автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование конструктивно-технологических параметров адаптивного делителя зернового потока

005010622

V

ВОСТРИКОВ Павел Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АДАПТИВНОГО ДЕЛИТЕЛЯ ЗЕРНОВОГО ПОТОКА

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 0Е8 20^2

ВОРОНЕЖ-2011

005010622

Работа выполнена на кафедре «Сельскохозяйственные машины» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»

Научные руководители:

Доктор технических наук, профессор

Кузнецов Валерий Владимирович!,

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Тарасенко Александр Павлович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Ведущая организация — ОАО «Воронежсельмаш»

Защита диссертации состоится «21» февраля 2012 г. в 10ш часов на заседании диссертационного совета Д 220.010.04 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»

С авторефератом можно ознакомиться на сайтах www.vsau.ru и www.vak.ed.gov.ru .

Автореферат разослан «20» января 2012 года

Тишанинов Николай Петрович

Кандидат технических наук, доцент Королев Александр Иванович

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Широкое распространение в технологии послеуборочной обработки зерна получили зерноочистительные агрегаты и комплексы. Увеличение производительности агрегатов сопровождается необходимостью деления зернового потока на две части. При неравномерном делении зернового потока происходит перегрузка одной и недогрузка другой технологической линии. Перегрузка рабочих органов зерноочистительных машин приводит к снижению качества получаемого зерна, а недогрузка — к снижению производительности. Существующие делительные устройства не обеспечивают необходимой точности деления зернового потока. Одним из путей решения этой проблемы является разраоотка нового делительного устройства, позволяющего делить зерновой поток с необходимой точностью.

Предлагается разработать конструкцию адаптивного делителя позволяющего делить зерновой поток с требуемой точностью. Это обеспечит оптимальную загрузку каждой из двух параллельно работающих технологических линий. Тем самым будет обеспечена оптимальная загрузка каждой зерноочистительной машины технологической линии, что позволит с одной стороны получать зерно лучшего качества, с другой стороны увеличить производительность технологической линии.

Цель работы - обеспечение оптимальной загрузки двух параллельных технологических линий зерноочистительных агрегатов путем повышения точности распределения зернового потока между ними.

Объект исследований — процесс деления зернового потока на две части.

Предмет исследования - закономерности процесса деления зернового потока на две части.

Научная новизна работы:

• Разработана технологическая схема адаптивного делителя позволяющего делить зерновой поток с необходимой точностью.

• Разработана математическая модель процесса деления зернового потока на две части, позволяющая определить коэффициент равномерности деления потока и отличающаяся учетом основных параметров адаптивного делителя.

■ Получены закономерности позволяющие определить рациональные параметры и режимы работы адаптивного делителя.

Практическая значимость. Использование адаптивного делителя позволит обеспечить оптимальную загрузку машин зерноочистительного агрегата, за счет повышения точности деления зернового потока на две части. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при проектировании, настройке и эксплуатации адаптивных делителей зерновых потоков.

Достоверность научных положений подтверждается результатами экспериментальных исследований и обработкой опытных данных, на компь-

ютере с использованием статистических программ. Результаты теоретических исследований согласуются с экспериментальными данными.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научных конференциях Воронежского государственного аграрного университета в 2009 и 2010 годах, Рязанской государственной сельскохозяйственной академии в апреле 2009, Московского государственного агроинженерного университета в июне 2009, Курской государственной сельскохозяйственной академии в январе 2010 года.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных в перечнях ВАК.

На защиту выносятся:

• Технологическая схема адаптивного делителя зернового потока;

■ Математическая модель процесса деления зернового потока на две части, учитывающая основные параметры адаптивного делителя и позволяющая определить коэффициент равномерности деления потока; .

• Закономерности, определяющие рациональные параметры и режимы работы адаптивного делителя;

• Результаты исследований процесса деления зернового потока в адаптивном делителе;

• Экономическая оценка эффективности применения адаптивного делителя зернового потока.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, экономического обоснования, общих выводов, списка использованных источников и приложений, изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков и 23 таблицы. Список использованных источников включает 122 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель исследований, объект и предмет исследований, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. '

В первой главе «Состояние вопроса и задали исследования» рассмотрены основные сферы использования делительных устройств зернового потока, приведено влияние зерновой нагрузки на функционирование рабочих органов машин, а также рассмотрены конструкции и работа устройств деления зернового потока.

При рассмотрении сфер использования делительных устройств зернового потока было выявлено, что они нашли широкое применение в конструкциях зерноочистительных машин и агрегатов. Процесс деления зернового потока в зерноочистительных машинах решен эффективным образом. Однако машины остаются чувствительными к величине загрузки. Изучением влияния загрузки зерноочистительных машин занимались такие ученые как

Н.Г. Гладков, Н.М. Ивлиева, В.В. Кузнецов, А.Я. Малис, Г.Т. Павловский,

А.П. Тарасенко, З.Л. Тиц, Г.Д. Терсков. При неравномерном делении зернового потока происходит перегрузка машин одной технологической линии и недогрузка машин другой технологической линии. Применяемые устройства не позволят добиться необходимой точности деления зернового потока. Низкая точность деления зернового потока обусловлена тем, что поток не полностью заполняет входной патрубок, а ось его симметрии не совпадает с осью симметрии делительного устройства. Делители зернового потока можно разделить на устройства активного действия и пассивного. Устройства пассивного действия состоят, как правило, из неподвижных частей и не могут перераспределять зерновой поток. У них отсутствует контролирующее устройство и поэтому они не обеспечивают высокой точности деления. Делители активного действия, как правило, состоят из подвижных частей и могут перераспределять зерновой поток. Они также могут выполняться с контролирующим устройством.

Существующие делительные устройства не отличаются высокой точностью деления потока. В связи с этим возникла необходимость создания делительного устройства с высокой точностью деления зернового потока.

Выравнивание зернового потока обеспечивают путем регулирования подачи сыпучего материала на делитель в зависимости от показания контролирующего устройства.

Принцип действия устройства основан на работе автоматических систем и не требует воздействия на процесс из вне. Такое устройство обеспечивает в автоматическом режиме деление зернового потока с требуемой точностью.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

• Провести анализ показателей работы делителей зернового потока и обосновать направления их совершенствования.

• Разработать технологическую схему адаптивного делителя зернового потока.

• Разработать математическую модель процесса деления зернового потока на две части в адаптивном делителе.

• Исследовать процесс деления зернового потока в адаптивном делителе.

• Дать экономическую оценку эффективности применения адаптивного делителя зернового потока.

Во второй главе «Теоретические исследования рабочего процесса адаптивного делителя зернового потока» исследован характер изменения угла поворота коромысла в зависимости от равномерности деления зернового потока при заданных конструктивных параметрах устройства. Д ля этого рассматривали положение коромысла в состоянии равновесия (рисунок 1) и неуравновешенном состоянии (рисунок 2).

Рисунок 1 - Схема коромысла в состоянии Рисунок 2 - Схема коромысла в неуравно-

равновесия вешенном состоянии

Зависимость угла поворота коромысла от величины равномерности деления зернового потока исследовали по формуле

4 $¿><7

<»

где 5 - площадь сечения зернового потока при равномерном делении, м ; К - масса коромысла, кг;« - величина площади сечения зернового потока на которую изменятся оба потока при неравномерном делении, м2; Ъ - половина длины плеча коромысла, м;<т- удельная масса зернового вороха, кг/м3; р - половина угла между плечами коромысла, град.

Угол поворота коромысла зависит от его конструктивных особенностей, удельной массы и площади сечения поступающего зернового вороха.

Площадь сечения зернового потока, поступающего в адаптивный делитель, приближенно напоминает собой круг. Рассмотрим окружность на координатной плоскости (рисунок 3).

Уравнение окружности с центром в начале координат имеет вид: х2-+у2=гг, тогда площадь сечения меньшего зернового потока поступающего на одно плеч коромысла определяется по формуле:

Рисунок 3 - Площадь сечения зернового потока при делении на две части

(£ -5) = 2 ^ліг2 - х2сіх - 2 j\ir2-x2dx,

Н соэ В-У„ 7

(2)

где Хг - смещение зернового потока, м ; Уп - скорость перемещения гибкого зернопровода, м/с; / - время перемещения гибкого зернопровода, с; Н — высота гибкого зернопровода, м; г - радиус зернового потока поступающего в делитель, м; Р - угол наклона делительного устройства к горизонту, град.

Площадь сечения зернового потока поступающего на другое плечо коромысла будет большей, ее можно вычислить по формуле:

Хг-У„-1_______ Н С05 Р~У„-1___

(51 + .у) = 2 ^¡г2-х2ск = 2 ^/г2 - х2 с1х.

-г -г (3)

При равномерном делении зернового потока площади его сечений, поступающие на левое и правое плечо коромысла, будут одинаковыми и составят:

Г _________

5 = 2 [ ¡г2 -х2с1х.

о (4)

Величина площади сечения, на которую изменятся оба потока после разделения, при неравномерном делении равняется:

хг-Ул-1__________ Н соэ 0-У.-1______

,у = 2 Гг2 - х2 <Лх =2 \'!г2 - х 2с1х.

о о (5)

На рисунке 4 представлена зависимость угла поворота коромысла а от величины смещения зернового потока в адаптивном делителе А при различных коэффициентах заполнения входного патрубка у/.

Как видно из рисунка 4 зависимость величины угла поворота коромысла от смещения зернового потока относительно оси делителя носит практически прямолинейный характер до некоторого значения Д. При увеличении смещения зернового потока больше некоторой величины Д, угла поворота коромысла останавливается на некотором значение. Этот момент обусловлен тем, что зерновой поток целиком попадает только на ОДНО плечо коромыс- Рисунок 4 - Зависимость утла поворота коромысла ла. а от величины смещения зернового потока Д

Дальнейшее смещение потока не приводит к изменению угла поворота коромысла.

При смещении зернового потока относительно делителя будут изменяться площади сечения зерновых потоков поступающих на коромысло и как следствие, их расход. Определим влияние смещения зернового потока Д относительно делителя на коэффициент равномерности деления К при различных коэффициентах заполнения у/ входного патрубка.

Изменение коэффициента равномерности деления зернового потока К от величины смещения Д при различных коэффициентах заполнения входного патрубка у представлено на рисунке 5.

При увеличении смещения зернового потока Д относительно делителя происходит снижение коэффициента равномерности деления К. При уменьшении коэффициента заполнения входного патрубка у/ коэффициент равномерности деления К снижается значительно интенсивнее, чем при более высоком коэффициенте заполнения у/.

Рассмотрим движение зернового потока в делительном устройстве (рисунок 6). Поток при делении будет двигаться по траекториям 1-2-3-4 и 1-2-3-

5.

Скорость движения зернового потока в выходном патрубке с меньшим расходом зерна определяется по формуле: v4 ~ :vi +2-g\L{smco-f cos¿y)+tf(sin/?~/cos/7)+2¿{sin(^+a)-/cosl^+a)}],

(6)

где v/ - начальная скорость движения зернового потока, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с; L - длина подающего зернопровода, м;/- коэффициент трения зерна; Н — высота отклоняющегося гибкого трубопровода, м, со - угол наклона подающего зернопровода к горизонту, град; а - угол поворота коромысла, град; р - угол наклона делительного устройства к горизонту, град; b - половина длины плеча коромысла, м;ср- половина угла между плечами коромысла, град.

Скорость движения зернового потока в выходном патрубке с большим расходом зерна определяется по формуле:

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента равномерности деления К от смещения зернового потока Д

v5 =д/Ц2 + 2-g-[£(sina>-/cosw)+tf(sin/J-/cos/?)+2£{sin(<p-a)-/cos(?> a)}].

Тогда расход через один выходной патрубок составит Q*«*=crvs-(S+s), а расход через другой выходной патрубок- Qmax-o-vr(S-s).

Уравнение описывающее процесс деления зернового потока в адаптивном делителе

L(sino) - /cos со + Я(sin р - /С08 Р) + 2М 8ІГ

ip + urc/g

JVr1-x’dr

R + 8i»<7 Jvr* -iJdx

■f cos

jVr’ -x'dx

R + iavjJr1 "^x'dx

¿(sin6) - y"cos <u) +H(sin p - f cos Д) + 2b'

- arctg

Hcmf-Vj__________

ib<j |Vr*

-/cos

_______ '

8b<r j-Jr' -x*dx

‘ —tg<p

R + Zba -x’dr

-r’dr

(8)

Величина коэффициента равномерности деления зависит от многих факторов, таких как начальная скорость потока, углы наклона подающего зернопровода и делительного устройства к горизонту, площади сечения зерновых потоков в выходных патрубках и физико-механических свойств зернового потока.

Адаптивный делитель способен перераспределять зерновые потоки между входными патрубками в зависимости от показания контролирующего устройства.

Для определения времени выравнивания зернового потока в адап тивном делителе воспользуемся мате матической моделью процесса его де ления. При отклонении серийного де лительного устройства от вертикально го расположения коэффициент равно мерности деления будет снижаться.

Определим время необходимое для выравнивания зернового потока до Я=1 при различных коэффициентах заполнения у входного патрубка и различных углах наклона адаптивного делителя к горизонту р.

Изменение коэффициента равно- зернового потока при делении

мерности К с течением времени I при различных углах наклона адаптивного делителя к горизонту Р и различных коэффициентах заполнения у входного патрубка представлено на рисунке 7.

в) При коэффициенте заполнения у/=0,4 г) При коэффициенте заполнения уг=0,2

Рисунок 7 - Время выравнивания зернового потока в адаптивном делителе при различных углах /? и коэффициентах заполнения входного патрубка у/.

Время выравнивания зернового потока уменьшается при увеличении угла наклона адаптивного делителя к горизонту и снижении коэффициента заполнения его входного патрубка. Изменение коэффициента равномерности деления зернового потока во времени носит нелинейный характер.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложена программа и методики экспериментальных исследований. Программа предусматривала исследовать: физико-механические свойства компонентов зернового вороха, факторы влияющие на процесс деления зернового потока, влияние конструктивно-технологических параметров адаптивного делителя на качество его работы, провести лабораторные исследования процесса деления зернового потока в адаптивном делителе.

Для проведения лабораторных опытов была использована лабораторная установка адаптивного делителя зернового потока. Принципиальная схема этой установки представлена на рисунке 8.

Адаптивный делитель состоит из входного патрубка 1, выходных 2 и 3, а также расположенного во входном патрубке 1 распределителя потока в виде отклоняющегося гофрированного трубопровода 4 постоянного сечения с управляемым приводом, выполненным в виде передачи винт-гайка 5 с электродвигателем 6. Система управления привода выполнена в виде коромысла, состоящего из двух соединенных между собой лотков 9 и 10, размещенных по ходу движения зерна в выходных патрубках 2 и 3 на общей горизонтальной оси 11, и датчика углового положения последней в виде контакта 12,

установленного с возможностью взаимодействия с контактами 7 и 8 реле электродвигателя 6.

Адаптивный делитель потока сыпучего материала работает следующим образом.

Поток сыпучего материала через входной патрубок 1 поступает в управляемый гофрированный трубопровод 4, который направляет его в лотки 9 и 10, и далее к выходным патрубкам 2 и 3. При неравномерном делении зернового потока на одном из лотков 9 или 10 оказывается больше сыпучего материала, что приводит к повороту оси 11 лотков 9 и

10, а вместе с ней и контакта 12. В какой то момент контакт 12 замыкается с контактом 7 или 8, происходит включение реле и пуск электродвигателя 6. Посредством передачи винт-гайка 5 происходит перемещение вертикального отклоняющегося гофрированного трубопровода 4 в сторону выходного патрубка с меньшим расходом сыпучего материала, до того момента пока воздействие сыпучего материала на наклонные лотки 9 и 10 не выровняется, а контакт 12 не выйдет из соприкосновения с контактом 7 или 8. При равномерном делении сыпучего материала контакт 12 находится между контактами 7 и 8, электродвигатель 6 выключен.

На рисунке 9 представлен внешний вид адаптивного делителя зернового потока.

С целью исследования процесса деления зернового потока в зерноочистительном агрегате и выявления факторов влияющих на точность деления была изготовлена лабораторная установка.

а) вид спереди: 1 - входной патрубок; 2, 3 -выходные патрубки; 4 - отклоняющийся гофрированный трубопровод; 6 - электродвигатель; 9,10 - лотки, б) вид сзади: 5 -передача винт-гайка; 7, 8 — контакты реле электродвигателя; 11 — ось; 12 — контакт Рисунок 8 - Схема адаптивного делителя зернового потока

Рисунок 9 - Внешний вид адаптивного делителя зернового потока

Лабораторная установка (рисунок 10) представляла собой расположенный на опорах 2 бункер 1 снабженный заслонкой 4. К опорам 2 бункера 1 прикреплены продольные направляющие 3. Поперечные направляющие 6 располагали на продольных направляющих 3, с возможностью перемещения делительного устройства в горизонтальной плоскости. Делительное устройство 7 располагали между поперечными направляющими 6. Зерновой поток поступал из бункера 1 в делительное устройство 7 через наклонный зернопровод 5 расположенный под углом 45 градусов к горизонту. Перемещая делительное устройство 7 между поперечными направляющими 6 в горизонтальной плоскости, изменяли углы взаимного расположения подающего зернопровода 5 и делительного устройства 7. При этом длина зернопровода 5 оставалась неизменной. Зерновой поток, прошедший через делительное устройство 7 попадал в приемные емкости 8.

Экспериментальные исследования проводили в лаборатории кафедры сельскохозяйственных машин Воронежского государственного аграрного университета имени императора Петра I. В качестве объекта исследования использовали серийное и адаптивное делительные устройства. Обработку результатов исследований проводили с использованием методов математической статистики и пакета статистических программ 8ТАТ18Т1КА 7.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены результаты лабораторных исследований серийного и адаптивного делительного устройства зернового потока.

Лабораторные исследования серийного делительного устройства показали, что на равномерность деления зернового потока влияют углы наклона делительного устройства к горизонту ¡3 и углы взаимного расположения подающего зернопровода и делительного устройства у. На рисунке 11 представлена зависимость коэффициента равномерности деления зернового потока К от величин углов /? и у.

При величинах углов наклона отличных от 90 градусов происходит неравномерное деление зернового потока на две части.

1 - бункер с зерном; 2 - опоры; 3 - продольные направляющие; 4 - заслонка; 5 -наклонный зернопровод; 6 - поперечные направляющие; 7 - делительное устройство; 8 - приемные емкости Рисунок 10 - Схема лабораторной установки

Таким образом, при отклонении подающего зернопровода и \

делительного устройства хотя бы

на 5 градусов от вертикального 0.4 ' '1

расположения приводит к умень- »4 ’ ■ ''

шению равномерности деления °4 ...

зернового потока до 0,85. Даль- ,,”( \

нейшее отклонение делительного о.,і '

устройства и подающего зернопровода приводит к снижению “[ і . I

равномерности деления потока. , I

Исследование серийного де- “к4-- «

лительного устройства показало “к^

его низкую ТОЧНОСТЬ деления, СВЯ- Д.-'/мг“ ' '^ґ'!і Во,8

7Є •’ Ф" ® 0.0

занную С отсутствием ВОЗМОЖНО- таЩ£^*> ¡§0-2

сти перераспределять зерновом рИСуНОК 11 -Зависимость коэффициента равно-поток между выходными патруб- мерности деления зернового потока К от великами. ЧИН углов /? и }’

При движении в делительном устройстве зерновой поток не полностью заполняет входной патрубок, а его ось симметрии не совпадает с осью симметрии устройства. В результате этого происходит неравномерное деление потока на две части. Результаты влияния смещения зернового потока относительно оси коромысла на коэффициент равномерности деления и величину угла поворота коромысла представлены на рисунке 12.

При снижении равномерности деления зернового потока происходит возрастание угла поворота коромысла.

При коэффициенте равномерности 0,85-0,95 наблюдается поворот оси коромысла на величину угла равную от 5 до 10 градусов. В большинстве случаев для современных зерноочистительных агрегатов величина равномерности равная 0,9 является приемлемой.

а, град 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6

4 4.-----

2

0 4....—

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

■...теоретическая зависимость

*— экспериментальная зависимость

Рисунок 12 - Зависимость угла поворота коромысла от величины коэффициента равномерности (при у/=П,6) Зависимость угла поворота оси коромысла от величины коэффициента равномерности деления зернового потока может быть описана математическим уравнением

а = -9,5\0КЪ + 31,43К2 - 54,2№+33,57, (4.3)

где К - коэффициент равномерности деления зернового потока; а -угол поворота коромысла, град.

Изменение коэффициента равномерности деления с течением времени в адаптивном делителе зернового потока показано на рисунке 13.

К о о

/ \/ \/

/ V V

0.4 :

6 1 0 1 і і 2 13 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2

Рисунок 13 - Изменение коэффициента равномерности деления зернового потока во

времени

Коэффициент равномерности деления зернового потока в адаптивном делителе являются непостоянной величиной и изменяются с течением времени. Исследование показало, что через некоторые промежутки времени наблюдается изменение коэффициента равномерности.

Можно различить зоны равномерного деления и зоны в которых поток выравнивается. В зонах равномерного деления коэффициент равномерности деления К приближается к единице. Зоны выравнивания зернового потока значительно короче зон равномерного деления, при этом средний коэффициент равномерности деления за время всего опыта составляет 0,93.

На рисунке 14 представлена зависимость коэффициента равномерности деления К от углов взаимного расположения подающего зернопровода и адаптивного делителя у, и углов его наклона к горизонту /г.

Как видно из рисунка 14 устройство делит зерновой поток с высокой точностью при углах наклона адаптивного делителя к горизонту больше 70 градусов.

При меньших углах происходит £',/wгi

заклинивание оси коромысла устройства и снижается чувстви- рИСуНОК 14. Зависимость коэффициента равно-тельность конструкции. мерности деления зернового потока от величин

Устройство позволяет де- углов а и/3

лить зерновой поток с точностью 0,92-0,95 практически при всех углах наклона подающего зернопровода и делительного устройства к горизонту. Таким образом, устройство может быть использовано в конструкции зерноочистительных агрегатов.

На рисунках 15 и 16 представлены зависимости коэффициента равномерности деления зернового потока К от углов наклона адаптивного делителя к горизонту р и углов его взаимного расположения и подающего зернопровода у при различных коэффициентах заполнения входного патрубка у/.

60 63 66 69 72 75 78 81 84 87 90 ?. при ф=о,8 при ф=о,б град

■ »-при (3=0,4 —при ф=0,2

Рисунок 15 - Зависимость коэффициента Рисунок 16 - Зависимость коэффициента

равномерности деления К от угла р при раз- равномерности деления К от угла у при различных коэффициентах заполнения ц/ личных коэффициентах заполнения у

При углах наклона делительного устройства к горизонту /? меньше 90 градусов (рисунок 15) происходит снижение коэффициента равномерности деления К при всех коэффициентах заполнения входного патрубка ц/. Уменьшение коэффициента заполнения входного патрубка приводит к снижению коэффициента равномерности. Так при у/=0,4 он снижается до 0,85-

0,87, а при (¡/=0,2 до 0,81-0,82. Снижение коэффициента заполнения у/ ниже

0,6 приводит к делению зернового потока с низкой равномерностью.

Величина коэффициента заполнения у/ оказывает влияние и на равномерность деления зернового потока, при различных углах взаимного расположения подающего зернопровода и делительного устройства у (рисунок 16). Так при коэффициенте заполнения у/ меньше 0,4 коэффициент равномерности К не поднимается выше 0,85 практически при всех углах у, исключение составляют углы близкие к 90 градусам. При увеличении коэффициента заполнения у/ до 0,6 происходит повышение коэффициента равномерности деления зернового потока К до 0,92. Подводя итог, следует сказать, что снижение коэффициента заполнения входного патрубка у/ ниже 0,6 приводит к делению зернового потока с низким коэффициентом равномерности, что не-удовлетворяет технологическим требованиям современных зерноочистительных агрегатов и комплексов.

В пятой главе «Экономическое обоснование эффективности применения адаптивного делителя зернового потока» получено, что годовой экономический эффект от использования адаптивного делителя достигает 101760 руб, а срок окупаемости капитальных вложений не превышает одного сезона работы устройства. Это доказывает, что замена серийного делительного устройства адаптивным делителем зернового потока экономически целесообразна.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Проблема деления зернового потока в современных зерноочистительных агрегатах и комплексах решена не полностью, в результате чего происходит перегрузка одной и недогрузка другой технологических линий, что приводит к снижению качества получаемого зерна или производительности. Обзор известных делительных устройств показал, что существующие конструкции не обеспечивают достаточной точности деления зернового потока, а следовательно и оптимальную загрузку машин.

2. Разработана технологическая схема адаптивного делителя зернового потока (патент на изобретение №2415070 от 7.12.09). Устройство позволяет в автоматическом режиме перераспределять зерновые потоки между выходными патрубками в зависимости от их соотношения. Делительное устройство обеспечивает деление зернового потока с точностью 0,92 - 0,95.

3. Разработана математическая модель процесса деления зернового потока в адаптивном делителе, позволяющая определять равномерность деления в зависимости от скорости потока, величины углов наклона подающего зернопровода и делителя к горизонту и площади сечения потока. Модель доказывает возможность и целесообразность применения предложенного технического решения.

4. Установлено, что изменение угла поворота коромысла адаптивного делителя зависит от равномерности деления потока. При снижении равномерности деления зернового потока происходит возрастание угла поворота коромысла адаптивного делителя. Выявлена возможность использования коромысла для определения соотношения зерновых потоков в выходных патрубках устройства.

5. Экспериментально подтверждена взаимосвязь между коэффициентом равномерности деления К и величинами углов наклона делительного устройства к горизонту /? и подающего зернопровода к делительному устройству у. При углах наклона отличных от 90 градусов происходит снижение равномерности деления зернового потока.

6. Установлено, что время выравнивания зернового потока с коэффициентом равномерности К= 0,75 составляет 1,5 секунды, а время через которое происходит изменение потока составляет 6 секунд. Малое время выравнивания зернового потока позволяет добиться точности его деления не ниже 0,92.

7. В результате проведенных лабораторных исследований установлено, что применение адаптивного делителя зернового потока обеспечивает точность деления 0,92-0,95 при его отклонении до 20 градусов от вертикали и при взаимном расположении подающего зернопровода к делителю под углом от 60 до 90 градусов. Устройство способно делить поток с высокой точностью при коэффициентах заполнения входного патрубка 1/=0,4-1.

8. Годовой экономический эффект от использования устройства составляет 101760 руб., а срок окупаемости капитальных вложений не превышает одного сезона работы. Замена серийного делительного устройства адаптивным делителем зернового потока экономически целесообразна.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Кузнецов, В.В. Совершенствование деления зернового потока / В.В. Кузнецов, В.Г. Козлов, П.С. Востриков // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2010. - №10. - С. 10-11.

2. Кузнецов, В.В. Теоретические предпосылки создания адаптивного делителя зернового потока / В.В. Кузнецов, П.С. Востриков // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. - 2010. - №2 (25). - С. 21-23.

Публикации в описаниях к изобретениям

3. Патент 2326043 РФ, МКП В 65 в 53/56, В 65 О 11/00. Устройство для разделения потока сыпучего материала / В. В. Кузнецов, Е. А. Извеков, П. С. Востриков. 2006143914/11; Заявлено 11.12.2006; опубликовано 10.06.2008, Бюл. №16.

4. Патент 2415070 РФ, МКП В 65 в 53/56, В 65 О 11/20, В 65 О 65/00, В 65 в 69/00. Адаптивный делитель потока сыпучего материала / В. В. Кузнецов, П. С. Востриков, Е. А. Извеков. 2009145228/11; Заявлено 07.12.2009; опубликовано 27.03.2011, Бюл. №9.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

5. Кузнецов, В.В. Влияние угла наклона делительного устройства на равномерность деления зернового потока / В.В. Кузнецов, П.С. Востриков // Молодежь и аграрная наука XXI века: проблемы и перспективы (материалы международной научно- практической конференции студентов и аспирантов, г. Курск, 13-14 мая 2009 г.). - Курск: ФГОУ ВПО КГСХА, 2009. - С. 105-108.

6. Кузнецов, В.В. Новое делительное устройство зернового потока /

В.В. Кузнецов, П.С. Востриков // Инновационные технологии механизации сельскохозяйственного производства: сборник научных трудов. - Воронеж: ФГОУ ВПО ВГАУ, 2009. - С. 21-25.

7. Востриков, П.С. Многоканальный делитель зернового потока / П.С. Востриков // Ресурсосберегающие технологии в сельскохозяйственном производстве и технические средства их реализации (материалы межрегиональной научно-практической конференции, г. Воронеж). - Воронеж: ФГОУ ВПО ВГАУ,2009.-С. 31.

8. Кузнецов, В.В. Обоснование величины коэффициента неравномерности деления зернового потока / В.В. Кузнецов, П.С. Востриков // Вестник

Воронежского государственного аграрного университета. - 2009. - №1 (20). -

С. 43-46.

9. Востриков, П.С. Обеспечение оптимальной загрузки агрегатов путем деления зернового потока / П.С.Востриков // Инновационные технологии и технические средства для АПК (материалы научно-практической конференции молодых ученых, г. Воронеж, 12-13 мая 2009 г.). - Воронеж: ФГОУ ВПО ВГАУ, 2009. - С. 242-246.

10. Кузнецов, В.В. Исследование процесса деления зернового потока /

В.В. Кузнецов, П.С.Востриков // Агрожурнал МГАУ. - 2009. - №12.

11. Востриков, П.С. Адаптивный делитель зернового потока / П.С. Востриков // Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (тезисы докладов, г. Воронеж, 12-13 ноября 2009 г.) - Воронеж: ФГОУ ВПО ВГТА, 2009. - С. 236-238.

12. Востриков, П.С. Формирование зерновых потоков в зерноочистительных агрегатах / П.С. Востриков // Научное обеспечение агропромышленного производства (материалы международной научно-практической конференции, Ч.З, г. Курск, 20-22 января 2010 г.) - Курск: ФГОУ ВПО КГСХА, 2010.-С. 111-112.

Гарнитура Таймс. Формат 60х801/м. Бумага кн.-журн.

Уел. п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 5673.

Типография ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ, 394087, Воронеж, ул. Мичурина, 1.

61 12-5/1929

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени императора Петра I»

На правах рукописи

Востриков Павел Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АДАПТИВНОГО ДЕЛИТЕЛЯ ЗЕРНОВОГО ПОТОКА

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства (технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор В.В. Кузнецов

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор А.П. Тарасенко

ВОРОНЕЖ-2011

АННОТАЦИЯ

В последнее время наблюдается устойчивая тенденция повышения урожайности зерновых культур. Она обуславливает рост производительности современных зерноочистительных агрегатов и комплексов. Увеличение производительности агрегатов сопровождается возрастанием количества параллельно работающих технологических линий. При этом возникает необходимость деления зернового потока на две или более частей. Неравномерность деления зернового потока приводит к перегрузкам одной и недогрузкам другой технологической линии. Вследствие чего происходит перегрузка машин одной технологической линии, снижение качества получаемого зерна. Недогрузка же машин второй технологической линии сопровождается снижением их производительности. Существующие делительные устройства не обеспечивают высокой точности деления зернового потока. Поэтому вопрос равномерной загрузки машин многопоточных зерноочистительных агрегатов является актуальным. Предполагается разработать конструкцию нового делительного устройства, способного с высокой точностью перераспределять зерновые потоки в зависимости от требуемой величины производительности каждой линии. Это позволит обеспечить оптимальную загрузку зерноочистительных машин и повысить качество получаемого зерна.

В работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерностей процессов деления зернового потока на две части, разработана технологическая схема адаптивного делителя зернового потока, разработана математическая модель процесса деления зернового потока в адаптивном делителе и обоснована экономическая эффективность работы устройства в составе зерноочистительного агрегата.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................10

1.1. Влияние зерновой нагрузки на функционирование рабочих органов зерноочистительных машин..............................................................................10

1.1.1. Влияние зерновой нагрузки на показатели работы воздушной очистки.............................................................................................................10

1.1.2. Влияние зерновой нагрузки на показатели работы решетных зерноочистительных машин..........................................................................12

1.1.3. Влияние зерновой нагрузки на показатели работы триерных устройств..........................................................................................................15

1.2. Использование делителей зернового потока в технологических процессах зерноочистительных машин, агрегатов и комплексов................17

1.2.1. Технологические процессы зерноочистительных машин................17

1.2.2. Технологические процессы зерноочистительных агрегатов и комплексов.......................................................................................................19

1.3. Конструктивные решения делителей зернового потока.........................23

1.4. Предлагаемый путь повышения точности деления зернового потока на две части..............................................................................................................38

1.5. Цель и задачи исследования......................................................................39

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА АДАПТИВНОГО ДЕЛИТЕЛЯ ЗЕРНОВОГО ПОТОКА..................................40

2.1. Конструктивное решение адаптивного делителя зернового потока.....40

2.2. Понятие о равномерности деления зернового потока.............................41

2.3. Чувствительность адаптивного делителя зернового потока..................42

2.4. Математическая модель процесса деления зернового потока в адаптивном делителе.........................................................................................47

2.5. Определение конструктивно-технологических параметров адаптивного

делителя...............................................................................................................54

Выводы................................................................................................................61

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................................63

3.1. Программа экспериментальных исследований........................................63

3.2. Объект исследования и используемая экспериментальная установка.. 64

3.3. Методика исследования физико-механических свойств компонентов зернового вороха................................................................................................68

3.4. Методика исследования факторов влияющих на процесс деления зернового потока................................................................................................70

3.5. Методика исследования влияния конструктивно-технологических

параметров адаптивного делителя зернового потока на качество его работы

..............................................................................................................................73

3.6. Методика исследования процесса деления зернового потока в адаптивном делителе.........................................................................................77

3.7. Статистическая обработка данных и проверка их достоверности.........79

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.................81

4.1. Исследование физико-механических свойств компонентов зернового вороха..................................................................................................................81

4.2. Исследование факторов влияющих на процесс деления зернового потока..................................................................................................................82

4.3. Влияние конструктивно-технологических параметров адаптивного делителя на качество его работы......................................................................84

4.4. Лабораторные исследования процесса деления зернового потока в адаптивном делителе.........................................................................................91

Выводы................................................................................................................96

5. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АДАПТИВНОГО ДЕЛИТЕЛЯ ЗЕРНОВОГО ПОТОКА.....98

5.1. Исходные данные для проведения экономической оценки эффективности применения адаптивного делителя зернового потока........98

5.2. Расчет показателей эффективности применения адаптивного делителя зернового потока..............................................................................................102

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.............................................................................................108

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................123

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей агропромышленного комплекса Российской Федерации является обеспечение продовольственной безопасности населения, которое можно достичь путем увеличения объема производства зерна. Необходимость дальнейшего наращивания объемов производства сельскохозяйственной продукции обуславливает повышение требований к послеуборочной обработке зерна [111].

В связи с этим, важное значение приобретает улучшение технологических и эксплуатационных показателей работы зерноочистительных агрегатов.

На данный момент времени наиболее производительными считают поточные технологические линии [8]. Большинство из них состоят из: аспирационной машины предварительной очистки, воздушно-решетной машины первичной очистки, триерного блока и пневмосортировального стола. Все машины соединены посредством шнековых или скребковых транспортеров, норий или трубопроводов.

Важным условием качественной работы зерноочистительных агрегатов является условие обеспечения оптимальной загрузки их технологических линий [35, 97]. Отклонение величины загрузки зерноочистительных машин в большую сторону сопровождается снижением качества получаемого товарного зерна и увеличением доли полноценного зерна в отходах. Снижение же величины загрузки отражается на производительности машины. В связи с этим возникла необходимость обеспечения оптимальной загрузки агрегатов путем более точного деления зернового потока.

В работе, мы предлагаем использовать вместо серийного делительного устройства адаптивный делитель зернового потока. Его использование позволит обеспечить более точное деление зернового потока, что позволит

добиться оптимальной загрузки агрегатов и исключить перегрузку одних и недогрузку других технологических линий.

Представленная диссертационная работа по теме: «Обоснование конструктивно-технологических параметров адаптивного делителя зернового потока» выполнена на кафедре «Сельскохозяйственные машины» Воронежского государственного аграрного университета имени императора Петра I. Исследования соответствуют специальности 05.20.01 «Технологии и средства механизации сельского хозяйства».

Целью настоящей работы является обеспечение оптимальной загрузки двух параллельных технологических линий зерноочистительных агрегатов путем повышения точности распределения зернового потока между ними.

Объекты исследований - процесс деления зернового потока на две

части.

Предмет исследования - закономерности процесса деления зернового потока на две части.

Практическая значимость. Использование адаптивного делителя позволит обеспечить оптимальную загрузку машин зерноочистительного агрегата, за счет повышения точности деления зернового потока на две части. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при проектировании, настройке и эксплуатации адаптивных делителей зерновых потоков.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Разработана технологическая схема адаптивного делителя позволяющая делить зерновой поток с необходимой точностью.

2. Разработана математическая модель процесса деления зернового потока на две части, позволяющая определить коэффициент равномерности деления потока и отличающаяся учетом основных параметров адаптивного делителя.

3. Получены закономерности позволяющие определить рациональные параметры и режимы работы адаптивного делителя.

На защиту выносятся:

1. Технологическая схема адаптивного делителя зернового потока;

2. Математическая модель процесса деления зернового потока на две части, учитывающая основные параметры адаптивного делителя и позволяющая определить коэффициент равномерности деления потока;

3. Закономерности, определяющие рациональные параметры и режимы работы адаптивного делителя;

4. Результаты исследований процесса деления зернового потока в адаптивном делителе.

5. Экономическая оценка эффективности применения адаптивного делителя зернового потока.

Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научных конференциях Воронежского государственного аграрного университета (2009, 2010 г), Рязанской государственной сельскохозяйственной академии (апрель 2009 г.), Московского государственного агроинженерного университета (июнь 2009 г.), Курской государственной сельскохозяйственной академии (январь 2010 г).

Всего по теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 статьи напечатаны в изданиях, рекомендованных в перечнях ВАК:

1. Кузнецов, В.В. Совершенствование деления зернового потока / В.В. Кузнецов, В.Г. Козлов, П.С. Востриков // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2010.-№10.-С. 10-11.

2. Кузнецов, В.В. Теоретические предпосылки создания адаптивного делителя зернового потока / В.В. Кузнецов, П.С. Востриков // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. - 2010. - №2 (25). -С. 21-23.

Получено 2 патента на изобретение:

Патент 2326043 РФ, МКП В 65 в 53/56, В 65 О 11/00. Устройство для разделения потока сыпучего материала / В. В. Кузнецов, Е. А. Извеков, П. С. Востриков. 2006143914/11; Заявлено 11.12.2006; опубликовано 10.06.2008, Бюл. №16.

Патент 2415070 РФ, МКП В 65 в 53/56, В 65 в 11/20, В 65 в 65/00, В 65 в 69/00. Адаптивный делитель потока сыпучего материала / В. В. Кузнецов, П. С. Востриков, Е. А. Извеков. 2009145228/11; Заявлено 07.12.2009; опубликовано 27.03.2011, Бюл. №9.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Влияние зерновой нагрузки на функционирование рабочих органов зерноочистительных машин

1.1.1. Влияние зерновой нагрузки на показатели работы воздушной очистки

Величина загрузки зерноочистительных машин, разделяющих ворох по аэродинамическому признаку, оказывает влияние на качество их работы [19, 36, 51, 64, 69]. Работа этих машин характеризуется рядом показателей, среди которых эффект очистки, полнота выделения и четкости сепарирования.

По данным Малиса А. Я. [64] перегрузка воздушной очистки негативно сказывается на эффекте очистки. На рисунке 1.1 показана зависимость эффекта очистки ц зерна от удельной загрузки д при 5=150 мм, Н=800 мм, м>0 =0,3 м/с и у=5,5 м/с (В и Я-размеры пневмосепарирующего канала, и^-начальная скорость частиц материала при входе в канал, у-средняя скорость воздушного потока).

Под величиной удельной зерновой нагрузки д пневмосепарирующего канала понимается количество зерна, приходящееся в единицу времени на единицу длины пневмосепарирующего канала (кг/м с).

Эффект очистки г} представляет собой отношение массы примесей, выделенных из зерна, к массе примесей в исходной зерновой смеси, которые могут быть выделены воздушным потоком,

Щ= (1.1) где А- масса отходов в кг; а- количество нормального зерна в отходах в долях от массы отходов; Б- масса примесей в исходной зерновой смеси, которые могут быть выделены воздушным потоком, в кг.

п

ч, /о

60 40 20

О. 3 6 9 укг/мс

Рис. 1.1 - Зависимость эффекта очистки ц зерна от удельной загрузки д

Исследования, проведенные Г. Д. Терсковым [100] с целью сравнения работы вертикального, горизонтального и наклонного потоков, также показали, что величина загрузки оказывает влияние на полноту разделения зернового вороха (рисунок 1.2). Величина загрузки в опытах выражалась коэффициентом концентрации. Под коэффициентом концентрации понимали содержание зернового вороха в единице объема воздушного канала.

С увеличением коэффициента концентрации происходит снижение полноты разделения для вертикального и горизонтального потоков, а для наклонного воздушного потока максимальная полнота выделения имеет место при определенной загрузке, отклонения в обе стороны от которой снижает полноту выделения.

Р

ю 0,8

0,6 ОЛ

от т 0,2 0.3 0,5 0,7 1 2 А кг/м'"

А - вертикальный воздушный поток; В - горизонтальный воздушный поток;

С - наклонный воздушный поток Рисунок 1.2 - Зависимость полноты разделения р от коэффициента концентрации зернового вороха /л в пневмосепараторах с различным направлением воздушного потока

Зависимость четкости сепарирования от удельной загрузки отметил З.Л. Тиц [99]. С увеличением четкости сепарирования, происходит возрастание содержания тяжелых фракций в выделенной легкой, что недопустимо в работе машин основанных на аэродинамических свойствах семян.

Таким образом, для качественной работы машин с воздушным потоком необходимо обеспечивать их оптимальную загрузку, исключая их перегрузку и недогрузку.

1.1.2. Влияние зерновой нагрузки на показатели работы решетных зерноочистительных машин

Решета разделяют зерновой ворох по толщине и ширине зерновок. Различают качественные и количественные показатели работы решет.

В

% \ Ч \ Ч тят тт,^ С

\\ \ % \ * \

Главным количественным показателем является пропускная способность решета. Качественную оценку работы решет можно дать с помощью полноты выделения и засоренности продукта, очищенного на данном решете.

Изучением интенсивности влияния удельной зерновой нагрузки на решета занимались ученые Г. Д. Терсков [101], И. А. Резниченко [82], 3. Л. Тиц [99] и др. [30, 53, 58, 85, 112].

По данным Г. Д. Терскова [101] удельная нагрузка на решето влияет на засоренность очищенного зерна. Для подсевного решета зависимость засоренности получаемого зерна от удельной нагрузки представлена на рисунке 1.3.

1,0

О 0,5 1Д 1,5 %мг/м2с

Рисунок 1.3 - Зависимость засоренности очищенного зерна д от удельной

нагрузки на подсевное решето

Как видно из рисунка 1.3 с увеличением удельной нагрузки на подсевное решето происходит возрастание засоренности. Под засоренностью понимают количество сорняков, не выделенных решетом. Аналогичное явление отмечает и 3. Л. Тиц [99]. По его данным с увеличением удельной

нагрузки уменьшается засоренность для зерновых решет (рисунок 1.4) и увеличивается для подсевных решет.

4 % 3

2

1

О

/ 2 3 4 5 ц, кг/м'с

Рисунок 1.4 - Зависимость засоренности получаемого зерна <5 от удельной

нагрузки на зерновое решето ц

Гладков Н. Г. отмечает влияние удельной нагрузки зерна на полноту выделения и удельную просеваемость решета [66]. Он отмечает, что с увеличением нагрузки на единицу площади решета снижается полнота выделения примесей. Удельная просеваемость возрастает с увеличением нагрузки до определенного момента, после которого увеличе