анализ рис. 4 показывает, что виброперемещение частицы по оси у изменяется по линейной зависимости. Это объясняется тем, что скорость частицы по этой оси в среднем постоянна, соответственно и виброперемещение будет линейно возрастать со временем.

Достоверность полученной формулы 9 определена с помощью сравнения ее и численного решения дифференциальных уравнений.

Построим графики зависимости скорости виброперемещения от параметра 2, и погрешность предлагаемой формулы (рис. 5).

Заштрихованная зона - это диапазон режима работы сепаратора. Погрешность предлагаемой формулы достигает 7% что, однако, удовлетворяет требованиям инженерных расчетов.

Анализ полученных формул показывает, что основное влияние на процессы диффундирования и движения частиц по решету имеют параметры: г и е. Закономерности их влияния определили при помощи вычислительного эксперимента. Для этого систему дифференциальных уравнений (14, 15) подвергнем изменениям, разделив каждый член уравнений на произведение тАсо2.

Далее введем безразмерные величины:

1

( 1». 1

V» и

к 1 * * \м » Йда^

Рисунок 5 — График зависимости скорости виброперемещения от параметра г\ 1 - значение скорости, полученное аналитическим методом; 2 - значение скорости, полученное численным методом; 3 - погрешность предлагаемой формулы.

х у х

и - —; V = —; й = —у; Аш Аа) Аш2

У Аш2

fg сов а

X у

; т = шГ,Х = --, У

А А

е — = (18)

fgcosa /

В конечном итоге безразмерная система дифференциальных уравнений примет вид:

й + г

V«2+и2

7и2+и2

= 5т(т); — £) = 0;

(19)

(20)

у/и2 + 172 Ф 0. (21)

В качестве примера численного решения приведем графики зависимостей безразмерных скоростей частицы по осям х и у, от параметра безразмерного времени, которые представлены на рис. 6 и 8.

Как видно из рис. 6, среднее значение безразмерной скорости частицы по оси х равно 0. Введем далее понятие «эффективное значение скорости» по оси х, по аналогии с электротехнической, где присутствует понятие «эффективное значение переменного тока».

Эффективное (действующее) значение 1!эф скорости по оси х - это величина средней скорости по этой оси, действие которой произведет такую же работу, что и рассматриваемая скорость по оси х за время одного периода.

График зависимости эффективного значения безразмерной скорости по оси х от параметра безразмерного времени представлен на рис. 7. Анализ показывает, что частица имеет разгонный участок, и после чего эффективное значение безразмерной скорости приобретает вид стационарных пульсирующих колебаний.

¡0 20 30 40 50

Рисунок 6 - Безразмерная ско- Рисунок 7 - Эффективное (дей-

рость частицы по оси х ствующее) значение скорости по

оси х

На рис. 8 представлен график зависимости безразмерной скорости (у) от безразмерного времени (т). Анализ рис. 8 показывает, что в начале движения частица под действием вибрации разгоняется, и далее совершает постоянные гармонические колебания, причем средняя скорость (скорость сноса вдоль оси у) постоянна, и не равна нулю.

Для определения наиболее значимых факторов, влияющих на производительность сепаратора и просеивание частиц через решето, проведем вычислительный эксперимент с двумя переменными (факторами) г и е. Применим метод планирования эксперимента. Интервалы варьирования факторов приведены в табл.1.

Рисунок 8 - Безразмерная скорость частицы по оси у

Таблица 1 - Кодирование факторов в эксперименте

Факторы и их обозначения Интервалы и уровни варьирования

-1 0 1

2 XI 0,1 0,5 0,9

е х2 0,1 0,5 0,9

Используем ортогональный центральный композиционный план для двух факторов (ОЦКП), для которого плечо а=1.

В ходе исследований был проведен полный факторный эксперимент. В качестве выходных величин (параметров отклика) рассматривались: 1) средняя безразмерная скорость частицы по оси у, 2) среднее эффективное (действующее) значение скорости по оси х. Определение выходных величин проводили путем численного решения безразмерной системы дифференциальных уравнений (19, 20).

Таблица 2 - План и результаты эксперимента для двух факторов

№ опыта Х[ х2 V и

1 +1 +1 1,161 0,582

2 -1 +1 1,399 0,702

3 +1 -1 0,007 0,025

4 -1 -1 0,053 0,695

5 +1 0 0,099 0,15

6 -1 0 0,279 0,617

7 0 +1 1,332 0,668

8 0 -1 0,052 0,423

9 0 0 0,211 0,427

По результатам эксперимента при помощи компьютерной программы 8ТАТ15Т1СА, получены уравнения регрессии, в которых отражены значимые факторы и их сочетания. Уравнения регрессии по критериям оптимальности: 1) средняя безразмерная скорость частицы по оси у, которая влияет на производительность сепаратора 2) среднее эффективное (действующее) значение скорости по оси х, которое влияет на просеивание зерна через решето, при кодированном значении факторов имеют вид:

У!=0,2161-0,07826х!+0,63229х2-0,04763х|х2-0,02938х12+о,46870х22 (22) У2=0,41764-0,21297х!+0, 13201х2-0,13330х,х2-0,04739x^+0,13262х22 (23) где Уь У2 - выходные параметры средняя безразмерная скорость частицы по оси у и среднее эффективное (действующее) значение скорости по оси х;

X] - кодированное обозначение параметра интенсивности вибрации т, х2 - кодированное обозначение параметра наклона решета к горизонту е.

По уравнениям (22, 23) были построены поверхности отклика для факторов X) и х2 (рис. 9, 10).

Рисунок 9 - Поверхность отклика средней безразмерной скорости частицы от факторов г и е

Рисунок 10 - Поверхность отклика среднего эффективного значения скорости по оси х от факторов ъ и £

Анализ поверхностей (9, 10) показывает, что целесообразно использовать сочетание факторов: максимального значения параметра е и минимального значения фактора г.

Для определения рациональных значений факторов, которые бы удовлетворяли двум критериям оптимальности, необходимо решить многокритериальную задачу.

Для ее решения используем метод свертки критериев на основе весовых коэффициентов. Его сущность заключается в том, что целевая функция образуется путем сложения нормированных значений частных критериев, входящих в целевую функцию J с некоторым весом а, определяющим важность каждого критерия.

Тогда уравнение целевой функции, для нашего случая, примет вид:

\У=а, (0,2161-0,07826х,+0,63229х2-0,04763х1х2-0,02938х,2+0,46870х22)+ + «,(0,41764-0,21297х,+0,]3201х2-0,13330х,х2-0,04739х,2+

+0,13262х22)—>тах , (24)

где а;=0,78; а2=0,22 получены на основе опроса группы экспертов (сотрудников кафедры «Сельскохозяйственные машины» и «Механизация животноводства» и специалистов предприятия ООО «Агромаштехсервис») в области вибросепарации.

Решив целевую функцию в программе МаШСАХ), используя приложение Махпшге, получили рациональные значения критериев оптимальности: Х[= -1; х2=1.

В раскодированном виде параметры оптимальности будут следующими:

1. z=0,l - параметр интенсивности вибрации;

2. е=0,9 - параметр наклона решета к горизонту.

Получено также соотношение, определяющее условие взаимной обусловленности факторов а, а, си в условиях земной гравитации (при g=9,81 м/с2).

= 0,0092. (25)

а-ш7- х '

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены: цель экспериментальных исследований; описание экспериментальной установки и обоснование ее параметров; характеристика зернового материала; методики проведения экспериментальных исследований; применение теории размерности; методика обработки данных, полученных по результатам экспериментальных исследований.

Исследования процесса сепарирования зернового материала проводили в лабораторных условиях на экспериментальной установке (рис. 11).

Устройство для очистки фуражного зерна работает следующим образом. В бункер 5 засыпается зерновой материал с различными инородными примесями. Просыпаясь через нижнее отверстие бункера 5, длина которого соответствует ширине решетного стана 9. материал попадает на неподвижное решето 9, которое жестко связано с рамой 1 сепаратора. Зерновой материал с различными инородными примесями побуждается к движению набором накладываемых сверху решета параллельных планок 8, которые в свою очередь приводятся в движение шатуном 11 вибропривода 2. Зерновой материал с различными инородными примесями совершает при этом колебательные движения по ширине решета и сползании по его длине. В результате этого очищенное зерно, которое просеялось через неподвижное решето 9, попадает в сборник фракций 6. Примеси идут сходом с решета и попадают в сборник 7.

Шаг между пластинами изменялся в пределах от 0,015 м до 0,035 м. Длина пластин составляет 0,86 м, высота пластин изменялась от 0,01 м до 0,03 м. Решето изготовлено из оцинкованной стали с круглыми отверстиями диаметром 10 мм.

Для исследований использовалась пшеница сорта Алтайская 325 урожая

2009 года, горох сорта Варяг урожая 2010 года и ячмень сорта Сигнал урожая

2010 года, обмолоченных на лабораторной установке.

В качестве засорителя использовали минеральную (галька - сход с решета с отверстиями 2 мм ) и органическую примеси (деревянные брусочки длинной >50 мм). Засоренность исходной зерновой смеси изменялась от 1 до 5 % минеральной и от 2 до 6 % органической примесей.

Определение потерь зерна в отходы и выделенных грубых примесей осуществлялось при помощи лабораторных электронных весов MW-300T.

Частота вращения электродвигателя изменялась при помощи преобразователя частоты электрического тока MITSUBISHI Е500 FR-PA02-02, включенного в электрическую цепь совместно с системой пуска и защиты двигателя.

Рисунок 11 -Схема экспериментальной установки: 1 - рама; 2 - вибровозбудитель; 3 - вытяжной зонд; 4 - клапан для регулирования воздушного режима; 5 - бункер исходного материала; 6 - сборник очищенного зерна; 7 - сборник примесей; 8 - набор параллельных планок;

9 - неподвижное решето; 10 — электродвигатель; 11 - шатун. При анализе рабочего процесса сепарирования применили методы теории размерностей. Исходя из конструктивных особенностей сепаратора и технологических особенностей его работы, мы записали показатели эффективности просеивания зернового материала е и потерь зерна в отходы Я от определяющих параметров в таком функциональном виде:

8 = у/(а, со, ё, Н^Ь, I, р, ог, С0,0' (2 6)

где: а- амплитуда колебаний рабочего органа, м; со- угловая частота колебаний, с"'. g- ускорение свободного падения, ж/с2; }гт - высота пластин, лг; 6- расстояние между пластинами, лг; - длина решета, м; р -плотность слоя сыпучего материала, т/м3; /л- коэффициент динамической вязкости сыпучего материала, Н/м-с2', а - угол наклона решета, град; Со - засоренность исходной зерновой смеси, 96; <3 — подача зерновой смеси, т/ч.

В результате применения теории размерности получили следующие определяющие уравнения:

въП = (28) 8 У Нш Ь Ь "

где аа^ - коэффициент перегрузки; - вибрационный аналог числа Рей-

£ V

нольдса; 2 - безразмерный фактор подачи зернового материала; ^пл

А - масштабные факторы; а, С- безразмерные факторы.

Ь

Таким образом, на основе литературных источников и собственных исследований были выявлены критерии, влияющие на процесс сепарирования.

Выходными критериями приняли эффективность выделения сорной примеси (е) и потери зерна в отходы (77).

Уровни варьирования факторов и их кодированные значения для проведения отсеивающего эксперимента представлены в таб. 3.

Таблица 3 — Уровни факторов и интервалы варьирования_

Обозначение Наименование факторов Значения

-1 +1

XI асакоэффициент перегрузки 0,51 13,8

Х2 кп,ао)/Ь- вибрационный аналог числа Рейнольдса 0,035x10^ 0,96x10"3

ХЗ Q/(asa>p)- безразмерный фактор подачи зернового материала 866 4330

Х4 ЬЪт- масштабный фактор 45,5 2850

Х5 /г„/Ь - масштабный фактор 0,667 0,857

Хб Ь/Ь- масштабный фактор 30,33 2443

Х7 а - угол наклона решета 5 25

Х8 С Галька, % 1 5

Длинные частицы >0,05 м, % 2 6

Х9, Х10, XII Фиктивные факторы

Для проведения отсеивающего эксперимента воспользовались планом Плакетта-Бермана. После обработки результатов три фактора оказались незначимыми (Х2, Х4 и Хб).

Для проведения основного эксперимента были использованы только существенные факторы с уровнями варьирования (табл. 4). Для проведения опытов данного блока экспериментальных исследований была применена методика планирования эксперимента с использованием плана второго порядка типа В5 (близкого к Д - оптимальному плану для пяти факторов), позволяющего получить полиномиальные уравнения регрессии второго порядка для каждого критерия оптимизации.

Таблица 4 - Факторы и интервалы варьирования основного эксперимента

Обозначе- Наименование факторов Значения

ние -1 0 +1

XI hjb ■ 0,66 0,8 0,94

Х2 aco2/g 0,51 1,02 1,53

хз а 5 15 25

Х4 С Минеральные примеси, % 1 3 5

Органические примеси, % 2 4 6

Х5 Q/acop 866 2598 4330

Опыты проводили с трехкратной повторностью, порядок их проведения определялся рандомизацией. Статистическая обработка опытных данных, анализ полученных результатов проводили с использованием прикладных компьютерных программ Statistica, Excel, MathCAD.

Четвертая глава посвящена анализу результатов проведенных экспериментов.

В ней изложены результаты исследования наиболее значимых факторов, влияющих на процесс сепарирования фуражного зерна и получены математические модели, описывающие данный процесс.

После математической обработки результатов основного эксперимента получили 12 уравнений регрессии второго порядка в кодированной форме по каждой культуре:

- для определения эффективности выделения минеральных примесей s/( %:

пшеница Г,=88,79+2,4Х3+2,41-ВД-2,54 Х^+6,28 X/-15,4 Х/+6,3 X/ (29)

горох Г;=87,35+2,47Хз+1,99Х,+7,11 Х/-13.25 Х/+7.92 X/ (30) ячмень Г;=88,78+3,29Хз+2,72 Х.,+2,2\Х,Х4+2,08X^+5,29 X/-

-13,57 Х/+6,04 Х52 (31)

- для определения эффективности выделения органических примесей а, %: пшеница 7^=68,98-2,9Ху+18,64X^17,65 Х/+8,08 X/ (32) горох ^=70,53+19,07X^+2,79 Х5-3,79 ХЛ-14,45 X/ (33) ячмень У2=73,04-3,03X7+18,85X3+3,72X3X5-22,52 Х/+7,8 X/ (34)

- для определения потерь зерна в отходы Я, %:

пшеница Уз=0,696+1,54Х3+0,41X4+1,22Х5+1^9ХзХ5+1,07Х42 (35)

горох Уз=2,896+5,16Х3+1,67Х5+0,98Х2Х3+1,56 Х3Х5+2,63 Х52 (36) ячмень Уз=2,897-0,39X2+3,89Хз+3,54Х5+0,46 Х,Х2-0,45 Х2ХЭ+3,43 Х3Х5+

+0,46 Х4Х5-1,24 Х22+2,83 Х52 (37)

- для определения удельной энергоемкости рабочего процесса Ыуд, кВт-час/т:

пшеница 1^=0,6237+0,051 Х2+0,0183 Хц-0,79 Х5-0,041 Х2 Х5-0,0169 Х3Х4+

+0,038 Х12+0,518Х52 (38)

горох У4=0,626+0,042 Х2 + 0,022 Х4 - 0,796 Х5+ 0,027 X, Х5 +0,0171 Х2 Х4-

-0,0283 Х2 Х5+0,543 Х52 (39)

ячмень У=0,607+0,057 Х2+0,0295 Х4-0,784 Х5+0,0288 X, Хг0,0457 Х2 Х5+

+0,532 Х52 (40)

Проверка регрессионных моделей (29-40) на адекватность осуществлялась по критерию Фишера при 5% - ом уровне значимости. В случае если ррлсч. <ртлы , то полученная полиномиальная модель уравнения регрессии адекватно описывает изучаемую закономерность.

Для определения точек экстремумов функций £/, е2, П, Nyд проведем анализ двумерных сечений поверхности отклика (рис. 12-15).

Х5 1

.1

сечение поверхности отклика £/:

б) е,=/(Х2,Х5) при Х,=\, Х3=-1, Х4=0

Рисунок 12 - Двумерное

а) е,=/(Х2,Х3) при Х,= Х<= Х5=0; Х-1 '

Рисунок 13 - Двумерное сечение поверхности отклика е2:

а) е2=ДХ3,Хд при Х,=-1; б) е2^(Х,,Х4) при Х3=1

Х4

а б

Рисунок 14 - Двумерное сечение поверхности отклика Я:

а) П=/(Х4,Х5) при Х3=0; б) П=/(Х3,Х5) приХ4=-\.

а б

Рисунок 15 - Двумерное сечение поверхности отклика Ыуд: а) Иуд=/(ХЬХ2) при^=0,Х4=0,Х5=0; б) Муд =/(Х3,Х4) при Х2=\,Х5=1.

Данные графические зависимости (рис, 12-15) приведены для пшеницы. При экспериментальном исследовании других культур получились подобные двумерные сечения отклика, отличающиеся величиной параметра оптимизации при одинаковых значениях факторов.

В исследованной области факторного пространства на эффективность выделения минеральной В] и органической е2 примесей (рис. 12, 13) равнозначно влияют как конструктивные так и кинематические факторы.

При увеличении угла наклона решета а, и следовательно его производительности, необходимо увеличивать масштабный фактор кт/Ъ и коэффициент перегрузки аа>чтобы обеспечить прежнее качество очистки.

Потери зерна в отходы П, (рис. 14) значительно повышаются при увеличении угла наклона решета а и безразмерного фактора подачи зернового материала (2/(а3ыр).

Повышение удельной энергоемкости Ыуд (рис. 15) происходит с увеличением коэффициента перегрузки асозасоренности зернового материала С и безразмерного фактора подачи зернового материала (¿/((¿ар).

Для определения рациональных параметров сепаратора необходимо решить компромиссную задачу.

Из анализа литературных источников следует, что зерновые корма с повышенной органической примесью можно использовать с последующей их обработкой, а корма с повышенной минеральной примесью использовать категорически запрещается. Отсюда следует, что критерий оптимальности «эффективность выделения органических примесей» можно исключить из расчета компромиссной задачи.

Из полученных результатов по удельной энергоемкости, видно, что она мала и изменяется незначительно. Отсюда следует, что этот критерий тоже можно исключить из решения компромиссной задачи.

Для определения рациональных значений факторов, которые бы удовлетворяли двум критериям оптимальности е1 (эффективность выделения минеральных примесей), П (потери зерна в отходы), необходимо решить многокритериальную задачу.

При решении многокритериальной задачи был применен метод свертки критериев, который уже использовался в вычислительном эксперименте.

На основе этого решения: X, = -1,15 - масштабный фактор (/г„/6 = 0,56); Х2 = 1,15 - коэффициент перегрузки (асо= 1,76); Х3 = -0,15 - угол наклона решета (а = 12, град); Х4 = 0 - засоренность исходного зернового материала минеральной (С0= 3%) и органической (С0= 4% ) примесями; Х5 = 0- безразмерный фактор подачи зернового материала материала (0/а3сор = 2598).

В раскодированном виде параметры сепаратора будут следующими (для <3=2,5 т/ч): а=0,006- амплитуда колебаний рабочего органа, м\ со=50- угловая частота колебаний, с'; кт =0,01 - высота пластин,л<; ¿=0,015- расстояние между пластинами, м; Ьр=0,85- длина решета, м; Ьр=0,55 - ширина решета, м; а= 12-угол наклона решета, град.

В пятой главе «Экономическая эффективность использования результатов исследования» произведен расчет экономической эффективности применения предложенного сепаратора. Полученные результаты показывают, что использование установки для сепарирования фуражного зерна предлагаемым способом экономически выгодно. Годовая прибыль при запланированной производительности установки составит 27,8 тыс. руб. Энергоемкость снижена в 0,57 раза, металлоемкость в 1,2 раза по сравнению с известной маркой камнеотделителя РЗ-БКТ-100.

Основные выводы

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Анализ способов очистки зернового материала, применяемых в ком-

бикормовом и мукомольном производствах, показал, что наилучшее качество очистки достигается при помощи решетных вибрационных сепараторов.

2. Предложены математические модели движения материальной частицы в слое корма и по неподвижному решету, отображаемые связь скоростей и перемещений частицы от геометрических и кинематических параметров сепаратора, а так же технологических свойств фуражного зерна. Аналитические и численные решения дифференциальных уравнений движения различаются на 5-7% и могут быть использованы при различных инженерных расчетах сепаратора.

3. Путем проведения численного эксперимента получены оптимальные параметры (z = gf cos а/acó2 = 0,1; s = tga¡ f = 0,9 ) процесса безотрывного виброперемещения частицы, позволяющее достигнуть максимальной производительности сепаратора и требуемой эффективности процесса сепарации.

4. Выявлены критерии подобия процесса сепарирования, необходимые для проектирования типоразмерного ряда сепараторов для очистки фуражного зерна. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены следующие конструктивно-кинематические и технологические параметры вибрационного сепаратора, позволяющие эффективно выделить минеральные и органические примеси с минимальными потерями зерна и затрат энергии: амплитуда колебаний рабочего органа я=0,006 м\ угловая частота колебаний ю=50 с высота пластин /г„л=0,01 м; шаг между пластинами 6=0,015 м; длина решета Lp=0,86 м\ ширина решета ¿^,=0,55 м; угол наклона решета а=12 град; подача зерновой смеси Q=2,5 т/ч. Удельные энергозатраты при этом составляют 0,63 кВт-час/т, эффективность выделения минеральных примесей - 92-97,5%, а потери зерна в отходы отсутствуют.

5. Экономический эффект при использовании разработанного сепаратора достигается за счет более низкой его энергоемкости и металлоемкости. Годовая прибыль при запланированной производительности разработанного сепаратора составляет 27,8 тыс. руб., а срок окупаемости сепаратора — 0,5 года в сравнении с камнеотделителем РЗ-БКТ-100.

Список основных публикаций по теме диссертационной работы: публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Федоренко И.Я. Управление движением в системах с сухим вибро-преобразованным трением [Текст] / И .Я. Федоренко, A.C. Федоренко // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2009. - № 5 (55). -С. 68-71.

2. Федоренко И.Я. Обоснование конструктивно-технологических параметров зерноочистительной машины на основе гидродинамической модели виброожиженного слоя зернистого материала [Текст] / И.Я. Федоренко, Д.Н. Пирожков, A.C. Федоренко // Вестник Алтайского государственного аграрно-

го университета. - 2012. - № 1 (87). - С. 85-90.

3. Федоренко И .Я. Компьютерное моделирование процесса безотрывного виброперемещения частицы [Текст] / И.Я. Федоренко, A.C. Федоренко // Пол-зуновский вестник. - 2014. -№ 4-4 2013. - С. 263-269.

4. Федоренко И.Я. Численное моделирование процесса безотрывного виброперемещения частицы [Текст] / И .Я. Федоренко, A.C. Федоренко // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2014. - № 7 (117).-С. 131-135.

в других сборниках научных трудов

5. Федоренко, A.C. Использование теории размерности при "анализе факторов процесса очистки фуражного зерна [Текст] / A.C. Федоренко// Вестник БГСХА. - 2011. - № 2 (23) - С. 47-50.

6. Федоренко, A.C. Оптимизация конструктивно-кинематических параметров сепаратора очистки фуражного зерна [Текст] / A.C. Федоренко// Молодые ученые - сельскому хозяйству Алтая. Сборник научных трудов. - 2013. - Выпуск VII - С. 39-42.

патенты

7. Пат. 2400051 РФ, МПК C1 А01 F12/44 (2006.01) Устройство для очистки фуражного зерна. / И.Я. Федоренко, A.C. Федоренко; заявитель и патентообладатель И.Я. Федоренко. - № 2009118167/21; заявл. 13.05.2009; опубл 27.09.2010, Бюл. №27. - 5 с.

8. Пат. 2446022 РФ, МПК C1 В07 В1/46 (2006.01) Просеиватель фуражного зерна. / И.Я. Федоренко, A.C. Федоренко, С.С. Федоренко; заявитель и патентообладатель И.Я. Федоренко. - № 2010145667/03; заявл. 09.11.2010; опубл. 27.03.2012, Бюл. №9. - 7 с.

9. Пат. 2459674 РФ, МПК C1 В07В 1/04 (2006.01), A01F 12/44 (2006.01) Устройство для очистки фуражного зерна. / И.Я. Федоренко, Д.Н. Пирожков, A.C. Федоренко; заявитель и патентообладатель И.Я. Федоренко. - № 2011109973/13; заявл. 16.03.2011; опубл. 27.08.2012, Бюл. №24. - 5 с.

Подписано в печать 15.10.2014 г. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Печать ризографная. Гарнитура «Times New Roman». Усл.-печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ №

РИО АГАУ 656049, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 98 тел. 62-84-26