автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Аэромеханическое разделение зерновых материалов с близкими скоростями витания

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И. И. ПОЛЗУНОВА

На правах рукописи

УДК 631.362.36 АЭРОМЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ЗЕРНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С БЛИЗКИМИ СКОРОСТЯМИ ВИТАНИЯ

Специальность 05.20.01- механизация сельскохозяистненного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технические паук

(

ЗАШДЕ ПЕТРОВИЧ

Барнаул - 1997

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В.Л. Злочевский

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор ИЛ. Федоренко - кандидат технических наук, с.н.с. А.Х. Тейтельбаум

Ведущая организация - Сибирский научно-исследовательский

институт механизации и электрификации сельского хозяйства, г. Новосибирск

Защита состоится " 26 " июня 1997 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 064.29.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу : 656099, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, АлтГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АлтГТУ.

Автореферат разослан "22." лл.Си9(— 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Я. Л. Овчинников

- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Паспмосспарациопный процесс является одним из важнейших в технологии послеуборочной обработки зерна. Принцип воздушной сепарации используется во многих сепарирующих машинах. Объясняется это сравнительной простотой и надежностью конструкций пневмосепарирующих устройств. Несмотря на широкое применение, пнсвмосепарационш.те системы имеют низкую эффективность разделения (60-70°/») при четкости сепарирования до 2%. При этом энергозатраты в 3-4 раза выше,»чем в решетных и триерных схемах.

В процессе тгсзмосспарацпп наиболее сложной задачей яеллстсл сортирование зерновых материалов для получения семенного и продовольственного зерна. Особенностью этого процесса является близость скоростей витания компонентов зерновой смеси. В этом случае зерновой материал имеет компоненты, у которых скорости витания будут мало отличаться от средней скорости воздушного потока. Действующие на зерновки силы тяжести и аэродинамического сопротивления в среднем уравновешиваются, продолжительность пребывания в нневмоканале таких черновых частиц становится большой величиной, их хаотические движения создают помехи движению разделяемых частиц. При взаимодействии зерновок с воздушным потоком определяющим является непостоянство силы аэродинамического сопротивления вследствие изменчивости миделсва сечения.

Существующий метод воздействия равномерного воздушного потока на зерновой материал в рассматриваемом случае не позволяет' сто эффекгивно разделить.

Разработка теории и моделирование новых принципов аэромегса-нпческого разделения зерновых материалов, интенсифицирующих процесс сепарации, созлание на этой основе высокоэффективно!! пневмосепарационной техники является актуальной проблемой для агропромышленного комплекса страны.

Выполнение диссертационной работы связано с координационным планом научно-исследовательских и проектно-нонструкторских работ Мишага СССР в качестве одного из исполнителей темы 1.01.26 "Создать пневмовихревой сепаратор для очистки зерна'", а также с тематическим планом НИР и ОКР Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова ( АлтГГУ) при выполнении научно-исследовательских работ NN 79064168, 72055240, 81071345 и региональной программой "Алтай" (1993-1996 годы, N ГР 01960010600).

Цель и задачи исследования. Целью данной работы явилась разработка научных положений, направленных на повышение эффективности разделения зерновых материалов неравномерным воздушным потоком на компоненты с близкими скоростями витания.

Для реализации этой цели были поставлены следующие задачи :

- разработать базовую математическую модель, позволяющую проводить аналитическое и численное исследование плоского движения зерновки эллипсоидной формы в неравномерном воздушном потоке с учетом момента сил сопротивления вращению, как в общем случае, так и на режиме витания;

- определить условия резонансного воздействия воздушного потока с периодической эпюрой скоростей на вращательное движение зерновок и проверить его избирательность;

- разработать метод определения параметров движения зерновки эллипсоидной формы после удара о конструктивные элементы пнев-моканала и исследовать влияние удара на процесс сепарации;

- разработать способ получения и метод расчета неравномерного воздушного течения с периодической эпюрой скоростей для реализации резонанса и обеспечения ориентированного ввода зерна в канал;

- создать пакет прикладных программ для проведения расчетов на ЭВМ с целью усовершенствования конструктивных элементов пневмо-сепарационных систем и повышения их технологической эффективности.

Объект исследования. В качестве объекта исследования рассматривался процесс аэромеханического разделения зерновых материалов в неравномерном воздушном потоке с учетом вращательного движения зерновки и ее ударного взаимодействия со стенками пневмоканала.

Методика исследований. В работе использованы аналитический, численный и экспериментальный методы исследования.

Аналитический метод позволил разработать математическую модель движения зерновки и на ее основе провести качественный (при некоторых допущениях) анализ процесса пневмосепарации, а также рассмотреть удар вращающихся зерновок эллипсоидной формы о стенки пневмоканала произвольной формы.

Численный метод позволил провести исследование влияния различных факторов на процесс сепарации с использованием ЭВМ.

В экспериментальных исследованиях были использованы методы физического моделирования на специально созданных лабораторных установках для проверки положений и выводов теории.

Научная новизна. Новые научные результаты работы заключают-

ся в следующем:

- разработана теория плоского движения зерновок эллипсоидной формы в неравномерном воздушном потоке, позволяющая исследстать процесс аэромеханического разделения черновых материалов с близкими скоростями витания;

- теоретически получены и экспериментально проверен!,т условия избирательного резонансного воздействия воздушного потока с периодической эпюром скоростей на вращательное движение зерновки;

- предложен метод определения параметров движения зерновки :ш-* липсоидной формы после ее удара о стенки канала в зависимости от

параметров движения врашиюш.ейся чернооки до удара, коэффтш^н-1а восстановления нормальной скорости и коэффициента ударного трения;

- разработай метод расчета воздушных течений через решетки профилей, установленных в пневмоканал для придания ориентации зерновок на начальном участке движения и усиления вращения в последующем.

Практическая ценность и реализация результатов исследования.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическую реализацию в совершенствовании технологии, азромеханическо! о разделения зерновых материалов. Разработанная мода1», вращатсчыюго движения зерновки эллипсоидной формы и созданный на ее базе пакет прикладных программ для расчетов на ЭВМ позволяют исследовать влияние условии ввода в канал зернового материала, условии отражения зерновок от стенок канала. Показана возможность улучшить разделение зернового материала с близкими скоростями витания, если учитывать форму и ударные свойства материала отражающей поверхности. Разработаны рекомендации по установке в пневмоканал продольной и поперечной решеток с определенным шагом.

Результаты проведенного исследования использовались при разработке и усовершенствовании конструкции пневмосепаратора У1-БПС, созданного с участием автора в отраслевой научно-исследовательской лаборатории Министерства хлебопродуктов РФ при АлтГТУ (научный руководитель д.т.н., профессор В.Л. Злочевский) совместно с ОПКБ НПО "Пива Алтая" по заданию Минзага СССР, который успешно эксплуатируется на хлебоприемных предприятиях.

Ряд положений разработанной теории внедрен в учебный процесс в АлтГТУ.

Апробация. Основные положения диссертационной работы доло-

жены и обсуждены на 8-й Всесоюзной конференции по аэроупругости турбомашин (Киев, 1981 г.), Всероссийской выставке "Вклад вузов России в выполнение продовольственной программы" (Саранск, 1982 г.), научных конференциях студентов, аспирантов и профессорски -преподавательского состава АлтГТУ (Барнаул, 1989, 1992, 1995 гг.) и Алтайского сельскохозяйственного института (Барнаул, 1987 г.)

Публикации. Все основные положения по теме диссертации опубликованы в 9-ти печатных работах.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 106 наименований и приложений. Основное содержание изложено на 132 страницах текста, включающего 42 рисунка и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, определены цель и задачи исследований. Сформулированы основные научные положения, составляющие новизну диссертации, дана общая характеристика работы.

В первой главе дается краткий обзор и анализ состояния теории аэромеханического разделения зерновых материалов.

Большой вклад в разработку и развитие теории внесли ученые: И.П. Безручкин, В.П. Горячкин, М.М. Гернет, В.Ф. Веденьсв, В.Л. Злочевский, А.Я. Малис, A.C. Матоеев, H.H. Ульрих и многие другие. Выполненные ими исследования послужили научной основой для создания пневмосепарационной техники.

Метод воздействия равномерного воздушного потока на зерновой материал, основанный только на соотношении силы тяжести и силы лобового сопротивления, оправдан при решении задач отделения зерна от легких примесей (стадия предварительной очистки).

Для разделения зерновых компонентов с близкими скоростями витания (стадия сортировки) требуется дополнительное и достаточно сильное аэромеханическое воздействие на зерновки, что может быть достигнуто путем использования неравномерных воздушных потоков.

С этой целью был проведен обзор и анализ воздушных течений на основе фундаментальных работ в аэромеханике. При описании воздушных структур, используемых для пневмосепарации, рассматриваются две основные модели: несжимаемая идеальная (невязкая) жидкость (модель 1) и несжимаемая вязкая жидкость (модель 2).

Несмотря на значительную степень идеализации (отсутствие вяз-

кости), модель 1 в ряде случаев, например, вдали от твердых границ, дает подтверждаемые опытным путем результаты для практических приложений. Однако, 55 тонком слое вблизи твердых границ необходимо учитывать вязкость воздуха и рассматривать модель 2

В большинстве задач пневмосепярации используются установившиеся одномерные или плоские течения.

Аэромеханические характеристики зерновок являются исходными данными для обоснования конструктивных параметров гшевмосепара-торов, а также технологических режимов процесса очистки и сортирования. Многочисленные исследования показали вероятностный характер распределения значений скорости витания зерновых материалов, а, значит, и силы аэромеханического сопротивления.

В настоящее время не существует теории, по которой можно точно рассчитать движение зерновки даже в равномерном воздушном потоке.

Все эти факторы и определяют выбор математической модели для решения разных технологических задач обработки зерновых материалов. Обзор моделей процесса пневмосепарации, анализ воздушных

структур и изменчивость скорости витания зерновок определили цель и задачи исследования.

Во второй главе разработана теория движения зерновки в воздушном потоке. Цель исследования, поставленные задачи и сложность процесса взаимодействия зернового материала с воздушным потоком привели к следующим основным предположениям при построении математической модели.

1. Зерновка моделируется однородным эллипсоидом вращения с полуосями а, Ь, с (а > Ь , Ь = с) и плотностью рь

2. Движение зерновки является плоским, происходит в вертикальной плоскости Оху. причем большая полуось а располагается в плоскости движения. Ввод зерновки в вертикальный воздушный канал прямоугольного сечения производится под углом р к вертикали с некоторой начальной скоростью у0 по схеме, приведенной на рис.1.

3. Воздушный поток плоский и может иметь заданную крупномасштабную неравномерность поля скоростей, т.е. считается, что вектор скорости й потока постоянен в пределах данной зерновки и определяется в точке плоскости движения, совпадающей в данный момент времени с геометрическим центром С зерновки. Неравномерность создается специально для усиления эффекта сепарации путем установки в канале решетки профилей.

у

Рм.

сЧ

^ У

__ -г" /

V

\ V?

б

Рис. 1. Схема движения зерновки и действующие силы

4. Плотность р воздушной среды считается постоянной.

5. Принимается, что воздушная среда идеальная (невязкая). По теории идеальной несжимаемой жидкости получены аэродинамическая сила

К" = ру£го1й1 х V Н^гаа(Й1-и)/2+(1)

и момент

МИ = -р\'{к3Лф + (к! - к2)|о.5(>у2 - \фш12<р - сов2<р||, (2)

где и1 = |их(к1со52ф + к28'пгф)> иу(к18Ц12ф + к2С052ф)|; V- объем зерновки; к2, к3- коэффициенты, зависящие от параметра удлинения зерновки; Л- момент инерции зерновки (отнесенный к ее объему) вокруг оси Сг, перпендикулярной плоскости движения; <р-угол поворота большой оси зерновки; = = -вектор относительной ско-

рости движения зерновки.

6. Влияние вязкости учитывается рассмотрением следующих аэродинамических сил и момента сил:

- силы лобового сопротивления

j4C _ 2p1VgVa2sin2a + b2cos2a (a+b)u*

- поперечной силы Mai нуса, действующей на вращающуюся чер-новку,

FM = 0.5kMpVc5 X w ; (4)

- момента силы сопротивления вращению зерновки

Mс = - kEpp Va ww. (5)

Здесь g - ускорение свободного падения; а - угол атаки; ив- скорость витания; м - вектор угловой скорости вращения; !;и и к^- безразмерные аэродинамические коэффициенты, зависящие от формы зерновки и состояния ее поверхности.

С учетом рассмотренных сил и моментов cm, действующих на зерновку, составлены дифференциальные уравнения движения ее в воздушном потоке

fmr = F" -f FM + Fc + G

1 . (6) [т.Тф = M + M c

где m = piV - масса зерновки; G - сила тяжести.

Первое векторное уравнение описывает движение центра С зерновки, радиус-вектор положения которого f (t) = {x(t), y(t)j , a второе уравнение - ее вращение вокруг оси С/.

Основными силами являются силы i'c и G , а остальные силы F" и

F", учитывающие соответственно завихренность воздушного потока и эффект Магнуса вращающейся зерновки, вносят меньший вклад в

движение. На режимах витания силы F€ и G уравновешиваются и в

этом случае необходимо учитывать влияние сил F" и F", увеличивая их значимость в пневмосепарационном процессе с точки зрения эффекта разделения.

В момент времени t=0 задаются начальные условия для системы (6): f(0) = 0,r(0) = у0,ф(0) = ф0,ф(0) = га0, которые соответственно определяют место ввода зерновок, скорость ввода, начальный угол ориентации, начальную угловую скорость. Исследование показало существенное влияние этих величин на процесс сепарирования.

Граничные условия (отражение зерновок эллипсоидной формы от конструктивных элементов канала) рассмотрены в главе 5.

Для проведения численных расчетов на ЭВМ по построенной ма-

тематической модели разработан пакет программ "КАНАЛ", позволяющий исследовать процесс пневмосепарации в воздушных потоках различной структуры с учетом отражения зерновок от стенок канала.

В третьей главе проведено исследование возможности разделения зернового материала с близкими скоростями витания. Второе уравнение в системе (6) представим в виде

ф+ 2sQ0(p = 0.5Q2sin(2<p -у) , (7)

где s = Q°= *-Wo> Q=Xw> 7 =2arctgGr]-

Величина X характфизует индивидуальные свойства зерновки (степень удлинения, момент инерции); e=p/pi ; безразмерный коэффициент s учитывает наличие момента сил сопротивления вращению зерновки; Q0 и Q - собственные частоты колебаний зерновки без учета вязкости при относительной скорости wo и w соответственно; 0.5у определяет угол между осью Ох и вектором относительной скорости W.

Рассмотрено вращение зерновки в равномерном воздушном потоке. Уравнение (7) без учета вязкости показало, что вращение складывается из равномерного вращения с угловой скоростью оэо и периодических колебаний с постоянной частотой и угловой амплитудой. С увеличением относительной скорости наибольшая угловая скорость возрастает. Полученное условие |«a0|>D0 позволяет определить

начальную угловую скорость ©о , при которой зерновки, имеющие одинаковые параметры и разные начальные углы ориентации, будут вращаться в одном направлении.

С учетом вязкости вращение представляет собой гармонические колебания с экспоненциально убывающей амплитудой

о = AQge^'co^Qo-t + Ti), (8)

где А = L+fSdg&f. Q0 = VT?.Q0, л = arccosf-^т]. у Ч. £¿0 )

Ч,о = ао-Я^2,а0- начальный угол атаки.

Скорость убывания амплитуды определяется показателем затухания sQ0, а частота колебаний Q0 меньше собственной частоты Q0 в отсутствии вязкости. Логарифмический декремент затухания равен

2tcs / V1- s2 . Для зерновок пшеницы и овса пределы изменения этой величины 0.03-г0.05. При торможении зерновки относительно воздуш-

ного потока частота колебаний уменьшается, а угловая амплитуда увеличивается. В качестве примера рассмотрен процесс разделения зерновок пшеницы и овса, имеющих одинаковые скорости витания. Показано, что неорганизованный по углам начальной ориентации фо ввод зерновок в канал дает большой разброс по вертикали полетных траекторий при малых значениях начальной угловой скорости юо . С увеличением шо поперечный размер пучков траекторий уменьшается, различие в начальных ух-лах ориентации отдельных зерновок перестает быть существенным и при юо >100 рад/с рассматриваемые компоненты полностью разделяются. Полученный эффект объясняется тем, что при интенсивном вращении усредняется мвделево ссченис зерновок и возрастает роль силы Магнуса. Эти факторы избирательно зависят от различных геометрических размеров и плотности зерновок пшеницы и овса.

Для интенсивной закрутки зерновок в процессе ее движения использован неравномерный вертикальный воздушный поток, который имеет периодически изменяющуюся скорость

и = и0 + и} со«(2ях / Ь) , (9)

где но - величина скорости равномерной части потока; »] - амплитуда изменения скорости; Ь - период неравномерности. Воздушный поток такой структуры получен при обтекании установленной в канал решетки профилей с шагом Ь . При сделанных допущениях ( щ « «о , Уо « но, г = па начальном участке) уравнение вращения (7) приводится к уравнению Матье

Ф 4- Оа2[1 + 2ц0со«(0()]Ф = 0, (10)

где Ф = ^"'(ф - ), Ио = -0 = 2яув.чгпр/Ь.

2 ц0(1-8 )

Величина цо характеризует уровень неравномерности с учетом вязкости, 0 - частота параметрического возбуждения.

Уравнение (Ш) описывает параметрические колебания, для которых имеет место параметрический резонанс (амплитуда колебаний неограниченно возрастает со временем) при условии близости частоты параметрического возбуждения и удвоенной собственной частоты колебаний зерновки

е * 2£Г0 . (п)

Отстройка от параметрического резонанса характеризуется величиной

Г0

О

I 2 4s2

-1, неравенство Цд - vj>-^ определяет область пара-

1-s

метрической неустойчивости колебаний. Интенсивность закрутки увеличивается с возрастанием уровня неравномерности воздушного потока и уменьшением величины отстройки.

Логарифмический декремент возрастания амплитуды равен

б = жС^ро- vo -2s/\T-?). (12)

Определен шаг решетки с учетом разброса значений частот собственных колебаний, при котором осуществляется параметрический резонанс:

XV 1-s2 u0 + v0cosp Рассмотрено использование воздушного потока со ступенчатой эпюрой скорости для усиления вращения зерновок (щ - скорость воздуха в первой области канала, ifc - во второй, Ui < ш). Показано, что при условии иг<л/2в>а/)1. средняя угловая скорость вращения равна

2 = + 0.5X2|uj(l - сш2ф0) - u2j, если граница раздела областей

3rv0sinfi , „ . расположена при х =-¡ ■ !--п, где п=1, 2, 3,...; Wi - относитель-

2XVl-s2Wl

ная скорость в первой области.

Зависимость положения границы и величины неравномерности поля скоростей от собственной частоты колебаний зерновок делает разработанный метод избирательным по отношению к различным компонентам зернового материала. Показано, что воздушный поток с периодической и ступенчатой неравномерностью обеспечивает интенсивную закрутку зерновок определенного класса со средней угловой скоростью в пределах 100 4- 200 рал/с.

В четвертой главе на основе теории удара получены условия отражения зерновок эллипсоидной формы от твердых границ области сепарирования.

Разработана методика определения точки удара и параметров движения зерновки в начале удара. Ударное взаимодействие состоит из фазы деформации и фазы восстановления. Для каждрй из этих фаз проведена проверка наличия скольжения зерновки.

Получены соотношения, позволяющие определить угловую скорость вращения и составляющие вектора скорости движения центра

зерновки после отражения в зависимости от соответствующих значений до удара, положения зерновки во время удара, значений коэффициентов восстановления нормальной скорости к и мгновенного трения £ а также формы отражающей поверхности.

Аналитические зависимости параметров движения до и после отражения не дают возможности провести теоретический анализ влияния формы стенок на процесс сепарации, т.к. значения параметров движения до отражения определяются численным методом с помощью построенной математической модели в главе 2. Поэтому исследование данной задачи проводилось численным методом.

Рассмотрен пример отражения зерновок пшеницы класса 2 и овса класса 4 для случая прямолинейных вертикальных стенок х=0 и х=хк и для случая, когда правая стенка имеет форму клина (рис.2).

2Й.ЗИ

ie.ee

15В*

е. ее

-1И.НЙ

-28.в и.еа

30° 20.00 58°

1В. еа

у,СП

X, ен

0.08

-19.РВ

7.58

г-

"13.09

1т° «о У И /

охсс \ класса 4 \ V" т\ ///\ У/ ¿/У

пшеница ■ кл&есд 2 / ХЧ120'

-20.0 0.68

7.50

15. ВЯ

Рис. 2. Траектории зерновок пшеницы класса 2 и овса класса 4 в зависимости от формы отражающей стенки: у0=1 м/с; и=6,6 м/с; к=0,5; Г=0,2; Ь=0,04 м;

У1=-0,2 м; у2=-0,08 м; у3=0,1 м До отражения пучки траекторий пшеницы и овса были отделены воздушным потоком друг от друга, но после отражения от прямолинейной стенки часть зерновок пшеницы движется в поперечном направлении, ударяется о левую стенку и, в итоге, создает помехи продвижению разделяемых зерновок в направлении выходов. При этом продолжительность пребывания таких зерновок в зоне сепарирования

резко увеличивается, что отрицательно сказывается на процесс сепарации.

На рис.2 также показаны для сравнения траектории этих зерновых материалов, когда отражательная стенка имеет форму клина при У1 = -0.2 м, уг = -0.08 м, уз = 0.1 м, Ь = 0.04 м ( ух , уг , Уз - ординаты нижней, средней и верхней точек клина, Ь - толщина клина). В этом случае разделение пшеницы и овса происходит для любых углов начальной ориентации <ро.

Показана возможность регулировать процесс сепарирования изменением формы отражательной стенки и материала стенки с известными отражающими свойствами.

В пятой главе предложен метод численного расчета обтекания воздухом решетки профилей. Показано, что на расстоянии порядка хорды профилей от заднего фронта решетки образуется волнообразный воздушный поток со значительной неравномерностью поля скоростей, давления и углов направления потока, которая с удалением от решетки уменьшается.

Проведено экспериментальное исследование свойства продольной решетки ориентировать зерновки в пространстве. С этой целью в эксперименте была использована модель зерновки (эллипсоид вращения с осями 2а =55мм, 2Ь=27.2мм), геометрически подобная зерновке пшеницы класса 2. В плоскости осей 2а и 2Ь модель имела 16 равноотстоящих дренажных отверстий с выведенными трубками полного давления, которые подключались к микроманометру. По полученным значениям давления в рассматриваемых точках определялись суммарная аэродинамическая сила и момент. Показано, что продольно расположений волнообразный воздушный поток ориентирует зерновки вдоль волны. При этом приближенно может быть принята квадратичная зависимость силы и момента от скорости воздуха на входе в решетку.

Для экспериментального исследования вращательного движения была изготовлена и установлена в пневмоканал решетка, составленная из продольно и поперечно расположенных профилей, а также изготовлен из оргстекла приемник отдельных фракций (рис.3).

Шаг решетки первоначально выбирался из условия параметрического резонанса (формула (13)), а затем проводилась настройка.

Скорость вращения зерновок определялась с помощью стробоскопа и скоростной киносъемки. На режиме резонанса было зафиксировано одностороннее вращение большинства зерновок пшеницы с угловой скоростью от 50 до 100 рад/с. Зерновки овса не вращались или

вращались со значительно меньшей скоростью.

Рис.3. Схема экспериментальной установки для исследоватш вращательного движения зерновок: 1 - питатель; 2 - продольная решетка; 3 - поперечная решетка; 4 - приемник отдельных фракций; 5 - вид Л решетки.

По окончании продувки зерновой смеси производился анализ /¡липы, толщины, плотности и скорости витания зерновых частиц, попавших в ту или иную секцию приемного устройства. При полученных средних параметрах зерновок проводились расчеты траекторий на ЭВМ но теоретической модели с помощью созданного пакета программ и определялась секция приемного устройства. Эта методика позволила определить расчетные траектории отдельных компонент зерновой смеси и проверить их экспериментально. Полученные результаты эксперимента показывают удовлетворительное совпадение с теорией.

Осуществлена экспериментальная проверка теоретических результатов отражения зерновок от стенки канала. Для этого на заднюю стенку пневмоканала крепился клин, размеры и место крепления которого определялись с помощью численного исследования. Показано, что изменяя форму и положение клина, а также его упругие свойства можно регулировать процесс отражения и, в итоге, усиливать разделение зерновых материалов.

Результаты использованы при разработке и усовершенствовании конструкции пневмосепаратора У1-БПС, технологическая схема которого приведена на рис.4.

В канале 3 предварительной очистки осуществляется расслоение и стабилизация движения зернового материала посредством продольной решетки 7. В сортировочном канале 6 с помощью поперечной решетки

8 с регулируемым шагом происходит избирательное воздействие на определенный класс зернового материала. Регулировка процесса отражения производится поверхностью 9.

Рис. 4. Технологическая схема пневмосепаратора У1 -БПС : 1 - бункер; 2 - вибрационный лоток; 3 - канал предварительной очистки; 4 - пневмотранспортный канал; 5 - осадочная камера; 6 - сортировочный канал; 7 - решетка "ориентатор"; 8 - решетка "вращатель"; 9 -отражающая поверхность

Применение пневмосепаратора У1-БПС при очистке ячменя позволяет выделить 95% половы и сорной примеси, эффективность сепарации не ниже 0,8 в диапазоне изменения удельной зерновой нагрузки от 17,5 до 32,4 кг/м2с при исходной засоренности до 4,65%, что в 1,5-2 раза выше, чем в центробежно-пневматическом сепараторе ЗАВ-40.02.000.

Использование пневмосепаратора позволяет получать на продукте шелушения овса, содержащем 50% ядра и 50% примесей, при производительности 10-12 т/ч эффективность очистки в среднем 80%. При этом один сепаратор высвободил 12 единиц оборудования и 54,5 м2 производственной площади.

Реальный годовой экономический эффект от внедрения одного пневмосепаратора У1-БПС составляет 6048 рублей в ценах 1989 года по данным Алтайского управления хлебопродуктов и ОПКБ НПО "Нива Алтая".

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обзор математических моделей процесса аэромеханического разделения зерновых материалов, анализ используемых воздушных структур и изменчивость аэродинамических параметров зерновок позволили сделать вывод, что существующий метод воздействия равномерного воздушного потока на отдельные зерновки и их совокупность не даст эффективного разделения зерновок с близкими скоростями витания.

2. Разработанная теория движения зерновки (эллипсоидная форма) в неравномерном воздушном потоке определила различные составляющие аэродинамических сил и моментов сил, действующих на нее. При интенсивном вращении (угловая скорость больше 50 рад/с) зерновки и относительной скорости движения порядка 10 м/с на нее действует поперечная сила Магнуса, величина которой сравнима с весом и силой лобового сопротивления.

Расчеты без учета вращения не могут считаться удовлетворительными на режимах витания. Наиболее существенные силы тяжести и лобового сопротивления уравновешиваются и тогда менее значимые силы и моменты сил начинают определять характер движения.

Неорганизованный ввод зернового материала в пневмоканал приводит к существенному разбросу по высоте канала полетных траекторий. С увеличением начальной угловой скорости вращения еоо происходит сужение пучка траекторий каждого класса. Так, при соо>ЮОрад/с зерновки пшеницы и овса, имеющие близкие скорости витания, полностью разделяются. Этот эффект объясняется тем, что при интенсивном одностороннем вращении зерновок усредняется миделево сечение, возрастает роль силы Магнуса. Эти факторы избирательно зависят от различных геометрических размеров и плотностей рассматриваемых компонентов и приводят к достаточному отклонению их траекторий.

3. Показана возможность произвести интенсивную закрутку зерновок в процессе их движения в воздушном потоке с периодической неравномерностью или ступенчатой эпюрой скоростей.

Определены условия при которых зерновки одного класса получают полные вращения на первоначальном участке их траекторий. Зерновки другого класса, собственная частота вращательных колебаний которых отличается от резонансной, совершают движение, мало отличающееся от движения в равномерном воздушном потоке. Предложенный резонансный способ воздействия имеет избирательный характер по отношению к различным компонентам зерновой смеси и по-

зволяет формировать узкие пучки траекторий зерновок одного класса.

4. Выявлена возможность создания воздушного потока с периодической эпюрой скоростей при помощи установки в канал решетеи профилей. Показано, что на расстоянии порядка хорды профилей от решетки имеется необходимая неравномерность поля скоростей для осуществления резонансного воздействия на зерновки.

Настройка на резонанс осуществляется изменением шага решетки, выбором формы профилей, изменением начальной скорости и начального угла ввода согласно полученным теоретическим результатам.

5. Предложенный метод определения параметров движения вращающихся зерновок эллипсоидной формы с учетом удара о конструктивные элементы позволил получить аналитические соотношения. Определены угловая скорость вращеиия и составляющие вектора скорости движения центра зерновки после удара в зависимости от соответствующих значений до удара, положения зерновки во время удара, значения коэффициентов восстановления нормальной скорости и мгновенного трения. Отражение зерновок с близкими скоростями витания от задней плоской стенки канала приводит к ухудшению процесса сепарации. Определена целесообразность установки клина на заднюю стенку канала, размеры которого и место крепления определяются с помощью численног о исследования по теоретической модели. Организация процесса отражения осуществляется изменением формы, упругих свойств и расположения клина с учетом коэффициентов восстановления нормальной скорости и мгновенного трения зерновых материалов.

6. Созданный пакет прикладных программ для проведения численных расчетов на ЭВМ позволяет усовершенствовать конструктивные элементы пневмосепарационных систем, повышать их технологическую эффективность и оказывать помощь в разработке новых принципов сепарации посредством математического моделирования.

Совокупность полученных результатов нашли практическую реализацию в разработке и усовершенствовании конструктивных схем пневмосепаратора "У1-БПС, серийно выпускаемом Курским заводом "Спецэлеватормельмаш".

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Зайцев В.П. Расчет обтекания прямой решетки произвольных профилей стационарным потоком газа // Известия СО АН СССР. Серия техн. наук.-Вып. З.И 13. -С. 112-117.

2. Дидковский В.Н., Зайцев В.П., Злочевский ВЛ. Теоретическое исследоваш!е плоской задачи о ппевиосепарироваиии зерновых материалов / Алт. политехи, ии-т им. И.И. Ползунова.-Барнаул, 1983,- 73 с.

- Дел. в ЦНИИТЭИ ¡9.05.83 N 338 зг-Д83.

3. Зайцев В.П., Злочевский B.JI. К исследованию способа создания неравномерного воздушного потока для разделения зерновых материалов /Алт. политехи, ин-т им. И.И. Ползунова.-Барнаул, 1984.- 16 с.

- Деп. в ЦНИИТЭИ 1.06.84 N 474 зг - Д84.

4. Злочевский B.JI., Зайцев В.П. Сортирование зерновых материалов воздушным потоком // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1986. - N 1. - С. 22-26.

5. Зайцев В.П. Влияние формы зерновок на процесс пневмосепара-ции зерновых материалов // Совершенствование технологических процессов н машин при уборке зерновых культур в Западной Сибири // Am. с.-х. ин-т. - Барнаул, 1987. - С. 64-70.

6. ЗайцевВ.П., Кравченко И.Д., Маслова О.И. Математическое моделирование движения зерновки в ппевмоканале сепаратора : Методические указания к лабораторным работам по курсу "Математические модели на ЭВМ" для студентов специальности 17.06 / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 1995. - 16 с.

7. Зайцев В.П., Злочевский ВЛ. Оптимизация процесса гшевмосе-парирования по времени и концентрации зерновой смеси // Труды Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова. Выпуск 6 : Техника и технология зерна и плодов / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова.- Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 1996. -С. 108-110.

8. Тарасов В.П., Павловский Е.В., Зайцев В.П., Левин О .Л. Исследование режима пуска воздуходувной машины пневмотранспортной установки Н Труды Алтайского государственного техническою университета им. И.И. Ползунова. Выпуск 6 : Техника и технология зерна и плодов / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 1996. - С. 125-132.

9. Зайцев В.П., Злочевский ВЛ., Дидковский В.Н. Влияние отражения частиц зернового материала от стенки пневмоканала У/ Механизация технологических процессов в сельском хозяйстве и перерабатывающей промышленности // Алтайский государственный агроунивер-ситст. - Барнаул, 1997. -С. 11-18