автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности послеуборочной обработки льновороха путем его сепарации перед сушкой

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ВСЕРОССИЙСКИЙ СЕЛЕКЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ САДОВОДСТВА И ПИТОМНИКОВОДСТВА (ВСТИСП)

РГ5 ОД

»пр^ На правах рукописи

БОЯРЧУК Юрий Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОСЛЕУБОРОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ЛЬНОВОРОХА ПУТЕМ ЕГО СЕПАРАЦИИ ПЕРЕД СУШКОЙ

Специальность 05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1994

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте льна и в Центральном научно-исследовательском прокетно-техноло-гическом и конструкторском институте механизации льноводства.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник ЗЕЛЕНКО В. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

доцент РОДИОНОВ Л. В.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИЛЬИН В. В.

Ведущая организация: Калининская государственная зональная

машиноиспытательная станция

Защита диссертации состоится 26 мая 1994 года в 15.00 часов на заседании специализированного совета К.020.20.02 при Всероссийском селекционно-технологическом институте садоводства и питомниководства по адресу: 115598, г. Москва, Бирюлево-Загорье.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 25 апреля 1994 года.

Ученый секретарь Специализированного совета

А. А. Цымбал

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важных задач, стоящих перед агропромышленным комплексом страны в области льноводства, является сокращение затрат на сушку и переработку льняного вороха, снижение потерь семян и повышение их качества. Для получения одной тонны кондиционных семян затрачивается до 250 кг дизельного топлива и 200 кВт. ч электроэнергии, а производительность пункта сушки по сухому вороху составляет 0,9 тонн в час. Такое положение усугубляется нехваткой сушильного оборудования в хозяйствах, что приводит к сдерживанию темпов теребления льна и потерям полноценных семян от осыпания в поле.

При комбайновой уборке льна в ворохе находится до 50% соломистых примесей (путанины) с влажностью до 70%. Выделив такие примеси перед сушкой с наименьшими потерями семян можно увеличить производительность сушильного пункта и сниизить затраты топлива и электроэнергии на получение одной тонны семян. Эта операция выполняется сепаратором вороха и задача разработки простой высокопроизводительной машины для выделения соломистых примесей перед сушкой, с наименьшими потерями семян, является актуальной.

Исследования, составляющие основу диссертационной работы, выполнены во ВНИИ льна и ЦНИПТКИМЛе в 1988-1991 гг. по тематическим планам научно-исследовательских работ в соответствии с государственным координационным планом исследований: номер гос. регистрации 047899.

Целью работы является повышение пропускной способности пункта сушки и переработки льновороха при снижении затрат на сушку и увеличение выхода полноценных семян. ' • '

Научная новизна заключается: в теоретическом и экспериментальном обосновании процесса разделения влажного вороха перед сушкой, а также конструктивных и кинематических параметров сепаратора вороха с перетирающим устройством; в разработке математической модели процесса выделения из путанины семян льна и определение эффективности использования сепратора вороха с перетирающим устройством и без него.

Новизна технических решений подтверждена авторскими свидетельствами № 1605994; № 1678240; № 1727662.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ И РЕАЛИЗАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

На основе результатов исследований разработаны математические метедь10|с<|ета и оптимизации конструктивных и кинематических пара-ме1рЫво^оха с перетирающим устройством и показана его экономическая эффективность. На основе этих исследований сепаратор вороха был в 1991 году рекомендован в производство приемочной комиссией НПО „Нечерноземагропромлен".

Апробация. Основные положения работы доложены и обсуждены на XIII научно-практической конференции Тверского СХИ в 1990 году, на ученых советах ВНИИ льна и ЦНИПТКИМЛ в 1991-1993 гг.

Публикация. Основные положения и результаты исследований опубликованы в девяти печатных работах.

Объем работы и её структура. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 126 наименований и четырех приложений. Основная часть работы содержит 158 страниц машинописного текста, 26 рисунков, 21 таблицу, общий объем - 166 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, показаны научная новизна, практическая значимость, реализация результатов исследований и апробация работы.

В первой главе дан обзор основных работ по разделению влажного вороха перед сушкой и анализ устройств для выполнения данного технологического процесса. Имеются сведения по элементам процесса выделения из влажного вороха путанины и его обмолота, нашедшие отражения в работах: Копьева И. П., Шрейдера М. Н., Толковского В. А., Хайлиса Г. А., Мелегова В. В., Зеленко В. И., Галимского Т. П., Тарлецкого А. Г., Ковалева М. М. Прив§дено описание способов уборки льна-долгунца, место и значение в них операции выделения из вороха соломистых примесей перед сушкой. На основании анализа состояния вопроса и в соответствии с целью работы определены следующие задачи исследований: .. - определить физико-механические свойства льняного вороха и его компонентов до и после разделения в течение всего срока теребления льна;

- провести теоретический анализ процесса выделения из влажного вороха путанины с наименьшими потерями семян, обосновать рациональную форму конструкции молотильно-сепарирующего устройства;

- изучить влияние конструктивных параметров и режимов работы сепаратора вороха с перетирающим устройством на качество выполнения технологического процесса;

- определить эффективность установки для разделения льняного вороха до сушки.

Вторая глава включает в себя обоснование технологического процесса выделения сооломистых примесей из вороха перед сушкой, аналитическое определение параметров и режимов работы перетирающего устройства. При этом полученные зависимости описывают процесс подбирания перетирающим устройством с поверхности клавишного соломотряса путанины с последующим выделением из нее полноценных семян. Наиболее предпочтительной является схема сепаратора вороха, состоящего из слоеформирующего устройства, клавишного соломотряса, перетирающего устройства, лотков схода путанины и отсепарированного вороха. Сепаратор вороха устанавливается в загружающее устройство сушилки СКМ-1 за гребенчатым транспортером и над транспортером-питателем сушильной камеры. ,

5

Рис. 1. Сепаратор вороха с перетирающим устройством:

1 - приемный транспортер; 2 - гребенчатый транспортер; 3 - слоеформи-рующее устройство; 4 — клавишный соломотряс; 5 - перетирающее устройство; 6 - лоток схода путанины; 7 - транспортер-питатель; 8 - сушильная камера; 9 - лоток схода путанины.

В обосновании процесса разделения влажного вороха был выбран рабочий орган для выделения из льняных коробочек, попадающих в путанину семян, состоящий из двух зажимных транспортеров, имеющих привод, для сообщения им различных скоростей вращения лент. На рабочей поверхности лент имелись выступы. Скольжение одной ребристой ленты транспортера относительно другой с плющением приводит к разрушению коробочек при помощи многократного воздействия плющения и перетирания. Перетирающее устройство устанавливается по середине клавишного соломотряса за ступенькой, под острым углом к его поверхности.

Производительность пункта сушки льняного вороха, оборудованного сепаратором вороха, с учетом уменьшения объема переработанного вороха и с учетом выделения фракций высокой влажности в реальных условиях определяется:

_ „/• (по-У} (К - и) ™0 (1)

№ (100-ио) (Ъ/~Ь\) (100-Б) )

где IV - производительность пункта сушки по сухому вороху;

Б - содержание выделений перед сушкой путанины по объему от вдего вороха, за весь период теребления льна;

ЪГоУн'М- влагосодержание вороха, соответственно исходного, конеч-' ' ного и отсепарированного.

Решение уравнения (1) позволяет определить, что выделив из влажного вороха до сушки соломистые примеси (путанину) можно увеличить пропускную способность пункта по переработке вороха при тереблении льна в фазу ранней-желтой спелости не менее чем в 3 раза, а в фазу полной спелости, не менее чем в 2 раза.

Движение вороха по поверхности клавишного соломотряса и захватывание его перетирающим устройством. Условие, учитывающее физико-механические свойства льняного вороха в месте установки перетирающего устройства, позволяет определить угловую скорость вращения и радиус вальцов нижнего подбирающего транспортера, имеет вид

Г- [ УГ1 (А япЕ - сов £)- к- (А- БтТЯ- ( + 0]

-дтпгп-1- ~

Я, [(Г эте-сове)*1^ к, ((.зтр -ьсоэр)]

ТТГТГк '

где * = + ; 1+0,5н/;

А

9 '9

1 + Р

с1д(£+£) + 1д(£ + £)+ . » = агггп.(1 I

/ 7

- угловые скорости вращения кривошипа соломотряса и вальцов нижнего транспортера перетирающего устройства, с -1 ¿£р - средняя скорость движения вороха по клавишам, м с -1;

д - ускорение свободного падения, м с-2;

Я, Я, - радиусы кривошипа и вальцов нижнего транспортера перетирающего устройства, м;

И - толщина слоя вороха на соломотрясе, м;

£ , £ - углы наклона к горизонту пертирающего устройства и соломотряса, град.;

Мк - коэффициенты трения вороха по стали и вороха по вороху;

Ьр Г - угол поворота кривошипа соломотряса, град.

В данном перетирающем устройстве эффект' перетирания зависит от разности линейных скоростей, с которыми двигаются ленты верхнего и нижнего транспортеров. Линейную скорость движения ленты верхнего транспортера определяли из условия, что производительность клавишного соломотряса должна равняться производительности терки в месте её установки. Необходимая линейная скорость 02 была определена из выражения (3) и зависит от конструктивных и кинематических параметров соломотряса и перетирающего устройства.

2иЗср П+2. г О - IV б

б2 = -:-;--(3)

б

где О -I - скорость движения нижней ленты, м с-1;

б - зазор между выступами на нижней и верхней лентах, м; г 1 - радиус выступов, м.

Элементы теории взаимодействия рабочих поверхностей лент терки с коробочками льна. Чтобы определить конструктивные параметры перетирающего устройства надо знать процесс разрушения льняной коробочки выступами, находящимися на верхней и нижней лентах терки.

Исследования, проводимые ВНИИЛ, показали, что необходимые усилие для разрушения коробочек позднего срока созревания равно Я к = 6,5 Н, при влажности свыше 25%. Была рассмотрена схема взаимодействия выступов, находящихся на верхней и нижней лентах с коробочкой льна и были определены следующие едничные силы.

Т, =

_ fк Р к + Фк2 + бк в/п£

1 г/л (£ р) + сов ( £ - р) ' Мк2 = рк:.-£к соэ £ + Т2 [{ соз(р-£) + зю(р-£)] ,

, _ ~;фк1 + /к"бк 5/л£

1 ~ -- >

{ в'т (£ - р) + соз (6, - р) = Р„ + Ск cos€ + L1^'f соэ (£-£.)+ зт(£-6,)] I Я „ . /6 соэ £

.-.(4)

(5)

(6) (?)

где Р, =

Р =

= агсэт

. / 6 соэ£ \

I-

V /-,+ Г )

\frvrj

'я тк = тг \JTTR ; £.к = ]/ТПР ;

'Т /.

_ »' К" ик

я,

&

Фк

Г

- силы давления коробочки льна на выступ, находящиеся на верхней и нижней лентах, Н;

- силы давления коробочки льна на нижнюю и верхнюю ленты, ' Н;

- необходимое усилие для разрушения коробочки льна позднего срока созревания, Н;

- сила тяжести коробочки с цветоножкой, Н;

- сила инерции коробочки с цветоножкой, Н;

- радиус коробочки льна, м.

Определено значение сил, действующих на один выступ, находящийся на верхней 7 и нижней I лентах, а также сила давления коробочек на площадку между выступами, соответственно на верхней N 2 и нижней N1 лентах.

Т= Т, 1=

.. В ~г В

Л> <Ф

.л «Ф ;

л/2 = л/к2, Ф ;

2т В

N.

л/,

__Ф ;

2 . г '

(8)

где В - ширина перетирающего устройства, м;

ф - коэффициент учитывающий содержание льняных коробочек в путанине;

7 - коэффициент, учитывающий дополнительную нагрузку на выступ в результате трения его о стебли льна.

Этот коэффициент учитывает, что усилие необходимое для смятия стебля льна в среднем 1,6.. .2,2 раза больше усилия некобходимого для разрушения льняных коробочек.

Расчет процесса разрушения льняных коробочек между лентами перетирающего устройства. Рассмотрим образование давления в продольном прямолинейном ручье перетирающего устройства. Лента находится под давлением вальцов Р и на ленту действует сила первоначального натяжения г 0 и сила инерции рабочего участка ремня Ф л. В результате разности скоростей и давления вальцов в ручье возникают нормальные силы N1 и N 2 и силы трения выступов о ворох Т и Будем считать действие этих сил таковыми, что лента верхнего ремня будет иметь наименьший прогиб, а упругую линию ленты можно описать дифференциальным уравнением изогнутой нейтральной оси по схеме продольно поперечного изгиба балки. Здесь изгибающий момент рассматривается, как сумма моментов поперечных и продольных сил.

Б.' P-N.fi -•>)

п I М-

2 +

+ Р» а - (п - 2) < |\|2. а + (п-1) М2

где

( м2 = Г/ с Д +

4') ;

О)

;

М 2 - постоянный момент от силы Т, действующей на выступ, Н J Е - модуль упругости ленты, МПа;

Jz — момент инерции сечения ленты относительно главной центральной оси г, м4;

п - количество выступов на ленте;

- высота выступа, м;

d ' - расстояние от поверхности ленты до ткани, через которую действует сила натяжения ленты, м;

а - расстояние между вальцами, м.

Решив уравнение (9) было найдено значение прогибов верхнего ремня в зависимости от его рабочей длины (координаты Z):

y(z) = JÍ (1 -cos (]/k''Z) + jz- —.sin (Í'k 'Z)¡ (Ю)

где

(lR.z) + ^-si" (V'V.z)/

A=(-tP-N24 2-D+ 2-r-rl'rr

- (P. a-(n-2)'N2>a + (n-1) M2) Sn - Ф„

■'Jz

K--r~n7

При помощи уравнения (10) были определены конструктивные и технологические параметры перетирающего устройства при расчетном зазоре 6 = 2 мм и величине у (г) не превышающей этого значения. А это значит, что технологический процесс разрушения коробочек проходил бы в наилучшем виде. Из уравнения (10) были найдены такие значения, как сила давления вальцов на ленту Р, сила натяжения ленты 5 0 количество выступов на рабочем участке ленты п, расстояние между вальцами а, длина рабочего участка /. Был сделан вывод, что траектория ленты верхнего транспортера меняется по косинусоиде и зависит от жесткости ленты, межцентрового расстояния между вальцами, силы первоначального натяжения ленты и силы давления вальцов на ленту. Усилие опорных пружин Рп и мощность привода перетирающего устройства N Пр были найдены при помощи уравнения Лагранжа второго рода, приняв в качестве обобщенных координат угол поворота вальцов вокруг своеих осей и перемещение центров вальцов верхнего транспортера.

_ 3' Р - (3>G ■ + G J cose

Fn ~ -g- ; (11)

_ d.(\/*-wa) + (Т/W2-lK'id.,) ±L.y .ф2.Й1

np - _' *p_

iO¿0-%

где G, G л - вес вальцов и ленты верхнего транспортера, Н;

Wz» ^"i ~ угловые скорости вращения вальцов верхнего и нижнего транспортеров;

D - приведенный момент инерции верхнего и нижнего транспортеров, к/м2;

- коэффициент полезного действия цепной передачи.

Программа и методика экспериментальных исследований. Программой предусматривалось: определение количественных и качественных характеристик исходного и конечного продуктов разделения в течение всего периода теребления льна; определение кинематических и конструктивных параметров сепаратора; выявление экономической эффективности процесса разделения льняного вороха перед сушкой.

Определялись параметры, влияющие на процесс разделения влажного вороха: фаза спелости, масса выделенной путанины, влагосодержание исходного вороха и продуктов разделения, всхожесть семян в отсепари-рованном ворохе и попадающих в путанину. Исходный ворох и продукты разделения разбирались по фракциям, где определялись размерные характеристики коробочек с цветоножками и соломистых примесей.

Влияние конструктивных параметров перетирающего устройства на качество процесса разделения вороха изучали на экспериментальной установке в полевых условиях. В качестве критерия оптимизации была выбрана полнота выделения семян из коробочек попадающих в путанину. Управляемыми факторами в опыте явились: частота вращения верхнего транспортера; секундная подача вороха; усилие опорных пружин; зазор между лентами транспортеров. Постоянными факторами были: частота вращения нижнего транспортера; влажность вороха; желтая фаза спелости.

Изучение мощности затраченной на приводе перетирающего устройства проводилось с помощью тензоизмерительной аппаратуры. Схема включала следующее: токосъемники, датчики, усилитель, осцилограф.

При сравнении эффективности работы сепаратора вороха учитывались следующие показатели: производительность пункта за час основного времени по сухому вороху; удельный расход топлива и электроэнергии; потери семян после сепаратора, после сушки и обмолота и от осыпания в поле в стоимостном выражении в течение всего срока теребления льна.

Результаты экспериментальных исследований. При исследовании сепаратора вороха были получены величины изменения влагосодержания исходного вороха V,, = / (Т) и отсепарированного ]//^={(т)1 количество выделенной путанины Б = ^ (7^), потери семян льна с путаниной на сепараторе без перетирающего устройства П-((Т) и перетирающим устройством П = ((Т)в зависимости от срока теребления льна.

УГ0 =50,67-0,62 Т; Б = 41,155-0,26 Т; П = 5,29 -0,095 Т

V/ =44,66-0,685 Т; Л = 16,79 -0,38 Т

(12)

Данные величины находятся в прямопропорциональной зависимости от количества дней теребления льна, при начале уборки в конце фазы ранней-желтой спелости, и объясняются изменением физико-механических свойств льняного вороха.

При реализации многофакторного эксперимента получена адекватная математическая модель 2-го порядка. После анализа уравнения регрессии и изучения поверхности отклика с помощью метода двумерных сечений ус-

ГЦ

Ц

4£-128

Рис. 2. Потери семян с путаниной на сепараторе вороха в зависимости от сроков теребления льна: 1 - без терки; 2-е теркой.

12

16

20

Т (¡ни)

ЙИВВ- ранняя - ж ё я та я у///л- желтая

1 I полная

Рис. 3. Изменения степени выделения семян из путанины в зависимости от влажности вороха и его спелости.

становлены области оптимума исследуемых факторов. Исследована степень выделения М семян из коробочек, ттопадающих в путанину, в зависимости от влажности исходного ворохаи его фазы спелости

М =0,24« - 23,24 • 1*Г„ +630,34 (13)

При влажности вороха выше 46%, что соответствует ранней-желтой спелости, степень выделения семян из путанины составляет 65,5%, а потери семян на сепараторе становятся 6%. При таком положении, надо применять технологию разделения влажного вороха, с подсушкой на площадке активного вентилирования (а. с. 1678240).

В четвертой главе дан экономический эффект от использования сепаратора вороха с перетирающим устройством. Он составляет 27850 руб по ценам на сентябрь 1990 г. Сепаратор вороха выполняет технологический процесс разделения влажного вороха перед сушкой, снижает расход топлива на 52%, электроэнергии на 47%. Материалоескость пункта уменьшилась на 50%, а пропускная способность увеличилась в 2 раза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Установлено, что разделение влажного вороха перед сушкой с удалением из него соломистых примесей высокой влажности позволит увеличить пропускную способность пункта сушки не менее чем в 2 раза, масса вороха, подлежащего сушке, уменьшится на 35%, а влагосодержа-ниеегонаб.. .10%.

2. Перспективной для пунктов сушки льняного вороха является схема сепаратора вороха, состоящего из слоеформирующего устройства, клавишного соломотряса ступенчатой формы и перетирающего устройства, размещенного за ступенькой в средней части соломотряса под острым углом к его поверхности (а. с. № 1727662).

3. Наиболее рациональным является схема перетирающего рабочего органа в виде размещенных, один над другим, ленточных зажимающих транспортеров, вращающихся с различными линейными скоростями и имеющих на рабочей поверхности лент выступы (а. с. № 1605994).

4. Полученные теоретические зависимости позволяют рассчитать конструктивные и кинематические параметры перетирающего устройства, рациональными параметрами которого являются:

- подача вороха - 0,54 кг с-1;

- угловая скорость вращения вальцов, соответственно, верхнего и нижнего транспортеров - 25,7 с -1 и 10,9 с -,1;

- усилие опорных пружин - 0,6 кН;

- зазор между выступами на верхнем и нижнем транспортерах -2. . .3 мм;

- сила первоначального натяжения лент транспортеров - 0,75 кН.

5. Установленные закономерностй адекватно отражают изменение изученных физико-механических свойств льняного вороха, его составляющих компонентов в характерных условиях уборки могут быть использованы при создании рабочих органов машин для переработки вороха.

6. Применение разработанного сепаратора вороха снижает энергозатраты на тонну сухого вороха, расход жидкого топлива на 52%, а электроэнергии на 47%, материалоемкость пункта сушки уменьшается в 2 раза.

7. Годовой экономический эффект от внедрения одного сепаратора

вороха с учетом потерь семян ожидается 27850 рублей по ценам на сентябрь 1990 года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. А. С. № 1605994 (СССР) Устройство для загрузки и сепарации льново-роха к сушилкам. Боярчук Ю. И. и др. Заявл. 04.01.89. Опубл. 25.11.90. Бюл. № 42.

2. А. С. № 1678240 (СССР) Способ уборки льна-долгунца. Боярчук Ю. И.и др. Заявл. 09.12.89. Опубл. 23.09.91. Бюл. № 35.

3. А. С. № 1727662 (СССР) Устройство для загрузки и сепарации сырого льновороха. Боярчук Ю. И. и др. Заявл. 13.02.90. Опубл. 23.04.92. Бюл. №15.

4. Боярчук Ю. И., Зеленко В. И. Сепаратор сырого льновороха со слое-формирующим устройством. // Труды ВНИИЛ. Вып. 25. Торжок. 1989 г. С. 63-67. /

5. Боярчук Ю. И. Сепаратор льновороха усовершенствованной конструкции для сушилки СКМ-1. Информационный листок. № 120-91-1. Тверской МТНТИ и П, Тверь, 1991, - 4 с.

6. Ковалев М. М., Боярчук Ю. И. Повышение эффективности комбайновой уборки льна-долгунца (рекомендации). Торжок. ВНИИЛ, ЦНИПТКИМЛ. 1990.

7. Ковалев М. М., Боярчук Ю. И., Огнев Е. М. Моденизация противоточной карусельной сушилки СКМ-1. Информационный листок № 90-6. // Калининский МТНТИП. Калинин. 1990 г. - с. 4.

8. Ковалев М. М., Боярчук Б. И., Огнев Е. М. Сепарация сырого вороха на сушилке СКМ-1. Технические культуры. № 4.1990. С. 34-36.

9. Ковалев М. М., Зеленко В. И., Боярчук Ю. И. Сепарация влажного льновороха на противоточной карусельной сушилке СКМ-1. // Тезисы докладов на 13 научно-практической конференции. КСХИ. Калинин. 1990.