автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности перемещения зерновых материалов в самотечных устройствах пунктов послеуборочной обработки зерна

На правах рукописи

ДЫМОВ НИКОЛАЙ ЭДУАРДОВ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЗЕРНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В САМОТЕЧНЫХ УСТРОЙСТВАХ ПУНКТОВ ПОСЛЕУБОРОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА

05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Киров- 2004

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия им. Н.В. Верещагина»

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

|Игнатьевский Николай Филиппович];

доктор технических наук, профессор Александров Игорь Константинович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники Сычугов Николая Павлович;

кандидат технических наук, старший

научный сотрудник

Чернятьев Николай Александрович

Ведущая организация: ГНУ Северо-Западный научно -

исследовательский институт молочного и лугопастбищного хозяйства

(СЗНИИМЛПХ) РАСХН.

Защита состоится часов на засе-

дании регионального диссертационного совета ДМ 006.048.01 в Государственном учреждении Зональный научно — исследовательский институт сельского хозяйства Северо - Востока им. Н.В. Рудницкого по адресу: 610007, г. Киров, ул. Ленина, 166-а, ауд.426.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ГУ ЗНИ-ИСХ Северо - Востока им. Н.В. Рудницкого.

Автореферат разослан ^ ^^Н Я 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Ф.Ф. Мухамадьяров

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Обязательным условием при проектировании всех машин и агрегатов, предназначенных для переработки и хранения зерновой массы, является хорошее знание её фрикционных свойств. Так, например, одни из основных элементов обработки зерновых масс, современные зерно- и семенохранилища представляют собой сложную инженерную конструкцию, включающую разнообразные механизмы и машины по вертикальному и горизонтальному перемещению зерновой массы, взвешиванию и затариванию зерна, его активному вентилированию и транспортированию.

Все эти процессы находятся в тесной связи с перемещением значительных масс сыпучих материалов растительного происхождения. Поэтому транспортировка обрабатываемых материалов как во время переработки, так и при производстве погрузочно-разгрузочных работ занимает значительное место в общем объёме работ. При этом следует учесть, что вопросы фрикционных свойств сыпучих материалов органического происхождения недостаточно изучены.

Исходя из этого, снижение затрат энергии и материалов путём повышения эффективности перемещения за счёт более точных расчётов силы фрикционного сопротивления, при проведении обработки зерновой или другой сельскохозяйственной продукции является актуальной задачей и имеет весьма большое практическое значение.

Цель н задачи исследования: Целью настоящей работы является повышение эффективности рабочего процесса агрегатов и устройств, использующих гравитационный принцип перемещения сыпучих зерновых материалов, за счёт совершенствования метода определения величины силы фрикционного сопротивления перемещению этих материалов, путём обоснования выбора основных параметров гравитационного перемещения. Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

1. Проанализировать состояние вопроса о фрикционных свойствах сыпучих с.-х. материалов и на основании полученных выРОС НАЦИОНАЛЬНАЯ{ БИБЛИОТЕКА I

водов определить цель исследования и сформулировать задачи исследования.

2. Провести теоретическое исследование процесса фрикционного взаимодействия различных зерновых материалов и твёрдой поверхности с учётом существующих инженерных методов расчёта силы фрикционного сопротивления, имеющей место при их перемещении.

3. Для получения экспериментальных данных разработать опытную установку для измерения фрикционных свойств при перемещении сыпучего материала по плоскости скольжения в зависимости, от величины силы, нормально направленной к поверхности скольжения, температуры объекта перемещения и поверхности скольжения.

4. Провести экспериментальное исследование фрикционных характеристик зерна ряда с.-х. культур и получить зависимости этих характеристик от относительной влажности зерна и выше отмеченных факторов.

5. На основе результатов исследования фрикционных свойств зерна предложить инженерный метод расчёта для определения силы фрикционного сопротивления и обоснования конструкционных параметров агрегатов и устройств, связанных с перемещением зерна.

6. Произвести. производственную проверку полученного метода расчёта и оценить величину полученного экономического эффекта.

Объект исследования. Процесс преодоления силы фрикционного сопротивления различных сыпучих зерновых материалов при их перемещении по твёрдой поверхности и изменении внешних факторов.

Методика исследования. В основе теоретических исследований положены известные законы и методы, описывающие молекулярную и механическую составляющие, их изменение и сочетание друг с другом при определении силы фрикционного сопротивления, Значительное место занимают вопросы, связанные с фрикционными свойствами зерна и проведение аналогии со свойствами других сыпучих материалов, у которых они получили большее развитие. Исследование проводилось при помощи тео-

ретического анализа процесса перемещения сыпучих материалов минерального происхождения, типа грунтов.

При проведении экспериментальных исследований использовались стандартные и оригинальные методики, приборы и установки. Разработана и изготовлена установка для экспериментальной проверки выводов теоретических исследований. При реализации, подготовке и обработке результатов экспериментов применялись методы математической статистики и теории планирования многофакторного эксперимента. В качестве инструмента при работе со стандартными методами активно использовалась вычислительная техника.

Научная новизна заключается в следующем:

- комплексный подход с учётом механической и молекулярной составляющих, температурного влияния и влажности зерна к процессам, связанным с преодолением силы фрикционного сопротивления, возникающей при перемещении зерновых материалов по твёрдым поверхностям;

- математические модели по определению молекулярной и механической составляющих силы фрикционного сопротивления при перемещении различных зерновых культур по твердой поверхности;

- инженерная методика расчёта устройств, перемещающих зерновые материалы под действием их силы тяжести;

- оптимизация геометрических параметров саморазгружающихся бункеров и увеличение их вместимости.

Практическую значимость имеют:

- установка и методика для определения фрикционных свойств зерновых культур;

- методика инженерного расчёта агрегатов и устройств, связанных с преодолением силы фрикционного сопротивления;

- результаты хозяйственной проверки предложенной методики инженерного расчёта.

Реализация результатов исследования. Предложенная инженерная методика расчета угла наклона гравитационного транспортёра и определения параметров силы фрикционного сопротивления перемещению использована при проектировании и практической реконструкции технологической линии зерноочи-стительно-сушильного комплекса (ЗОСК) СХПК Племзавода

«Майский» Вологодской области. В период проведения уборочных работ в 1998 и 1999 годах на базе указанного предприятия проведена производственная проверка работы самотечных транспортирующих устройств, саморазгружающихся бункеров и технологической линии в целом, рассчитанных по приведённой методике. Также указанный способ расчёта опробован в 'ОАО «Головном конструкторском бюро деревообрабатывающего оборудования» (ГКБД) при выполнении расчетов на перемещение сыпучих материалов и конструировании транспортирующих машин. Результаты научной работы используются в учебном процессе ВоГТУ и ВГМХА.

После апробирования методики были получены следующие результаты:

- Применение разработанной методики позволило использовать при реконструкции ЗОСК в качестве транспортирующих устройств самотечные системы для перемещения зерна в процессе его обработки, отказавшись от использовавшихся ранее для этой цели (по типовой схеме) энергоёмких ленточных и шне-ковых транспортёров, и, кроме того, сократить число электродвигателей в технологической линии;

- Расчёты саморазгружающихся бункеров, выполненные по результатам исследования вместо прежней классической методики, признававшей постоянство составляющих силы фрикционного сопротивления, позволили уменьшить наклон стенок бункеров и самотечных труб;

- В результате проведённых расчётов увеличилась вместимость бункеров (без увеличения их геометрических размеров), снизилась высота норий, что в конечном счёте привело к уменьшение размеров всего зерноочистительно-сушильного комплекса.

На защиту выносятся следующие положения:

- обоснование и оценка фрикционных свойств сыпучих материалов;

- комплексный подход с учётом механической и молекулярной составляющих, температурного влияния и влажности зерна к процессам, связанным с преодолением силы фрикционного сопротивления, возникающей при перемещении сыпучих с.-х. материалов по твёрдым поверхностям;

- методика инженерного расчёта агрегатов и устройств, связанных с перемещением сыпучих с.-х. материалов.

Внедрение и экономическая эффективность. Совершенствование схемы ЗОСК СХПК племзавода «Майский» упростило конструкцию, сократило его общую стоимость и снизило энергоёмкость технологической линии на 12,6 кВт. Как следствие этого, получена экономия за уборочный сезон 5040 кВтч электрической энергии.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили положительные оценки на научной конференции Рязанской ГСХА (1999 г.), ежегодной научной конференции СПГАУ (1999 г.), конференции ВГМХА (2000 г.), областной межвузовской научно-практической конференции ВГТУ (2000 г.), общероссийских научно-технических конференциях ВоГТУ (2003 г. и 2004 г.).

Публикации результатов работы. По результатам исследования опубликовано восемь печатных работ.

. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 188 страницах, в том числе 37 страниц приложения. В диссертацию включены 95 рисунков, графиков, номограмм и 18 таблиц. Список литературы содержит 122 наименования, в том числе 3 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится краткое обоснование выбора темы, приведена аннотация работы и её хозяйственное значение, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В ПЕРВОМ РАЗДЕЛЕ «СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ II ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ» рассматривается современное состояние вопроса в области фрикционных свойств сыпучих сельскохозяйственных материалов (зерновых культур). Также дан анализ современного состояния в области поточной обработки зерновых. При этом особый упор делался на вопросы применения в них самотечных систем. Приведены данные о зерновых материалах, их составе и состояниях. Было также дан анализ возможности использования других направлений современных теорий, занимающихся вопросами описания механической и молекулярной

составляющих силы фрикционного сопротивления для перемещения зерновых материалов.

При производстве работ, связанных с перемещением сыпучих материалов, большое значение имеют их фрикционные свойства. При проектировании самотечных труб и скатных поверхностей для зерна их наклон рекомендуется принимать большим табличных значений на 6...7 градусов. Кроме того, углы наклона самотечных труб зависят от их формы. С наименьшим углом рекомендуется устанавливать круглые трубы, квадратного или прямоугольного сечения с углом на 3...5%, а ромбическую на 18...20% с большим углом, чем у труб круглого сечения. Практически рекомендуются углы наклона для сырого зерна 45... 50 градусов, для сухого - 36...40 градусов. Определяющими свойствами при всех операциях являются фрикционные свойства зерна. Но при расчётах их учёт происходит достаточно приближённо. Особенно это актуально для вопроса влияния на них температуры. Это направление не нашло отражения в существующих источниках. Влияние влажности на силу фрикционного сопротивления в достаточной мере освещено в литературе. Но несмотря на это вопрос о влиянии на фрикционные свойства зерна влажности во многом остаётся открытым. Поэтому необходима разработка новых методов их расчёта для зерновых масс.

Наиболее изученным вопросом в области фрикционных свойств сыпучих материалов является механика грунтов. Предварительное исследование позволило выявить сходство фрикционных свойств сыпучих материалов минерального происхождения (грунтов) и зерновых. Ввиду этого можно выстроить теоретические предпосылки по аналогии с механикой грунтов.

При фрикционном взаимодействии тел трение имеет двойственную молекулярно механическую природу. Оно обусловлено объёмным деформированием материала и преодолением межмолекулярных связей, возникающих между сближенными участками трущихся поверхностей. И тогда сила, необходимая для относительного движения тел, будет находится как:

Р=Р0В+Рад, 0)

где -сила, затрачиваемая на объёмное деформирование материала; -сила, необходимая для преодоления адгезивных связей в зоне контакта.

Эта двойственная природа выражается законом Амонтона-Кулона:

Р=А+ц*Н (2)

где F - сила трения; А - константа, характеризующая способность трущихся тел к взаимному сцеплению; N - нормальная реакция; ц - коэффициент пропорциональности.

По результатам проведённого анализа данного вопроса установлено что:

1. Исследования в области перемещения сыпучих материалов остаются актуальным вопросом в виду сравнительно малого числа работ, посвященных этой тематике.

2. Несмотря- на существование трудов,, изучающих влияние влажности, давления и других внешних факторов на фрикционные свойства материала, вопрос о влиянии температуры.на величину силы.фрикционного.сопротивления сыпучих материалов во многом остается недостаточно изученным.

3. В современных теориях, описывающих процессы, связанные с преодолением, силы, фрикционного сопротивления сыпучих объектов, коэффициент трения принимается постоянной величиной, а молекулярная составляющая признается, как правило, не существующей, что является не совсем верным представлением о природе трения скольжения.

4. Отсутствует инженерный метод расчета устройств и агрегатов, связанных с перемещением сыпучих материалов.

ВО ВТОРОМ РАЗДЕЛЕ «ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕМОВ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВНЕШНИХ УСЛОВИЯХ» проведен теоретический анализ и разработана модель, описывающая процессы,.происхо-дящие при преодолении силы фрикционного сопротивления сыпучих материалов..

Для вопроса перемещения сыпучих зерновых материалов из механики грунтов наиболее важным.является,решение, при помощи закон Амонтона - Кулона (2), задачи о устойчивости уступа (призмы обрушения).

Геометрические элементы такого-уступа показаны на ри-сункеЬ Аналитическую зависимость между высотой.уступа и состоянием предельного равновесия можно установить по теории, устойчивости горных пород второй категории. В момент пре-

дельного равновесия, то есть когда ещё призма обрушения ABC не обрушилась, но может обрушиться, составляющая её массы призмы в плоскости АС будет:

F=m*sin b. (3)

__в - с

f-ттестееттолж"

Рис. 1. Геометрические элементы уступа: Н -высота уступа, а -угол предельного равновесия откоса, в - угол между плоскостью обрушения и горизонтом (ABC призма обрушения), с - угол естественного откоса

Эта сдвигающая сила уравновешивается силой сцепления с (АС) и силой трения, равной:

N*tg c=m*cos b*tg с; (4)

m*sin B=m*cos B*tg c+ c*AC. (5)

Тогда сила сцепления в плоскости АС составит:

c=(m*sin в- m*cos B*tg с)/АС= m*sin (в-с)/АС. (6) Масса призмы ABC длиной 1м составляет:

m=p*((AB*AC)/2)*sin (а-в). (7)

Введём обозначения к=с/р - коэффициент сцепления, AB=H*sin а и получим:

K=(H*sin (a-B)*s¡n (e-c))/2sin а. (8)

Отсюда, заменив к на кмах, получим выражение для предельной высоты уступа при заданных начальных условиях:

H=(2KMax*sin a)/ (sin (a-e)*sin (в-с)). (9) Для вертикальных стенок (а=90и) предельная высота:

Но=2кмах/ (sin (90"-B)*sin (в-с)). (10)

и

Для реальных условий производства в последние формулы, вводятся поправки:

к=с/(р*куст) и B1=arctg (tg а)/ куст., (i i)

где с - сила сцепления (принимается по справочным данным); р -плотность материала призмы обрушения, куст - коэффициент устойчивости, равный 1,5...3; tg.a - коэффициент трения. Тогда:

H=2KMax*sin а / sin2 (а-в)/2. (12)

Эти выражения выведены. из условия удержания объёма призмы обрушения в неподвижном состоянии. При расчёте самотечных систем необходим обратный результат, то есть необходимо сдвинуть сыпучий материал по наклонной плоскости с наименьшими затратами (наименьшим углом наклона плоскости, скольжения, необходимым для нарушения устойчивости перемещаемого объёма). В таком случае необходимо решить задачу о предельном равновесии, исходя не из условия удержания, а обрушения объёма призмы обрушения.

Общие вопросы функционирования транспортно - складских комплексов нашли отражение в трудах Г.П.Гриневича, А.А.Смехова, О.Б.Маликова, В.А.Рычкова, А.Э.Риделя, П.Н.Платонова. Значительный вклад в развитие теории бункеров и истечения грузов из них внесли К.В.Алфёров, Р.Л.Зенков, Л.В.Гячев, В.А.Богомягких, В.С.Кунаков, В.С.Горюшкинский, А.А.Зимон, Л.В.Башкина, Г.А.Рогинский, Э.В.Джеике, Р.Квапил.

В работах этих авторов затрагиваются вопросы перемещения больших объёмов зерновых масс главным образом с точки зрения сводообразования, но без учёта молекулярной составляющей силы фрикционного сопротивления.

В виду этого процесс движения некоего ограниченного объёма зерновой массы можно условно разделить на два, практически не зависящих друг от друга участка (рис.2). Первый «а» отражает движение основного объёма сыпучего материала. На данном участке (в виду относительно большой массы материала) наблюдается преобладание механической составляющей.

Рис.2.Расчётная схема перемещения зерновой массы: а-первый участок - движение основного объёма, б-второй участок отставших частиц, 1-плоскость скольжения, 2-основной объём сыпучего материала, 3-направление движения фракций,* 4-шлейф из остатков перемещаемого материала-А второй участок «б» определяет остатками перемещаемого материала на поверхности скольжения в виде отдельных отставших фракций перемещаемого материала. В этом же случае (в виду незначительности массы) наблюдается преобладание молекулярной составляющей.

На рисунке 2 изображена модель перемещения зерновой массы по наклонной плоскости скольжения. По абсолютным характеристикам зернового массива сложно судить о моменте приобретения им устойчивости. Для этого необходимо знать условия, при которых зерновой объект будет терять устойчивость, то есть, начнёт движение вниз по наклонной плоскости. Поэтому для анализа этого процесса в большей мере подойдёт круг Мора.

Под влиянием массы лежащих выше слоев, а иногда и внешней силы в толще сыпучего материала возникают напряжения сжатия ст и среза т. Представим малый объем-призму (рис.3), выделенный из основной массы зерна. Сжимающие напряжения по главным площадкам Ст] и аг, нормальное напряжение а и касательное т. Зависимость между показанными напряжениями в линейно - деформируемом теле при изменении угла а (угла наклона площадки скольжения) наглядно описывается кругом Мора.

Из рассмотрения действующих на призму сил можно установить, что:

т =0,5(сУ1 - ст2)соз2а (13)

4

чего материала: а1 и ст2 - сжимающие напряжения по главным площадкам; а, х - нормальное и касательное напряжение -

г Уь Ж/, .и» • \ ' \

а 0 Сг1 \ \ ч \ Ч ч 2 V \ 1 у

Рис.4. Круг Мора связного сыпучего объекта Графически эта связь изображается.в виде круга. Для его построения в системе координат а-т (рис.4) откладывают на оси абсцисс главные напряжения С[ и ст2. На отрезке С| - а2 строим круг диаметр, которого совпадает с этим отрезком по величине. Если на какой-то произвольно выбранной в толще сыпучего ма-

териала элементарной площадке не совпадающей с главными плоскостями, при постоянном нормальном напряжении а постепенно увеличивается т (то есть растёт угол а), то при достижении некоторого предельного значения тпр произойдёт сдвиг слоев сыпучего материала в этой области. Это напряжение называется предельным или пределом текучести сыпучего материала. Каждому значению а соответствует своё

Для объёма зерновой массы можно провести множество кругов Мора (каждый будет характеризовать предельное состояние сыпучего материала), построенных для взаимно связанных тПр и Ст;. В этом случае линия, соединяющая точки с этими координатами, будет представлять собой значение предельных касательные напряжений (рис.4). Она огибает (касается) все круги Мора, построенные по значениям и соответствующим Точки лежащие ниже линии предельных касательных напряжений, характеризуют состояние покоя зерновой массы. Напряжения могут возрастать до тех пор, пока характеризующий их круг Мора не коснётся линии, после чего произойдёт сдвиг (возникнет перемещение частиц); Линия шредельных напряжений в общем виде описывается законом Амонтона-Кулона для предельных касательных напряжений

тПр=т0+ст1*ф, (14)

Перемещение сыпучих зерновых материалов происходит не только по наклонным плоскостям. Значительное место при гравитационном способе транспортировки занимают трубы постоянного сечения. Для описания такого способа транспортировки составим дифференциальное уравнение движения элементарного объёма сыпучего тела по наклонной трубе.

Труба, имеющая постоянное сечение, составляет с вертикалью угол 9 (рис.5). Сыпучее тело перемещается в трубе плунжерами: ведущим А и ведомым В, к которым приложены соответственно усилия Ра (движущее) и Рв (противодействующее). Ось ОХ совпадает с осью трубы и направлена в сторону вектора V скорости перемещения.

Выделим из сыпучего тела двумя плоскостями, перпендикулярными оси трубы, элемент толщиной dx. Приращение осевого усилия при переходе от сечения х к сечению x+dx определяется -

действием- силы тяжести dG элемента; силы фрикционного сопротивления dF материала о стенку, вызванной действием силы тяжести; силы фрикционного сопротивления dRx, обусловленной распорными усилиями, раздвигающими частицы- и прижимающими их к стенкам.

Рис. 5 Схема сил, действующих на сыпучее тело в трубе постоянного сечения>

В таком случае дифференциальное уравнение движения элемента сыпучего тела принимает вид:

dM*a= - dP+ dG eos 0 - dF + dRx. (15)

Рассмотрим отдельные слагаемые этого уравнения: сила тяжести

dG=S V dx, (16)

где S — площадь поперечного сечения трубы, у - объёмная масса материала;

масса элемента.

dM = dG /у= (S*y/y)dx, (17)

а - ускорение элемента, у -ускорение свободного падения; сила фрикционного сопротивления

dF = dG*f sin 0 -+С* dx = S*y* dx*f sin 0+C*dx, (18)

где С - удельная сила сцепления; сила сопротивления движению

dRx =-кР* dx, (19)

где к -коэффициент сопротивления движению сыпучего тела в трубе.

Подставив значения сил в (15), получим дифференциальное уравнение движения элемента в виде:

dP /dx+ кР = S*y (cosG -f sin 0-a/y)+€. (20)

Интегрируя его по переменной х в предположении, что все величины правой части от х не зависят (ускорение а и сцепление С в данный момент времени не зависит от х, если тело несжимаемо), получяе.м-

Р =Те *e +(S*y (cos 9 -f sin 9-а/у)+С)/к. (21)

Приняв начальные условия: при выразим усилие в произвольном сечении через ха и Ря или хв и Рв: P=Pae~4x"V +(1- е ~4x"Y)(S*y (cos9 -f sin 8-а/у)+С)/к, (22) P=P„e "V0 Че *<XB"X)-I)(s*y (cos9 -f sin 9-а/у)+С)/к. (23)

Положим в первой из этих формул х=х„, Р=Р„ (или во второй х=ха, Р=Р„) и обозначим х„ -х.=Н; тогда:

Р. =Рае_кН+(1- e-,tHXS*y (cosG -f sin 9-а/у)+С)/к. (24)

Это выражение устанавливает связь между действующими на конечный объём сыпучего тела силами Ра и Рв и его движением (ускорением а). Его можно назвать,дифференциальным уравнением движения конечного объёма сыпучего материала в трубе постоянного сечения. Уравнение (24) можно переписать:

а= у (к(Рае-кН - Рв)/ (1- е -кН)+С)/ S*y + у (cosG -f sin 0). (25)

Из этого уравнения видно, что при постоянных силах Ра и Рв движение должно быть равнопеременным, если отсутствует самоторможение.

Приведя показатели к площади поперечного сечения трубы, получим:

(26)

(27)

(28)

■~Kh 1/1 ~ ~ XS*y (cos9 -f sin 9-а/у)+С)/к, a„ =aae ""+(1- e""lcHXS*y (cos9 -f sin 9-а/у)+С)/к,

а =стае ~ +(l-e

.-kHj

a= у (к(оае - ств)/ (1- e _KH)+C)/ S*y + y (cos9 -f sin 0), причём a= P/S; aa= Pa/S; aB= P„/S; h=x-xa.

Соотношения (22)...(28) решают основные задачи динамики сыпучего тела, при перемещении в трубе постоянного сечения, такие как: теорию действия сил в сыпучем теле, включающую действие сил на дно и стенки сосуда при покое и движении зерновой массы и теорию истечения сыпучего материала из сосудов.

В ТРЕТЬЕМ РАЗДЕЛЕ «МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЗЕРНА под ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ» приведено описание конструкции установки для экспериментальных исследований, методики и программа проведения исследования по изучению фрикционных свойств. Кроме того, в данной главе разработаны вопросы увеличения достоверности исследований путём уменьшения влияния вероятных ошибок на результаты опытов и краткая методика обработки экспериментальных данных.

В соответствии с программой исследования были сформулированы следующие задачи экспериментального исследования:

- определить влияние вероятных ошибок при проведении экспериментальных работ, а кроме того, необходимые действия по их устранению;

- определить характер изменения и величину механической и молекулярной составляющих силы фрикционного сопротивления под воздействием силы. нормально направленной к плоскости скольжения;

- определить характер зависимости величины силы фрикционного сопротивления от воздействия изменения температуры плоскости скольжения;

- определить характер зависимости величины силы фрикционного сопротивления от воздействия изменения температурного режима исследуемого образца сыпучего материала органического происхождения;

- определить характер зависимости величины силы фрикционного сопротивления под воздействием изменения влажности зерновой массы.

Для их решения необходимо экспериментально определить множество точек зависимости силы фрикционного сопротивления от нормальной нагрузки для каждого значения температуры. После чего произвести аппроксимацию каждого из полученных множеств точек зависимостью вида:

У=К*Х+В, (29)

где X - переменная; К, В - постоянные.

Параметры полученной зависимости и будут искомыми величинами. При этом К соответствует коэффициенту трения £ а В - адгезионной составляющей силе сцепления. Для этого была разработана экспериментальная установка

X" X

/ Измерение силы фрикционного сопротивления \

Г ^АХТзДш,) )

Рис.6.Функциональная схема лабораторной установки

Она предназначена для изучения зависимости силы фрикционного сопротивления, возникающей между поверхностями скольжения различных материалов, от температуры поверхностей скольжения и от давления на них. Притом определение зависимости силы трения от температуры может рассматриваться в двух вариантах. В первом источником излучения тепла является неподвижная поверхность. И во втором варианте, когда источник тепла - исследуемый, сыпучий материал.

На представленной функциональной схеме (рис.6) видно, что величина силы фрикционного сопротивления в данной установке является функцией трёх переменных. Соответствующими управляющими элементами задаются давление на плоскость скольжения или вертикальная нагрузка N температура поверхности скольжения Тп и исследуемого материала Т3. Их значение

контролируется соответствующими приборами. Сила фрикционного сопротивления F находится как функция от трех переменных и измеряется специальным прибором.

В ЧЕТВЁРТОМ РАЗДЕЛЕ «ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФРИКЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ» приведены основные результаты экспериментальной проверки, изложенных во втором разделе положений и их анализ. Они заключаются в определении необходимых для разработки инженерной методики фрикционных свойств сыпучих материалов, а также их зависимости от внешних факторов, которые отсутствуют в предыдущих исследованиях.

С целью оптимизации параметров состояния процесса преодоления силы фрикционного сопротивления реализованы восемнадцать двухфакторных экспериментов. В результате этого получены восемнадцать поверхностей отклика. После чего проведена статистическая обработка методом наименьших квадратов и проверка адекватности полученных коэффициентов уравнения регрессии результатам опытов по доверительному интервалу с учётом критерия Фишера. Как результат, получена математическая модель следующего вида:

F=(Ai*T3+Bi*T?+D,*T+G1)*N+ A2*T3+B2*T2+D2*T+G2) (30) где A,B,D,G коэффициенты уравнения регрессии, N нормальная нагрузка, Т переменная уравнения. Указанные выше коэффициенты регрессии находим методом наименьших квадратов при помощи стандартных средств, предоставляемых компьютерной программой Microsoft Excel. Полученное уравнение регрессии делится на две части - переменную, зависящую от нормальной нагрузки и постоянную - не зависящую. Первая представляет собой изменение коэффициента трения (механической составляющей), а вторая —силы сцепления (молекулярной составляющей).

Поверхности отклика, полученные в результате проведённых экспериментов для семян гречихи, приведены на рисунке 7. После получения уравнений (30) выполнена оценка достоверности коэффициентов в полученных уравнениях регрессии. Данную оценку производили на основании критерия Стьюдента.

Сравнивая полученное значение с табличным, делаем вывод о достоверности коэффициентов уравнения регрессии. В резуль-

сила , фрикционного сопротивлений Я.н

Влажность, %. м

29

Вертикальная нафузка, Н.

Ю О

а.) б.) в.)

Рис.7 Зависимости силы фрикционного сопротивления зерна гречихи от изменения вертикальной нагрузки а.) температуры плоскости скольжения, б.) температуры перемещаемого, зернового объёма, в.)

влажности перемещаемого, зернового объёма

тате этого уравнения регрессии принимают вид. Для семян гречихи при нагреве плоскости скольжения:

Р=(-0,0022*Т+0,27543)*Ы+(-01098)*Т+16,57474; (31)

при нагреве объёма перемещаемого материала:

Р=(-0,001 *Т+0,24343)*М+ 0,47922*Т+6,5954; (32)

при изменении влажности зерна:

Е=(-0,0003*Т+0,22858)*Ы +(-0,8736)*Т2+15,8971 *Т+(-87^08). (33) После проведения проверки коэффициентов уравнения регрессии оцениваем их достоверность по критерию Фишера. В нашем случае для трёх этапов экспериментального исследования, а так же у всех шести сыпучих материалов, с которыми проводились исследования, ошибка составила менее пяти процентов.

В ПЯТОМ РАЗДЕЛЕ «ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА АГРЕГАТОВ И УСТРОЙСТВ, СВЯЗАННЫХ С ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ЗЕРНОВЫХ МАСС ПОД ДЕЙСТВИЕМ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ» приведены основы. инженерного метода обоснования конструкционных параметров > агрегатов и устройств, по заданным-качественным характеристикам, полученные по результатом проведённых экспериментальных и теоретических исследований.

Процесс перемещения зерновой массы можно условно разделить на два независящих друг от друга участка (рис. 2). Первый это перемещение основного объема сыпучего материала, второй связан с удалением остаточных явлений в виде отдельных, зерновых фракций, отставших от основного объёма.

1 В первой части расчёт производится из условия предельного равновесия сил, действующих на основной объём сыпучего материала. Главная сдвигающая сила в нашем случае - это составляющая силы тяжести в плоскости скольжения:

Л = С*$та, (34)

где G — сила тяжести перемещаемого объёма, а - угол наклона плоскости скольжения. Она уравновешивается силой фрикционного сопротивления:

С*в'та = 0*со$а*^<р + С*1, (35)

где коэффициент трения, С - сила сцепления, отнесённая к

единице длины плоскости скольжения, 1 - длина плоскости скольжения основного объёма сыпучего материала. После преобразований получим:

С*5т(а-р) = С*/*со5р. (36)

Откуда искомый угол предельного равновесия:

д = агс5т[С 1 ™%<Р\ + <р, (37)

На втором участке происходит перемещение отдельных зёрен. Как и на первом участке, главной сдвигающей силой является составляющая силы тяжести в плоскости скольжения, а удерживающей - сила фрикционного сопротивления с той лишь разницей, что в качестве массы здесь выступает масса отдельных зёрен. Но так как сила сцепления здесь значительно превышает силу трения, предельный угол отклонения будет отличатся от первого участка, то есть:

<Х1*<Х2.

После проведения расчёта на первом и втором участках в качестве конечного результата принимается наибольший из двух углов. Предлагаемый способ расчёта саморазгружающихся бункеров аналогичен и также исходит из условия преодоления остаточных «загрязнений», в виде шлейфа из частиц перемещаемого материала.

В ШЕСТОМ РАЗДЕЛЕ «ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ и их ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ». В данном разделе изложены результаты хозяйственных испытаний и расчёты экономической эффективности предложенной инженерной методики. Они складываются из величины сокращения энергозатрат и снижения материалоёмкости спроектированной установки.

Полученная инженерная методика расчёта при проектировании самотечных устройств в технологической линии ЗОСК СХПК племзавода «Майский» обусловила экономический эффект в 1999 году в количестве 19209 руб. На одну тонну зерна снижение затрат составило 40,78руб./т (в ценах 1999 года).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 1. Анализ современного состояния вопроса показал, что.ком-плекс существующих знаний о фрикционных свойствах зерновой массы недостаточен для их оценки. Ввиду того, что сыпучие сельскохозяйственные материалы имеют частично схожие . с неорганическими материалами свойства, возможно провести описание их фрикционных свойств на основании механики грунтов. Сила фрикционного сопротивления перемещению

сыпучего материала, любого происхождения, может быть оформлена в виде линейной зависимости с молекулярной (постоянной) составляющей, зависящей от площади контакта, и переменной (трением), зависящей от вертикальной нагрузки.

2. Разработана и изготовлена опытная установка для измерения фрикционных свойств при трении скольжения сыпучего материала по плоскости скольжения в зависимости от изменения силы, нормально направленной к поверхности скольжения, температуры объекта перемещения и плоскости скольжения.

3. Результаты экспериментального исследования, подтвердили теоретические предпосылки о линейном характере зависимости силы фрикционного сопротивления зерновых материалов от нормально направленной к плоскости скольжения силы (давления). По результатам проведённых экспериментальных исследований было выявлено, что на характер фрикционного взаимодействия оказывают влияние как механическая,.так и молекулярная составляющие.

4. В результате проведённых экспериментальных исследований было показано, что молекулярная и механическая компоненты силы фрикционного сопротивления не являются постоянными величинами. Они зависят от внешних факторов (температуры зерна и плоскости скольжения, а так же относительной влажности зерновой массы), которые нужно учитывать при проведении инженерных расчётов. Зависимость их от указанных величин носит не линейный характер (31,32,33). По результатам экспериментов для использования при проведении расчётов были построены номограммы по определению составляющих силы фрикционного сопротивления.

5. Результаты исследований позволили предложить инженерную методику для расчёта силы фрикционного сопротивления перемещению зерновых материалов. Методика, полученная в результате проведённых исследований для зерновых масс, может быть использована и для расчётов, связанных с перемещением сыпучих материалов неорганического происхождения, после проведения дополнительных экспериментов по определению влияния различных внешних факторов на их фрикционные свойства.

6. Предложенная инженерная методика для расчёта процесса перемещения зерновых материалов применена при проектировании и практической реконструкции технологической линии зерноочистительно-сушильного комплекса (ЗОСК) СХПК племзавода «Майский». В результате применения её для расчёта самотечных устройств в технологической линии ЗОСК годовой экономический эффект составил 19209 руб./год, а на одну тонну - составило 40,78руб./т.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Александров И.К. Учёт сил адгезии при транспортировке сыпучих материалов по наклонной поверхности/ И.К. Александров, Н.Э. Дымов// Вузовская наука - региону: Материалы первой областной межвузовской научно - практической конференции в 2-х томах. - Вологда: ВоГТУ, 2000. - Т2. -С.127-129.

2. Дымов Н.Э. Влияние изменение температурного режима на силу фрикционного сопротивления/ Н.Э. Дымов, А.С. Кузнецов // Вузовская наука - региону: Материалы второй общероссийской научно - технической конференции. — Вологда: ВоГТУ, 2004.-С. 136-138.

3. Дымов Н.Э. Перемещение сыпучих масс/ Н.Э. Дымов // Вузовская наука - региону: Материалы первой общероссийской научно - технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2003. -С.116-117.

4. Дымов Н.Э. Экспериментальная установка для определения силы трения сыпучих материалов при различных технологических режимах/ Н.Э. Дымов // Современные энерго - и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства: Сб. науч. трудов. -Рязань: РГСХА, 1999.- ч. 2 - С.72-76.

5. Игнатьевский Н.Ф. Изменение коэффициента трения сыпучих растительных материалов под влиянием внешних факторов/ Н.Ф. Игнатьевский, Н.Э. Дымов// Совершенствование механизированного производства сельскохозяйственной продукции и научного обеспечения учебного процесса: Сб. науч. трудов. -Вологда - Молочное: ИЦ ВГМХА, 2000. - С.65-66.

6. Игнатьевский Н.Ф. К вопросу о фрикционных свойствах сыпучих материалов/ Н.Ф. Игнатьевский, И. К. Александров, Н.Э. Дымов// Совершенствование механизированного производства сельскохозяйственной продукции и научного обеспечения учебного процесса: Сб. науч. трудов.- Вологда - Молочное: ИЦ ВГМХА, 2000. - С.66-70.

7. Игнатьевский Н.Ф. К вопросу оценки трения при перемещении сыпучих материалов в с.-х. производстве/ Н.Ф. Игнатьевский, Н.Э. Дымов // Совершенствование технологических процессов и рабочих органов машин в растениеводстве и животноводстве: Сб. науч. трудов. - СПб.: СПГАУ, 2000. - С. 105-107.

8. Игнатьевский Н.Ф: Экспериментальное определение коэффициента трения сыпучих материалов при различных технологических режимах/ Н.Ф. Игнатьевский, И.К. Александров, Н.Э. Дымов// Совершенствование механизированного производства сельскохозяйственной продукции и научного обеспечения, учебного процесса: Сб. науч. трудов.- Вологда-Молочное: ИЦ ВГМХА, 2000.-С.78-83.

»13267

Заказ № 214-Р Тираж 100 экз. Подписано в печать 23.06.2004 г. ИЦ ВГМХА 160555 г. Вологда, п. Молочное, ул. Емельянова, 1