автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и обоснование параметров пневмомеханической установки для шелушения зерна гречихи

;»н

На нравах рукописи

НУРШИН ЭЛЬМАС ГАББАСОВИЧ

4

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМОМЕХАНИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ШЕЛУШЕНИЯ ЗЕРНА ГРЕЧИХИ

05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КАЗАНЬ -.1995

Работа выполнена в Казанской государственной сельскохозяйственной акадекии не кафедре " Сельскохозяйственные машина "

Научныя руководитель.

Официальные оппонента

Ведущее предприятие

Заслуженный деятель науки и техники РТ, кандидат технических наук, профессор ГАЙНАНОВ Х.С.

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор СЫЧУГОВ Н.П.

Заслуженный механизатор РТ, доцент МИТРЯЕВ Н.И.

Акционерное общество " Холдинговая компания " Татсельхозтехника

Заанта состоится 5 октября 1995 г. в Ю час. на заседании диссертационного Совета К 120.24,02 в Казанской государственной сельскохозяйственной академии по адресу: 420011, г. Казань, учебный городок КГСХА, УЛ ОМСХ, ауд. 213.

Отзывы не автореферат в двух экземплярах просьба направлять по адресу: 420015, г.Казань, ул. К. Маркса 65, КГСХА, ученому секретаря диссертационного Совета.

С диссертацией монно ознокомиться в библиотеке академии С уч. городок КГСХА, УЛК 5>ЮХ, читальный зал ).

Автореферат разослан

«п«

СХ-6

Щ

а-Л^О, 1995г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук, профессор

X.С .ГАЙНАНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛБОТН

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМи, Интенсификация переработки продукции рас-тениводства требует создания новейшего сельскохозяйственного оборудования, применения новых технология на базе современных достижений науки и техники. Такая задача стоит ив области переработки крупяных культур.

В настоящее время, когда наблвдается нарастание доли крупяных культур в посевных площадях сельскохозяйственных предприятий и фермерских хозяйств, возрастает актуальность вопроса переработки полученной продукции непосредственно на базе производителя. 3 связи с этой задачей появилась необходимость разработки технологии и создания малых компактных технических средств для получения крупы.

Имеющийся в литературе экспериментальный и теоретический материал по исследовании технология и устройств для шелушения показывает наличие широкого спектра технологий, .базирурщихся на применении различных способов и машин длй шелушения семян крупяных культур. Наиболее прогрессивным и перспективным направлением развития производства крупы является разработка технология с применением комплексных способов воздействия на зерно, в результате которых повышается производительность технологической линии и качество получаемой продукции, а такие остается энергоемкость процесса. Производственный опыт и исследовательские работы по изучении установок для шелушения показали, что установки комбинированного типа наиболее экономичны, отличаются простотой и надежностью конструктивных элементов, позволяет получать экологически чистув продукцип, улучиают санитарно-гигиенические условия труда.

Однако •'эМектир.ное применение комплексного способа шел уте-

ния зерна навозмокно без определения оптимальных конструктивных параметров и режима работы установок комбинированного типа, мощности энергетических установок на основе точных технико-экономических и инженерных расчетов. В основе этих расчетов долины лежать экспериментальные данные о физико-механических с технологических свойствах перерабатываемого материала и элементов продукта шелушения, а такие теоретические предпосыл^ ки поведения зерна в воздушной потоке и при взаимодействии их с рабочими поверхностями машин.

Цель исследований. Повышение эффективности шелушения семян гречихи на основе совершенствования технологий, разработки и доследования технических средств комбинированного типа, а так ие обоснование их важнейших параметров и режимов работы.

Объект исследования. Установка пневмомеханического типа для шелушения оеюн гречихи, обоснование ее параметров и режимов работы. Работа выполнена в соответствии с планом научно-иссле довательских работ Казанского СХИ.

Научная новизна. Выявлено перспективное направление для по»

выиения эффективности получения гречневой крупц. В соответствии с выбранным направлением, разработана и обоснована технология и установка пневмомеханического типа. Получены законо мерности изменения разрушительных усилий ядрицы и оболочки Г1 чихи в зависимости от содержания в них влаги при статическом динамическом воздействиях.

Практическая ценность работн и реализация ее результатов. Практическая ценность работы заклочаетсл в возможности испол! аования разработанной технологии и конструкции шелушителя пш момеханического типа в условиях коллективных и фермерских хозяйств. Ценность для практического использования представляв' 'такие результаты экспериментальних исследований по подбору р<

(мов работы установки в зависимости от вяаяноста sepa.

Результаты исследования использованы коллективный хозяйство^ АктаЯский " Аяькеевскаго района 'Республики Татарстан.

На защиту выносятся следуршие положения: конструктивно-технологическая схека для получения крупы с применением шелушителя пневмомеханического типа; штекатическая модель для определения длины лопатки ротора в зависимости от угла поворота точки подачи еттернала; результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию параметров и режимов работы шелушителя пневмомеханического типа;

технико-экономические показатели применения шелушителя пневиоиа-ханического типа в технологической схене получения крупы в условиях хозяйства.

Апробация и публикация. Основные результаты исследований по вне работы обсундены на итоговых научных конференциях профессорско-преподавательского состава Казанского СХЙ ( I99I...I994 гг. а научной конференции, посвященной ЧО-летт ФМСХ Казанского СХИ 1992 г. ), а также демонстрировались на республиканской выставке " Сабан-туй - 95 ".

По основный положениям диссертационной работы опубликованы четыре работы, включая решение о выдаче патента Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Материал излояеи на 150 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 32 иллвстра-иий. Список использованной литературы состоит из 153 найме-

новаций, hs ешх 4 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, ее практическая зш чймость, приведена цель исследований, сформулированы основные положения, выносимые га защиту.

В первой главе " Состояние вопроса и задачи исследрванив 1 дается анализ технологий я тенденций развития машин для шелушения семян крупяных культур. Здесь такте приводится аналитически! обзор научно-исследовательских работ, посвященных решению задач по велуиению крупяных культур» Рассмотрены технологии и конструкции установок для иелушеиия зерна гречихи.

Аналаа применяемых технологии к технических средств для ве^ дуиенкя секяи крупяных культур показал, что наиболее перспективным с точк® зрения получения биологически чистой продукции, повышения производительности и показателя технологической эффективности, а такае снижения енергоемкости является применена комплексных способов воздействия на зерна, которые могут осуществляться установкам» комбинированного типа.

Однако выбор. основных параметров комбинированных установок для шелушения евкяв крупяных культур возмонно только при знааи физико-механических и технологических свойств объекта перерабо ки„ а такае при экспериментальном изучении степени влияния ати; параметров на показатели эффективности ислушеиня.

Влияние фазико-механических и технологических свойств зерна, конструктивных параметров и режимов работы на показатели аффективноети оелушения изучались в работах И.Е.Гинзбурга, Я,М Жислина,, Л.Я.Соколова, Е.Н.Коаьминоя и многих других.

. Исходя из проведенного аналитического обзора конструктивны и технологических основ шелушений зеркп крупяных культур,

конструкция отечественных и зарубежных шелушителея и их рабочих органов, а также анализа выполненных исследований» можно сделать следующие выводы.

1. Важнейшим направлением совершенствования шелушильных машин с целью повышения их производительности, степени шелушения, цельности ядра и чистоты получаемого продукта следует считать применение комбинированных способов обработки материала.

2. Анализ структурной связи факторов, влиявших на качество шелушенного продукта, доказал, что она во многом определяется Физико-механическими свойствами зерна, конструкцией рабочего органа, его технологической регулировкой и режимом работы.

3. Выполненный анализ рабочих органов шелушителея, осуществлявших технологический процесс по различным схемам, свидетельствует о том, что существуют различные перспективные направления развития рабочих органов для шелуиения зерна, которые требует дальнейшего изучения как в теоретическом, так и в экспериментальном плане.

На основании изложенного можно утверждать, что значительный интерес представляют комбинированные рабочие органы пневмомеханического типа, которые могут работать более эффективно не требуя дополнительных операции по подготовке перерабатываемого ма-териала< Однако практическое применение этих установок в производстве сдерживается из-за недостаточной изученности таких конструкций.

В связи с этим перед настоящей работой были поставлены следующие основные задачи.

I. Рассмотреть теоретические основы интенсификации технологического процесса шелушения зерна гречихи и выявить важнейшие закономерности изменения качества продукции в зависимости от физико-механическнх свопсте зерна, конструктивных и технологи-

чеоких параметров машин и их рабочих органов,

2. Исследовать характерные особенности процесса взаимодействия рабочего органа шелушильного аппарата с перерабатываемым материалом и обосновать его конструктивные и технологические параметры.

3. Выявить технологические особенности реботи и рациональные параметры шелушильного аппарата комбинированного типа и изучить их влияние на протекание рабочего процесса и Нормирование качественных показателей готовой продукции.

<♦. Исследовать иелушитель с пневмомеханическим рабочим органом в производственных условиях и установить характер изменения энергетических и экономических показателей его работы.

Во втором разделе "Теория взаимодействия зерна с рабочей поверхностью" рассматриваются характерные осооенности процесс* взаимодействия рабочего органа шелушильного аппарата с перера батываемыи материалом и дается обоснование его основных конет руктивных и технологических параметров.

В процессе работы лопастная ротор радиусом % равномерно вращается с угловой скоростью , Частица материала, располо женная на лопасти при этом совершает относительное движение и поверхности лопаток со скоростью 1?% и одновременно переносное движение со скоростью {/г С рис.1. ). При этом Форма тра ектории абсолютного движения частицы зависит от соотношения относительной и переносной скоростей.

Ъх

Величина А представляет собой показатель кинематического реяима работы лопастного колеса.-Из рисунка следует, что опи мальноЯ траекторией является логарифмическая спираль с показ;

телем Л* , так как только в этом случае обеспечивается безударное вхождение частицы в отводящий патрубок.

Рио.1. Траектория двине-1ия частицы материала по юпасти ротора

С целью получения уравнения движения рассмотрим силы, дей-ствушаие на отдельно взятус частицу С рис.2 ). Составляя суммы проекции всех сил в плоскости лопатки, решая ее и пренебрегая силой сопротивления воздуха, ввиду ее незначительности, получим дифференциальное уравнение движения частицы: <• с{У*

Г- К^г-сму* 2cosp-2J(OV^-j}tm|^-f1lC¡>*Slnr, (2)

где X - радиус лопастного колеса;

6) - угловая скорость лопастного колеса; <| - ускорение свободного падения; | - коэффициент трения;

Ъг- относительная скорость движения частицы? р - угол,образованных между направлением силы тяжести и

плоскостью лопатки; у/ - угол,образованный мемду плоскость» лопатки и радиусом нахождения частицы в данный момент времнни» Реиение этого'уравнения дает окончательный закон движения зерна по поверхности лопаток, который представится в следующем

Рис.2, Схема сил, действующих на частицу материала, размещенного иг лопасти ротора

виде:

[I

Л о п^НУ^^Ч). еоиуо+ч)

Для применения этого уравнения в нашем случае необходимо провести анализ. Как известно, наиболее равномерное возрастание производительности вентилятора, при увеличении напора, пр исходит при наклоне лопаток на угол 45". Нашими исследованиями установлено, что угол трения движения зерна гречихи по от

ли равен 20 , что соответствует коэффициенту трения 0,37. Тогда, после подстановки вышеприведенных значения и соответствуо-. щих расчетных преобразования, уравнение (3 ) примет вид:

Ь ($1пА 4 «У>5<*) " / ¿4-

е,

где С/) - длина лопатки ротора, мм.^

То - радиус начала лопастей ротора, мм;.

«С - угол поворота лопасти, град;

6> - угловая скорость вращения лопастного колеса, рад/с.

С целыз облегчения использования иолученного выражения пос^ троена расчетная ноиограмиа для определения длины лопатки в зависимости от угла поворота лопасти иа точки подачи материала при различных значениях радиуса подаошего патрубка <£п=1«) Срис.Э ).

100 мм

600

Рис.3. Номограмма для определения длины лопатки ротора в зависимости от угла поворота лопатки из точки подачи материала при раз- ^ личных значениях п'ода-эдего патрубка 0~.Мвс)

7— Щ

Ъ>=30»м Т^бОнн ^

\

.Для определения конструктивных параметров выходного окна кожуха вентилятора рассмотрим двинете частицы, отброшенной лопастным колесом в. плоской системе отчета ХОУ ( рис.'» ).

носги лопатки ротора

Дифференциальное уравнение полета частицы запишется в сле-душем виде:

где Ц - скорость воздуха;

\}ъ - скорость движения частицы; - коэффициент парусности. Решение этих уравнений позволяет получить выражения для определения длины С I высоты С к ) и ширины С £ ) выходного патрубка вентиляторе:

¿= Шк^М 4 * Д I (РоНяИв -1Уои.$т9) + уI % * § '

, р I Уо*1п£В

(71

(5)

где 9 - угол^обгазованныя между направлением абсолютной скорости срыва и направлением воздушного потока, град;

Ц - производительность вентилятора, м®/ч. Исследование процесса движения зерна по поверхности иелу-щильноя «меры необходимо для определения возможного типа рабочей лоаерхности, а также угла поворота ^ иелушильной камеры относительно выходного патрубка вентилятора, при котором можно получить максимальный путь проскальзывания материала.по рабочей поверхности С рис.5 ).

Ч

Рис.5. Схема двикения зерна по рабочей поверхности

Г4

Дифференциальные уравнения движения зерна по рабочей поверхности шелушильной каперы в системе координат ОХУ имеют вид:

iflf

где

V&- абсолютная скорость дэикения, м/с

(9Í

у - угол подачи материала в шелушильную камеру, град; £. - угол между направлением нормальной реакции и осью ОУ.

Решение этих уравнений дают выражения, описывавшие траекторию движения зерна по поверхности шелушильной камеры по трем координатным осям!

у tnjUkníitosy -i ü/y- UlHyU í )- il

-$Ы Ш)- i) \ (10)

7 Hnisttiy-fsthf-itfl) *

y inШЫ (fslnv- tín^ ia¿Y di

Полученные выражения позволяют определить оптимальные пора-метры соединения шелушильной камеры с выходным патрубком вентилятора.

В этом разделе диссертацилнной работы также построена математическая модель пневмосепарации продуктов шелушения, которая позволяет определить основные конструктивные параметры пневмо-

сепаратора С рис.б' ). Выражения для их определния представляют*

ся в следующем виде:

fe

i

т

где Зн, длина зоны сбора, соответственно, нешелушен-

ннх зерен, ядрицы и дроблаики, и; соответственно, коэффициенты нешедуиен'ных зерен, ядрицы и дроблении,* ¿с - диаметр пкевмосепаратора, н,

В третьей ^лаве "Программа и методика эксйериманталышх ■ исследований" изломается общая программа м методика экспериментальных исследований, методика ортогонального планирования эксперимента и получения уравнекиЛ регрессм, дается описание приборов для определения физико-мехагачеокнх свойств семян, специального измерительного оборудования, используемого з опытах, частные методики измерений, методика обработки и оценки точности полученных результатов и организации проведения отдельных этапов исследования,

В четвертой главе "Результаты экспериментальных исследований и их анализ" представлены основные результаты лабораторных и лабораторно-проиэводотвенных экспериментов.

На основании результатов выполненных лабораторных исследований по определенно физнко-механических и технологических свойств зерна и продуктов ее шелушения изготовлена экспериментальная установка для шелушения семян гречихи С рио.б ), По результатам лабораторных исследований также выявлено, что основными Факторами влияющими на эффективность шелушения зерна гречихи аппаратами пневмомеханического типа является влажность зерна,

частота вращения лопастного колеса вентилятора и секундная по-

Рис.б. Схема работы шелуштеля пьевмомеханичесгого типа: С I- бункер; 2- вентилятор; 3- шелушильная камера; пневмо-сепаратор; 5- циклон )

В лабораторно-производственных экспериментах исследовалось влияние вышеназванных факторов на эффективность шелушения, которое осушествлялось методой теории математического планирова-"ния эксперимента,

В результате обработки опытных данных получены адекватные уравнения регрессии, описыващие изменение показателя степени шелушения Кш, коэффициента извлечения ядра Кия и обобщенного показателя технологической эффективности шелушения от

влажности зерна У/ , угловой скорости вращения лопастного колеса и секундной подачи материала •

Кия с '56,0 + Ь0 * 0,9т- * П,- 43 \Уг- А,-к • 10 Ьу1- £

у = -62,0 + # и> + 31,5Ц4IV5,* • 1СГ\г*- 26,2^

На основании этих уравнений построена поверхность отклика обобщенного показателя технологической эффективности шелушения для значения влажности зерна равной 9 % ( рис.7 ).

Рис.7. Поверхность отклика показателя технологической эффективности в зависимости от частоты вращения ротора и секундной подачи материала

Анализ уравнения регрессии и полученной поверхности отклика показывает, что наиболее высокая технологическая еффектив-ность процесса имеет место при частоте вращения лопастного колеса от ЮОО до 1300 мин' и секундной подачи материала в пределах 0,5...0,7 кг/с.

В пятой главе "Оценка эффективности работы шелушителя пневмомеханического типа" произведен расчет экономической эффективности разработанного шелуиителя комбинированного типа.Расчетами ус-

тановлено, что годовой экономический аЛ^ект.'. составляет свыше 4,8 тыс.рублей, а срок окупаемости затрат менее одного года ( в ценах 1990 г).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

По результатам выполненных исследования можно сделать следующие основные выводы,

1. Анализ технологий и конструкций иелуиилышх машин для получения крупы, а также изучение состояния исследований в этой области, показал, что наиболее целесообразный приемом повышения производительности, снижения энергоемкости и улучшения качества получаемой продукции следует считать применений комбинированных способов воздействия на обрабатываемый материал, с использованием установок механического и пневматического действия»

2. В результате выполненных исследований разработана установка пневмомеханического тига, где шелушение зерна происходит за счет удара с проскальзыванием и дальнейшего обтекания материала воздушным потоком, одновременно используемым та.оке для пневмосепарации продуктов переработки.

3. В результате теоретических исследований:

. а) установлено, что частоту вращения лопастного колеса вентилятора мо«но изменять в иироких пределах в за1висимости от веобходимого напора и производительности воздушного потока; догиш. вуш движения зерна, от точки подачи до момента срыва его с лопатки,в ОСКОВЕО'К,зависит от угла подачи материала. Поэтому для определения ее догины достаточно задаваться конкретными значениями радиуса подающего патрубка;

б) получены теоретические зависимости, которые позволили

¡основать рациональные значения параметров лопастного колеса ¡нтилятора, размеры входного окна а выходного патрубка вен-ыятора, а также выражения для определения конструктивных па-шетров пневиосеаэратора.

Лабораторными исследования»® выявлено, что:

а) наименьшая разница в разрушающих усилиях ядрицы и оболоч-

! семян гречихи, без их гидротермшеской обработки ( 18. ..24 Н), иеет место при влажности в пределах 8,5...10,5 %\

б) наиболее высокие показатели качества шелушения соответству-г скорости взаимодействия зерна гречихи с рабочими поверхности э пределах 30...36 м/с и влажности 9 - 10 %,

5, Лабораторно-производственныни исследованиями также уста-овлено, что:

а) наибольшая технологическая: эффективность при иелушекии ерна гречихи на установке пневмомеханического типа обеепечи-ается при частоте вращения ротора 1200 - 1300 мин"', подаче дтернала - О,Л кг/с и влажности зерна, равно я 9

б) затраты энергии при шелушении на пневмомеханической ус-ановке меньше по сравнению с переработкой на существующем (борудовании по принятой технологии более чем в четыре раза.

Производственные испытания шелушильной установки пиев-юнехан-!ческого типа подтвердили вывод о том, что она обеопе-¡ивает повыиение производительности на 50 % и получение экологически чистой продукции высокого качества; при этом общий вы-<од продукции составляет 66-70 степень выделения ядриц 72%, дробленки 12-14 %, мучки 3-5 что заметно выше аноло-гичных показателей существующих конструкций.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Анализ конструкций рабочих органов шелушильных машин. В кн.: Механизация сельскохозяйственного производства. ~ Каз Казанский СХИ, 1991, с: 104-106.

2. Обоснование некоторых конструктивных и технологически параметров вентилятора. - В кн.: Механизация сельскохозяиств кого производства. - Казань. Казанский СХИ, I994, с, 107-110

3. О некоторых результатах исследования Ф-изико-механичес ких свойств семян гречихи. - В кн.: Механизация сель£кохозяй ственного производства. - Казань. Казанский СХИ, 1994, с.III

4. Устройство для шелуаения зерна. Решение о выдаче пате /га на изобретение по заявке К» 93-003048/13/003007. ( в соавторстве с Х.С.Гайкановым ).

Подписано я авчмж 16.08.95г. Бумага шотая Уол.пач.л. 1,00;

Формат 60x90/1 Печать офоэгаа Заказ 175^

Тиран хоо.

Офсетная лаборатория КГСХА К.Маркоа,б5 Казанская государственная сельскохозяйственная

акадшяя.