автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Исследование прогресса распределения семян зерновых культур в воздушном потоке при транспортировании аэрожелобом

^ /

С" / ' ' - ' ,/ •

КОСТРОМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

РУМЯНЦЕВА ЕЛЕНА ПАВЛОВНА

УДК 631.362.2.3.6

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР В ВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ АЭРОЖЕЛОБОМ

Специальность 05.20.01. - "Механизация сельскохозяйственного

производства"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Зимин Евгений Михайлович

Кострома 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ..................4

ВВЕДЕНИЕ.................................................7

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.......10

1.1. Свойства зерновых смесей и требования , предъявляемые к семенному и продовольственному зерну..........................10

1.2. Влияние машин и технологий на качественные показатели семян........................................................12

1.3. Современные технологические методы и устройства, обеспечивающие комбинированное воздействие на зерновой ворох . ..18

1.4. Основные методы и приемы определения травмирования зерна.......................................................22

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЗЕРНА АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ ТРАНСПОРТЕРОМ........................28

2.1.Разработка математической модели определения скорости смещения зерна в грузонесущем канале аэродинамического транспортера................................................30

2.2. Определение вероятности травмирования зерна аэрожелобом................................................45

2.3. Определение напряжений, возникающих в зерне при ударе

о преграду....................................................47

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИССЛЕДУЕМЫХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЗЕРНА АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ ТРАНСПОРТЕРОМ ......................55

3.1. Методика определения скорости перемещения зернового

материала в транспортном канале аэрожелоба.....................55

3.1.1. Экспериментальная установка......................55

3.1.1.1. Аэрожелоб................................55

3.1.1.2. Устройство для определения скорости смещения частицы.....................................58

3.1.2. Работа экспериментальной установки................62

3.1.3. Планирование и проведение эксперимента по определению влияния исследуемых факторов на скорость перемещения частицы......................................64

3.1.3.1. Обоснование выбора факторов эксперимента.....64

3.1.3.2. Предварительный факторный эксперимент.......67

3.1.3.3. Статистическая оценка результатов эксперимента........................................68

3.1.3.4. Полный факторный эксперимент...............72

3.1.3.5. Регрессионный анализ результатов эксперимента..........................................73

3.1.4. Порядок проведения эксперимента...................78

3.1.5. Результаты экспериментальных исследований .........82

3.2. Определение зависимости скорости перемещения зернового материала от массы элементарной частицы вороха................100

3.2.1. Методика определения...........................100

3.2.2. Результаты экспериментальных исследований влияния массы зерен на изменение их скорости . ......................106

3.3. Определение травмирования зернового материала при

транспортировании аэрожелобом...............................107

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.....................116

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..........................................122

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ................124

ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................133

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

а - угол наклона лопатки жалюзи, град; 19 кр - критическая скорость, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с ; кп - коэффициент парусности, м1; р - плотность воздуха, кг/м3; т3 - масса частицы, кг;

км - коэффициент силы лобового сопротивления воздушному потоку;

5 - площадь поперечного (Миделева) сечения, м ;

Wonm. - оптимальная производительность аэрожелоба, кг/с; ср - угол откоса насыпи зерна, град.; В - ширина транспортного канала, м;

6 з - скорость смещения частицы, м/с;

& Ср- средняя скорость воздушного потока, м/с;

f - коэффициент трения материала о поверхность транспортного канала; Fen - сила воздушного потока, Н; р3 - плотность частицы, кг/м3; V3 - объем частицы, м3; тюоо - масса 1 ООО зерен, кг;

а, Ъ, с - полуоси эллипсов основных сечений эллипсоида, м;

t - время перемещения частицы, с;

Т3 - кинетическая энергия, Н-м;

Ud - потенциальная энергия удара, Н-м;

Рд - усилие динамического нагружения, Н;

А1д1 - деформация частицы при динамическом нагружении, м;

кд - динамический коэффициент;

Alc, - деформация частицы при статическом нагружении, м; Л1С2 - деформация плоского полупространства при статическом нагружении, м;

Е - модуль упругости частицы, Па;

R - радиус скругления частицы, м;

F - площадь поперечного сечения зерна, м;

I - длина зерна, м;

Н3 - твердость материала, Па;

К - коэффициент нагрузки, м2/Н;

¡J.2 - коэффициент Пуассона для материала преграды;

Е2 - модуль упругости материала преграды, Па;

L - путь, пройденный частицей, м;

Imp - путь, пройденный транспортером экспериментальной установки от момента начала полета частицы до ее соударения с транспортером, м;

3 тр - скорость движения транспортерной ленты экспериментальной установки, м/с;

& - скорость воздушного потока, м/с; Нд - динамическое давление, Па;

кв - коэффициент приведения прибора к стандартным условиям/ кж - тарировочный коэффициент/ кпр - фактор прибора/

рст - стандартное атмосферное давление, Па; ри - измеренное атмосферное давление, Па; Тст - стандартная температура воздуха, °К; Ти - измеренная температура воздуха, °К; рж - плотность жидкости, кг/м3; G] - масса одного зерна, кг;

WK - производительность зерноочистительно-сушильного комплекса,

т/ч;

1¥тр - общая производительность транспортных машин, т/ч; О - число дней уборки, дн.;

- количество зерна, произведенное хозяйством в год, т; кс - коэффициент суточной неравномерности/ Тр продолжительность рабочего дня, ч; кн - коэффициент часовой неравномерности; См - средняя грузоподъемность автомобиля, т; Л - плотность потока, ч'1 ; Ьж - длина аэрожелоба, м; Яж - радиус скругления жалюзи, м; Э - годовая экономия,руб.;

Стр - масса зерна, участвующего в процессе травмирования, т; Сс - стоимость одной тонны семенного зерна,руб.; Сф - стоимость одной тонны фуражного зерна, руб.

Актуальность проблемы. Сохранение урожайных качеств семян зерновых колосовых культур является одной из ключевых проблем сельского хозяйства. Главной причиной снижения качества при традиционном способе обработки служит существующий уровень состояния первой его стадии -подготовки семенного материала к обработке на машинах первичной очистки и сушки.

В структуре себестоимости зерна доля послеуборочной обработки достигает 40...50% /44/. Основой повышения ее эффективности путем воздействия воздушным потоком на зерновой ворох, прибывающий от зерноуборочных комбайнов, является внедрение в систему машин, осуществляющих послеуборочную обработку, приемных отделений /38/. Применение приемных отделений, оборудованных аэрожелобами, дает возможность, кроме подготовки семян к первичной обработке и сушке, выбрать рациональную технологию, оптимальное регулирование машин /48/.

Опыт применения аэродинамических транспортеров в системе линий для послеуборочной обработки зерновых позволяет рассматривать их как наиболее перспективные технологические устройства. Однако, при переходных режимах в аэрожелобах скорость перемещения материала находится в пределах (0,43. ...0,85)/37, 41/. При этом возникает опасность травмирования, которое и является основной причиной снижения качества посевного материала.

В связи с этим совершенствование приемных отделений, оборудованных аэрожелобами, является актуальной проблемой.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательской работы Костромской государственной сельскохозяйственной академии 1980... 1999 гг. по теме "Совершенствование технологии и технических средств при послеуборочной обработке зернового вороха". В 1981...1985 гг.

исследования проводились по целевой комплексной программе ГКНТОЦ 0.32 "Зерно", а в 1999 г. - по программе 01.01.05 "Применение аэродинамических устройств для сушки семян в плотном и псевдоожиженном слое ".

Целью исследования является обоснование параметров скоростных режимов работы аэротранспортеров, а также подбор материалов для исполнения или облицовки частей грузонесущего канала, что даст возможность решить задачу снижения травмирования зерна при транспортировании его аэродинамическими установками.

Объект исследования. В качестве объекта исследования были выбраны физико-механические свойства семян зерновых колосовых культур, технологический процесс аэродинамического транспортирования, аэрожелоба с устройствами ввода зерна в воздушный поток, создаваемый распределительным и транспортным каналами.

Методика исследования. В диссертационной работе использованы стандартные, а также вновь разработанные методики постановки опытов и обработки данных проводимых исследований с использованием ЭВМ. Научная новизна состоит из:

• теоретического обоснования выбора скорости перемещения зернового материала и ее влияния на травмирование семян зерновых колосовых культур;

• методов изучения процесса перемещения сыпучих материалов;

• рекомендаций по выбору материалов, применяемых при конструировании аэрожелобов.

Достоверность теоретических заключений подтверждена результатами экспериментальных исследований.

Практическая ценность и реализация результатов исследований.

Проведенные исследования позволили наметить пути снижения травмирования зерна при работе аэрожелобов в переходных режимах. Уточнена методика расчета аэродинамических устройств, которая может

быть использована, как в практике, так и в учебном процессе кафедры сельскохозяйственных машин Костромской государственной сельскохозяйственной академии.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях в Костромской государственной сельскохозяйственной академии в 1989... 1999 гг., на областной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов в 1989 году, в Ивановском сельскохозяйственном институте в 1995 году, в Санкт-Петербургском государственном агроуниверситете в 1999 году.

По теме диссертации опубликовано восемь работ.

На защиту выносятся следующие положения:

• теоретические предпосылки возникновения травмирования семян в процессе выгрузки их аэрожелобом при различной величине подачи;

• теоретические предпосылки разрушения зерен при их соударении с преградой при учете объема, массы, и аэродинамических свойств;

• рациональные способы снижения травмирования семян.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Свойства зерновых смесей и требования, предъявляемые к семенному и продовольственному зерну

Состав зерновых смесей и их свойства до некоторой степени зависят от принятой технологии уборки урожая. Существует несколько способов уборки зерновых культур: комбайновый, раздельный, трехфазный, "безотходный", являющийся разновидностью трехфазного /47/, "невейка", метод очеса /88/. При осуществлении указанных способов уборки после обмолота зерновой ворох представляет собой смесь, состоящую из полноценных, щуплых и поврежденных семян основной культуры, семян различных культурных и сорных растений, а также примесей органического и минерального происхождения. В зависимости от условий уборки содержание семян основной культуры в ворохе составляет 85%...98%, влажность семян производимой культуры иногда достигает 30%...40%, а сорняков - 50% /71/. Влажность же органических примесей, как правило, превышает влажность зерна. Подобный состав вороха по физико-механическим свойствам не соответствует посевным стандартам. Требования, предъявляемые к семенному зерну, приведены в таблице 1.1.

Однако, пройдя предварительную очистку и сушку, зерновая смесь приобретает более стабильные показатели качества: влажность составляет 14%)... 15%», а засоренность - 3%...5%, что способствует хорошей аэрации зерна при его транспортировании аэродинамическими устройствами. Однако, чтобы иметь хорошие показатели всхожести, приемные отделения, оборудованные аэрожелобами, целесообразно вводить в начальный этап послеуборочной обработки /35/.

Наиболее важными свойствами семян, транспортируемых аэродинамическими устройствами, являются: коэффициент парусности,

размеры, форма, состояние поверхности, плотность, твердость, упругость и прочность.

Таблица 1.1.

Государственные стандарты на посевные качества семян

Культура ГОСТ Класс Содержа- Содержа- Всхо- Влаж- В т.ч.

ние семян ние семян жесть, ность, % семян

основной Других % (Костром сорных

культуры, растений, екая обл.) растении,

% шт./кг шт./кг

1 99,0 10 95,0 15,5 5

Пшеница 10467- 2 98,0 40 92,0 15,5 20

76 3 97,0 200 90,0 15,5 70

1 99,0 10 95,0 15,5 5

Рожь 10467- 2 98,0 80 92,0 15,5 40

76 3 97,0 200 90,0 15,5 70

1 99,0 10 95,0 15,5 5

Ячмень 10467- 2 98,0 80 92,0 15,5 20

76 3 97,0 - 300 90,0 15,5 70

1 99,0 10 95,0 15,5 5

Овес 10467- 2 98,0 80 92,0 15,5 20

76 3 [ 97,0 300 90,0 15,5 70

1 99,0 5 95,0 15,5 -

Горох 10467- 2 98,0 10 92,0 15,5 2

76 3 96,0 50 90,0 15,5 5

Различия в аэродинамических свойствах компонентов сложного по составу зернового вороха создают условия для разделения зерновой смеси на фракции воздушным потоком, выходящим под некоторым углом а через щели жалюзийной перегородки аэрожелоба, что предопределяет накопление на различных участках аэрожелоба плохо транспортируемого материала. Подобное явление ведет к дополнительному травмированию зерна.

Показателем аэродинамических свойств компонентов зерновой смеси в наклонном воздушном потоке служит критическая скорость & кр, при которой получается наибольшее рассеивание.

Скорость витания, как и коэффициент парусности, не являются постоянными величинами для данной частицы, так как площадь Миделева

сечения зависит от ориентации ее в воздушном потоке, а коэффициент лобового сопротивления - от размеров частицы, состояния поверхности и скорости перемещения относительно среды.

На частицу, движущуюся в канале аэрожелоба, действуют поперечные силы, обусловленные несимметричностью эпюры скоростей воздушного потока, обтекающего частицу. В результате этого на противоположных ее сторонах возникает разность давлений, что и служит появлению поперечной силы. Частица начинает совершать вращательное движение, а это способствует возникновению эффекта Магнуса, заключающегося в том, что при вращении частицы на нее действует сила, направленная перпендикулярно к скорости потока. Результатом может явиться прижатие частиц к боковинам канала и истирание частицы. Следует отметить, что причины, вызывающие поперечные силы, не поддаются строгому математическому описанию и имеют стохастический характер /38 /.

1.2. Влияние машин и технологий на качественные показатели семян

Производство зерновых культур в нашей стране - одна из основных задач сельского хозяйства. Потребности в зерне растут с каждым годом. Увеличение его производства может идти тремя путями: "...расширением посевных площадей, повышением урожайности всех зерновых культур и, главное, путем полного сбора урожая и сохранения количественных и качественных показателей, как при уборке, так и послеуборочной обработке зерновых" /38, с. 17/, что в огромной степени зависит от состояния машин и механизмов, выполняющих операции, составляющие данные процессы.

Механические повреждения зерна машинами обусловливают снижение валовых сборов, ухудшение посевных, хлебопекарных и продуктивных качеств его. Следовательно, устранение причин, вызывающих эти явления, -

одна из важнейших задач современного сельского хозяйства. Большое количество операций при уборке зерновых культур и послеуборочной обработке создают причины, вызывающие травмы различной степени. Наиболее многочисленные и тяжкие повреждения получает зерно при уборке. Половина всех семян (49,9%), полученных после уборки комбайнами, имеет всхожесть ниже 90% /6,с.41/. Более 50% зерна травмируется при обмолоте /25,с.40/.

Несмотря на усовершенствования, внедряемые в конструкции современных комбайнов, их молотильные устройства не всегда обеспечивают необходимые требования к качеству получаемого зернового материала. Так при уборке зерновых культур комбайном СК-5 "Нива" дробление зерна (по сравнению с комбайном СК-4) увеличилось в 1,5...2 раза за счет увеличения угла охвата барабана декой. Однако, применение двухбарабанных комбайнов позволяет значительно снизить травмирование. При обмолоте зерновых комбайном СКД-6 дробление зерна пшеницы и ржи соответственно в 2 и 2,4 раза ниже, чем комбайном СК-5 "Нива". Степень травмирования комбайнами зерна риса также превышает допустимые нормы (5%). После обмолота зерновых массивов комбайном СКД-6Р величина травмирования составила 5,38%, СКПР-4 - 5,52%, СКПР-6 "Колос" - 6,41% /87, с.46/.

Внедрение в производство комбайнов "Енисей-1200", "Дон-1200", "Дон-1500" позволило сократить сроки уборки, но не решило проблемы травмирования. Более того, имеется тенденция к его увеличению. Последнее обусловлено повышенной пропускной способностью.

Основные причины травмирования зерна комбайнами кроются в конструкции узлов и агрегатов, �