автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования пневмосепаратора зерна путем оптимизации конструктивных параметров и режимов технологического процесса

На права^р<описи

БЛИНОВ

Борис Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПНЕВМОСЕПАРАТОРА ЗЕРНА ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Киров-2014

005554222

005554222

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждений высшего профессионального образования «Вятская государственная сельскохозяйственная академия» на кафедре «Сельскохозяйственные машины».

кандидат технических наук, доцент, Желобов Николай Васильевич, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Вятская государственная сельскохозяйственная академия», доцент кафедры «Эксплуатация и ремонт машинно -тракторного парка».

Максимов Павел Леонидович, доктор технических наук, профессор. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия», заведующий кафедрой «Сельскохозяйственные машины»;

Казаков Владимир Аркадьевич, кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого», старший научный сотрудник отдела механизации.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Марийский государственный университет».

Защита состоится 12 декабря 2014 года в 15— часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 006.048.01 при Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В.Рудницкого» по адресу: 610007, г. Киров, ул. Ленина, 166а, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В.Рудницкого» и на сайте niish-sv.narod.ru.

Автореферат разослан октября 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Глушков Андрей Леонидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших задач в работе агропромышленного комплекса России является производство зерна. Послеуборочная обработка - обязательное звено процесса производства зерна, поэтому внедрение новых эффективных энерго - ресурсосберегающих, экологически безопасных машин и оборудования имеет важное народнохозяйственное значение. Очистка зернового материала от неиспользуемых примесей важная составная часть послеуборочной обработки, в связи с чем, создание новых высокоэффективных зерно- и семяочистительных машин является целесообразным. Одним из путей повышения эффективности этих машин является оптимизация конструктивных параметров и режимов технологического процесса.

Степень разработанности темы. Проблемам повышения эффективности функционирования воздушных систем зерноочистительных машин посвящены труды авторов: A.B. Алешкина, B.JI. Андреева, B.JI. Анискина, М.А.Борискина,

A.И. Буркова, Е.Ф. Ветрова, Н.Г. Гладкова, В.В. Гортинского, А.Б. Демского,

B.М. Дринчи, Н.В. Жолобова, Б.В. Зевелева, Р.Ф. Курбанова, А.Я. Малиса, А.И. Нелюбова, Н.И. Окнина, О.П. Рощина, Н.П. Сычугова, Ю.В.Сычугова, А.К. Турова и многих других.

Их работы в значительной мере способствовали изучению факторов влияющих на эффективность процесса сепарирования компонентов зерновой смеси в воздушном потоке. В первую очередь это: аэродинамические свойства компонентов обрабатываемого материала; условия ввода и удельная подача зерновой смеси; количественные и качественные характеристики воздушного потока; форма, размеры и конструктивные особенности каналов воздушных систем.

Отмечая достаточно высокую степень научной разработанности темы диссертационного исследования, следует констатировать, что в работах вышеуказанных авторов не рассматриваются вопросы разделения компонентов зерновой смеси в кольцевых пневмосепарирующих каналах переменного сечения.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности функционирования пневмосепаратора зерна путем оптимизации конструктивных параметров и режимов технологического процесса.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи исследования:

- провести теоретические и экспериментальные исследования влияния конструктивных параметров вертикального пневмосепарирующего канала на качественные и количественные показатели его работы при различных удельных зерновых нагрузках;

- определить оптимальные конструктивные параметры и режимы технологического процесса пневмосепарирующего канала переменного сечения;

- разработать для замкнутого пневмосепаратора с вертикальным кольцевым пневмосепарирующим каналом схему и определить оптимальные конструктивные параметры радиального вентилятора с кольцевым нагнетательным и всасывающим каналами, а также зернопроводом, проходящим внутри колеса;

- оптимизировать конструктивные параметры замкнутого пневмосепара-тора с радиальным вентилятором и вертикальным кольцевым пневмосепари-рующим каналом;

— провести производственные испытания и определить эффективность работы замкнутой пневмосистемы с вертикальным кольцевым пневмосепари-рующим каналом постоянного и переменного сечения.

Объект исследования. Объектами исследования выбраны физико - механические свойства зерновых смесей, технологический процесс очистки зерна в пневмосепарирующих каналах постоянного и переменного сечения, пневмо-сепаратор зерна с вертикальным кольцевым пневмосепарирующим каналом и радиальным вентилятором, лабораторная установка для исследования технологического процесса очистки зерна в каналах постоянного и переменного сечения и установка для исследований радиального вентилятора с кольцевыми всасывающим и нагнетательным каналами.

Методология и методы исследований. Методика исследований предусматривала проведение теоретических изысканий по обоснованию возможности снижения расхода энергии и повышения эффективности очистки зерна в результате использования в воздушной системе зерноочистительной машины пневмосепарирующего канала переменного сечения. При этом оптимальные значения конструктивных параметров и режимов технологического процесса пневмосепаратора зерна определяли в процессе экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях. Также оценили экономическую и энергетическую эффективность разработанного пневмосепаратора зерна.

Теоретические изыскания и экспериментальные исследования проводились по стандартным и частным методикам. При обработке результатов экспериментов применялись методы математической статистики и теории планирования эксперимента.

Научная новизна работы. Разработан пневмосепарирующий канал переменного сечения (патент РФ на изобретете № 2228804) и пневмосепаратор с кольцевым пневмосепарирующим каналом (патент РФ на полезную модель №134458), применение которых при очистке зерна позволяет снизить энергозатраты и повысить эффективность выделения легких примесей.

Теоретически определены области оптимальных параметров пневмосепарирующего канала переменного сечения, обеспечивающие снижение расхода энергии на очистку зерна и повышение эффективности выделения легких примесей.

Разработан радиальный вентилятор с кольцевыми нагнетательным, всасывающим каналами и зернопроводом, проходящим через полый вал и проточную часть рабочего колеса.

Определены оптимальные параметры жалюзи направляющей решетки, установленной между осадочной камерой и кольцевым пневмосепарирующим каналом, при которых обеспечивается равномерное поле скоростей воздуха в зоне сепарации зерна.

Теоретическая и практическая значимость работы. Установлены оптимальные параметры и режимы технологического процесса пневмосепари-рующего канала переменного сечения. Создан пневмосепаратор зерна, обеспечивающий выделение легких примесей из зерновой смеси с высокой эффективностью и низким удельным расходом энергии при допустимых потерях полноценного зерна в отходы.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований определены рациональные конструктивно-технологические параметры основных рабочих органов пневмосепаратора зерна с вертикальным кольцевым сепарирующим каналом переменного сечения. Опытный образец пневмосепаратора внедрен в 2007 году в технологическую линию зерноочистительно-сушильного комплекса ЗАО «Агрофирма «Дороничи»» Кировской области.

Лабораторная установка и методика проведения исследований технологического процесса пневмосепарирующего канала с 2008 года используется при проведении лабораторной работы «Исследование рабочего процесса пневмосепарирующего канала зерноочистительной машины» со студентами инженерного факультета Вятской ГСХА. Лабораторная работа включена в рабочую программу по дисциплинам «Сельскохозяйственные машины» и «Машины и оборудование в растениеводстве».

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке модуля пневмосепарации зерноочистительной машины МЗМ - 30. Разработка машины осуществлялась совместно сотрудниками Вятской ГСХА и ЗАО «Агропромтехника» (г.Киров) и внедрена в производство в ОАО «ACT регион» (г.Арзамас Нижегородской области). Модуль пневмосепарации изготовлен в 2013 году, прошел заводские испытания и рекомендован в производство.

На защиту выносятся следующие положения:

- теоретическое обоснование возможности снижения расхода энергии и повышения эффективности выделения легких примесей в пневмо -сепарирующем канале переменного сечения;

- рациональные конструктивные параметры и режимы технологического процесса пневмосепарирующего канала переменного сечения;

- рациональные конструктивные параметры пневмосепаратора с кольцевым сепарирующим каналом: радиального вентилятора с кольцевыми нагнетательным, всасывающим каналами и зернопроводом, проходящим через полый вал и проточную часть рабочего колеса; жалюзи направляющей решетки между осадочной камерой и пневмосепарирующим каналом;

- результаты испытаний пневмосепаратора зерна с вертикальным кольцевым сепарирующим каналом переменного сечения.

Степень достоверности и апробация работы. Достоверность основных выводов подтверждена экспериментальными исследованиями, положительными результатами предварительных и производственных испытаний и эксплуатации пневмосепаратора зерна с вертикальным кольцевым сепарирующим каналом переменного сечения и замкнутой пневмосистемой.

Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены на науч-

ных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Вятской ГСХА (2002...2008 гг., 2013 г.) и ГНУ НИИСХ Северо-Востока Рос-сельхозакадемии (2007 г.).

По материалам исследований опубликовано 8 научных статей, получен патент РФ на изобретение и патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 160 страниц, 9 приложений, 60 рисунков и 5 таблиц. Список литературы включает 115 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены актуальность темы, научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследования» проведен анализ воздушных систем, сепарирующих и вспомогательных устройств зерно-и семяочистительных машин. На основании анализа технической и патентной литературы, а также научных работ A.B. Алешкина, B.JI. Андреева, B.JI. Ани-скина, М.А.Борискина, А.И. Буркова, Е.Ф. Ветрова, Н.Г. Гладкова, В.В. Гор-тинского, А.Б. Демского, В.М. Дринчи, Н.В. Жолобова, А.Я. Малиса, А.И. Не-любова, Н.И. Окнина, Н.П. Сычугова, Ю.В.Сычугова и других ученых установлено, что замкнутые пневмосепараторы более экологичны, компактны, имеют меньшую удельную материало - и энергоемкость, по сравнению с другими. Использование в замкнутой воздушной системе симметрично расположенных: вертикального кольцевого пневмосепарирующего канала, кольцевой осадочной камеры, радиального вентилятора и зернопровода, расположенного внутри полого вала привода колеса радиального вентилятора, способствует повышению эффективности выполнения технологического процесса и снижению удельного расхода энергии. Установлено, что значительное влияние на эффективность процесса разделения компонентов зерновой смеси в пневмосепараторе оказывает удельная нагрузка и равномерность скорости воздушного потока по длине и глубине аспирационного канала.

Поставлены задачи исследования.

Во втором разделе «Теоретические предпосылки повышения эффективности функционирования воздушной системы зерноочистительной машины» обосновывается возможность снижения энергозатрат на очистку зерна путем уменьшения расхода воздуха в воздушной системе.

Известно, что мощность, потребляемая генератором воздушного потока пневмосепаратора зернового материала, определяется:

где Ру - полное давление, развиваемое вентилятором, Па; Q - расход воздуха, м3/с;

7 - коэффициент полезного действия вентилятора.

Полное давление, развиваемое вентилятором, и необходимое для преодоления сопротивления АРс системы является функцией квадрата расхода воздуха в системе и равно:

Рг=АРс=Ксд2. (2)

Коэффициент сопротивления определяет гидравлическое сопротивление системы:

Р

ХЛ

д •

О)

Здесь р- плотность перемещаемой газовой среды, кг/м3; Л, — коэффициент сопротивления трения ¡- того участка трубопровода; /( - длина /— того участка трубопровода, м;

Ц — диаметр /- того участка трубопровода круглого сечения, либо эквивалентный диаметр Вз участка трубопровода прямоугольного сечения, м; - площадь поперечного сечения на /'- том участка трубопровода, м2; - площадь патрубка, через который отработавший воздух выводится из системы, м2;

£ - коэффициент местного сопротивления (учитывает расширение, сужение, поворот потока, сопротивление зернового слоя и т.д.).

С учетом выше изложенного выражение (1) сводится к виду:

I,

4,

Д - К К2 172

(4)

еых У V

Анализ выражения (4) говорит, что наиболее эффективное снижение энергозатрат возможно путем уменьшения расхода воздуха в воздушной системе без уменьшения её пропускной способности по очищаемому зерну.

Предложено снизить расход воздуха путем использования в воздушной системе зерноочистительной машины пневмосепа-рирующего канала переменного сечения (рисунок 1). У пневмосепарирующего канала переменного сечения в зоне сепарации зернового материала целесообразно выполнить сужение в виде вставки, состоящей из двух плоскостей. Плоскость АВ образует конфу-зорную область пневмосепарирующего канала, а плоскость ВЕ- диффузорную. Скорость воздуха в конфузорной области канала увеличивается по мере подъема вверх. Дифференцированное воздействие воздуш-

^- зерновой матэриал

- легкие примеси

Рисунок 1 — Схема очистки зернового материала в пневмо-сепарирующем канале переменного сечения

ного потока в конфузорной области на компоненты зерновой смеси, имеющие различные скорости витания и двигающиеся по различным траекториям, позволяет в большей степени рассеивать траектории и полнее выделять примеси.

Возможное относительное снижение потребляемой пневмосепаратором зерна с каналом переменного сечения энергии определялось по выражению

Э„=^М00%, (5)

где /V,— мощность, потребляемая вентилятором воздушной системы ЗОМ с пневмосепарирующим каналом постоянного сечения, кВт; Ы2 - мощность, потребляемая вентилятором воздушной системы ЗОМ с пневмосепарирующим каналом переменного сечения, кВт.

С учетом выражения (4) уравнение (5) сводится к виду:

а3 ка

э„ =

■100%, (6)

где <21 тл — расходы воздуха в пневмосепараторе соответственно с каналами постоянного и переменного сечения, м3/с;

/=; - площадь поперечного сечения пневмосепарирующего канала переменного сечения в зоне максимального сужения, м2;

Ксл - коэффициент сопротивления воздушной системы с каналом постоянного сечения.

Для определения расхода воздуха в каналах постоянного и переменного сечения рассчитывали траектории движения частиц зерновой смеси, вводимой в пневмосепарирующий канал со скоростью С0 под углом а0 (рисунок 2).

Известно, что при движении частицы зерновой смеси в пневмосепари-рующем канале на неё действуют сила тяжести т§ и сила сопротивления воздуха Я. Система дифференциальных уравнений движения частицы в проекциях на декартовы оси координат Ох и Оу имеет вид:

(тх = /? ;

■• -и» (7>

Уравнения (7) с учетом преобразований запишутся:

\х = -Цх- ох)у1(х - ох)2 + (у - ;

(У = + К (У - иу\](х- <~>х )2 + (>' ~ иу У >

где — коэффициент парусности частицы, м"'; g - ускорение силы тяжести, м/с2;

хну- соответственно проекции скорости частицы на оси Хи Г, м/с; ихии- проекции скорости воздушного потока на оси Хи У, м/с.

В канале постоянного сечения скорость воздуха по осям с учетом принятых допущений имеет постоянные значения:

к = 0;

(9)

где 0~ расход воздуха через пневмосепарирующий канал, м /с; а и Ь — глубина и ширина канала соответственно, м.

Для решения системы дифференциальных уравнений (8) используем метод Рунге-Кутта. Вначале производим расчеты траекторий движения компонентов зерновой смеси в пневмосепарирующем канале постоянного сечения. Глубина канала в расчетах составляет а=0,25 м, ширина ¿=1 м. В качестве исходной выбрана смесь семян пшеницы со скоростью витания о „ = 8,9 м/с; и -„ = 5,7 м/с и легких

кртах ' ? кр тш '

примесей со средней скоростью витания

и „ = 4 м/с.

крпр

Известно, что эффективный режим работы пневмосепарирующего канала можно определить по моменту начала потерь полноценного зерна в отходы. Предварительные исследования показали, что потери полноценного зерна начинаются, когда угол наклона траектории частиц зерна с минимальной скоростью витания в момент достижения противоположной стенки пневмосепарирующего канала достигает ав=120°. Вначале рассчитывали траектории движения частиц со скоростью витания икртт при

различных расходах воздуха. Расчет траектории движения зерновки производим до момента касания частицей противоположной месту ввода стенки (* = а). Угол, характеризующий наклон траектории зерновки в момент касания в точке В, определяем по выражению

Рисунок 2 - Траектории движения компонентов зернового материала в канале постоянного сечения

ав +

2 Ув

(10)

Здесь хв и ув слагающие скорости частицы в точке В, при х = а.

В результате обработки полученных результатов при ав = 120°, расход воздуха Q составил 1,55 м3/с. Данный расход воздуха полагаем оптимальным

для канала постоянного сечения.

При данном значении расхода воздуха производим расчет траекторий частиц, имеющих скорость витания икртах и икрпр.

Полноту выделения примесей можно оценить по рассеву траекторий компонентов зерновой смеси:

Аа = ал

(И)

где ап и ан - углы наклона траекторий соответственно частиц легких примесей и частиц зерна, имеющих максимальную скорость витания икртх1.

Расчеты показали, что в канале постоянного сечения при оптимальном расходе воздуха рассев траекторий составил А а = 98,7°.

Аналогично производим расчет траекторий движения компонентов зерновой смеси в канале переменного сечения (рисунок 3).

У

Рисунок 3 — К процессу сепарации зерна в канале переменного сечения: а - траектории компонентов зерновой смеси; б — скорости воздуха на конфузорном участке канала

В пневмосепарирующем канале переменного сечения скорость воздуха с учетом принятых допущений при у < уА подчиняется закономерности (9). При у > уА (конфузорный участок пневмосепарирующего канала) скорость воздуха (рисунок 3, б) равна:

°= b[a-(y-yA)-tgf}\ (12)

Здесь уА - координата точки А стыка плоскости А В вставки и внутренней стенки канала;

í3- угол наклона плоскости АВ.

В конфузорной зоне канала переменного сечения скорость воздуха по осям определится:

(vx = —v -sinff; [uy = и- eos

Угол, характеризующий направление вектора скорости воздух на конфузорном участке, можно принять равным:

Р-х

(13)

[a-{y-yA)-tgP\

(14)

Расчет траектории движения зерновок основной культуры со скоростью витания окртт продолжаем до момента касания зерновкой противоположной

стенки канала. На рисунке 4, а представлена расчетная зависимость значения расхода воздуха от угла /3 установки плоскости вставки в конфузорной части канала при различных значениях уА.

а б

Рисунок 4 - Влияние угла fi на показатели работы канала переменного сечения: а - расход воздуха; б - рассев траекторий; 1—уА = -0,025 м; 1-уА= - 0,050 м; 3-уА = -0,075 м; 4-уА= -0,100 м; 5-ул= -0,125 м;

Результаты расчетов показывают, что потенциальное снижение расхода воздуха тем выше, чем больше значение утла /? установки плоскости вставки в конфузорной части канала. При уА= -0,050 м начинается снижение расхода воздуха. Дальнейшее смещение точки А ниже по каналу (в расчетах до уА = — 0,125 м) увеличивает потенциал снижения расхода воздуха. Однако неограниченно снижать расход воздуха не представляется возможным, так как определенный минимально допустимый объем воздуха Отт должен проходить через пневмосепарирующий канал для транспортирования выделенных легких примесей.

Полноту выделения примесей в канале со вставкой по сравнению с каналом постоянного сечения оценим по рассеву семейства траекторий компонентов зерновой смеси. Величину рассева определим по выражению (11). Результаты представлены на рисунке 4, б.

Анализ полученных результатов показывает, что использование пневмо-сепарирующего канала переменного сечения позволяет увеличить рассев траекторий Да по сравнению с каналом постоянного сечения (Да = 98,7е). Косвенно это свидетельствует о возможности повышения полноты выделения легких примесей в канале переменного сечения по сравнению с каналом постоянного сечения. Наибольший потенциал повышения эффективности очистки зерна характеризуется рассевом траекторий Да =127° при уА=- 0,050 м и /3=60°.

Снижение расхода воздуха в пневмосепарирующем канале переменного сечения (рисунок 3, а) позволяет в соответствии с выражением (6) уменьшить мощность, потребляемую на очистку зернового материала от легких примесей. Расчетное относительное снижение потребляемой вентилятором пневмосепара-

1- >, = -0,025 м;

2- у= -0,050 м;

3- ул — —0,075 м;

4- у, = -0,100 м;

5- ^=-0,125 м;

Рисунок 5 - Зависимость относительного снижения потребляемой энергии Э„ от угла /? установки вставки в конфузор-ной части канала переменного сечения

Из анализа проведенных теоретических изысканий следует, что использование в воздушной системе зерноочистительной машины пневмосепари-рующего канала переменного сечения позволяет снизить по сравнению с каналом постоянного сечения потребление энергии на 12. ..35% при изменении факторов в диапазоне: ^=-0,125...-0,050 м; ¡5=21...47°. При том же диапазоне изменения факторов происходит рост рассева траекторий компонентов зерновой смеси в канале переменного сечения доДа=117.,.123° с Да = 98,7° в канале постоянного сечения, что свидетельствует о возможности повышения эффективности очистки зернового материала. В указанном диапазоне факторов координаты вершины В вставки (рисунок 3) равняются: хв =0,143... 0,195 м;

=0,033.. .0,041 м.

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» представлены программа экспериментальных исследований, общепринятые и частные методики, описаны экспериментальные установки, использованные приборы и оборудование.

Экспериментальные исследования пневмосепаратора зерна с вертикальным кольцевым пневмосепарирующим каналом переменного сечения (рисунок 6) проводились при установившемся рабочем режиме с удельными подачами зернового материала qF =15 кг/(м2-с) и qj; =25 кг/(м2-с). В качестве очищаемого зернового материала использовалась пшеница сорта «Иргина» влажностью около 14%. Содержание легких примесей в зерновом материале поддерживалось на уровне 5%.

Обработку результатов экспериментальных исследований проводили на персональном компьютере с помощью программ Slatgraphics Plus 5.1, Microsoft Excel и разработанной программы.

Рисунок 6 - Пневмосистема с вертикальным кольцевым пневмосепарирующим каналом: а - технологическая схема; б - общий вид; —» - поток очищаемого материала; —«и» - воздушный поток ; —- воздушный поток с легкими примесями; —о—- — легкие примеси; 1 — зернопровод; 2 — колесо радиального вентилятора; 3 — осадочная камера; 4 - кольцевой пневмосепарирующий канал; 5 - распределительный конус; 6 - приемник очищенного зерна; 7 - приемник легких примесей; 8, 9 - устройства вывода легких примесей и очищенного зерна; 10 - направляющая жалюзийная решетка; 11 —вставка местного сужения канала

Для снижения затрат на исследование работы вертикального кольцевого сепарирующего канала пневмосепаратора, представленного на рисунке 6, изготовлена лабораторная установка пневмосепаратора, схема которой представлена на рисунке 7, а. Для проведения экспериментальных исследований лабораторной установки пневмосепаратора изготовлен испытательный стенд, представленный на рисунке 7, б.

Работает он следующим образом. Зерновая смесь из бункера -накопителя 2 поступает в пневмосепарирующий канал 1 лабораторной установки. После очистки зерновой материал и выделенные примеси отводятся от пневмосепаратора по трубопроводам в загрузочное окно нории 3. Нория поднимает их, и в бункер - накопитель поступает зерновая смесь с исходными свойствами по засоренности. Таким образом, в испытательном стенде движение зернового материала и выделенных примесей осуществляется по замкнутому циклу, что обеспечивает стабильные показатели влажности и засоренности зернового материала в течении эксперимента.

а б

Рисунок 7 - Лабораторная установка пневмосепаратора: а - технологическая схема: 1,8- устройства вывода легких примесей и очищенного зерна; 2 - осадочная камера; 3 - диаметральный вентилятор; 4 - воздухоподводящий канал; 5 - пневмосепарирующий канал; 6 - заслонка для регулирования скорости воздуха в пневмосепарирующем канале; 7 - бункер загрузочный с заслонкой подачи зерновой смеси; б - стенд для исследований пневмосепаратора

При исследовании влияния конструктивных параметров вертикального пневмосепарирующего канала переменного сечения на эффективность функционирования воздушной системы зерноочистительной машины изменялись координаты хв и у„ точки В стыка плоскостей конфузорного и диффузорного участков вставки и углы установки плоскостей вставки р и у (рисунок 8),

".V

а

Рисунок 8 - Схема и общий вид пневмосепарирующего канала переменного сечения: а - глубина канала; х„, у„ - координаты точки В стыка плоскостей конфузорного и диффузорного участков вставки; Р, у - углы установки плоскостей местного сужения

Для оптимизации параметров радиального вентилятора применительно к конкретным условиям разрабатываемой схемы пневмосепаратора с вертикальным кольцевым сепарирующим каналом был изготовлен специальный стенд.

Вентиляторная установка состоит из асинхронного электродвигателя, колеса радиального вентилятора, всасывающего канала, кольцевого обвода корпуса вентилятора, выполняющего функцию канала нагнетания и зернопровода. Диаметр колеса вентилятора по наружным кромкам лопастей составляет ¡¿2= 400 мм, ширина колеса ¿>=200 мм, частота вращения колеса «=1420 мин"1.

В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований» изучено влияние конструктивных параметров пневмосепарирующих каналов постоянного и переменного сечений на показатели их работы, оценено качество воздушного потока.

При исследовании влияния местного сужения на процесс работы пневмо-сепарирующего канала изменялись следующие факторы: координаты точки В (хя; у в) стыка плоскостей вставки конфузорного и диффузорного участков канала, углы установки плоскостей вставки ум. /?. По результатам серии однофак-торных экспериментов реализован план Бокса - Бенкина второго порядка для трех факторов. Получены адекватные модели регрессии:

¥[; = 74,5 + 3,80 X, + 2,337Х2 - 1,037Х3 - 4,625Х/+2,175Х,Х2- 0,475Х;ХЭ -

- 4,30Х/ +0,95Х2Х3 - 2,80Х/, %; (15)

Уу = 400 + 0,462Х; - 45,750X2 + 17,187Х3 - 8,350Х/ + 1,325Х;Х2 - 0,550Х,Х3 -

- 4,325.x/ - 0,225X3X3 + 2,250Х/, м3/ч. (16)

На основании проведенного анализа определены рациональные значения изучаемых факторов: X, - высота расположения стыка плоскостей местного сужения канала, у в = (0,44 ... 0,46)а; Х2- величина сужения канала на уровне стыка плоскостей вставки, а - хц= (0,44 ... 0,46)<я; Х3 - угол сужения канала на конфузорном участке, р = 40°. При этом расход воздуха <2 в режиме предварительной очистки зернового материала снизился на 23% по сравнению с каналом постоянного сечения.

По результатам сравнительных опытов установлено, что использование канала переменного сечения позволяет повысить полноту выделения примесей по сравнению с каналом постоянного сечения на 8... 12% при нагрузках, соответствующих предварительной очистке зерна и на 5...6 %- первичной очистке. Расход воздуха снижается на 18...23%. Использование канала переменного сечения при вторичной очистке зерна позволяет снизить расход воздуха до 27% без изменения качества очистки зерна.

Для пневмосепаратора зерна с кольцевым пневмосепарирующим каналом (рисунок 6) разработан радиальный вентилятор с кольцевыми нагнетательным, всасывающим каналами и трубой зернопровода, проходящей внутри полого вала радиального вентилятора. При исследовании изменялись следующие факторы: диаметр цилиндрического корпуса в диапазоне с1„ = 1,4....2,2^; диаметр

загрузочного зернопровода, расположенного в проточной части колеса вентилятора в диапазоне ¿з=0,1...0,4й?2 при диаметре колеса по внутренним кромкам лопастей й?;=0,67^; углы установки лопаток вентилятора на внутреннем и наружном диаметрах колеса вентилятора в пределах: 5[ = 30...50 ; Ь2 = 10...20 ; количество лопаток радиального вентилятора ъ = 6; 8 и 10.

Максимальный КПД оптимизированного вентилятора составляет 72% при: диаметре обвода корпуса вентилятора й0=\,Ы2\ диаметре зернопровода ¿з=0,27й?2; ширине колеса Ъ=0,5й?2; внутреннем диаметре колеса ¿/;=0,75с6; углах установки лопаток на внутреннем и наружном диаметрах вентилятора соответственно 51 = 40°; 52 = 15° и количестве лопаток - 8 штук. Необходимые углы установки лопаток на внутреннем и наружном диаметрах колеса вентилятора обеспечиваются выполнением лопаток по спирали описываемой уравнением:

г = Е}..егЫ*1+ьг) (17)

2

где <р- угол разворота спирали;

3] - угол установки лопасти на внутреннем диаметре колеса; к- коэффициент, зависящий от угла д2 установки лопасти на наружном диаметре колеса.

Характеристики разработанного вентилятора с зернопроводом в проточной части и исходного вентилятора как без, так и с зернопроводом представлены на рисунке 9.

Рисунок 9 - Количественная характеристика вентилятора:

----колесо Ц-4—73 без

зернопровода;------- колесо

Ц-4-73 с зернопроводом

с13=0,27й?>;--колесо со

спиральными лопастями и зернопроводом й?5=0,27с^

Результаты исследования вентилятора использованы при проектировании и изготовлении пневмосепаратора зерна (рисунок 6).

В процессе исследования и оптимизации конструктивных параметров пневмосепаратора зерна с вертикальным кольцевым сепарирующим каналом количество жалюзи 2Ж направляющей решетки 10 (рисунок 6), установленной в окне между осадочной камерой и кольцевым пневмосепарирующим каналом, изменялось в диапазоне от 12 до 48 штук через 12 штук. При этом соответственно изменялся шаг установки жалюзи в диапазоне7=46... 184 мм. Угол в установки жалюзи изменяли в диапазоне от -30° до 30° с шагом 15°.

Установлено, что наиболее равномерное распределение воздушного потока в кольцевом пневмосепарирующем канале достигается при длине жалюзи

/=75 мм и их количестве 2Ж=ЪЬ. Угол установки жалюзи 0=0°. При этом коэффициент вариации скорости воздуха по периметру канала не превышает 2,5 %.

Экспериментальные исследования работы пневмосепаратора зерна с кольцевым каналом проводили как с вставкой образующей местное сужение в зоне сепарации, так и без неё. Сравнительные результаты исследования при удельной нагрузке 25 кг/(с-м2) представлены на рисунке 10.

Рисунок 10 - Зависимости полноты выделения примесей Е и удельного энергопотребления IV от потерь П3 полноценного зерна в отходы при удельной нагрузке с^р = 25 кг/(с-м2)

--канал постоянного сечения;---канал с вставкой

Анализ полученных результатов показывает, что использование в воздушных системах зерноочистительных машин пневмосепарирующего канала переменного сечения позволяет повысить полноту выделения примесей на величину до 12%. Потребляемая электродвигателем привода вентилятора мощность снижается на величину до 33%.

В пятом разделе. «Результаты испытаний пневмосепаратора зерна с вертикальным кольцевым сепарирующим каналом переменного сечения» приведены результаты производственных испытаний опытного образца пневмосепаратора зерна в ЗАО «Агрофирма «Дороничи»» г. Кирова.

В режиме предварительной очистки при пропускной способности 20...25 т/ч и потерях полноценного зерна в отходы не более 0,05% полнота выделения примесей, отделимых воздушным потоком, равнялась: пшеница «Ир-гина» влажностью 18 ... 26% и засоренностью до 16% - 55,2 ... 60,5%; ячмень «Зазерский» влажностью 32 ... 38% и засоренностью до 20% - 51,8 ... 57,9%. Потребляемая электродвигателем привода вентилятора мощность составила 1,27 ... 1,44 кВт. Удельное энергопотребление в режиме предварительной очистки составляет 0,051 ...0,058 кВтч/т.

В режиме первичной очистки при пропускной способности 15 т/ч и потерях полноценного зерна в отходы не более 0,5% полнота выделения примесей, отделимых воздушным потоком, равнялась: ячмень «Зазерский» влажностью

12 ... 14% и засоренностью до 9% - 63,9 ... 67,4%; овес «Улов» влажностью

13 ... 15% и засоренностью до 8%- 62,3 ... 65,9%. Потребляемая электродвига-

0 0,2 0,4 0,6 0,8 Л„%

телем привода вентилятора мощность составила 1,53 ... 1,87 кВт. Удельное энергопотребление в режиме первичной очистки составляет 0,085...0,096 кВтч/т.

Испытания в производственных условиях показали, что качество работы пневмосепаратора удовлетворяет агротехническим требованиям, предъявляемым к воздушным системам машин предварительной и первичной очистки. По результатам испытаний составлен акт внедрения.

Результаты научных исследований использованы при разработке модуля пневмосепарации зерноочистительной машины МЗМ - 30. Опытный образец модуля пневмосепарации по заявке ЗАО «Агропромтехника» в 2013 году изготовлен в ОАО «ACT регион» (г.Арзамас Нижегородской области), прошел заводские испытания. Качество работы модуля пневмосепарации удовлетворяет агротехническим требованиям, предъявляемым к воздушным системам зерноочистительных машин. По результатам испытаний модуль пневмосепарации зерноочистительной машины МЗМ - 30 рекомендован в производство

По результатам производственных исследований установлено, что применение пневмосепаратора зерна с вертикальным кольцевым сепарирующим каналом переменного сечения в режиме предварительной очистки позволяет повысить уровень интенсификации производства продукции по сравнению с машиной МПО - 50 на 36% и получить экономический эффект 5,33 руб/т .

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан пневмосепарирующий канал переменного сечения (патент №2228804 РФ). Местное сужение канала выполнено в виде вставки, состоящей из двух наклонных плоскостей, образующих конфузорную область в зоне сепарации зернового материала и диффузорную область выше по каналу. За счет местного сужения пневмосепарирующего канала в зоне сепарации достигается оптимальная структура воздушного и зернового потоков, что позволяет повысить полноту выделения примесей по сравнению с каналом постоянного сечения.

2. В результате теоретических изысканий установлено, что использование в воздушной системе зерноочистительной машины пневмосепарирующего канала переменного сечения позволяет снизить по сравнению с каналом постоянного сечения потребление энергии на 12. ..35% и одновременно увеличить рассев траекторий компонентов зерновой смеси в канале переменного сечения до Да =117... 123° по сравнению с Аа =98,7° в канале постоянного сечения, что позволяет повысить эффективность очистки зерна.

3. На основании экспериментальных исследований установлены оптимальные значения параметров канала переменного сечения: высота расположения вставки над основанием устройства ввода зернового материала Ув ~ (0,44 ... 0,46) глубины канала а; величина сужения канала а — хв= (0,44 ... 0,46)ег; углы установки плоскостей местного сужения /?- 40° и у = 45°.

Использование пневмосепарирующего канала переменного сечения по-

зволяет повысить полноту выделения примесей по сравнению с каналом постоянного сечения на 8... 12% при нагрузках, соответствующих предварительной очистке зерна и на 5...6 % - первичной очистке. Расход воздуха снижается на 18...23%. Использование канала со вставкой при вторичной очистке зерна позволяет снизить расход воздуха до 27% без изменения качества очистки зерна.

4. Для пневмосепаратора зерна с кольцевым сепарирующим каналом разработан радиальный вентилятор с зернопроводом проходящим внутри колеса через полый вал. Максимальный КПД вентилятора с зернопроводом диаметром (1,-0,21^2, достигает 72%.

5. Определены рациональные конструктивно — технологические параметры жалюзи направляющей решетки, установленной в окне между осадочной камерой и кольцевым пневмосепарирующим каналом. Наиболее равномерное распределение воздушного потока в кольцевом пневмосепарирующем канале достигается при длине жалюзи /=75 мм и их количестве 2ж=Ъв, при этом коэффициент вариации скорости воздуха по периметру канала не превышает 2,5 %.

6. Испытания пневмосепаратора зерна (патент РФ на полезную модель №134458) с вертикальным кольцевым сепарирующим каналом переменного сечения проведены в ЗАО «Агрофирма «Дороничи»» г. Кирова.

В режиме предварительной очистки вороха различных зерновых культур влажностью 18...38% и засоренностью 16...20% при пропускной способности 20...25 т/ч и потерях полноценного зерна в отходы не более 0,05% полнота выделения примесей, отделимых воздушным потоком, составляет 51,8...60,5%. Потребляемая электродвигателем привода вентилятора мощность составляет 1,27 ... 1,44 кВт. Удельное энергопотребление в режиме предварительной очистки составляет 0,051 ...0,058 кВт-ч/т.

В режиме первичной очистки различных зерновых культур влажностью 12...15% и засоренностью до 9% при пропускной способности 15 т/ч и потерях полноценного зерна в отходы не более 0,5% полнота выделения примесей, отделимых воздушным потоком, составляет 62,3 ... 67,4%. Потребляемая мощность составляет 1,53 ... 1,87 кВт. Удельное энергопотребление в режиме первичной очистки составляет - 0,085...0,096 кВт-ч/т.

По результатам производственных исследований установлено, что применение пневмосепаратора зерна с вертикальным кольцевым сепарирующим каналом переменного сечения в режиме предварительной очистки позволяет повысить уровень интенсификации производства продукции по сравнению с машиной МПО - 50 на 36% и получить экономический эффект 5,33 руб/т.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Жолобов, Н.В. Пневмосепаратор зернового материала / Н.В.Жолобов, Б.Ю.Блинов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009. -№4.-С. 13-16.

2. Жолобов, Н.В. Исследование работы пневмосепарирующего канала переменного сечения / Н.В.Жолобов, Б.Ю.Блинов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - №5. - С. 6 - 8.

3. Жолобов, Н.В. Ресурсосберегающий пневмосепаратор / Н.В.Жолобов, Б.Ю.Блинов, К.В.Маишев // Сельский механизатор. - 2013. - №6. - С. 12 -15.

4. Жолобов, Н.В. Результаты исследования радиального вентилятора для воздушных систем ЗОМ с кольцевым пневмосепарирующим каналом / Н.В.Жолобов, Б.Ю.Блинов // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: Межвузовский сборник научных трудов. - Киров: Вятская ГСХА, 2004,- Вып. 4,- С. 143-149.

5. Жолобов, Н.В. Результаты исследования радиального вентилятора с кольцевым всасывающим каналом / Н.В.Жолобов, Б.Ю.Блинов // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: Межвузовский сборник научных трудов. - Киров: Вятская ГСХА, 2006. - Вып. 6. Ч.З.- С. 84-88.

6. Жолобов, Н.В. Исследование рабочего процесса пневмосепарирующе-го канала /Н.В.Жолобов, Б.Ю.Блинов // Улучшение эксплуатационных показателей мобильной техники. - Киров: ВГСХА, 2007- 168с.

7. Жолобов, Н.В. Воздушная система зерноочистительной машины с кольцевым пневмосепарирующим каналом / Н.В.Жолобов, Б.Ю.Блинов // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения. Вып. IX./ Материалы международной научно-практической конференции. - Йошкар-Ола: Map. гос. ун-т, 2007. Кн.2. - С. 368 - 371.

8. Жолобов, Н.В. Характер движения зерновок в пневмосепарирующем канале / Н.В.Жолобов, Б.Ю.Блинов // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики. Материалы международной научно-практической конференции: Сб. научных трудов. - Киров: Вятская ГСХА, 2009. -Вып. 9.-С. 110-115

9. Патент №2228804 Российская Федерация, МКИ 7 В 07 В 4/02. Пневмо-сепарирующий канал / Н.П.Сычугов, Н.В.Жолобов, Б.Ю.Блинов.; заявитель и патентообладатель Вятская государственной сельскохозяйственная академия. -№ 2002108083/12; заявл. 29.03.2002; опубл. 20.05.2004, Бюл. №14. - 6 с.

10. Патент на полезную модель №134458 Российская Федерация, МПК В 07 В 7/08. Пневмосепаратор для очистки зернового материала / Н.В.Жолобов, К.В.Маишев, Б.Ю.Блинов, А.Н.Жолобов.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Вятская государственной сельскохозяйственная академия. -№ 2013112704/03; заявл. 21.03.2013; опубл. 20.11.2013, Бюл. №32. - 5 с.

Заказ № 265. Подписано к печати 08.10.2014г.

Тираж 90 экз. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Усл. п. л. 1,25

ФГБОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»

610017. г. Киров, Октябрьский пр-т, 133 Отпечатано с оригинал-макета в типографии ФГБОУ ВПО Вятской ГСХА