автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности очистки семян рапса от сорной примеси по упругим свойствам



ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДЛРСТШШЫЙ ЛГРОИШЕНЕРШИ УНИВЕРСИТЕТ

ПОВЫШЕНИЕ ЭгФЖШШОСТИ ОЧИСТКИ СЕМЯН РАПСА

ОТ СОРНОЙ ПРИШСИ ПО УПРУГИМ СВОЙСТВАМ

Специальность 05.20.01 - механизация сэльскохсэя1»-

отЕвнного производства

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

СЛУКИН Олег Леонидович

\

Челябинск, 1992

Работа выполнена в отделе комплексной механизации и проектных, решений Всероссийского научно-исследовательского и проектно-технологнческого института рапса.

Научные руководители - докгор технических наук,

профессор Косияов Н.И.

- кандидат технических наук, старшн.1 научный сотрудник Харламов С.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук-,

профессор Серый Г.Ф.

-кандидат технических наук, доцент Шубин Ю. 11.

Ведущее предприятие - Головное специализированное конструкторе • кое бюро по комплексу машин для после-

уборочной обработки и хранения зерна в . хозяйствах Ш "Воронежзерномаш"

Защита диссертации состоится !

в на заседании специализированного Совета К 1Ш .¿

Челябинского государственного агрсинженерного университета по адресу; 4540ь0, г.Челябинск, пр.им.В.И.Ленина, 75.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просил исправлять в адрес спецсовета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университет Автореферат .разослан •

Ученый секретарь ' -/

специализированного совета ^Патрушев

-'•и

■ ; , ХАРАКТЕЖТИКА РАБОТЫ -

Актуальность Появление безэруковых иизкогликоаин

11ых сортов рапса вызвало значительный реет интереса к этсЛ к. туре во всем мире. Расширяется его производство и в нашей ст; с 1985 по 1950 год валовый сбор семян вырос с 73,9 тыс.т. до 556 тыс.т.

Перевод-возделывания рапса на интенсивную технологов - к обхедям''! условие нарящивзния валовых сборов семян. Одним из нейших звеньев технологии является послеуборочная обработка се. Между тем, как показала практика, применение традиционных для зерноннх культур ствмчг'методси послеуборочной; сбработгш семли рапса привод1уг к резкому. снижения производительности оборудования, повышению удельных затрат и невысокому качеству очищенного 1 материала .. При многократном пропускании материала через очистительные линии повышается травмирование семян, снижаются их посевные качества. Наиболее слоаной проблемой очистки является выделение семян трудноотделимых сорняков.

В связи с этим приббретают болызое научно-практическое зна-четГб"^следованиягодрммётше няГ ~повдаен11е эффективности очистки семенного материала рапса в процессе послеуборочной обработки.

( Ц&!£Л£93$3$32321Ь Изысканна путей повышения эффективности очистки семян рапса от трудноотделимой сорной примеси по различив в упругих свойствах.

ОйЪ533~0583И&33!№23л -процесс сепарации по упругим свойствам семешюй смеси рапса и трудноотделимнх сорных растений.

■ Предмет; и^оледовани? - установление закономерностей взаимодействия семян рапса и сорняков с отражательной поверхность«) и их последующего движения.

- - Исуддива - ксслэддория. В- процессе исследования применялись аналитический, экспериментальный и расчетно-конструкторский метода. "'.V'/"'/'' ;

Теоретическое нсслйдование процесса' сепарации на наклонной отражательной поверхности проведено яа основе анализа уравнений движение семянсучетом ппказате*бй,хараггеряэупптх их упругие свойства. При проведении экспериментальных исследований применялись. мет оды .математического планирования, многофакторного эксперимента и оптимиэации отклика. Обработка экспериментальны* данных осуществлялась язвестнымиметодамя математической.статистик*.

аа.ч,цс.пи3Исследованы упругие свойства семян рапса и 'jí-rHüx раст-л:;^. Установлены зависимости меиду коэффициентом восстановления семян,основными параметрами сепаряруюшого рабочего oj гона и его делительной способностью. Определено оптимальное количе ство ступеней сепарации на отражательных поверхностях.

Практическая ценность. Разработанный способ очистки семлн р: са от сорной примеси по упругим свойствам позволяет получать еш:с семян I класса в объеме 80...89$ при удельной подаче 250...300 í;i Показатель эффективности сепарации повивается з 1,3... 1,5 раза.

Pg_aли заш'Я-габо.ты. Результаты исследований могут сыть ncnoj э ста га: научно-ясслеповагвльскиш учреждениями-, в которых водутс/ изыскания путей повышения. качества сепарация семян свльскохрзяй -ственных культур:

- учебными'учреждениями для изменил процесса разделения се? ной смеси по упругости;

- конструкторскими организациями и промышленными предпряяти) занимающимися разработкой семяочистительных машин.

Апробацид. Материалы диссертационной работы доложены и оло< ны на научно-практических конференциях ЧИЮСХ(ЧГАУ) г. Челябинск, в 1990 и 1991 году. Воронежского агроуниверситета (г.Воронеж). в 1991 году.

П'убликапдц. По результатам исследований опубликованы 4 печеных работы.

Вндггоекле. На основе материалов по диссертационной работе и: готовлен опытный образец отражательного сепаратора, который испо; зуется для очистки семенного материала рапса от трудноотделииой

СОрНСЙ ПрИ«вСИ В ЛИНИЯ ПОСЛвуборОЧНОЙ обработки ОПЫТНО-ДРОИЗЕО.Й-

ственкого хозяйства "Липецкое" НПО "Рапс".

С^рукгогэ.и.рЗъдм пассдртация. Диссертация состоит из ввош

ния, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений.

Она содержит 137 стр. основного текста, 38 ряс..37 табл.Спк-сок использованной литературы включает 141 наименование. В диссертации 13 приложений. "

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Дзн сравнительной анализ физико-механических свойств семян рапса к- сортл растений (псдкаренник, пикуль-ник, круглсц, горец, куриное просо, щетинник), рассмотрены способы специальной счистки семян рапса и устройства для га осуществления; определены цель и задачи исследовагая.

Теор:м'сспарзциг "семян • по различии в упругих снсйсгвах бааи- -руется на общей теории сепарации зерновых смесей, основные положения которой изложены в трудах В.П.Горячкина, М.Н.Летсшием, Г.Д.Терскопа, ВгА.Кубышева, Ю.В.Терентьепа, Н.И.Кссилова, А.И. Любимова, П.М.Заика и других ученых. В результате многолетней работы разработаны и теоретически обоснованы пргнципн вкбс}>а

способов сепарации в зависимости ..... от физико-мехаки-

ческих свойств коупонентов смеси, предлогеш методики расчета конструктивных й техноло^тёск!«'параметров рабочих сргаяоп;

Анализ работы серийного семяочистительно^о оборудования показал, что при очистке семян рапса использование таких физико-механичесггих свойств семян, га;? размеры, плотность, аэродтауи-честие и фрикционные свйоства, не обеспечивает достаточного быдс-леиил некоторых видов сорной примеси, в особенности семян трудноотделимых сорных растений. При поиске более эффективных признаков долкмости семенного материала рапса была выделена сепарация по упругим свойствам (ргс'.Х).--------- .. ......

Вопросам сепарации семенной'сыеси. по упругости посвяшсны работы С.Д.Птицына, Н.Ф.Пояопа, П.И.Рябова, Ю.В.Терентьеза, С.А.Шуюорова,- Н.И.йилмтсша,,,И.Г.!Соврикова,, Г.В.Скворцова, П.А. Патрина, П.П.Буйнсва, П.Э.Арнольда и некоторых других исслздсва-телей. Ими изучены упругие свойства семян ряда сельскохозяйственных культур, роэраСе*аш~рязл:года'е ггигстрэ'кций сепарирующих устройств и проведена экспериментальная проверка их работы. Полученные рсэультатыст?едетельствувто перспективности испольсозакия данного способа при сортировании семян по посевным качествам, очистке от-сорной-прдаеси»™ ^., ......;......

Вместе с тем, теоретические предпосылки сепарации селенных смесей по упругосТи на отражательных поверх»сетях, учет ксиллеге-иого влияния различных факторов на качественные показатели про-

цесса иэу-лну. »достаточно, что сдеркивеет возможности совершен! вования сепарирующих рабочих органов устройства и препятствует широкому внедрении способа в практику послеуборочной обработки семян, в частности для специальной очистки семян рапса от трудж отделимой сорной примеси.

На основании вышеизложенного определены следующие задачи / исследования:

1. Научить упругие свойства семян рапса и сорных растений.

2. Исследовать закономерности процесса сепарации семенной смеси на отражательной поверхности,

3. Разработать способ очистки семян рапса от сорной пркмес» по упругим свойствам и устройство для его осуществления, обеспе-

' чиващие высокую эффективность сепарации.

4. Провести.производственную проверку способа и определить его экономическую эффективность.

Во^ руорс^ууаду изложены теоретические исследования сепара ции по упругости на отрадательных поверхностях, рассмотрены фак торы процесса и пути их оптимизации .для повышения делительной ■ способности рабочих органов и роста выхода очищенной фракции.

Процесс сепарации зерновой смеси на наклонной отражательной поверхности можно условно разделить на три стадии:

- сосхйцение семенам, начальной скорости к моменту удара;

- кесой удар семяв'об отражательную поверхность, в результа' которого происходит изменение скорости и направления их движения;

- свободное двикение семян до момента , их разделения на фракции по дальности пояета. / . ■

Сепарация семкн различной упругости обусловлена различием в дальности их полета после удара (рис.2). Сообщение семенам скорости к моменту удара достигается за счет падения их с определенной высоты Н под действием силн тяжести. Отражательная поверхность I установлена под углом«* к горизонту. После удара семена движутся по параболическим траекториям. Разделение на фракции производится делителем 2, отстоящим от линии удара по вертикали на расстояний-А и по горизонтали — на расстоянии 1-Гр . '¿ф-фэктирность сепарации тем вьчпе, чем больше разница в дальности полета д !, * -' упругих и неулругих семян.

Для описания ударного взаимодействия семени с отражательной поверхностью (рис.3) были применены гипотеза Ньютона о восстановлении нормальной скорости:

Упг * 'К' Уп< , ............ (1)

где 1Гп1 , Упг - нормальные,. по отношению к отражательной ■ поверхности, скорости семени до и после удара, Н. - коэффициент восстановления;^*"'"""""" " -и гипотеза Рауса -о соотношении нормального и тангенциального ударных импульсов:

где бт - тангенциальный ударный импульс, $п - нормальный, ударный импульс, / - динамический коэффициент трения.

В результате ударного взаимодействия семени с поверхностью ММ в начальной „момент, свободного полета оно приобретает угловую и поступательную скорости движения, которые находятся из системы уравнений:

• - Ъ,) -- 9х ,

-ы() » $С-Г , где т - к«асса семени, кг; н ¡/^ ~ касательные

скорости семени до и после.удара, м/с; ., Зс главный момент инерции семени относительно оси, перпевдикулярной плоскости удара, кг . м^; I" - эквивалентный радиус семени, м; и сОд - угловые скорости семени до и после.удара, с"1.

В зависимости от упругих и фрикционных свойств семени и отражательной поверхности, а также уг«ла наклона поверхности оС , .возможны случаи удара с остановкой скольжения и удара со скольжением. Переход от первого типа удара ко второму характеризуется критическим углом: . ................

агс^З/О + Ю]. ш

Фактические значения коэффициентов | и И семян рапса и сорняков показывают, что для- применяемых углов наклона поверхности " Ы = 25...35° имеет место удара с остановкой скольжения.

Тогда, с учетом выражений (I) и (2), с-'рости Угг

и?, могут быть найдены из системы уравнений:

—К-1ГП1 ,

-- 0,714 1ГГ1 , ' С5)

модуль скорости и угол возвышения траектории д^ккения семени в момент отрыва от отражательной поверхности спроделятся из выражений:_

Уг - и,- {кгсо$ы + 0,51 Б/П'ос ,

В декартовой системе координат уравнение траектории движения семени может быть преобразовано к .виду:

Гос%Г-хг. , (Ь)

где у - ордината точки траектории, м; X - абцисса точги траектории, м; д - ускорение свободного падения м/с*\

Проведя дальнейшие преобразования, была получена формула для определения дальности полета семян, как функции их упругих свойств и параметров сепарирующего рабочего органа:

/ - 1пг/ьт2Г)2 2АЫгСо^Т^ (с.)

• 2% +т/( 2д Г Г д •

Пользуясь данным выражением,-совместно с формулами (6) и IV), и задаваясь известными значениями И для компонентов семенной смеси, возможно определять сочетание параметров Н, А и с< рабочего органа, обеспечивающее максимальную разность в дальности полета упругих и неупругих семян.

содержатся программа и. методика эксперимен

тальных исследований.

Разработаны частные методики определения зависимости коэф-

фициента восстановления семян от их влажности, сксрссп: двн пня семп! к мсмснту удара,' модуля упругости отражательной и верхнсстк; определение динамического коэффициента трения.

• методика исследования закономерностей' ударного взаимо-дсЛатвия семян с отражательной поверхностью предусматривала проведение .'»ногсфактсрнсрс эксперимента с целы» определении параметр«) рабочего ергакг., обеспечивавших его патссимаяьнуа делительную спсссо'ность.

' Для экспериментального исследования процесса сепарации co;,.chhg;¡ cuí-.ch'о ила -разработана лабораторная усгспспка с регулируемыми параметрами: высотой падения семян Н - 2CQ... 450 мм, перепадом по высоте между линией удара и кромкой делителя А = 0... 150мм, углом наклона отражательной поверхности сЛ = 0..,£0° и уровнем, удельной подачи CJB = 40... LC0 кг/ч - и. На пей проводилось исследование влияния на показатели очистки семян папса удельной подачи, количества ступеней сепарации и эксперимент по оптимизации конструктивных параметров отражательно"© сепаратора по «рсторий с^фектийиссти сепарации Е<р .

Производственное испытания епктц0"0 образца отражательного сепсрзтора (рис.5) проводились в соответствия с методигс»1 Сч'.'Г 70. 10.2 -оЗ.

приведены результаты экспериментальных исследований и дан их анализ.

Установлено, что с увеличенном :-:-ляйшости ce.v;:n W* с С до 22% происходит снижение их упруг:« свойств (рис.6): коэффициент восстановления. К.семян.рапса снизился с 0,612 до 0,422, семян сорняков - с 0,195...0,264 до 1,144...0,188. Для повышения ДОЛГТГЛьНСЙ СПСССбнОЗТН при ОЧНСТ'ГЗ СЭМЯН pancú ИХ клажнозть следует доводите до дадусги'-ш. aiwisiKii 7.. МЩ. .Увеличение скорости семян Vt к моменту удара с 2,04 м/с до 3,54 м/с также снижает значения коэффициента восстановления (рис.7) как для рапса, так и для сорняк растений. При отсм в интервале "Vi -= 2,0...2,tí м/с происходит существенное увеличение различий в скорости семян Vz после удара, о дальнейший рост Щ до 3,5 'м/с не скаэнвяет заметного влияния на повышение делительной способности. Лнализ результатов.исследования по определению влияния модуля упругости Е2 отражательной поверхности на коэффициент восстановления семян показал, что максимальные различия в его

величине для семян рапса и сорнигоп наблюдаются при ударе сб отражательную' поверхность из высокоупругого материала ' ( £2?105 н/М ).

Динамический коэффициент трения ;[- по различны! поверхнс тям зависит от их шероховатости и колеблется для сеыян рапса ит 0,30 по стальной шлифованной пластине ( 0,63) до 0,40 по дереву и листовой необработанной стали; для семян сорняков - от 0,32...0,35 до 0,41. ..0,45 по тем яе материалам,

В результате реализации ыногофакторного эксперимента били определены существенные факторы, влияющие на делительную способность отражательной поверхности и найдены их оптимальны значения при сепарации семян рапса 1; каждого вида сорняков (табл.1).

Таблица I

Оптимальные значения факторов

_______________ник ___

1. Угол наклона

поверхности , 28,4 29,9 31,6 30,0 30,0 30,( град •

2. Высота падения 325 340 347 ' 325 346 325 сег.:н К ,мм . -

3. Удаление кромки 230 260..'/ 275 . ,. 2Ю:. 275. 275 делителя ,мы

4. Перепад А ,мм 125 310' 103 125 КМ ]25

Исследование влияния удельной подачи С]а материала на качество очистки семян рапса различной засоренности С, цСх (4Ш...1540 шт/кг) показало (рис.6), что с увеличением С)& эффективность сепарации снижается. Сохранить высокую произ! дительнссть и качество очистки позволяет метод многеступенчате

сепаредии с выведением упругой, фракции на..каедой. ступени и подачей неупругсй фракции на последующее" разделение. В ходе эксперимента с ростом числа ступеней сепарации с 1 до 5 выход семян рапса- 1 класса увеличивался'"на 36...46%, -величина коэффициента эффективности сепарации £<р - на 42...13^% (рис.и).

Производственные.испытания опытного образца отражательного сепаратора, разработанного на основе теоретического и элсперкмсп-тгльпсгс,' исследований¡" показали: по сравнению -с серкйтгкм се::ло1'.::^ тительним оборудованием он обеспечивает более высокие показатели очистки семян рапса ст трудноотделимей сорнсй примеси. При исходной засоренности 220...оЮ ыт/кг эффективность сепарации выше в 1,3...1,5 раза, выход'семян рапса I класса составляет 80...Ш^, Пропускная способность сепаратора - 350...400 кг/ч.

Д^ХЭВ-Г3952^ приведен расчет экономической эффективности применения отражательного сепаратора в технологической линии посла- -Ю'орочной обработки семян рапса. Расчетный годовой экономический аффект от повышения качества продукции и снижения приведенных затрат составляет ПЬЮ руб.

ОСНОВНЫЕ ШВОдЫ И РЕН0?АЕ1{ДАЦИИ

I. Основной проблемой очистки семян рапса является выделение семян сорных растений: пикульника, подмаренника, куриного проса, гррца, круглеца, щетинника. На основании изучения физико-механичес-ккх свойств семян об основа!! выбор в качестве признака делимости упругих свойств, характеризуемых коэффициентом восстановления К

к. Установлено зависимости коэффициента восстановления И семян от технологических факторов: скорости семян к моменту удерч, '• юс влакности и модуля упругости отражательной поверхности; спре- / делены их оптимальные значения, сбеспочиваицие максимум долите л ь-ней способности сепарпрушего рабочего органа /отражательной поверхности/:

- скорость семян ' VI =2,8.'. .3,5 и.-'с;

- влажность семян V/ =7... 8.?;

- модуль упругости отражательной 9' поверхности 10 н/м2.

' 3. Повышение эффективности сепарации семенник смеси по упругостя достигается увеличением разницы в дальности полета упругого /рале/ и иеуяругого /сорняки/ компонентов. Теоретически установлена и подтзер:хдена экспериментально зависимость разницы б дальности полета семян от конструктивных параметров сепарирующее рабочего органа; при очистке семян рапса их рациональные знс^ои.ин составили:

- высота падения Н = 325...345ш;

- перепад по высоте между линией

- удара и кромкой делителя А = Ю5..Л25ш; .- угол наклона отражательной •

поверхности , о( - 20,5..¿31,5°;

- горизонтальное удаление кромки

делителя 1Гр= 275.. .290мм .

4. Разработаны способ и устройство для многоступенчатой

. очистки на каскаде расположенных одна под другой отражательных поверхностей. Последовательная многократная сепарация неупругой фракции позволяет снизить потери полноценных семян рапса в отходы при высоком уровне удельной додачи (¡6 материала. Оптимальным являются 3-4 стулешГ очистки, что повышает ксоф^щаснт эффективности сепарации Ер на 42...138^ по сравнения с однократным разделением.

5. Производственная проверка предложенного снсссба на опытной образце трехступенчатого отражательного сепаратора дала следующие результаты: при производительности 350 кг/ч выход фракции семян рапса I класса составляет ЕЮ...87%, полнота ввделения сорной при-месл ТО.. .85%, .коэффициент эффективности сепарации Е^-0,60. . .0,69, та о в 1,3...1,5 раза вьие соответствующего показателя серийных машин специальной очистки.

6. Годовой экономический аффект от внедрения отражательного сепаратора для специальной очистки семян рапса составил 12 тыс.руб на одно устройство". ,

'?. Задачей дальнейших исследований является разработка технических'решений, позволяющих повысить универсальность сепаратора, ' устранить замасливание отражательных поверхностей, увеличить его производительность и качественные показатели работы при сохранении габаритных размеров.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах; ........ .. . .„..Л......_____

I. Харламов С.А., Слукин О.Л. Определение коэффициента восстановления спорости семян рапса к некоторых сорняков //Совершенствование технологий иТехнических средств для уборки уроиая и послеуборочной обработки .зерновых культур: Сб.иауч.тр./

ЧИЮСХ. - Челябинск,-I9SQ. ^ С.54-56. .....- .....

Z. Усовершенствовать технология послеуборочной обработан семлн рапса; Отчёт о НИР ¿заключит.)/йерос.иауто.-яеслед. и проект.-технологич.ин-r рапса. № ГР OI9£COOC647. - Липецк, 1991. - 113 с.

3. Способ очистки семян рапса /Харлзмоз С.А., Слукин О.Л. - Полож. реш. к заявке » 4905194/03. -.1990. .

4. Харламов С.А., Слукин О.Л. Очистка семян рапса на наклонных отражательных поверхностях //Совершенствование технологий и технических средств для уборки урская и послеуборочной обработки зерновых культур: Сб. науч.тр./ЧГАУ. - Челябинск, 1991.- С.37-39. '

: 1 1 ! .

[ 1,

Ж 1 ч

\ ш к ч V

4 / Ш } л 1 \

/ н и ы / 1

_1 А N ( \

ГУ 1.

0,2 0.3 ОД 0,5 0,6 0,7 0,Й И Рио.1. Вариационные кривые распределения коэффициента восстановления К семян 1-рапс, 2-пикульник, 3-подмаренник, ^-круглен, 5-куриное просо, б-гореи, ?-щетинник

• ^ с*^ и

г и А

¿" ' 1"

• ■ ' - . Ь* Г*

Рис.2. Схема,.сепарашш на отражательной поверхности 1-Ьтражательная поверхность,. 2-делитель

Рис. 3. Расчетная схема косого удара сенеки об отражательную поверхность

Рис.4.. Схема Лабораторной установки 1-основание, 2-<5ункер, 3-дозитор, ¿»-отраиотельноя поверхность, 5-регулироЕочнвй винт, б-приенная камера, 7-делитель

сепаратора

1-корпус, 2-бункер,х 3-дозатор, '»электродвигатель, 5-редуктор, б-клиноременная передача, 7-питаоиее отверстие, 8-отражательная поверхность, 9-делитель, 10,П-сквтные доски, 12,13-вь1пускние окно.

,1_ I !_:___

в 8 >о ¡2 14. 16 . а ¿о ¿1

Рис. 5. Ззвпсппость коо^нииснта восстановления К семян' от их влагашсти V/

I-iv.no, Р-пичулькик, 3-кури"ное ппосо, Л—1^о»-тТ1, -' уг.;вп, 6-подмасешшк, 7-цетинник

<

..... ~ Г

г 1

-

** -

-Ч """ а- '2* V»

----- ----- 1 1

*,в гр 2.2 г/1 г.б г,о до ¿,2 ¿.ч

]';;с.г/. сав;;с«ность козфйашснта восстановления К ' семян-от их скорости к'моменту удара 1-рпс, 2-пикульник, З-куриное просо, ^-гореи, 5-круглеи, _6-поднарьннх:с, 7-щетинник

t ■ , ' Ц1

0,02 № 0,08 У/ 0.Й 0. -Е.

Рис.8. Зависимость оффективности сепарации £в>

от удельной подачи ^а и исходной засоренности

1-480 шт/кг; 2-960 от/кг; 3-1540 шт/кг

П.шш

Рис.9. Зависимость эффективности сепарации Еф от. количества ступеней рабочих органов!» и исходной засоренности • 1-430 ит/кг; 2-960 шт/кг; 3-1540 шт/кг

Дадлисамо * />ечати •„ ' 32 ФоАпат еог90, Тиражюо 9*3. Заказ V €?е чглу .