автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования замкнутого малогабаритного пневмосепаратора вторичной очистки зерна оптимизацией его основных конструкционно-технологических параметров

ГРИГОРЬЕВ Дмитрий Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЗАМКНУТОГО МАЛОГАБАРИТНОГО ПНЕВМОСЕПАРАТОРА ВТОРИЧНОЙ ОЧИСТКИ ЗЕРНА ОПТИМИЗАЦИЕЙ ЕГО ОСНОВНЫХ КОНСТРУКЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Киров - 2014

005554219

005554219

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Вятская государственная сельскохозяйственная академия.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент, Сайтов Виктор Ефимович, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого», старший научный сотрудник отдела механизации.

Официальные оппоненты: Юнусов Губейдулла Сибятуллович, доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Марийский государственный университет», профессор кафедры механизации производства и переработки сельскохозяйственной продукции;

Конышев Николай Леонидович, кандидат технических наук, заслуженный конструктор РФ, Федеральное государственное унитарное предприятие «Проектно-конструкторское бюро НИИСХ Северо-Востока», старший научный сотрудник, заведующий проектно-конструкторским отделом.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова».

Защита состоится 12 декабря 2014 г. в 09 часов 00 минут 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, 166-а, 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 официальном сайте института: niish-sv.narod.ru.

Автореферат разослан ££ октября 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Глушков Андрей Леонидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и степень разработанности темы исследования. Одной из ответственных задач агропромышленного комплекса Российской Федерации в условиях рыночной экономики является обеспечение потребностей населения страны продуктами питания, животноводческой отрасли фуражным зерном, а также развитие сырьевой базы для ряда отраслей промышленности.

Основная роль в решении этих задач отводится увеличению производства зерна. При этом очистка зерна от примесей является важной составной частью технологии послеуборочной обработки урожая. Особое значение имеет очистка семенного материала. Для выполнения данной операции в нашей стране и за рубежом разработано и выпускаются разнообразные машины, различающиеся по технологии и виду рабочих органов. При этом пневмосепараторы с замкнутым циклом воздушного потока менее энергоемки из-за отсутствия выброса наружу воздуха и, соответственно, не загрязняют окружающую среду, имеют меньшие габаритные размеры и установочные площади.

Проведенный анализ научных работ свидетельствует, что при создании перспективных замкнутых пневматических сепараторов вторичной очистки зерна отсутствуют теоретические исследования и экспериментальные данные по обоснованию конструкционно-технологических параметров криволинейного пневмотранспортирующего канала (ПТК), встроенных воздухоочистителя во входной патрубок и пылеотделителя в выходной канал диаметрального вентилятора, а также малогабаритной осадочной, сообщенной через патрубок ввода примесей с воздухоочистителем и пылеотделителем, а через перепускное окно -с пневмосепарирующим каналом (ПСК).

Поэтому повышение эффективности функционирования замкнутого малогабаритного пневмосепаратора путем оптимизации его основных конструкционных и технологических параметров является актуальной задачей в области послеуборочной обработки зерна.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности функционирования замкнутого малогабаритного пневмосепаратора вторичной очистки зерна оптимизацией конструкционно-технологических параметров криволинейного ПТК, устройств очистки циркулирующего воздуха.

Для решения данной цели определены следующие задачи исследования:

- обосновать и разработать конструкционно-технологическую схему замкнутого малогабаритного пневмосепаратора, снабженного вертикальным ПСК и криволинейным ПТК, встроенным жалюзийным воздухоочистителем во входной патрубок и пылеотделителем с входным окном в выходном канапе диаметрального вентилятора и осадочной камерой, сообщенной с жалюзийным воздухоочистителем, пылеотделителем и ПСК;

- провести теоретические исследования по обоснованию конструкционно-технологических параметров криволинейного ПТК, жалюзийного воздухоочистителя, входного окна пылеотделителя в выходном канале диаметрального вентилятора и осадочной камеры замкнутого малогабаритного пневматического сепаратора;

- экспериментально получить регрессионные модели процесса функцио-

нирования данного сепаратора и оптимизировать его основные конструкционно-технологические параметры;

- провести испытания в производственных условиях опытного образца замкнутого малогабаритного пневмосепаратора;

- определить экономическую и энергетическую эффективность применения пневматического сепаратора в технологической линии обработки зерна.

Научную новизну работы составляют:

- аналитические зависимости по обоснованию конструкционно-технологических параметров криволинейного ПТК, жалюзийного воздухоочистителя с криволинейным отводным каналом, входного окна пылеотделителя в выходном канале диаметрального вентилятора и осадочной камеры замкнутого малогабаритного пневматического сепаратора;

- регрессионные модели процесса функционирования малогабаритного пневматического сепаратора с замкнутым циклом воздушного потока, позволяющие оптимизировать конструкционно-технологические параметры его основных рабочих органов, на технические решения которых получены свидетельство и 2 патента Российской Федерации на полезные модели.

Теоретическая и практическая значимость работы. Содержащиеся в диссертации научные положения и выводы позволяют на стадии проектирования и конструирования обосновать основные конструкционные и технологические параметры криволинейного ПТК, устройств очистки циркулирующего воздушного потока.

Результаты исследований использованы ФГУП «ПКБ НИИСХ Северо-Востока» при изготовлении опытного образца замкнутого пневмосепаратора ПС-10 производительностью до 10 т/ч, который установлен и используется в технологической линии мини-зернотока крестьянско-фермерского хозяйства «Надежда» Параньгинского района Республики Марий Эл, а также материалы научных исследований используются в учебном процессе на инженерном факультете ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА.

Методология и методы исследований. В качестве объектов исследования выбраны технологический процесс пневмосепарации зерновых смесей, экспериментальный и опытный образцы замкнутого малогабаритного пневмосепаратора и их рабочие органы: криволинейный ПТК, устройства очистки циркулирующего воздуха и регулирования скорости воздушного потока в ПСК.

При выполнении диссертационной работы использованы стандартные и частные методики с применением физического и математического моделирования, сертифицированных приборов и современной вычислительной техники с пакетом программ для обработки результатов экспериментов.

Положения, выносимые на защиту:

- конструкционно-технологическая схема замкнутого пневматического сепаратора, снабженного криволинейным ПТК, жалюзийным воздухоочистителем во входном патрубке и пылеотделителем с входным окном в выходном канале диаметрального вентилятора и малогабаритной осадочной камерой;

- аналитические выражения по обоснованию конструкционно-технологических параметров криволинейного ПТК, жалюзийного воздухоочистителя с

криволинейным отводным каналом, входного окна пыпеотделителя в выходном канале диаметрального вентилятора и осадочной камеры замкнутого малогабаритного пневматического сепаратора;

- регрессионные модели процесса функционирования замкнутого малогабаритного пневматического сепаратора, позволяющие огггимизировать конструкционно-технологические параметры его основных рабочих органов;

- результаты испытаний в производственных условиях опытного образца замкнутого малогабаритного пневмосепаратора;

- экономическая и энергетическая эффективность применения пневматического сепаратора в технологической линии обработки зерна.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность основных выводов в заключение подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами испытаний опытного образца пневмосепаратора ПС-10 в хозяйственных условиях.

Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на Международных научных конференциях «Гидродинамика. Механика. Энергетические установки» (г. Чебоксары, 2008 г.), «Наука и образование в современной России» (г. Москва, 2012 г.), Международных научно-практических конференциях «Наука-Технология-Ресурсосбережение» (г. Киров, 2008, 2009, 2011 гг.) и «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (г. Йошкар-Ола, 2008, 2009 гг.).

По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе издана монография, опубликовано 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, 9 статей опубликовано в материалах международных конференций, получено свидетельство и 2 патента РФ на полезные модели.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы исследований, сущность выполненной работы и основные положения, выносимые на защиту.

Научные исследования проведены в ФГБОУ ВПО Вятская государственная сельскохозяйственная академия согласно целевой комплексной программы Министерства сельского хозяйства РФ и Россельхозакадемии «Разработать высокоэффективные машинные технологии и технические средства нового поколения для производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса сельского хозяйства» (номер государственной регистрации 01.2.006 09893).

Решение отдельных частных задач по теме диссертационной работы выполнено совместно с кандидатом физико-математических наук, доцентом В.Г. Фарафоновым и старшим преподавателем А.Н. Суворовым.

В первом разделе «Современное состояние вопроса и задачи исследований» рассмотрены основные свойства семенного материала зерновых и зернобобовых культур, представлен обзор и анализ существующих пневматических сепараторов и их основных рабочих органов, изложены содержание цели и задачи исследования.

Теоретические и экспериментальные исследования В.Л. Андреева, A.B.

Алешкина, А.И. Буркова, Г.Ф. Костюка, B.C. Пальцева, С.ГТ. Патякиной, Н.П. Сычугова, Ю.В. Сычугова и других ученых свидетельствуют, что применение при очистке зернового материала пневмосепараторов с замкнутым циклом работы воздушного потока имеет ряд преимуществ по сравнению с пневмосисте-мами разомкнутого и комбинированного типов. Данные пневмосепараторы не создают воздухообмена в помещении, практически исключают поступление запыленного воздуха в окружающую среду, менее энергоемки при создании требуемых давлений воздушного потока и подач воздуха вследствие малой протяженности воздуховодов и отсутствия потерь динамического напора на выбросы воздуха наружу, имеют небольшие габаритные размеры, экономичны в отношении капитальных затрат, требуют меньших установочных площадей, затрат времени и рабочей силы на монтажные работы.

Приведенный анализ конструкций пневматических сепараторов для вторичной очистки семян зерновых и зернобобовых культур позволяет считать, что наиболее перспективным для обработки семенного материала является пневмосепаратор с замкнутым циклом воздушного потока, содержащий диаметральный вентилятор с пылеотделителем в его выходном канале, воздухо-подводящий, вертикальный ПСК и криволинейный ПТК, установленный во входном патрубке вентилятора жалюзийный воздухоочиститель с криволинейным отводным каналом, малогабаритную осадочную камеру, которая сообщается с пылеотделителем и воздухоочистителем через их выводные патрубки, а также с ПСК через перепускной канал.

Во втором разделе «Теоретические исследования по разработке и совершенствованию технологического процесса и основных рабочих органов замкнутого малогабаритного пневмосепаратора» проведен анализ рабочего процесса замкнутого малогабаритного пневматического сепаратора, получены аналитические зависимости для обоснования конструкционно-технологических параметров основных рабочих органов.

В соответствии с поставленными задачами исследований на основании обзора научной литературы, патентных исследований и проведенного анализа рабочего процесса зерно- и семяочистительных машин разработана структурная схема модели функционирования замкнутого малогабаритного пневматического сепаратора для очистки зерновых смесей, представленная на рисунке 1. Анализ данной структурной схемы позволил обосновать конструкционно-технологическую схему замкнутого малогабаритного пневмосепаратора, приведенную на рисунке 6.

Эффективность работы пневмосепаратора в определенной степени зависит от наличия отложения на внутренней стенке его ПТК частиц легких примесей (рисунок 2, а), движение которых рассмотрено в инерциальной полярной системе отчета.

Получено уравнение, которое описывает изменение угловой скорости а)ч частицы при движении ее по поверхности внутренней стенки ПТК с радиусом окружности Rn = Rc -hm от угла цгП ее поворота:

йсоч ¿Уп

С0„

ЕЯ,

со,.

п

Яг

- СОБ

^П-Фтр)

(1)

УП СО$(рар

где Кс - конструкционный радиус окружности, описывающей поверхность наружной стенки ПТК, Яс- = У- Уп> м;

Уп и У- высота ПСК и габаритный размер верхней части пневмосепаратора, м; <РтР - угол трения частицы по поверхности стенки, град.^ % - ускорение свободного падения частицы, 9,81 м/с ; овит. - скорость витания частицы, м/с.

_^ - Обрабатываемый материала; - поток воздуха с легкими примесями; л- - - поток легких примесей; -в»*- - пылевоздушный поток; —н-»- - поток пылевидных примесей; а - - воздушный поток; —- фракция отходов; ------ фракция очищенного зерна

Рисунок 1 - Структурная схема модели функционирования замкнутого малогабаритного пневматического сепаратора для очистки зерновых смесей

В соответствии с этим для замкнутого малогабаритного пневмосепаратора с заданными конструкционными параметрами (Ит = 0,16 м, ¥= 1,1 м и Уп = = 0,65 м) проведен анализ изменения угловой скорости соч частицы при ее движении по поверхности внутренней стенки криволинейного ПТК от угла у/п ее поворота численным решением уравнения (1). Установлено, что рациональное отношение ИП21кт должно составлять 0,7...0,8, при котором обеспечивается транспортирование частиц легких примесей по поверхности внутренней стенки

ПТК (рисунок 2, б).

Для встроенного в технологическую схему замкнутого малогабаритного пневмосепаратора жалюзийного воздухоочистителя (рисунок 3, а) выражены аналитические уравнения: квх = (0,7...0,8)АЯь Къа > (0,07...0,16)/гЯь Яж = ЯВ- (й„ + 2/г„,„)/3, = Яжуж, 1РЖ = 2/3(/г,„ - Ивых). По данным выражениям для пневмосепаратора с глубиной Ът выхода ПСК 0,16 м, радиусом Яв наружной стенки отводного канала 0,8... 1,0 м следует, что глубина входного патрубка = 0,112. ..0,128 м, глубина выходного патрубка йвь„ > 0,011...0,026 м, ра-

диус окружности жалюзийной решетки Яж = 0,75...0,94 м, а длина ее Зжа = = 1,57...1,97 м. По литературным данным угол рж наклона пластин в решетке должен составлять 20...30°, длину 1Ж пластин и шаг 1Ж их установки рекомендуется принимать 0,03...0,05 м.

Ут град

Рисунок 2 - Схема действующих сил на частицу, движущуюся по поверхности внутренней стенки ПТК замкнутого малогабаритного пневмосепаратора (а) и диаграмма изменения угловой скорости м„ частиц при ктШт = 0,78 (б): 1, 2 - ПТК и ПСК; 3 - жалюзийный воздухоочиститель; 4 - входной патрубок воздухоочистителя; Ч -зона безотрывного движения частицы по поверхности внутренней стенки ПТК

Получено уравнение, которое описывает изменение угловой скорости со, частицы при движении ее по внутренней поверхности наружной стенки криволинейного отводного канала воздухоочистителя от угла ц/ж ее поворота:

da>4 ¿Уж

1

ОК

gRB

СО,, --

Rк

g

Rg cos (pmp

В соответствии с вышеизложенными теоретическими исследованиями проведен анализ изменения угловой скорости соч частицы при движении ее в криволинейном отводном канале воздухоочистителя от угла у/ж ее поворота. Для этого уравнение (2) решено численным методом Эйлера. Из полученных данных по решению уравнения (2) следует, частицы движутся безотрывно по внутренней поверхности наружной стенки отводного канала воздухоочистителя (рисунок 3, б и в).

Небольшая часть легких примесей могут воздушным потоком увлекаться через жалюзи воздухоочистителя во входной патрубок диаметрального вентилятора. В разрабатываемом пневмосепараторе выходной канал диаметрального вентилятора выполнен наклонным, имеющим смежную стенку с осадочной камерой. В результате легкие примеси целесообразно отделять от циркулирующего воздушного потока и отводить в осадочную камеру непосредственно из зоны выходного канала вентилятора при помощи пылеотделителя.

+ <р )-

®v2tg <Рт

(2)

в

Рисунок 3 - Схема жалюзийного воздухоочистителя замкнутого малогабаритного пневмосепаратора (а) и зависимости изменения угловой скорости со, частицы при движении ее в криволинейном отводном канале жалюзийного воздухоочистителя от угла у/ж ее поворота при Лв = 0,8 м (б) и Яд = 1,4 м (в): 1, 3 - входной и выходной патрубки воздухоочистителя; 2 - входной патрубок диаметрального вентилятора; 4 - отводной канал; 5 - жалюзнйная решетка; 6 - наружная стенка отводного канала воздухоочистителя; в- зона безотрывного движения частицы по внутренней поверхности наружной стенки отводного канала воздухоочистителя

Для обоснования расположения входного окна пылеотделителя в выходном канале диаметрального вентилятора требуется определить траектории движения частиц легких примесей, вылетающих из рабочего колеса данного вентилятора. Модель движения частиц в выходном канале вентилятора представлена в виде параметрических уравнений:

х(1) = х0+и01 зт(а0 *„(«£ + (2ялЯ2)2 -4и0]япЯ2 со5«0)

2

Я Г

$т(В2 + В п--)—,

. КИ2 ип 2 2 (3)

у(1) = + и01 соБ(а0 + Рп)1 + (2яиЯ2)2 -4и0хяпЯ2 соза0)

я /

где о01 - абсолютная скорость поступления частицы из межлопаточного канала колеса диаметрального вентилятора в его выходной канал, м/с; /?2 - угол установки лопатки на наружном диаметре 02 рабочего колеса вентилятора, град.;

[}п - угол, характеризующий дугу рабочего колеса диаметрального вентилятора,

по которой происходит поступление частиц в выходной канал, град.;

«о - угол между вектором и0| и касательной г г, град.;

п - частота вращения рабочего колеса вентилятора, с";

К2 - наружный радиус колеса диаметрального вентилятора, м;

к„ - коэффициент парусности частицы, м"';

г - время полета частицы, м/с.

Учитывая при минимальном сопротивлении сети (2 = б™*) зону {рп = = 0...1200) выхода основного воздушного потока из рабочего колеса диаметрального вентилятора в его выходной канал на рисунке 4 приведены траекто-

рии движения частиц легких примесей (к„= 39,24 м"

= 0,5 м/с), выле-

тающих с кромки лопаток (u0i= 24 м/с, [h = 165°, а0 = 10°) рабочего колеса диа-

метром D2 — 0,3 м и частотой вращения п = 800 мин"1.

Рнсунок 4 - Схема диаметрального вентилятора с входным окном пыле-отделителя и траектории движения частиц легких примесей: 1 - пылеотде-литель; 2 - смежная стенка пылеотде-лнтеля; 3 - выходной канал; 4 - рабочее колесо;-----траектории движения частиц

Согласно расчетам рациональным расположением входного окна пылеотделителя 1 глубиной Д = = 0,02...0,03 м, предназначенного для улавливания примесей, движущихся возле внешней стенки канала 3, является зона, ограниченная углом

Рп — 150... 180 . Для улавливания частиц примесей, достигающих криволинейной стенки выходного канала 3 вентилятора в зоне рп = 170... 190°, целесообразно смежную стенку 2 пылеотделителя 1 выполнить с жалюзийным участком длиной S= 0,1 ...0,2 м и зазором <5 между жалюзи 0,01... 0,02.

При работе пневмосепаратора в осадочную камеру 2 (рисунок 5, а) направляются легкие примеси только с частью воздуха (-20...30 %). Значительное количество воздуха (-70...80 %), минуя осадочную камеру 2, участвует в технологическом процессе очистки зерновой смеси, поступая в ПСК 5 от вентилятора через воздухоподводящий канал 3. Поэтому данную осадочную камеру 2 можно сконструировать с небольшими габаритными размерами, что

уменьшает расход металла на изготовление пневмосепаратора. Модель движения частиц в данной осадочной камере выражена в виде системы уравнений: x(t) = и01 sin ayt + кп (и, cos Д. - ит sin ау)

' ЛО = u0i cosa/ + [g - к„(ив sin Д. + u01 cosay)

>0, - 2f0,L>e sin(av - Д.) + Ц,2]у,

где Px - угол между осью Ox и направлением скорости и,, основного воздушного потока осадочной камеры, град.;

ау - угол между осью Оу и направлением начальной скорости u0i поступления частицы в основной воздушный поток осадочной камеры, град.

Рисунок 5 - Схема малогабаритной осадочной камеры и силы, действующие на движущуюся в основном воздушном потоке частицу (а) и расчетные траектории полета частиц примесей (б), отличающихся коэффициентом к„ парусности, в основном воздушном потоке осадочной камеры (и01 = 1,5 м/с, «„ = 1,5 м/с, «,. = 30° и рх = 30°): 1 -патрубок ввода примесей; 2 - осадочная камера; 3, 5 - воздухоподводящнй и пневмо-сепарирующий каналы; 4 - окно; 6 - пылеосадитель; 7 - устройство вывода примесей; ---- траектория движения частицы; -»- - направление вращения вихря;

. область планирования эксперимента

Исходя из траекторий полета наиболее легких частиц (пылевидных), имеющих коэффициент кп парусности 39,24 м"1, кромку пылеосадителя рекомендуется устанавливать с координатами х= 0,20...0,36 м и у- 0,08...0,24 м при высоте Нп расположения кромки выходного сечения патрубка ввода примесей в осадочную камеру 0,56 м (рисунок 5, б).

Проведенные теоретические изыскания привели к практическим рекомендациям выполнения поставленных задач исследований и позволяют разработать экспериментальную установку и опытный образец замкнутого малогабаритного сепаратора.

В третьем разделе «Программа, экспериментальные установки и методика исследований» в соответствии с поставленными задачами изложена программа исследований, описаны экспериментальная установка и опытная машина, использованные приборы и оборудование, общепринятые и частные методики исследований и обработки экспериментальных данных.

Экспериментальная установка для исследований замкнутого малогабаритного пневматического сепаратора (рисунок 6, а), имеет ширину 0,3 м и соответствует в продольно-вертикальной плоскости по величине замкнутому пневмосепаратору ПС-10, общий вид которой приведен на рисунке 6, б.

Рисунок 6 - Технологическая схема (а) экспериментальной установки для исследований замкнутого малогабаритного пневматического сепаратора и общий вид (б) замкнутого пневматического сепаратора ПС-10: 1 - диаметральный вентилятор; 2 - отводной канал; 3 - входной патрубок вентилятора; 4 - жалюзийный воздухоочиститель; 5, 7 - ПТК и ПСК; 6 - приемно-загрузочнын бункер; 8 - питающий валик; 9 - направляющие пластины; 10, 16 - регулировочные заслонки; 11, 14 - выгрузные окна очищенного зерна и примесей; 12 - вихревой пылеосадитель; 13 - осадочная камера; 15 - патрубок ввода примесей; 17 - воздухоподводящнй канал; 18 - пылеотделитель; 19 - выходной канал вентилятора

Для проведения экспериментальных исследований разработанной установки использованы зерновая смесь пшеницы сорта Ирень и древесный опил. При исследованиях применялись методы теории математического планирования эксперимента, статистические и численные методы с использованием вычислительной техники. Обработку полученных данных проводили на персональном компьютере при помощи пакета программ по статистической обработке данных.

В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований замкнутого малогабаритного пневматического сепаратора» изложены результаты практических экспериментов при изучении технологического процесса данного пневмосепаратора, определены его основные конструкционные и технологические параметры.

Эффективность работы пневматического сепаратора во многом обусловлена качеством структуры воздушного потока в ПСК в зоне сепарации зерновой смеси. При поступлении воздушного потока в ПСК из воздухоподводящего канала, снабженного на своем выходе направляющими пластинами (рисунок 6, а), структура его имеет выраженную равномерность, коэффициент V вариации скорости о„ воздушного потока не превышает 11,9%.

Качество работы замкнутого малогабаритного пневматического сепаратора (рисунок 6, а) зависит от отсутствия отложений на поверхности внутренней стенки ПТК частиц легких примесей, выносимых воздушным потоком из ПСК. Для получения условия ускоренного перемещения частиц в данном канале были изучены эпюры скоростей у„ воздушного потока на выходе из канала при разных значениях кП2/Ип\-

Варьирование ИП21кП\ осуществлялось изменением радиуса Пп окружности, описывающей поверхность внутренней стенки ПТК. Установлено, что при отношении А/П/ЙЯ1 = 0,78 {ИП\ = 0,16 м, Яс = 0,45 м, Ит = 0,125 м, Ип = 0,325 м) скоростной режим в выходном сечении ПТК имеет явную равномерность. При средней скорости осрях воздушного потока 9,02 м/с в данном сечении канала, необходимой для эффективного пылеотделения в жалюзийном воздухоочистителе, коэффициент вариации V скорости инх составляет 0,034.

При исследовании жалюзийного воздухоочистителя ((ж = 0,05 м, 1Ж = = 0,05 м, рж = 25°, = 0,8 м) вследствие неоднозначного влияния на его рабочий процесс глубины ИвыАх\) его выходного патрубка и длины $жв(х2) криволинейной жалюзийной решетки для проведения практических исследований был применен центральный композиционный ротатабельный план эксперимента для двух вышеперечисленных факторов как наиболее выгодный по количеству опытов и получаемой информации, способный предсказать значение параметра оптимизации с одинаковой точностью независимо от направления на равных расстояниях от центра плана.

После реализации плана и обработки результатов эксперимента получена адекватная по ^-критерию Фишера с вероятностью р = 0,95 регрессионная модель процесса очистки воздуха от примесей жалюзийным воздухоочистителем (%):

уЕж = 98,34 + 0,032х, + 0,078*2 - 0,720л:,2 - 0,920*2 • (5)

Полученная регрессионная модель (5) анализировалась методом построения двумерного сечения поверхности отклика (рисунок 7), из которого следует, что максимальное значение параметра Еж оптимизации, равное 98,3%, достигается при Ь«к1Х = 0,05 м (XI = 0,02) и 5*. = 1,35 м (х2 = 0,04).

^-0,2 фактор д;,

В процессе исследований рабочего процесса малогабаритной осадочной камеры замкнутого пневмосепаратора (рисунок 6, а) получена поверхность отклика (рисунок 9),

Фактор х2

характеризующая зависимость эффекта Е0 осаждения легких примесей от координат х и у расположения кромки пылеосадителя (множественный коэффициент корреляции 0,984), %:

Е0 = 81,92 + 115,750* + 4,032^- 215,774л:2 - 79,910_у2. (7)

Наибольшее значение Ео = 96...97% фиксируется при расположении кромки пылеосадителя с координатой у = 0,04...0,08 м. Причем, из полученного уравнения вычисление производных по изучаемым параметрам показывает экс-

Для определения ра-_д 2 0 2 0 6 1 чиональных значений гео-Факт'ор х, ' метрических параметров

входного окна пылеотделителя с жалюзийным участком, установленного в выходном канале диаметрального вентилятора с наружным диаметром его рабочего колеса 02= 0,3 м (рисунок 4), реализован трехфакторный почти ротатабельный план Бокса-Бенкина второго порядка. Получена адекватная по /^-критерию Фишера с вероятностью р = 0,95 математическая модель рабочего процесса пылеотделителя (Д (*]), д (х2), 5 (*з)):

У£ = 0,97 + 0,0225*, +0,03625*2 -0,01875*3 -0,045*,*2 -0,025*,*3 +

0,0225*2*з - 0,04875*, -0,02625*2 -0,05625*3/.

Полученная регрессионная модель анализировалась методом построения трехмерных графиков поверхности отклика (рисунок 8), из которых следует, что рациональные параметры входного окна пылеотделителя необходимо принять Д = 0,02 м, 5 = 0,010 м, 5= 0,12 м. При этом коэффициент е улавливания примесей пылеотделителем имеет значение 0,98.

х'=0 Рисунок 8 - Поверхности откли-

ка, характеризующие коэффициент е улавливания пылевидных 0,991х / примесей пылеотделителем при

Рисунок 7 - Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее эффект Еж очистки воздуха от примесей жалюзийным воздухоочистителем с криволинейным отводным каналом

тремум критерия оптимизации Е0 при х = 0,27 ми у = 0,025 м. Постановка эксперимента в данной точке показала Ео — 97,3% (Нп = 0,56 м, Иок = 0,07 м, ИПо =

Рисунок 9 - Зависимость эффекта Е0 осаждения легких примесей в малогабаритной осадочной камере от расположения кромки пылеосадителя

Изучение эффективности функционирования замкнутого малогабаритного пневмосепа-ратора при различной средней скорости пср воздушного потока в ПСК проведено при постоянных конструкционно-технологических параметрах установки, выявленных в процессе проведенных исследований = 0,125 м (ИП2/ Ит = 0,78), Д = 0,02 м, /Зп=155°, 5= 0,01 м и 5= 0,12 м (при 1Ж = 0,05 м, гж = 0,03 м и аж= 20°), = 0,05 м, ^ = 1,35 м (при 1Ж = 0,05 м, 1Ж = 0,05 м и Рж = 25°)) и координатах установки пылеосадителя д: = 0,27 м,у = = 0,025 м (при Нп = 0,56 м, Иок = 0,07 м). Установлено, что при скорости иср воздушного потока 7 м/с в ПСК, зерновой нагрузке g = 3,08 кг/(с-м) эффект Е очистки зерна от легких примесей составляет не менее 80%, а потери Пз полноценного зерна в отходы - не более 3%, что соответствует агротехническим требованиям на машины, предназначенные для обработки зерна семенного назначения (рисунок 10).

Рисунок 10 - Зависимости эффекта Е очистки зерновой смеси пшеницы сорта Ирень от легких примесей, эффекта Е1 выделения щуплого зерна и потерь П3 полноценного зерна в отходы от средней скорости еср воздушного потока в пневмосепарируюшем канале при производительности g = = 3,08 кг/(с-м) экспериментальной установки

Проведенные экспериментальные исследования привели к практическим рекомендациям, которые реализованы при конструировании замкнутого пневматического сепаратора ПС-10.

В пятом разделе «Результаты испытаний опытного образца пневматического сепаратора ПС-10 с замкнутой малогабаритной пневмосисте-мойь представлены результаты функционирования пневматического сепаратора ПС-10 с замкнутой малогабаритной пневмосистемой в поточной технологической линии фермерского хозяйства «Надежда» Республики Марий Эл (рисунок 11).

Испытаниями установлено, что машина имеет по поперечному сечению ПСК коэффициент вариации скорости воздушного потока у = 0,10 и коэффициент неравномерности распределения зерновой смеси по ширине ПСК у = = 0,16. Качество воздушного потока и распределение зерновой смеси в ПСК являются вполне удовлетворительным для качественной очистки зерновой смеси.

Агротехническая оценка машины на очистке зерновой смеси ржи сорта Чулпан и овса сорта Скакун засоренностью 3 = 1,3... 1,5% при <7 = 3,1... 12,9 т/ч и Пз = 3% показали, что эффект Е очистки зерна от легких примесей составляет 53,3...66,9%, эффект Е\ выделения щуплого зерна - 14,3...45,5%. По содержанию семян основной культуры машина за один проход обеспечивает качество семенного материала, соответствующее для ржи (¥= 98,5...99,0%) нормам категорий ЭС (элитные семена) и овса (4= 98,1...98,6%) - РС (репродукционные семена).

Рисунок 11 - Технологическая схема минн-зернотока для фермерского хозяйства (а) с пневматическим сепаратором ПС-10 (б): 1 - машина предварительной очистки зерна (ОВС-25); 2 - малогабаритная сушилка на базе прицепа 2ПТС-4; 3 - машина первичной очистки зерна (ОВС-25); 4 - замкнутый малогабаритный пневматический сепаратор ПС-10; 5 и 7 - отгрузочные ленточные транспортеры; 6 -транспортное средство

По сравнению с пневмосепараторами разомкнутого типа СП-4У-Р, СП-5

и ПС-ОСХИ замкнутый пневмосепаратор ПС-10 не загразняет окружающую среду отработанным воздухом, имеет в 1,4...2,5 раза большую производительность, в 2,97...6,39 раза меньшую удельную энергоемкость, меньшую в 1,19...2,59 раза удельную металлоемкость. В сравнении с замкнутым пневмосе-паратором ПС-15, являющимся ближайшим аналогом по конструктивному исполнению, пневмосепаратор ПС-10 имеет в 1,58 раза меньшую удельную энергоемкость и меньшую в 1,07 раза удельную металлоемкость.

В шестом разделе «Экономическая и энергетическая эффективность применения пневматического сепаратора ПС-10 для производства зерна» определена эффективность его применения в поточной технологической линии по очистке зерна в сравнении с ближайшим аналогом.

Расчет экономической эффективности применения пневматического сепаратора ПС-10 в технологической линии по очистке зерна проведен в сравнении с ближайшим аналогом по конструкционному исполнению ПС-15. Положительный экономический эффект от применения данной машины в сравнении с пнев-мосепаратором ПС-15 обусловлен снижением расхода электроэнергии при выполнении технологического процесса и металлоемкости при ее изготовлении. Использование в составе., поточной линии мини-зернотока пневмосепаратора ПС-10 дает малому фермерскому хозяйству годовой экономический эффект 81,038 тыс. рублей, а срок окупаемости составляет 1,7 года. Индекс изменения прямых затрат на единицу продукции составляет 0,70. Уровень интенсификации использования разработанной машины в сравнении с базовым пневмосепарато-ром ПС-15 равен 12,0%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана конструкционно-технологическая схема замкнутого малогабаритного пневмосепаратора, содержащая диаметральный вентилятор с пы-леотделителем в его выходном канале, воздухоподводящий, пневмосепари-рующий и криволинейный пневмотранспортирующий каналы, установленный во входном патрубке вентилятора жалюзийный воздухоочиститель с криволинейным отводным каналом, осадочную камеру, которая сообщается с пылеот-делителем и жалюзийным воздухоочистителем через их выводные патрубки, а также с ПСК через перепускное окно (патенты №№ 53940, 68374 РФ).

2. Получены аналитические выражения, позволяющие определить конструкционно-технологические параметры криволинейного ПТК замкнутого малогабаритного пневмосепаратора для условий эффективного его функционирования. При заданных конструкционных параметрах (hm = 0,16 м, Y= 1,1 м и Yn= 0,65 м) пневмосепаратора рациональное отношение hni/hm должно составлять 0,7...0,8.

Выражены для обоснования параметров жалюзийного воздухоочистителя аналитические уравнения, по которым для пневмосепаратора с глубиной hm выхода ПСК 0,16 м определены основные конструкционные параметры воздухоочистителя: й„ = 0,112...0,128 м, Ъеых - 0,011...0,026 м, RB= 0,8...1,0 м, Яж = = 0,75...0,94 м, Бж = 1,57...1,97 м Рж = 20...30°, 1Ж = 0,03...0,05 м, 1Ж =

= 0,03...0,05 м, 2Ж= 31 ...66 шт., À >60°, ц/тах< 120°.

Получена система дифференциальных уравнений для определения траекторий движения частиц легких примесей в выходном канале диаметрального вентилятора, позволяющая обосновать рациональное расположение и конструкционное исполнение входного окна пылеотделителя. Для диаметрального вентилятора с диаметром D2= 0,3 м целесообразно входное окно пылеотделителя выполнить с жалюзийным участком и расположением в его выходном канале в зоне, ограниченной углом рп = 150...190°.

Получены аналитические выражения, позволяющие определить основные конструкционные параметры малогабаритной осадочной камеры {h0K > > 0,03...0,07 м, hno > 0,03...0,05 м, Нп > 0,418...0,708 м, X > 60° и при Нп = = 0,56 м л = 0,20...0,36 м, >- = 0,08...0,24 м).

3. Получены регрессионные модели процесса функционирования экспериментальной установки замкнутого малогабаритного пневмосепаратора, по которым определены рациональные конструкционно-технологические параметры криволинейного ПТК (hm ~ 0,16 м, h m = 0,125 м, Rc = 0,450 м, Rn = = 0,325 м, hm! hm = 0,78), жалюзийного воздухоочистителя с криволинейным отводным каналом ((ж= 0,05 м, 1Ж = 0,05 м, Рж = 25°, hHX = 0,125 м, RB = = 0,8 м, Л = 60°, Ивых = 0,05 м, Бж= 1,35 м), жалюзийного входного окна пылеотделителя, расположенного в выходном канале диаметрального вентилятора (Д = 0,02 м, рп = 155°, 8 = 0,01 м и S= 0,12 м), малогабаритной осадочной камеры (Яя = 0,56 м, hOK = 0,07 м, hno = 0,1 м, х = 0,27 м при у = 0,025 м). При этом эффект Е очистки зерна от легких примесей составляет не менее 80 % при допустимых потерях Пз полноценного зерна в отходы, равных не более 3 %, при получении зерна семенного назначения.

4. Разработан замкнутый малогабаритный пневматический сепаратор ПС-10. В сравнении с замкнутым пневмосепаратором ПС-15, являющимся ближайшим аналогом по конструкционному исполнению, пневмосепаратор ПС-10 имеет в 1,58 раза меньшую удельную энергоемкость и меньшую в 1,07 раза удельную металлоемкость. Пневмосепаратор ПС-10 обеспечивает при подачах q = 3,1... 12,9 т/ч эффект Е очистки зерна от легких примесей 53,3...66,9%, эффект Е\ выделения щуплого зерна 14,3...45,5% при допустимых по агротребованиям потерях Пз полноценного зерна в отходы, равных 3%, при получении семенного зерна.

5. Опытный образец замкнутого малогабаритного пневматического сепаратора ПС-10 подтвердил эффективность его функционирования в поточной технологической линии по обработке зерна. Суммарный годовой экономический эффект от использования данной машины в технологической линии мини-зернотока по приведенным затратам составляет 81,038 тыс. рублей, срок окупаемости затрат - 1,7 года. Индекс изменения прямых затрат на единицу продукции составляет 0,70. Уровень интенсификации использования разработанной машины в сравнении с базовым ПС-15 равен 12,0%.

Теоретические и практические исследования по разработке и совершен-

ствованию технологического процесса и основных рабочих органов замкнутого малогабаритного пневмосепаратора представлены в завершенном виде, пригодном для практического применения. Результаты, полученные при решении поставленной научной задачи, явились основой для выработки рекомендаций по совершенствованию технологического процесса зерноочистительных машин. Перспективы дальнейшей разработки темы заключаются в создании пневмосепараторов с более эффективным технологическим процессом, соответствующих санитарно-гигиеническим требованиям обслуживающему персоналу.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Монографии и рекомендации для науки, производства и образования

1. Разработка и совершенствование малогабаритных пневмосепараторов с замкнутым циклом воздушного потока: монография / В.Е.Саитов, В.Г. Фарафонов, А.Н. Суворов, Д.В. Григорьев. - Киров: ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, 2012. - 209 с.

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ

2. Сайтов, В.Е. Определение параметров криволинейного пневмотранспортирующего канала малогабаритного пневмосепаратора / В.Е. Сайтов, В.Г. Фарафонов, Д.В. Григорьев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - №4. - С. 9-11.

3. Сайтов, В.Е. Устройство для параметров воздушного потока в пневмосистеме зерноочистительной машины / В.Е. Сайтов, Д.В. Григорьев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - № 11. - С. 21-22.

4. Сайтов, В.Е. Основные параметры конструкции малогабаритной осадочной камеры / В.Е. Сайтов, Д.В. Григорьев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2012. • № 1. ■ С. 16-18.

5. Сайтов, В.Е. Замкнутый малогабаритный пневматический сепаратор для очистки зерна / В.Е. Сайтов, Д.В. Григорьев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2012. -№7.-С. 15-18.

Статьи в материалах международных и всероссийских конференций

6. Григорьев, Д.В. Анализ конструкций и процесса работы зерноочистительных машин / Д.В. Григорьев // Науке нового века - знания молодых. Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей, посвященной 80-летию Вятской ГСХА: Сб. науч.тр,- В 3 ч. - 4.2. Биологические, ветеринарные науки, технические науки. - Киров: Вятская ГСХА, 2010. - С. 144-148.

7. Сайтов, В.Е. Малогабаритный пневматический сепаратор ПС-10 / В.Е. Сайтов, Д.В. Григорьев // Совершенствование технологий и средств механизации производства продукции растениеводства и животноводства: материалы науч.-практ. конф. - Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2007. - С. 51-52.

8. Сайтов, В.Е. Методика и исследование рабочего процесса замкнутого малогабаритного пневмосепаратора / В.Е. Сайтов, Д.В. Григорьев // Улучшение эксплуатационных показателей мобильной энергетики. Материалы I Всероссийской науч.-практ. конф. «Наука-Технология-Ресурсосбережение» и 54-ой науч.-практ. конф. профессорско-преподавательского состава и аспирантов инженерного факультета Вятской ГСХА, посвященной 55-летию инженерного факультета: сб. науч. тр. - Киров: Вятская ГСХА, 2007. -Вып. 7. - С. 85-88.

9. Сайтов, В.Е. Влияние конструктивно-технологических параметров на процесс работы замкнутого пневмосепаратора ПС-10 / В.Е. Сайтов, Д.В. Григорьев // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства. Мосоловские чтения: материалы X Международ, науч.-практ. конф. - Йошкар-Ола: Map. гос. ун-т, 2008. - С. 440-441.

10. Сайтов, В.Е. Разработка устройства для измерения параметров запыленного воздушного потока / В.Е. Сайтов, Д.В. Григорьев // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства. Мосоловские чтения: материалы XI Международ, науч.-практ. конф. - Йошкар-Ола: Map. гос. ун-т, 2009. -С. 242-249.

11. Сайтов, В.Е. Оптимизация геометрических параметров входного окна пылеотде-лителя с жалюзийным участком / В.Е. Сайтов, Д.В. Григорьев // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики. Материалы III Международ, науч.-практ. конф. «Наука-Технология-Ресурсосбережение», посвященной 100-летию со дня рождения профессора А.М. Гуревича: сб. науч. тр. - Киров: Вятская ГСХА, 2010. - Вып. П. -С. 162-166.

12. Сайтов, В.Е. Обоснование схемы и основных конструктивно-технологических параметров инерционного жалюзийного воздухоочистителя с криволинейным отводным каналом / В.Е. Сайтов, В.Г. Фарафонов, Д.В. Григорьев // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики. Материалы IV Международ, науч.-практ. конф. «Наука-Технология-Ресурсосбережение»: сб. науч. тр. - Киров: Вятская ГСХА, 2011. - Вып. 12.-С. 126-130.

13. Сайтов, В.Е. Распределение статических давлений по длине воздушного тракта экспериментальной установки замкнутого малогабаритного сепаратора / В.Е. Сайтов, Д.В. Григорьев // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики. Материалы V Международ, науч.-практ. конф. «Наука-Технология-Ресурсосбережение», посвященной 60-летию инженерного факультета: сб. науч. тр. - Киров: Вятская ГСХА, 2012. -Вып. 13.-С. 135-137.

Свидетельства и патенты на полезные модели

14. Замкнутый пневматический сепаратор зерновых смесей: Пат. 53940 РФ, МПК7 В07В 4/00 / В.Е. Сайтов, Н.П. Сычугов, Д.В. Григорьев (РФ). - № 2005141671/22; заявл. 29.12.05; опубл. 10.06.06 // Изобретения. Полезные модели. - 2006. - №16. - С. 1179.

15. Замкнутый пневматический сепаратор зерновых смесей: Пат. 68374 РФ, МПК7 В07В 4/00 / В.Е. Сайтов, А.И. Бурков, Д.В. Григорьев, А.Л. Глушков (РФ). - № 2007125005/22; заявл. 02.07.07; опубл. 27.11.07 // Изобретения. Полезные модели. - 2007. - № 33.-С.780.

16. Зерноочистительная машина: Свидетельство 27508 РФ, МПК7 В07В 4/00 / В.Е. Сайтов, С.М. Куклин, Д.В. Григорьев (РФ). - № 2002113258/20; заявл. 24.05.02; опубл. 10.02.03 // Изобретения. Полезные модели. - 2003. - № 4 (Пч.). - С. 570.

Подписано в печать 09.10.2014 г. Формат 60х841Аб Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 112.

Отпечатано

в полиграфическом цехе Издательства ВятГГУ, 610002, г. Киров, ул. Ленина, 111, т. (8332) 673-674