автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка теории взаимодействия обрабатываемого зерна с рабочими органами зерноочистительных машин с позиции синергетики

УДК 631.363.636.3

На правах рукописи

ПАТРИН ВАСИЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕОРИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОБРАБАТЫВАЕМОГО ЗЕРНА С РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ ЗЕРНООЧИСТИТЕЛЬНЫХ МАШИН С ПОЗИЦИИ СИНЕРГЕТИКИ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

8 АПР 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

НОВОСИБИРСК-2015 005566981

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет» Министерство сельского хозяйства РФ

Научный консультант: Доктор технических наук, старший научный сотрудник

Иванов Николай Михайлович

Официальные оппоненты: Дринча Василий Михайлович, доктор технических наук,

профессор, заслуженный изобретатель РФ, ООО «Агроинженерный

иновационно-исследовательский центр», директор

Ямпилов Сэнгэ Самбуевич, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления», заведующей кафедрой «Биомедицинская техника. Процессы и аппараты пищевых производств».

Лапшин Игорь Петрович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», профессор кафедры «Энергообеспечение сельскохозяйственного производства»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный

технический университет им. И.И. Ползунова»

Защита состоится _9_ июня 2015 г. в _9_ часов на заседании

диссертационного совета ДМ 006.059.01 при Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства», (ФГБНУ СибИМЭ) по адресу: 630501, Новосибирская область, Новосибирский район, р.п. Краснообск, а/я 460, Телефон (факс): 8(383)348-12-09; e-mail: sibime@ngs.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале ФГБНУ СибИМЭ, автореферат и диссертация размещены на сайте: www.sibime-rashn.ru. Автореферат размещен на сайте: www.vak2.ed.gov.ru

Автореферат разослан «19» марта 2015 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

В.В. Коротких

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время в Российской Федерации ежегодно производится около 100 млн т зерна. Такое количество зерна и продуктов его переработки проходит по нескольку раз через зерноочистительные и сортировальные машины. До одной трети стоимости зерна расходуется на его очистку и сушку.

Производительность уборочной техники возросла в несколько раз. В тоже время удельная производительность зерноочистительных машин остается на уровне прошлого века. Разрыв во времени уборки и послеуборочной обработки ведет к значительным потерям выращенного зерна. Особая трудность уборки и послеуборочной обработки зерна повышенной влажности имеет место в условиях Западной Сибири, где за последние два года из-за тяжёлых климатических условий оказались неубранными тысячи гектар зерновых культур. В хозяйствах отсутствуют высокопроизводительные машины для предварительной сушки и очистки зерна. Нет заметного сдвига в создании новых экономичных рабочих органов зерноочистительных машин, новых способов очистки зерна. Чтобы решить данную проблему, необходим новый подход в теоретических исследованиях процесса сепарации.

Проблематичность научных исследований в области сепарации зерна состоит в следующем:

- во-первых, основные рабочие органы зерноочистительных машин вместе с обрабатываемым на них зерном представляют собой сложные, открытые диссипативные динамические системы, относящиеся к «детерминированному хаосу», описать которые аналитическими методами с помощью классической механики без грубых допущений невозможно;

- во-вторых, в существующих научных работах рассматриваются только конечные операции: процесс перераспределения частиц в зерновом слое и прохождения мелких частиц через отверстия решета, но не изучены закономерности перехода энергии от рабочего органа к зерну. Энергия является первоосновой, определяющей поведение обрабатываемой зерновой среды на рабочих органах машин, влияющая на интенсивность процесса сепарации;

- в-третьих, в имеющихся научных работах по сепарации зерна почти отсутствует системный подход, недостаточно развита общая теория сортировальных машин, хотя во всех рабочих органах имеют место одинаковые по назначению и последовательности выполнения операции процесса сортирования, одни и те же закономерности передачи энергии в зерновую среду;

- в-четвертых, в теории сепарации рассматривают материальную точку, но практика показала, что закономерности, полученные для одной точки или зерновки, не соответствуют закономерностям поведения всей сыпучей среды на рабочих органах и не могут описать явление самоорганизации в сыпучих средах;

- в-пятых, известно, что силовое поле любого рабочего органа определяет фазовое состояние обрабатываемого зерна, но силовые поля рабочих органов недостаточно изучены и не дана их сравнительная оценка. Не изучены закономерности изменения связей между поверхностью рабочего органа и зерном.

Без решения вышеуказанных научных проблем в области сепарации зерна невозможно создать высокопроизводительные зерноочистительные машины.

Научная гипотеза: предполагается, что рабочие органы зерноочистительных машин и обрабатываемое зерно относятся к самоорганизующимся диссипативным динамическим системам, которые могут быть описаны неравновесной термодинамикой, синергетикой, теориями нелинейных систем и бифуркаций. Предполагается, что производительность машин прямо пропорциональна количеству свободной энергии, перешедшей от рабочего органа в зерно.

Объектом исследования являются процессы взаимодействия обрабатываемого зерна с основными рабочими органами зерноочистительных машин.

Предмет исследования: закономерности самоорганизации динамической системы «рабочий орган — обрабатываемое зерно», закономерности перехода и образования свободной энергии в зерне, закономерности изменения силовых полей рабочих органов зерноочистительных машин.

Цель исследования: разработать на основе синергетики новую методологию и элементы теории, позволяющие управлять закономерностями процесса движения и сепарации зерна на рабочих органах зерноочистительных машин.

Методы исследования. В качестве основных методов исследования использовались:

- методологические основы, применяемые в термодинамике и синергетике: теория систем, качественная теория нелинейных динамических систем, теория бифуркаций и катастроф, теория устойчивости;

- системно-структурный анализ, имитационное, математическое и логическое моделирование; графический метод анализа.

Экспериментальные исследования были выполнены на физических моделях, лабораторных установках, с использованием фото- и видеосъемки, современных технических средств, приборов и методов обработки в соответствии с существующими государственными стандартами.

Научную новизну составляют: 1.Элементы общей энергодинамической теории взаимодействия обрабатываемой зерновой среды с рабочими органами зерноочистительных машин

2 Методология теоретических исследований применительно к системам «рабочий орган - обрабатываемая сыпучая среда» с использованием основных положений синергетики, теории устойчивости и бифуркаций.

3.Результаты теоретического исследования силовых полей рабочих органов, позволяющие объективно оценить степень воздействия того или иного рабочего органа на обрабатываемое зерно на стадии конструирования зерноочистительных машин.

4.Результаты системно-структурного анализа математических, имитационных и логистических моделей взаимодействия обрабатываемой зерновой среды с рабочими органами сортировальных машин.

5.Графический метод анализа процесса работы плоских решет с использованием теории послойного движения зерна.

6.Результаты экспериментальных исследований процесса сепарации с использованием новых видов движения зерна в цилиндрических рабочих органах.

На защиту выносятся все материалы диссертации, представляющие научную новизну.

Новизна технических решений подтверждена пятью патентами на изобретения РФ.

Теоретическая и практическая значимость результатов исследования:

Разработанная методология на основе новых достижений в области неравновесной термодинамики и синергетики является универсальным инструментом, позволяющим исследовать все многообразие существующих рабочих органов, определить их оптимальные и предельные режимы работы, может использоваться в учебном процессе при подготовке высококвалифицированных кадров.

Результаты анализа силовых полей основных рабочих органов машин использованы при разработке конструкторскими организациями новых зерноочистительных машин. Полученные параметры силовых полей и напряженное состояние в них зерновых сред позволяют разработать конструкции машин, с более активным силовым полем, обеспечивающим наибольшую производительность.

Установленные закономерности в системе «рабочий орган — сыпучая среда» позволяют управлять динамическим состоянием обрабатываемого зернового вороха, регулировать и настраивать рабочие органы зерноочистительных машин в процессе их эксплуатации на оптимальные режимы работы.

Найдены новые способы разделения сыпучих сред с использованием быстрых инерционных сдвиговых течений. Порционный и водопадный виды движения зерна в цилиндрическом решете позволяют значительно увеличить интенсивность процесса сепарации.

Реализация результатов исследования. Материалы исследований были переданы заводу «Воронежсельмаш».

По результатам теоретических и экспериментальных исследований открыты два новых способа сортирования сыпучих сред (патент № 2457046, патент № 2232650, патент № 2459906). Создан производственный образец высокопроизводительной машины для первичной1 обработки зерна и приборы для измерения силы сопротивления сдвигу слоев зерна внутри сыпучего тела.

Разработанная автором методология, основанная на новых достижениях в области синергетики и неравновесной термодинамики, используется в учебном процессе Алтайского и Новосибирского аграрных государственных университетов.

Степень достоверности и апробация результатов исследований. Работа выполнялась в соответствии «Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008 — 2012 гг.» (постановление Правительства Российской Федерации № 446 от 14.07 2007г.). Основное содержание диссертационной работы докладывалось на трёх научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава НГАУ в период с1999 по 2010 гг. на международной научно-практической конференции «Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства» (г. Новосибирск, 22-23 апреля 2003 г.), на второй научно-практической конференции «Перспективы развития отечественной зерноочистительной техники»(г. Воронеж, «Воронежсельмаш», 18-19 марта 2004 г.),на международной научно-практической конференции «Современные и перспективные технологии в АПК Сибири» (г. Новосибирск, 8-9 июня 2006г.). Материалы диссертации были представлены на международные научные конференции: «Современные научные достижения -2014» (г. Прага,27 января —5февраля 2014 г.), «Стратегические вопросы науки -2014» (Польша, г. РггешувН 7 - 15февраля 2014г. ), «Научно-техническое обеспечение процессов и производств в АПК» Новосибирск, НГАУ, 28 октября 2014 г.

Публикации результатов исследований: Основное содержание диссертации опубликовано автором в 35 печатных работах, из них в рекомендованных перечнем ВАК изданиях - 20 печатных работ, две в зарубежных изданиях, в 5 патентах на изобретение.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов, терминов и понятий, использованных в диссертации, библиографического списка включающего 188 наименований, в том числе 7 на иностранных языках, и приложений на 10 страницах. Работа изложена на 350 страницах и включает 20 таблиц и 72 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит краткое изложение проблемы ее актуальность, предмет и цель исследования, научную гипотезу и новизну методики и результатов исследования.

В первом разделе «Проблемы теории и практики очистки и сортирования зерна» представлены состояние и перспективы развития зерноочистительной техники, общая характеристика технологических операций послеуборочной обработки зерна. Дан критический анализ методологии научных исследований в области сепарации сыпучих сред. Отмечены ограниченные возможности детерминистского метода теоретических исследований, основанных на построении дифференциальных уравнений движения материальной точки по поверхности рабочих органов. Рассмотрены статические и динамические свойства зернового вороха как объекта исследования, Приведены научные работы, подтверждающие аналогию свойств между «псевдоожиженным» слоем сыпучей среды и вязкой жидкостью, доказывающую сложность их изучения.

Дан анализ работ, связанных с изучением процесса работы плоских вибрационных и качающихся решет, вертикальных и горизонтальных вращающихся цилиндрических рабочих органов.

Современные теории по сепарации зерна, основанные на классической механике, не могут объяснить поведение системы «рабочий орган - обрабатываемая зерновая среда»: периодическую смену структур в сыпучей среде, смену различных видов ее движения, закономерности авторегулирования и самоорганизации сисгемы.

Совершенствованием процессов послеуборочной обработки зерна, теории сепарации и созданием новых рабочих органов зерноочистительных занимались ученые: Н.Е. Авдеев, В.В. Гортинский, Е.С. Гончаров, В.М. Дринча, Л.Н. Ерошенко, Ю.И. Ермольев, А.Н. Зюлин, B.JI. Злочевский, Н.М. Иванов, М.В. Киреев,, Н.И. Косилов, В.Н. Киршин, В.А. Кубышев, М.Н. Летошнев, И.П. Лапшин, A.A. Орлов, П.А. Патрин,' Н.И. Стрикунов, Л.М. Спичкин, Б.Т. Тарасов, В.Р. Торопов, Г.Д. Терсков, С.С. Ямпи-лов и многие другие.

Движение сыпучих материалов в горизонтальных вращающихся рабочих органах в горно-обрабатывающей отрасли изучали: С.Е. Андреев, Э.В. Девис, В.М. Осецкий, Н.П. Неронов, В.А. Олевский, В.Н. Коротич, A.A. Новиков, Ю.В. Науменко| А.Н. Марюта, Г.Н. Свердлик, A.B. Сланевский.

В данной работе предлагаются новые способы разделения зерновых сред с использованием быстрых инерционных сдвиговых течений. Первые опыты по изучению движения гранулированных материалов в режиме быстрого сдвигового течения в кольцевых каналах выполнил Bagnold (1954), затем в фундаментальных зарубежных

изданиях по теоретической физике и механике появились работы, связанные с изучением сдвиговых течений в инерционных режимах следующих авторов: Savage и Sayed, Hanas и Juman, Campbell и Brener, Welton и Braun, Jeffrey, Jenkins, Lun, Werner и Haff и т.д.

При разработке методологии исследования мы использовали работы в области неравновесной термодинамики и синергетики следующих учёных: Нобелевского лауреата И. Пригожина, Г. Хакена, Г.Г. Малинецкого, С.П. Курдюмова, E.H. Князевой, В.И. Арнольда, С.Г. Абаимова, А.И. Олемского, Ю.К. Алексеева, Ю.А. Данилова.

Приведенный в данном разделе анализ показал, что применяемые в настоящее время аналитические и полуэмпирические модели движения зернового материала на плоских и вращающихся рабочих органах отражают лишь кинематику единичных зёрен, в то время как процесс сепарации и перераспределения частиц зависит от фазового состояния всей сыпучей среды, или от её степени «псевдоожижения». Проблематичность исследования процессов сепарации состоит в сложности объекта исследований.

На основании проведенного анализа ранее выполненных научных работ в области сепарации зерна и необходимости выполнения поставленной цели определены следующие задачи исследования:

1. Разработать методологию изучения процесса взаимодействия обрабатываемого зерна с рабочими органами зерноочистительных машин на основе использования новых достижений в области неравновесной термодинамики и синергетики.

2. Обосновать параметры силовых полей основных рабочих органов зерноочистительных машин и дать их сравнительную оценку.

3. Определить закономерности перехода энергии от рабочих органов зерноочистительных машин в свободную энергию обрабатываемого зерна.

4. Разработать графические и имитационные методы и модели, отображающие процесс работы динамической системы «рабочий орган - обрабатываемое зерно» для плоских и горизонтальных цилиндрических решет.

5. Обосновать оптимальные режимы работы горизонтального цилиндрического решета.

6. Дать технико-экономическую оценку основных результатов исследования.

Во втором разделе «Методология построения теории взаимодействия обрабатываемого зерна с рабочими органами зерноочистительных машин на основе синергетики» дана характеристика рабочих органов зерноочистительных машин, сложность изучения которых заключается в следующем:

- во всех типах зерноочистительных машин система «рабочий орган-обрабатываемое зерно» под действием управляющего параметра 5—8 раз переходит из одного устойчивого равновесного состояния в другое равновесное, через неустойчивость.

- система имеет прямые и oöpäTHbie связи между зерном и решетом и согласованное (когерентное) поведение множества элементов (зёрен) в системе;

- в системе присутствует самоорганизация движения сыпучей среды, свободная энергия и фаза независимого от рабочего органа цикличного вида движения зерна.

В данном разделе разработана методология построения теории взаимодействия обрабатываемого зерна с рабочими органами машин с позиции синергетики.

Синергетика позволяет при исследовании сложных систем использовать новые научные направления, такие как нелинейная механика, теория устойчивости нелинейных систем, неравновесная термодинамика, теория бифуркаций и катастроф. • Алгоритм решения сложной задачи с помощью теории бифуркаций состоит из:

- построения структуры системы и определения её организации и связей;

- определения числа устойчивых равновесных состояний системы (порядков);

- определения параметров каждого порядка, «стягивающих» систему в новое равновесное состояние;

-определения сопряженного силового поля с данным порядком; -определения управляющих параметров системы.

Общеизвестна система уравнений Э. Лоренца для описания «детерминированного хаоса» в атмосферных явлениях и течение жидкости в ячейках Бенара:

Х= -оХ + оУ; У = -XX +гХ-У; Ъ =ХУ- ЪХ,

где г - число Рэлея; а — число Прандтля; Ь-геометрический параметр; X — скорость циркуляции; У — разность температур в восходящем и нисходящем потоках; Ъ — пропорциональна отклонению профиля температур от равновесного значения. Особенность уравнений Лоренца состоит в том, что они описывают поведение сложных систем с помощью потоков энергии и градиентов температур.

Для описания поведения обрабатываемого зерна на рабочих органах зерноочистительных машин мы предложили следующую систему синергетических уравнений:

ЕВИШ ^ + БТ; (1)

£■„„= (ао) - Аса2 ) КИ ; (2)

1В ^ИН - - 9 (3)

где £внш, Евн - внешняя и внутренняя энергия системы; П, Р — потенциальная и свободная кинетическая энергия зерна в системе; ■^д» ^ин. Рс — движущая сила, сила инерции, сила сопротивления сдвигу зерна соответственно;

ю — угловая скорость или управляющий параметр; Кя — коэффициент учитывающий количество зерна на решете; а ^у - тангенс угла наклона параболы в точке пересечения с осью абсцисс; БТ — энтропия и соответствующая ей абсолютная температура Т\ $оо2 — параметр обратной связи, регулирующий в системе поступление энергии в зерно.

Уравнение (1) является термодинамическим потенциалом Гельмгольца, левую часть которого мы дополнили направлением передачи энергии и преобразованием её в системе. Уравнение (2) описывает закономерности поступления свободной энергии в зерно. Порядок вывода данного уравнения описан в четвёртом разделе диссертации. Полученные нами уравнения определяют баланс энергии, потоки энергии и равновесие сил в системе, объясняют сложное поведение системы « рабочий орган — обрабатываемое зерно» при изменении управляющих параметров.

Разработана (рисунок 1) универсальная структура и определена организация системы «рабочий орган-обрабатываемое зерно», удобная для изучения всех основных рабочих органов зерноочистительных машин.

Рисунок 1 Структура и организация системы «рабочий орган - обрабатываемое зерно»

для зерноочистительных машин

На рисунке 2 в виде бифуркационной диаграммы показан анализ развития методологии научных исследований в области сепарации зерна. Диаграмма позволяет проследить развитие существующих методик и выбрать новые наиболее перспективные.

Впервые в динамической системе «рабочий орган — зерновая среда» вводится понятие связей как необходимого организационного элемента в структуре системы, обеспечивающего её работоспособность. Выявлена противоречивость назначения связей. С одной стороны, связи между частицами необходимы для передачи свободной энергии в зерновую среду, а с другой - чтобы осуществить процесс сепарации, необходимо эти связи убрать или ослабить. Сложность состоит в том, что кроме связи меяоду поверхностью рабочего органа (решетом) и зерновым телом, существуют связи между элементарными слоями сыпучей среды переменные по величине.

В работе дана характеристика связей, анализ и метод определения сил связи между частицами внутри сыпучего тела

методы и модели теоретических - .

исследований в обласи сепарации зерна (рИСуНОК ).

Рисунок 2 Бифуркационная диаграмма развития методологии изучения сложых систем применительно к сепарации зерна.

9

Анализ показал (таблица 1), что все машины имеют одинаковые по назначению операции, следовательно, должны иметь и общую теорию.

Таблица 1 Операции (алгоритм) процесса работы зерноочистительных машин

№ Наименование операций Назначение операций Технологические требования

1 Подача и перемещение обрабатываемого зерна по поверхности рабочего органа Обеспечение непрерывности технологического процесса Оптимизация скорости перемещения и толщины слоя зерна на рабочем органе

2 Образование послойного сдвигового течения, псевдоожижения зерна Создание порово-го пространства между частицами Упорядоченность траектории в пространстве и времени, цикличность движения

2а Накопление потенциальной энергии в обрабатываемом зерне; Перевести энергию рабочего органа в потенциальную энергию зерна В полном цикле движения период относительного покоя должен быть обязательным

26 Образование внутренней свободной энергии в обрабатываемом зерне Перевести обрабатываемую зерновую среду в новое фазовое состояние Обеспечить максимальную интенсивность послойного движения зерна

3 Перемещение выделяемой фракции к решету Самосортирование Обеспечить наибольшую скорость самосортирования

4 Прохождение частиц через разделяющую поверхность Выделение фракции из зернового вороха Обеспечить оптимальные режимы движения частиц.

5 Вывод фракций из рабочего органа и машины

аI

Рисунок 3 Построение (а) овала сил связи П, действующих в вертикальной плоскости между зернами в точке 0(в) пространственные связи между зернами

В качестве связей выступают силы трения, молекулярного сцепления, конструктивные элементы. Связи делятся на внутренние и внешние, постоянные и переменные во времени и пространстве.

Известно, что любая теория может быть представлена гипотезами, аксиомами или определениями. Результаты теоретического анализа и феноменологические данные позволили нам получить представленные ниже аксиомы, которые определяют теоретическую модель взаимодействия обрабатываемого зерна с рабочими органами зерноочистительных машин, доказательство которых приведено здесь и в следующих разделах данной работы.

Аксиома 1. Зерновая среда в рабочем органе зерноочистительной машины выбирает ту кинематику и форму движения, которая задаётся ведущим (управляющим) звеном системы и обеспечивается силами связи. При отсутствии связей между ведущим и ведомым элементами системы прекращается передача энергии в зерно, сепарация зерна отсутствует.

Аксиома 2. Необходимым условием самоорганизации и авторегулирования системы «рабочий орган - обрабатываемое зерно» является наличие обратных связей. В ответ на изменение величины управляющего параметра в системе изменяются силы связи между частицами зернового тела и рабочей поверхностью решета, что ведёт к изменению количества поступающей энергии в зерно.

Все динамические свойства сыпучей среды зависят от степени её «псевдоожижения». В данной работе впервые предпринята попытка количественно оценить степень «ожижения» через скорость горизонтального растекания сыпучей среды на плоскости ёУг, йУг= цож • йу/йх • йт (4)

)

где - коэффициент ожижения, равный обратной величине силы трения у^м=1/Р\ сЬ/сЬс — градиент послойного движения; с/г - сила бокового давления.

Аксиома 3. Максимальная степень «псевдоожижения» зерна на рабочих органах сортировальных машин и, следовательно, максимальная скорость перераспределения частиц в слое происходит при быстрых сдвиговых течениях, когда расстояние между движущимися частицами в поровых промежутках превышает средние размеры частиц.

Аксиома 4. Свободная энергия и энтропия определяют физическое состояние обрабатываемого зерна в машине. Чем больше свободной энергии переходит от поверхности рабочего органа в зерно, тем интенсивнее идёт процесс сепарации. Если в системе идёт производство внутренней энтропии, она является диссипативной и необратимой.

Аксиома 5. Свободная энергия образуется в системе при условии передачи кинетической энергии от рабочего органа в зерно. Частицы, получив энергию, свободно перемещаются в поле силы тяжести в направлении уменьшения своего энергетического уровня. При отсутствии свободной энергии в обрабатываемом зерне процесс сепарации прекращается.

Аксиома 6. Цикличность движения зерна в рабочих органах зерноочистительных машин является необходимым условием пополнения свободной энергии в зерне. Цикличность состоит из чередования двух обязательных фаз. Каждая частица движется по своей замкнутой траектории (кроме общего движения по рабочему органу), где имеет фазу относительного покоя (накапливает потенциальную энергию), затем переходит в

фазу свободного движения, где расходует накопленную энергию на процесс сортирования. Свободная энергия определяется из термодинамического потенциала Гельм-гольца (1).

Аксиома 7. Зерновой ворох и рабочие органы зерноочисютельных машин являются сложными самоорганизующимися системами (детерминированным хаосом), которые на локальных участках своего развития находятся в равновесном состоянии, совершают незначительные автоколебания, а на «глобальных» временных отрезках под действием внешних параметров периодически переходят в точках бифуркаций в неустойчивые состояния, где выбирают новое устойчивое равновесное состояние.

Обоснование согласованного движения зерна в зерноочистительных машинах.

В третьем разделе мы доказали, что все основные рабочие органы зерноочистительных машин являются гармоническими осцилляторами, следовательно, силы действия на зерно и силы сопротивления действию изменяются по гармоническим законам, что является необходимым условием согласованного поведения частиц зерновой среды на рабочих органах зерноочистительных машин.

В открытой диссипативной системе, в её равновесном состоянии устанавливается коллективное поведение множества элементов (частиц), обладающих всеми степенями свободы. Дадим теоретическое обоснование согласованному (когерентному) поведению зерна. Рассматриваемая нами система имеет множество движущихся зёрен и подобна микромиру частиц изучаемых статистической физикой. В данной методике мы использовали такие понятия статистической физики, как микро и макроансамбль, «статвес энергии» массы частиц, движущихся по данной орбите. Перешли от изучения множества частиц (зерен) к изучению их траекторий (орбит), по которым движутся частицы, и далее, используя свойство подобия множества одинаковых траекторий, перешли к изучению групп траекторий, отличающихся друг от друга содержанием внутренней свободной энергии. Энергетическая модель изучаемой системы удобна для феноменологического анализа, где макросостояние сыпучей среды в данной группе траекторий определяется одним параметром «статвесом энергии». Каждая группа подобных траекторий имеет свой «статвес» уровня внутренней энергии, от которой зависит фазовое состояние зерна и местонахождение данной траектории в рабочем органе. Группа траекторий, имеющая большой «статвес» энергии, имеет более длинные и высокие траектории движения. При изменении количества энергии, поступающей в зерновую среду от рабочего органа, изменяется «статвес» внутренней энергии в каждой группе траекторий одновременно, обеспечивая согласованность движения частиц сыпучей среды в рабочем органе. Используя метод группирования подобных траекторий, мы сжали информацию от множества зёрен одним параметром «статвесом» их энергии и перевели изучаемый объект из микроансамбля в макроансамбль. Математическая формализация согласованного поведения частиц и их траекторий движения на рабочих органах зерноочистительных машин представлена в виде:

- количество групп подобных траекторий в системе: N-1 = Л^ + Л^ + Л^к (5)

- общее число частиц в системе: N=N1 п1 + N2 п2 + Л^лк (6)

- «статвес» энергии в первой группе траекторий, в соответствии с уравнением Гельмгольца, равен: £внгт = ^гт + гт О)

- «статвес» энергии всей системы: ЕЕвн.рл- = + Х(5Т) , (8)

где Ni, N2 Nk - число подобных траекторий в каждой группе;

П\, П2, и*- — число частиц, находящихся на данной траектории;

Еш nti — внутренняя энергия всех частиц, движущихся в первой группе траекторий;

^nti, (SI)nti - свободная энергия и энтропия всех частиц, движущихся в первой группе подобных траекторий соответственно..

Аксиома 8. Каждая группа подобных траекторий имеет свой «статвес» энергии, не меняющийся при равновесном состоянии системы, что обеспечивает одновременное существование в системе двух и более «порядков» (например, челночный и перекатный, перекатный и водопадный режимы движения).

Аксиома 9. При устойчивом (равновесном) состоянии системы каждая траектория имеет своё место в рабочем органе, соответствующее её «статвесу» энергии. Переход однородным частицам на другие траектории, отличающиеся по «статвесу» энергии, невозможен. Предполагается, что все траектории являются заполненными однородными частицами.

Аксиома 10. Управляющие параметры изменяют количество свободной энергии одновременно во всех траекториях системы, обеспечивая согласованное движение частиц зернового вороха. При этом, частицы путём флуктуации переходят на более высокие или низкие энергетические орбиты движения, соответствующие своему новому «статвесу» энергии. Частицы, отличающиеся размерами, формой, парусностью и т.д., могут свободно переходить в «поровых пространствах» на другие траектории, в сторону понижения своего энергетического потенциала.

В третьем разделе «Анализ силовых полей основных рабочих органов зерноочистительных машин» дано теоретическое исследование силовых полей вибрационных и качающихся плоских решет, горизонтальных и вертикальных вращающихся цилиндрических решет в зависимости от величины их кинематического режима. Рассмотрено действие силового поля на сыпучую среду. Дана методика определения нормальных и предельных касательных напряжений в сыпучей среде, построены овалы нормальных напряжений, приведена сравнительная характеристика силовых полей.

Рассмотрим силовое поле горизонтального вращающегося цилиндрического решета (рисунок 4).

На внутренней поверхности решета в трубчатом режиме движения находится зерновое кольцо толщиной Дх

На частицу М действуют ускорение силы тяжести g и центробежное ускорение co2R. Вектор результирующего ускорения определяется из выражения 3 = § + 32Я, направление вектора 3 задано углом р. Коэффициент центробежности К = co2R/g.

В любой точке сыпучей среды, вращающейся вместе с цилиндром, силовое поле определяется проекциями dx и cfy ускорения а.

Используя подобие двух треугольников ОАМ и MAiM¡, составим дифференциальное уравнение направления результирующего ускорения, если известно, что А\М\ = dx = co2R sina, АХМ= dy = g + cú2R eos a:

„ dx ci^Rsína dy g+oiRcosa

Решим относительно dx, после интегрирования получим уравнение силовых линий:

у = Сх +g/a>2 . (9)

Л, Ох М,

Рисунок 4 Силовое поле в горизонтальном вращающемся решете при А=1,5.

Полученное уравнение силовых линий (9) представляет пучок прямых, пересекающихся на оси ординат в точке Ох с координатами (0, ¿/со2), отстоящей от центра вращения цилиндра на расстоянии ООх = о/а>2.

Более удобно координату центра силового поля представить в виде относительной безразмерной величины. Для этого левую и правую часть выражения (9) разделим на Я получим:

Уц— Я/ К (10)

Из уравнения (10) видно, что при К> 1 центр силовых линий находятся внутри окружности. При К < 1 центр силовых линий находится на вертикальном диаметре вне окружности цилиндра. При К =1, у= Я.

Составим дифференциальное уравнение эквипотенциальных поверхностей, учитывая, что они имеют нормали, совпадающие с направлением силовых линий. Следовательно, дифференциальное уравнение таких поверхностей будет обратным уравнению силовых линий:

gdy + сй'уду = а)2хсЬс.

Интегрируя его, получим:

^-х2 + 2&/а>2 + С = (11)

Определим величину ускорения для верхней и нижней половины окружности:

5 = Я^\ + К>-2К-со%(Ш-а), 5 = + К2 - 2К-сое а (12)

Как видно из графика (рисунок 5), силовое поле в течение одного оборота цилиндрического решета изменяется по гармоническому закону. С повышением кинематического режима поле растет, и кривые смещаются вверх относительно оси абсцисс.

Угол между направлением действия силовой линии и вертикальным диаметром цилиндра АО'М=[? определяется из треугольника А]ММ1 (см. рисунок 4):

a/g

4 3

г 1

N

. S ЧК=4

М/

ЧК=2 у

\ у

о бо m m 240 зоо зео a°

Рисунок 5 Зависимость результирующего ускорения в относительных единицах a/g от угла поворота цилиндра а0 и его коэффициента центробежности К

■ я Л sin р = - = -

._=• (13)

V?2 + <и4 я2 - 2г<э2 Д соэ(180 - а)

Поделим числитель и знаменатель в уравнении (13) на со2Я, получим более простой способ определения угла направления результирующего ускорения через коэффициент центробежности К для верхней половины окружности:

со5(а-90) , (14)

для нижнеи:

sin Р =

sin Р --

\К2 1

rcos(180-a)

11,2

J—=- + 1н—с Ы2 К

(15)

Для определения направления силовой линии удобнее пользоваться углом у между радиусом цилиндра и направлением силовой линии: у = а—/?.

Предположим, что система координат или камера видеосъемки вращается вместе с цилиндром, тогда на точку М, лежащую в слое зерна, будет действовать поле сил, векторы которых можно определить из уравнений (12), а направление силы определяется по графику, приведённому на рисунке 6. На графике (см. рисунок 6) показан порядок определения направления равнодействующей силы в зависимости от угла поворота цилиндра.

На рисунке 7 для цилиндрического решета диаметром 700 мм при К= 1,5 для пшеницы построены в масштабе в характерных точках внутренней поверхности цилиндра овалы нормальных напряжений, которые пульсируют и качаются.

На рисунке 8 показано, как равнодействующая двух сил (центробежной и силы тяжести), действующая на зерно, изменяется по величине и направлению в зависимости от угла поворота решета а) — в нижней половине окружности, в) — в верхней (выше горизонтального диаметра).

«0 ьв 240 о* ,1

ка XIV4 г1

ЦКИ А \ П о 11л /

270

330 3«0 к< ]

"1—га! И " /¡И

т

150

т

о»

90

60 да

•Г -4Т -22" О *2Г +45-

Рисунок 6 Зависимость угла наклона силовых линий у к радиусу от угла поворота цилиндра а0 и коэффициента центробежное™ К

Рисунок 7 Пульсирующие и качающиеся овалы нормальных напряжений в зерновой среде (пшеница, ф=30°, Т=0,75т/м3, К=1,5)

При вращении цилиндра в каждое мгновение меняются величина и направление вектора результирующего ускорения силового поля.

В относительном движении вектор силового поля качается относительно точки М, взятой на поверхности зернового кольца. При повороте вектора слева направо его положение отмечено цифрами 1-2-3-4-5-6-7 (в нижней половине цилиндра, рисунок 8а). При повороте в обратном направлении (в верхней половине цилиндра рисунок 8в ) положение вектора отмечено цифрами 7-8-9-10-11-1 (рисунок 8).

0,5 Я

а) в)

Рисунок 8 Величина и направление действия силового поля в относительном движении при Ка=1,5; а — поворот вектора силового поля слева направо в нижней части цилиндра; в — поворот вектора силового поля справа налево в верхней части цилиндра

Рисунок 9 Номограмма для определения конструктивных и технологических параметров горизонтального цилиндрического решета

По результатам исследования на рисунке 9 построена номограмма, позволяющая по заданному радиусу цилиндра и кинематическому режиму определить угловую скорость, число оборотов цилиндра, координату центра силовых линий в долях радиуса.

Рассмотрим силовое поле вертикально вращающегося цилиндрического решета с гармоническими колебаниями, направленными вдоль его оси вращения.

Перенесем результирующее ускорение « из точки С в точку С\, добавим максимальную величину ускорения вертикальных колебаний ± ]тах (рисунок 10). Сложим два вектора а и±], получим два новых положения вектора а и аг, которые имеют разную величину и направление.

Суммарный вектор трёх ускорений качается относительно точки С) в плоскости заштрихованного треугольника, следовательно, и овалы нормальных напряжений в зерновой среде в вертикальном цилиндрическом решете при наличии осевых колебаний будут пульсировать и качаться, что является необходимым условием процесса сепарации.

Характеристика силовых полей рабочих органов зерноочистительных машин приведена в таблице 1, которая позволяет сравнить рабочие органы по степени их динамического воздействия на обрабатываемое зерно.

Рисунок 10 Силовое поле вертикального вращающегося решета: а — силовое поле без осевых колебаний; б - силовое поле при наличии осевых колебаний; в - качающиеся и пульсирующие овалы нормальных напряжений

Таблица 1 Динамическая характеристика рабочих органов зерноочистительных машин

Рабочие органы сортировальных машин Параметры, Хар акгернзующие д ина мяч еско & состояшиГЧ. рабочих органов н зерновой4«*, среды ^ч^, Плоскорешетные ЦшгацЖрнче;скяе

о> а * Ж а i а I "8 II а) о S S 31 'з И го - * „ 1 a S 2 1 I"5 1 1 s s2 1 -8 -: 11 | 1 1 S 1. а 1 1 ¡ft I is §•? 1 aft' is S 1 O. •1 111 я S II № I s-1 a g з « g- a i 2

о g» | § 5 а s Ъ Ь о ч X Постоянное по величине + +

Переменное во времени По величине + + + +

По направлению + + +

Переменное в пространстве + + +

Овалы нормальных напряжений в Зерно вой среде Пульсируют + + + +

Качаются + + ч- +

Силы СВЯЗИ межзу зернаг мн Неуправляемые н ограничены но величине (g = const) + + : +

Управляемые н не ограничены по величине (g + w^R ^ const) ■+ + +

В четвертом разделе «Имитационная и графическая модель процесса работы плоских и цилиндрических решет» принята гипотеза, что в системе «рабочий орган

— обрабатываемое зерно» все процессы взаимосвязаны и зависимы друг от друга, следовательно, неизвестные закономерности могут быть подобны другим уже известным закономерностям. Из литературных источников известно, что интенсивность сепарации на плоских и цилиндрических решетах зависит от интенсивности сдвигового течения зерна и соответствует параболе, которую будем считать также и закономерностью перехода энергии от рабочего органа в зерновую среду:

£■„„= (аю - Во2)КН, (16)

где ю — угловая скорость решета;

а=ЩУ~ коэффициент, учитывающий приращение свободной энергии в зерне; /? — коэффициент, учитывающий уменьшение энергии, поступающей в зерно; Евн - внутренняя удельная энергия, содержащаяся в обрабатываемом зерне; К„- коэффициент, учитывающий величину нагрузки зерна на решете.

На рисунке 11 по уравнению (16) построена теоретическая закономерность поступления энергии в зерно в зависимости от величины ускорения плоского решета. Ординаты точек аь а2, аъ, (рисунок 11), соответствуют величине условной кинетической энергии решета, а ординаты точек параболы 1, 2, 3 - количеству энергии, перешедшей в зерно. Разница ординат (а2 - 2), (а3 - 3) и т.д. определяет количество недополученной зерном кинетической энергии в результате все уменьшающихся сил связи

Рисунок 11 Закономерность образования внутренней свободной энергии зерна на плоском решете в зависимости от его кинематических режимов работы

Обозначения, приведённые на рисунке 11: Ер — условная кинетическая энергия рабочего органа;

Е„ — потенциальная энергия переносного движения, накопленная в зерновом теле; Ен — недополученная зерном энергия в результате действия в системе обратных связей; Евн - внутренняя свободная энергия зерна, совершающая работу послойного сдвигового течения;

а>3Игрг- ускорение силы инерции, при котором начинается перемещение зерна относительно решета.

Коэффициент центробежнааа/ к<*т

Рисунок 12 Закономерность образования внутренней энергии зерна в горизонтальном цилиндрическом решете в зависимости от его коэффициента центроэежности

На рисунке 12 приведена закономерность перехода внешней энергии во внутреннюю свободную энергию зерна в цилиндрическом решете. График построен по литературным источникам и предварительным опытам. Обозначения даны на рисунке 11. Вертикальная ордината обозначает условное максимальное количество энергии, которое могло быть передано решетом зерну при отсутствии обратных связей. Постоянные коэффициенты логистического уравнения (А) а, Д Кн определяются опытным путем или методом расчета. Известно, что нисходящая ветвь параболы делится на теоретическую (1) и экспериментальную (2). Как показали наши опыты, для каждого значения нагрузки, коэффициента трения, свойств сыпучего материала точка пересечения параболы с осью абсцисс имеет свое значение в предела К= 1—2. Экспериментальная проверка уравнения (16) в разделе 6 данной работы показала удовлетворительное совпадение теоретических и опытных закономерностей передачи энергии от рабочего органа в зерновую среду.

На рисунке 13 приведена имитационная графическая модель процесса работы плоских решет с горизонтальными колебаниями.

Рисунок 13 Имитационная графическая модель послойного движения зерна на плоском решете с углом наклона 5°, направлением колебаний 3°, культура - пшеница, угол трения 33°, f0= 0,65, е=0,2; другие обозначения даны в тексте.

В отличие от известного графического метода анализа, разработанного В.П. Горяч-киным, М.Н. Летошневым для материальной точки, предлагаемая графическая модель, позволяет анализировать закономерности движения любого элементарного слоя зерна в зерновом теле с учётом давления вышележащих слоев зерна, угла наклона решета, толщины слоя и физико-механических свойств зерна.

В основу метода положена теория послойного движения сыпучей среды В.В. Гор-тинского. Сила связи данного слоя с другим таким же слоем Fhi зависит от расстояния его до поверхности зернового тела - h„ удельного давления на единицу площади массы вышележащего слоя зерна - yhg. Приведённый коэффициент внутреннего трения (по Гортинскому) равен:/пр=/о(1+ге). Сила сопротивления сдвигу слоя определится:

Fh,=lhgf0(\ + is) , (17)

где £ - коэффициент, характеризующий физико-механические свойства зерна; /о - коэффициент трения верхнего слоя зерна; у - плотность зерна; i = h/H— безразмерная координата положения слоя по высоте,

21

где Н— толщина слоя зерна на решете. Влияние углов наклона решета — а, направления колебаний — ¡5 и внутреннего трения сыпучей среды -ср на начало сдвига верхнего и нижнего слоев определяется по общеизвестным уравнениям М.Н. Летошнева и учитывается величинами ряд. Предлагаемая модель движения зерна на плоском решете возможна при следующих допущениях:

- ограничения для сдвига элементарных слоев зерна в горизонтальном направлении отсутствуют;

- коэффициент трения между последним слоем зерна и поверхностью решета всегда больше, чем с вышележащим предпоследним слоем зерна;

- увеличение приведённого коэффициента трения идёт в направлении к поверхности решета по прямолинейному закону.

Сопротивление сдвигу нижнего слоя определяется по уравнениям для левого интервала колебаний = уНц(\ + ¿г) (на графике отрезок о-в) и правого = уНр{\ + ¡е) (отрезок о-в/)

Определим величину сопротивления сдвигу верхнего и нижнего слоя, полученные точки а и в, <2] и «1 соединим прямыми линиями, которые позволят определить, в свою очередь, величину сопротивления сдвигу любого слоя в зерновом теле при движении в сторону наклона решета (отрезок ху), а при движении вверх по решету (отрезок х-2, рисунок 13). Как только движущая сила (сила инерции зерна) превысит силу сопротивления сдвигу слоя зерна, элементарный слой начнет перемещаться.

Построения, выполненные в масштабе, позволяют на графике определить величины перемещения любого слоя зерна, их скорость и ускорение в момент начала и конца сдвига.

Заметим, что в площади, ограниченной сторонами трапеции {а-а\—в-ъх), сыпучая среда движется вместе с решетом и находится в относительном покое, накапливая потенциальную энергию.

Цифры от 1 до 12, расположенные на оси ординат, отмечают отрезки времени, в которых зерновая среда переходит в новое состояние или в новый вид движения, им соответствуют цифры, расположенные в нижней части рисунка на оси абсцисс.

В каждом треугольнике (а'-а-в) и (а\-а2-в0 за полный период колебания сыпучая среда подвергается послойному сдвигу два раза: один раз на отрезках времени (12) и (7-8) с отставанием от поверхности решета, второй раз - (4-5) и (10-11) с опережением поверхности решета. При этом на отрезках (1-2) и (7-8) сдвиг развивается постепенно, начиная с верхнего слоя по мере увеличения силы инерции решета. Как только нижний слой сдвинется относительно решета, послойное движение прекращается, зерновое тело в точках 2 и 8 начинает скользить относительно поверхности решета в интервале промежутков времени (2-3-4) - левый интервал (вниз по решету) и (8-9-10) - правый интервал (вверх). В точках 6 и 12 решето меняет своё направление движения на противоположное, а в точках 3 и 9 изменяется направление ускорения решета.

В точках 4 и 10 ускорение решета резко уменьшается, сила инерции зерна становится больше силы сопротивления сдвигу нижнего слоя; зерновое тело в нижней части тормозится, обеспечивая сдвиг слоёв в начальный момент по всей его высоте одновременно, и заканчивается в точках 5 и 11 в верхнем слое. Дальше на участках (5-6) и (11-12) всё зерновое тело находится в относительном покое. Циклы движения зерна в каждом полупериоде колебания решета повторяются.

Количественное изменение величины относительного ускорения ]отн всего сыпучего тела по решету определяется на графике в любой момент времени длиной отрезков 2\ в области А\ — движение в направлении наклона решета и г2 в области Аг - в направлении его подъёма, а изменение относительной скорости по решету Уот„ определяется на графике длиной отрезков Л и / 2 в соответствующих областях В\ и В2. Имитационная графическая модель позволила выявить четыре вида движения сыпучей среды по плоскому решету в зависимости от его кинематического режима.

Аксиома 4.1 Внутреннее сдвиговое течение всех слоев в зерновом теле прекращается одновременно, если нижний слой начинает проскальзывать относительно поверхности плоского решета и наоборот, если нижний слой остановится на решете, сдвиговое течение начинается во всех вышележащих слоях одновременно.

На рисунке 14 приведён график изменения продолжительности полупериода колебания t = я/й) и ускорения от угловой скорости плоского решета.

Известно, что у зерноочистительных машин (ОВС-25, ОЗС-50, ЗАВ-Ю-ЗОООО) частота колебаний решета находится в пределах со=(44 - 48) 1/с., амплитуда А=7,5 мм. Время полупериода колебания решетных станов равно (0,06 - 0,08 е.), при ускорении (14,5 -17,3)м/с. За указанное выше время полупериода колебания решета система не обеспечит полный переход энергии от решета в зерно. Зерно не успевает пройти все четыре фазы движения в полупериоде колебания, необходимые для нормального процесса сепарации

Рисунок 14 Зависимость времени полупериода колебания t и ускорения плоского решета от угловой скорости кривошипа со при амплитуде А = 7,5 мм.

Учитывая аксиомы (1, 5, 4.1), движение зерна не будет соответствовать гармоническим колебаниям решета, а так как сыпучая среда имеет свойство самонастраиваться, то перейдёт на собственные частоты колебания или в абсолютных координатах останется неподвижной. При дальнейшем увеличении частоты колебаний плоского решета (выше оптимальной) интенсивность процесса сепарации вначале уменьшается, а затем полностью прекращается. Повысить производительность можно за счет уменьшения частоты и увеличения амплитуды колебания решета.

В пятом разделе «Энергодинамика взаимодействия обрабатываемого зерна с рабочими органами зерноочистительных машин» при анализе процесса работы горизонтального цилиндрического решета, плоского колеблющегося решета, вертикального виброцентробежного и вибропневматического решёт поставлены следующие вопросы и даны ответы на них.

Относятся ли перечисленные рабочие органы вместе с обрабатывагмым зерновым ворохом к нелинейным диссипативным самоорганизующимся системам? Имеют ли данные рабочие органы устойчивые равновесные состояния (порядки) и точки бифуркаций? Как переходит потенциальная энергия системы в свободную энергию обрабатываемого зерна? Применима ли, предложенная в данной работе синергетическая система уравнений (1, 2, 3), подобная известным уравнениям Э. Лоренца, для описания процесса работы указанных выше рабочих органов зерноочистительных машин?

Энергодинамика системы «горизонтальное цилиндрическое решето-обрабатываемое зерно». Функциональная зависимость переменных, влияющих на процесс работы данного решета, представлена в виде:

* = ~^(Кц>а, й,[,а>, В,(р,Е)/йх , (18)

где Ки = со т^ — коэффициент центробежности;

а - равнодействующая ускорения силового поля вращающегося цилиндра; с1— средний диаметр частиц сыпучей среды;

/- коэффициент трения зерна на поверхности решета; ю — частота пульсации силового поля внутри цилиндрического решета;

В - влажность зернового вороха; (р — угол естественного откоса; е - степень заполнения цилиндра зерном.

Главными управляющими параметрами системы являются обороты решета (коэффициент центробежности) и величина заполнения решета зерном. Все остальные параметры относятся к физико-механическим свойствам зернового вороха. В горизонтальном вращающемся решете траектории движения зерна подобны траекториям циркуляции жидкости в ячейках Бенара. Разница состоит в том, что накачка энергией частиц жидкости происходит там за счёт нагрева, а увеличение энергии зерна в цилиндре за счёт передачи кинетической энергии вращающейся поверхностью решета.

Теоретический анализ и результаты опытов показали, что полученная нами синергетическая система уравнений (1,2,3) пригодна для описания поведения обрабатываемого зернового вороха на рабочих органах всех основных зерноочистительных машин.

На рисунке 15 на основании предварительных опытов и литературных данных построена теоретическая бифуркационная диаграмма возможных режимов движения зерна в горизонтальном цилиндрическом решете.

В горизонтальном цилиндрическом решете переход кинетической энергии от рабочего органа в обрабатываемое зерно полностью соответствует уравнению (16), что доказано нашими экспериментальными исследованиями (раздел 6). Потенциальная энергия П образуется за счёт подъёма зерна поверхностью решета на определённую высоту.

В точке бифуркации 1 система может развиваться в следующих направлениях: чисто перекатном, чисто челночном или перекатно-челночном. При перекатно-челночном режиме движения существуют одновременно два порядка: один - перекатный (вся зерновая масса, как гусеница трактора, циркулирует относительно «почки»), второй - челночный (зерновое тело качается на поверхности цилиндра).

Рисунок 15 Теоретическая бифуркационная диаграмма состояния зерновой среды и вида её движения в зависимости от коэффициента центробежности горизонтального вращающегося цилиндра

Во второй точке бифуркации из двух направлений (смешанного и водопадного) система выбирает один в зависимости от величины коэффициента центробежное™ и степени заполнения решета зерном. При большой загрузке только часть зерна, расположенная ближе к поверхности цилиндра, получает необходимую потенциальную энергию, достаточную чтобы оторваться от поверхности цилиндра и перейти в водопадный режим, другая часть, расположенная ближе к центру вращения с меньшим «статвесом» энергии, продолжает оставаться в перекатном режиме движения.

В третьей точке бифуркации система может выбрать чисто водопадный режим, при котором всё поперечное сечение цилиндрического решета равномерно заполняется падающим потоком зерна или (при определённых условиях) система может перейти и в новый порционный режим движения зерна.

На порционный вид движения сыпучей среды в горизонтальном вращающемся цилиндре, на устройство и способ сортирования нами получены патенты на изобретение.

Установлено, что при равномерном вращении цилиндра в системе возникают резонансные явления, при которых зерно порциями начинает отрываться от вращающегося зернового тела, совершать свободный полет и падать в третий и четвёртый квадрант окружности на чистую от зерна поверхность решета. Данная точка бифуркации отвечает всем признакам «катастрофы Пуанкаре». Опыты показали, что порционный режим движения зерна в цилиндрическом решете является устойчивым.

Такое поведение системы объясняется тем, что силовое поле горизонтально вращающегося цилиндра, как доказано нами в третьем разделе, качается и пульсирует по величине, изменяясь по гармоническому закону; кроме этого, в системе создаются периодические нагрузки вращающейся массой зерна, расположенной экцентрично относительно оси вращения решета. Совпадение этих колебаний приводит систему в точке бифуркации 3 к катастрофе с последующим переходом системы в новое устойчивое

состояние порционный режим движения зерна. Отрыв порций зерна происходит по эквипотенциальным поверхностям, так как в любой точке этой поверхности потенциалы нормальных напряжений равны.

В четвёртой точке бифуркации система переходит в трубчатый режим, при котором частицы сыпучей среды под действием центробежных сил прижимаются к поверхности цилиндра. Свободная энергия в зерне отсутствует, система как объект исследования исчезает.

В нижней части рисунка 15 на кривой точками 1— 4 показаны вершины, в которых система имеет неустойчивое состояние. Процесс самоорганизации системы удобно сравнить с шаром, который может из неустойчивого состояния «скатываться» во впадины (стандартные устойчивые положения), где величина потенциальной энергии, поступающей в зерно в единицу времени (для данного порядка), будет минимальной.

Энергодинамика плоских качающихся и вибрационных решет. Во втором и четвертом разделах доказано, что процесс работы плоских решет относится к нелинейным диссипативным саморегулирующимся системам, описание которых возможно с позиции детерминированного хаоса. В разделе 1.5.2 по данным Н. Блехмана и А. Петрусова показано, что у плоских качающихся и вибрационных решет имеется по шесть регулярных устойчивых режимов движения обрабатываемого зерна. В разделе 4.3 с помощью разработанного нами графического анализа доказана цикличность движения зерна на плоском решете, которая включает: относительный покой, сдвиговое течение элементарных слоёв относительно друг друга с отставанием и опережением относительно поверхности решета, а также перемещение зерна по решету как твердого тела. В период относительного покоя идёт накопление потенциальной энергии в обрабатываемом зерне.

Полная потенциальная энергия П равна работе внутренних сил, необходимых для изменения конфигурации зернового тела на решете при сдвиговом течении Пс, и энергии переносного движения /7а6о:

Я = ЯС +Яабс. (19)

Образование внутренней свободной энергии в зерне, необходимой для процесса сепарации, возможно только через накопление потенциальной энергии.

Приведённая выше система синергетических уравнений удовлетворительно описывает поведение обрабатываемого зерна на плоских решетах. Уравнения включают параметр порядка (свободную энергию зерна), управляющий параметр (силу инерции) и сопряженное силовое поле. Когерентное, или согласованное поведение частиц сыпучей среды на плоских решётах обеспечивается: однородностью размеров частиц основной культуры (мелкие переходят из слоя в слой), разностью «сгатвесов» свободной энергии в каждом элементарном слое зерна, согласованностью изменения (по гармоническому закону) сил действия и противодействия. Поведение зерновой среды на плоских решетах полностью соответствует принятым аксиомам (1, 2, 4, 5, 6, 8, 9,11).

Энергодинамика вертикальных виброцентробежных решет. В вертикальных виброцентробежных решётах функцию передачи энергии в зерновую среду выполняет виброускорение, величина которого регулируется. По данным Е.С. Гончарова закономерности движения зерна в вертикальных виброцентробежных решётах совпадают с плоскими решётами.

Полная потенциальная энергия системы равна:

П=Пс + Па5с=Пс + М2/2, (20)

где Уо)2/2 - энергия вращающегося тела в абсолютном движении.

Управляющим параметром является коэффициент центробежности, параметром порядка виброускорение, сопряжённым силовым полем - силовое поле рабочего органа. Система «обрабатываемое зерно-виброцентробежное решето» относится к нелинейным саморегулирующимся системам. Учитывая выводы Е.С. Гончарова, закономерности плоских решёт можно перенести на виброцентробежные рабочие органы.

Нами предложен графический метод выбора оптимальных режимов работы виброцентробежных решёт. Результаты расчётов и построений приведены на рисунке 16. Область устойчивых режимов, при которых зерно перемещается вверх и вниз относительно поверхности решета обозначена площадью треугольника А ¡В ¡С, только вниз по решету - площадью трапеции О ¡В В1А/.

При режимах вращения решета, лежащих выше линии 0\В, зерно вращается вместе с решетом без сдвига и представляет подобие маховика. Таким образом, виброцентробежные решёта, как и плоские, имеют одинаковые циклы движения зерна: относительный покой, послойное сдвиговое течение с отставанием и опережением решета и перемещение целого тела относительно поверхности решета. Энергодинамика процесса работы виброцентробежных решёт соответствует приведённым аксиомам и следствиям предлагаемой теории.

дидраускорение

Рисунок 16 Зависимость предельных режимов работы вертикального виброцентробежного решета от величины виброускорения (при угле трения tg<p = 0,68)

Энергодинамика вибропнеемосепараторов. Процесс работы вибропневмосепара-торов можно представить как процесс работы двух рабочих органов: вибрационного решета и пневмовоздушного канала. Как общие, так и частные подсистемы полностью отвечают требованиям основной гипотезы и являются нелинейными диссипативными саморегулирующимися динамическими системами.

Полная потенциальная энергия зерновой среды на вибрируемых поверхностях, продуваемых воздушным потоком, определится как

П = П1+П2, (21)

где 77) — составляющая потенциальной энергии от воздушного потока; П2— составляющая потенциальной энергии от воздействия вибрации.

Значения П\ и П2 определены В.М. Дринча.

Теоретический анализ и результаты проведённых опытов позволяют считать, что приведенные в работе гипотезы и аксиомы являются достоверными.

Аксиома 5.1. Рабочие органы зерноочистительных машин вместе с обрабатываемым на них зерном являются открытыми нелинейными диссипативными самоорганизующимися системами, динамическое состояние данных систем может быть определено с помощью методик и закономерностей, полученных нами в предыдущих разделах работы.

Аксиома 5.2 Внешняя энергия переходит от поверхности рабочих органов зерноочистительных машин в свободную энергию обрабатываемого зерна через фазу накопления потенциальной энергии и соответствует термодинамическому потенциалу (1). Аксиома 5.3. Переход системы из одного равновесного устойчивого состояния в другое устойчивое, от одного вида движения в другой происходит за счег изменения свободной энергии через неустойчивое состояние системы и описывается теорией бифуркаций.

В шестом разделе «Экспериментальная проверка теории на примере работы горизонтального цилиндрического решета» представлены методика и результаты экспериментальных исследований. В программе экспериментальных исследований предусматривали:

- определение соответствия полученных теоретических закономерностей развития динамической системы «рабочий орган-обрабатываемое зерно» реальному процессу работы сортировальной машины;

- определение закономерностей перехода энергии от цилиндрического решета в обрабатываемое зерно;

- определение числа возможных в системе порядков, точек бифуркаций, параметров порядка в реальной динамической системе и их характеристика;

- определение значений управляющих параметров, при которых система переходит в новое устойчивое равновесное состояние;

- определение оптимальных режимов работы горизонтального цилиндрического решета.

Опыты проводились на лабораторной установке, которая состоит из цилиндрического решета диаметром 700 мм, длиной 300 мм, электропривода с электромотором 3 кВт, клиноременной передачи. Решето закреплено на двух кольцах. Кольца опираются на четыре ролика, два из них являются ведущими. Торцы решета со стороны видеосъёмки закрыты стеклом, а со стороны загрузки — органическим стеклом с вырезанным в центре отверстием для подачи мелких примесей в процессе работы решегга. Главным достоинством лабораторной установки являлась возможность плавного изменения оборотов от нуля до 100 об./мин (Л*ц=4), как в сторону повышения, так и в сторону понижения с помощью трёхфазного преобразователя частоты тока Е 2-8300-005Н. Мощность, затраченная на привод решета, определялась с помощью счётчика электроэнергии «Меркурий-230», Арт.-01 РСЖБПМ, ГОСТ Р 52322. Обороты решета определялись с помощью тахометра. Степень заполнения решета зерном определялась отношением площади поперечного сечения решета, занятой зерном, к полной площади поперечного сечения цилиндра.

МкВт

Рисунок 17 а - затраты энергии на привод решета; б - затраты энергии на перемещение зерна в зависимости от степени заполнения его зерном е и коэффициента центробежносги Ки., диаметр решета 0,7 м, длина - 0,3 м, культура - пшеница, линия ТУх- Ых — мощность, потребляемая решетом без нагрузки зерна

Закономерность перехода энергии от поверхности горизонтального цилиндрического решета в обрабатываемое зерно, полученная экспериментально (рисунок 176) соответствует теоретическим предположениям (см. уравнения 2, 16 и рисунок 12). Удельная мощность ЛГУ, необходимая для привода горизонтального цилиндрического решета диаметром 700 мм, приходящаяся на 1м его длины, определится из выражения (22):

ЛГу= (Ахх+ 3,5Л^П ) К„ (22),

где ТУхх - мощность холостого хода решета (принимается по рисунку 17а);

ЛГ„ - мощность, переходящая в обрабатываемое зерно, принимается по рисунку 18

Кг - коэффициент запаса К,= 1,2.

Таблица 2 Параметры порядка, влияющие на вид движения зерна в горизонтальном

цилиндрическом решете

Порядок или вид движения зерна в цилиндре Главный параметр порядка Второстепенные параметры порядка

Лавинообразный Мелкодисперсные среды, обороты п= 0-5 мин"1 Степень заполнения зерном £=0,2-0,4

Челночный Гладкая поверхность, коэффициент трения £=0,37-0,4 е=0,02-0,04, влажность 13-15%

Перекатно-челночный Обороты п=20-40 мин'1, Коэффициент трения г=0,37-0,4 £=0,08-0,15, влажность 13-20%

Перекатный Обороты п=0-50 мин1 е=0,2-0,35

Смешанный Обороты п=50-60 мин"' е>0,2

Водопадный Коэффициент центробежности К„=1,3-1,6 е==0,1-0,2

Порционный Коэффициент центробежности Ка=1,3-1,7 Нагрузка смещена относительно центра вращения

Рисунок 18 Экспериментальная бифуркационная диаграмма, полученная на горизонтальном цилиндрическом пробивном решете диаметром 0,7 м, длиной 0,3 м на пшенице, в зависимости от оборотов решета.

Опыты проводились на зерновых культурах: пшенице, ячмене, овсе, горохе - при влажности зерна 14-24% и степени заполнения цилиндра 0,08; 0,2; 0,27; 0,34. Во время проведения каждого опыта снимались показания приборов: число оборотов решета, мощность, затрачиваемая на его привод, угол подъёма зерна решетом, размах колебания зернового тела на внутренней поверхности решета. Проводилась кино-видеосьёмка. Определялись угловая скорость и коэффициент центробежности решета.

Опыты показали, что на бифуркационной диаграмме координаты точек бифуркации зависят от вида культуры, степени заполнения цилиндра зерном и коэффициента трения по поверхности цилиндра и т.д. Получено восемь устойчивых состояний системы (рисунок 18), которые с точки зрения синергетики называются порядками (по Г. Хаке-ну) или структур - аттракторами (по И. Пригожину). Каждое устойчивое состояние системы имеет свой параметр порядка (иногда их несколько), которые в точке бифуркации сдвигают систему на данный порядок, и своё сопряжённое силовое поле, при котором может существовать данный порядок.

В таблице 2 для каждого устойчивого состояния системы (режима движения зерна в цилиндрическом решете) приведены главные и дополнительные параметры порядка,

30

стягивающие систему на данный порядок. Тот или иной порядок может существовать в определённом интервале значений параметра порядка.

Опыты показали, что рассматриваемая система имеет свойство модальности, заключающееся в том, что при определённых условиях в системе могут существовать одновременно два порядка. Например, при малом коэффициенте трения существуют вместе два порядка - челночный и перекатный, а при большой нагрузке - перекатный и водопадный.

На рисунке 19 показаны видеокадры съёмки движения зерна в цилиндрическом решете с указанием шифра опыта (БЗ7), коэффициента центробежности К=1,8 , степени заполнения цилиндра зерном е = 0,19 и вида движения зерна.

Результаты экспериментальных исследований процесса сепарации зернового вороха в горизонтальном цилиндрическом решете в зависимости от вида движения зерна приведены на рисунках 22-24.

Предложена методика оценки процесса сепарации, позволяющая определить коэффициент сепарации и полноту выделения мелких примесей в динамике через каждые 5-10 с. одновременно для каждого из 12 равных участков поверхности цилиндрического решета. Схема лабораторной установки приведена на рисунке 20. Коэффициент сепарации к определяли из выражения: Еп = 1 — е ~кс; (23)

к—

1п(1-Еп)"

(24)

Для пользования таблицами десятичных логарифмов выражение (24) примет вид

к = ■

0,4343С

(25)

где г - время сепарации (с); е = 2,178.. - иррациональное число; 0,4343- коэффициент перевода натуральных логарифмов в десятичные; Еп — полнота выделения примесей.

' г?

Б37(2), К=1.8, Е=0.19, порционный

Шайв

Б3'(3), К=1.8, 6=0.19, порционный

Рисунок 19 Видеокадры съемки режимов движения зерна; К - коэффициент центробежности; 5 - степень заполнения цилиндра зерном.

а) б)

Рисунок 22 Перекатно-челночный вид движения зерна. Зависимость коэффициента сепарации (а) и полноты выделения примесей (б) от времени работы решета по зонам просеивания; коэффициент центробежности К= 0,3; степень использования поверхности решета Кр=0,25.

^тфтагцтш ' ' ЗОНА ВШОВШ/ЯНШ Ш ШЛИШНООН РСШПЕ

а) б)

Рисунок 21 Перекатный вид движения зерна. Зависимость коэффициента сепарации (а) и полноты выделения примесей (б) от зоны просеивания и времени сепарации; коэффициент центробежности Кц= 0,3; коэффициент использования поверхности ре-

Рис 20 - Схема

Рис 20а - Зерноочистительная машина.

полнота быделения

ттт ЪыЭгсения

2 3*5 6 7 3 9 Ю 1! 2

шжю/ятмммаитттт/ште

1 г } * 5 6 7 в 9 X Н 12

ЗОНА вшхлшятшнА щяжтханрв&с

а) б)

Рисунок 23 Смешанный (перекатно-водопадный) вид движения зерна в цилиндрическом решете. Зависимость коэффициента сепарации (а) и полноты выделения примесей (б) от зоны просеивания и времени работы цилиндрического решета. Обрабатываемая культура - овёс; степень заполнения решета — 0,1; засорённость — 10%; п= 55 об/мин., коэффициент центробежное™ К =1,2; коэффициент использования

поверхности решета Кв = 0,25.

коэффициент страной

V п г

эаи выюпатктт шттжкжшк

<0 V

зона йыделения прамесеи да ципрдрическа* решете

а) б)

Рисунок 24 а, б - порционный вид движения зерна в цилиндрическом решете. Зависимость коэффициента сепарации (а) и полноты выделения примесей (б) от времени сепарации и зоны просеивания. Обрабатываемая культура — овёс; засорённость — 10%; степень заполнения решета зерном - 0,2; частота вращения п= 63,8; коэффициент центробежное™ Кц = 1,6; коэффициент использования поверхности решета Кр= 0,75.

Результаты экспериментальных исследований позволили получить ответы на следующие вопросы. Сколько времени зерно должно находиться в рабочем органе, чтобы получить заданную полноту выделения примесей? Чему равна степень использования поверхности решета в процессе сепарации? Как влияет режим движения зерна в решете на интенсивность процесса сепарации?

На рисунках 21, 22, 23, 24 приведены результаты опытов, в которых определяли полноту выделения примесей и коэффициент интенсивности процесса сепарации для цилиндрического решета на перекатном, челночно-перекатном, смешанном (перекат-но-водопадным) и порционном режимах движения зернового вороха. В качестве обрабатываемой культуры использовали пшеницу и овёс с разной степенью заполнения решета зерном. В качестве примесей использовались дроблёное зерно основной культуры и семена сорняков, выделенных подсевными решетами при первичной обработке зерна.

Опыты показали, что наиболее интенсивно процесс очистки зерна идёт при порционном режиме движения зернового вороха, когда коэффициент ценчгробежности находится в пределах 1,5-2, степень заполнения решета зерном равна 0,2. Коэффициент интенсивности выделения примесей по всем зонам просеивания составляет в среднем 0,05. Коэффициент использования поверхности решета около 0,75. Это значит, что сорняки выделяются на 3/4 окружности решета.

Наиболее низкий коэффициент сепарации в среднем за опыт (0,01) у цилиндрического решета при перекатном режиме движения, где коэффициент использования поверхности решета составляет всего 0,125.

В совхозе «Железнодорожный» Новосибирского района были проведены производственные испытания передвижного сушильно-очистительного агрегата. Основным рабочим органом которого является горизонтальное цилиндрическое решето диаметром 1450 мм, работающее на водопадном режиме движения зерна с воздушным потоком, направленным вдоль оси вращения решета. Испытания проводились на обработке пшеницы влажностью до 25% , засорённостью 5-7%. Производительность агрегата составила 10 т/час.

Рисунок 25. Производственные испытания сушильно-очистительной установки с водопадным режимом движения зерна

Основные выводы и рекомендации

1. Установлено, что все основные рабочие органы зерноочистительных машин и обрабатываемое на них зерно, представляют сложные, открытые, диссипативные динамические системы, которые не могут быть описаны без грубых допущений классической механикой. Данные системы относятся к «детерминированному хаосу».

Разработана новая методология изучения процесса взаимодействия зернового вороха с рабочими органами зерноочистительных машин, основанная на комплексном междисциплинарном подходе, включающем такие науки как синергетика, неравновесная термодинамика, теория устойчивости систем и теория бифуркаций.

2. Предложена структура и организация системы «рабочий орган-обрабатываемое зерно», которая является универсальной для всех основных рабочих органов зерноочистительных машин. Доказано, что силы связи обеспечивают авторегулирование и самоорганизацию системы^путем изменения количества энергии, передаваемой в обрабатываемое зерно.

3. Установлено, что производительность зерноочистительных машин и закономерности поведения зерна на рабочем органе зависят от количества свободной энергии в обрабатываемом зерне. Свободная (интенсивная) энергия является результатом обязательного накопления в системе потенциальной (экстенсивной) формы энергии. Получена закономерность перехода внешней энергии во внутреннюю свободную энергию зерна, представляющая параболу и учитывающая обратную связь в системе Е = (аса -Рсо2)К

4.Установлено, что система «рабочий орган - обрабатываемое зерно» у всех типов зерноочистительных машин является авторегулируемой на локальных равновесных участках своего существования и неустойчивой самоорганизующейся в точках бифуркаций. В зависимости от величины управляющего параметра, в соответствии с тем или иным параметром порядка, система выбирает новое устойчивое состояние. Каждый рабочий орган может иметь 5-7 новых равновесных устойчивых состояния и согласованное поведение частиц в этих состояниях. Управляющие параметры системы увеличивают или уменьшают «статвес энергии» во всех траекториях одновременно и переводят зерно с помощью флуктуаций на новые орбиты движения.

5. Доказано, что в рабочих органах зерноочистительных машин движение зерна подчиняется закону цикличности. Каждый цикл состоит как минимум из двух фаз, где наряду с общим перемещением зерна вдоль рабочего органа, каждая частица движется по своей траектории и имеет фазу относительного покоя (накапливает потенциальную энергию), затем переходит в фазу свободного движения, в которой расходует накопленную энергию на процесс сортирования.

6. Предложена система синергетических уравнений, описывающих поведение обрабатываемого зерна на рабочих органах зерноочистительных машин.. ., :.

Етш —>П—>Ет= Г + БТ; (1)

£■„„= (асо - ри>2) К„ ; (2)

- (3)

Первое уравнение представляет собой преобразованный автором термодинамический потенциал Гельмгольца, определяющий баланс энергии в системе. Второе уравнение представляет математическую модель поступления энергии в обрабатываемое

зерно и обратную связь в системе. Третье уравнение определяет величину силы или момента, выполняющего полезную работу в системе.

7. Обоснованы параметры силовых полей основных рабочих органов зерноочистительных машин и дана их сравнительная оценка. Доказано, что все основные рабочие органы зерноочистительных машин являются гармоническими осцилляторами, силовые поля которых изменяются по гармоническому закону. Овалы нормальных напряжений в зерне пульсируют и качаются, что при резонансе колебаний приводит к появлению нового порционного вида движения зерна в равномерно вращающемся цилиндре.

8. Разработана графическая имитационная модель процесса работы плоского решета, которая учитывает давление вышележащих слоев, физико-механические свойства зерна, угол наклона и направление колебаний решета, толщину слоя зерна. Выявлено, что обрабатываемое зерно на плоском решете за один полупериод колебания имеет четыре фазы движения:- относительный покой, два чередующихся послойных сдвиговых течения внутри зернового тела и движение зерна по решету как сплошного тела.

9. Доказано, что существующие плоские решета работают на предельных режимах с частотой колебаний обеспечивающей ускорение 15-20 м/с2 , пр:а этом время полупериода колебания решета у них составляет всего 0,06-0,07 с, что затрудняет полное выполнение циклов движения зерна, необходимых для обмена энергией между решетом и зерном. Повысить производительность плоских колеблющихся решет можно за счет увеличения времени передачи энергии, увеличивая амплитуду и снижая частоту их колебания.

10. Разработана методика построения бифуркационных диаграмм. Для горизонтального цилиндрического решета получена теоретическая и экспериментальная бифуркационная диаграмма. Определено число равновесных состояний системы (порядков), и их параметры. Теоретически обоснован и экспериментально установлен новый порционный вид движения зерна в цилиндре. Порционный вид движ ения зерна является устойчивым и возникает при коэффициентах центробежности решета К — 1,3-1,7.

11. Обоснованы оптимальные режимы работы горизонтального ]дилиндрического решета. Экспериментальные исследования показали, что в цилиндрическом решете при перекатном режиме движения зерна участвует в процессе разделения всего 10 -20% поверхности решета. В предлагаемом порционном режиме движения участвует в работе 75% поверхности решета. При порционном режиме движения степень выделения проходной фракции за 0,3 мин составила 0,95 (при степени заполнения решета зерном 0,2). Коэффициент интенсивности процесса сепарации в 3 раза выше, чем у существующих цилиндрических решет.

12. Годовой экономический эффект от применения зерноочистительной машины на предварительной обработке зернового вороха с решетом, работающим на порционном режиме движения зерна и воздушным потоком в условиях только Новосибирской области составляет 12816 тыс. руб.

13. Новая методология исследования процесса работы зерноочистительных машин, основанная на комплексном междисциплинарном использовании синергетики, неравновесной термодинамики, позволила автору впервые получить:

- закономерности обмена энергией между рабочими органами зерноочистительных машин и обрабатываемым зерном;

- закономерности самоорганизации системы «рабочий орган — обрабатываемое зерно» и порядок перехода её на новые устойчивые режимы движения, в новые точки бифуркаций;

- закономерности образования свободной энергии и свободного движения зерна в рабочем органе, как главного фактора, определяющего производительность зерноочистительных машин.

- доказать необходимость цикличной формы движения зерна, фазы относительного покоя и согласованного поведения множества зёрен во всех основных рабочих органах зерноочистительных машин;

- предсказать и экспериментально доказать появление нового устойчивого порционного режима движения зерна в цилиндрических решетах.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации:

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научньк журналах и изданиях ВАК России:

1. Патрин В.А. Энергодинамика плоских колеблющихся решёт сортировальных машин [Текст] / В.А. Патрин, A.B. Патрин // Сб. тр. науч. конф. «Современные научные достижения -2014 г.». Прага, Т. 32. - С. 29-35.

2. Патрин В.А. Имитационная графическая модель движения зерна на плоских колеблющихся решётах [Текст] / В.А. Патрин // Сиб. вестн. с.-х. науки. - 2013. -№5. -С. 87-94.

3. Патрин В.А. Синергетическая теория взаимодействия зерновой среды с плоскими решетами. [Текст] / В.А. Патрин // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. 2013,-№4.-С. 26-29.

4. Патрин В.А. Моделирование динамики взаимодействия зерновой среды и рабочих органов сортировальных машин [Текст] / В.А. Патрин, В.А. Крум, A.B. Патрин // Механизация и электрификация сел.хоз-ва. — 2013. — № 2. — С. 4-7.

5. Патрин В.А. Применение синергетики и графического анализа в теории взаимодействия плоских решёт с зерновой средой [Текст] / В.А. Патрин // Вестн. НГАУ. — 2013,-№3,-С. 107-113.

6. Патрин В.А. Динамическая характеристика рабочих органов сортировальных машин [Текст] / В.А. Патрин // Механизация и электрификация сел..хоз-ва. - 2008. -№7.-С. 8-9.

7. Патрин В.А. Системный подход в теории процесса разделения зерновых сред [Текст] /В.А. Патрин // Механизация и электрификация сел..хоз-ва. - 2009. - № 2. -С. 20-23.

8. Патрин В.А. Имитационная математическая модель процесса передачи энергии в обрабатываемую зерновую среду от рабочих органов сортировальных машин [Текст] / В.А. Патрин, A.B. Патрин, В.А. Крум // Вестн. НГАУ. - 2012. - № 2. -С. 117-123.

9. Патрин В.А. Графическая модель послойного течения зерна на плоских колеблющихся решётах. [Текст] / В.А. Патрин, A.B. Патрин // Вестн. НГАУ. - 2012. -№ 1.-С. 118-123.

10. Патрин В.А. Моделирование процесса взаимодействия зерновой среды с рабочими органами сортировальных машин [Текст]. В.А. Патрин // Сиб. вестн. с.-х. науки. - 2008. -№ 6. - С. 107-115.

11. Патрин В.А. Графоаналитический метод определения энергии инерционного сдвигового течения зерновой среды на плоских рабочих органах сортировальных машин [Текст] / В.А. Патрин // Сиб. вестн. с.-х. науки. - 2008. - № 10. - С. 86-95.

12. Патрин В.А. Системный подход к изучению взаимодействия зерновых сред с рабочими органами сортировальных машин [Текст] / В.А. Патрин // Механизация и электрификация сел.хоз-ва. - 2007. — № 5.

13. Патрин В.А. Напряженное состояние сыпучего тела в горизонтальном вращающемся цилиндре [Текст] / В.А. Патрин // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. - 2002. - № 11.

14. Патрин В.А. Анализ силового поля горизонтального вращающегося цилиндра. [Текст] /В.А. Патрин//Вестн. НГАУ.-2011.-№ 1.-С. 138-143.

15. Патрин В.А. Моделирование процесса движения зерна в горизонтальном цилиндрическом решете [Текст]. / В.А. Патрин, П.А. Патрин И Механизация и электрификация сел.хоз-ва.-2010, —№ 11.-С. 10-12.

16. Патрин В.А. Измерение силы сопротивления сдвигу слоев в сыпучей среде. [Текст] / В.А. Патрин, В.А. Крум // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. 2010.- № 10.

17. Патрин В.А. Графическая модель движения зерна на плоских решетах [Текст] / В.А. Патрин, A.B. Патрин // Материалы междунар. науч. конф. «Стратегические вопросы мировой науки-2014» - Польша. Przemysl, 2014. Т.ЗО. - С. 24-32.

18. Патрин В.А. Энтропия как метод изучения производственных процессов в сельском хозяйстве [Текст] / В.А. Патрин // Техника в сельском хоз-ве. — 2014. -№2.-С. 30-32.

19. Патрин В.А. Влияние вида движения зернового вороха в горизонтальном цилиндрическом решете на интенсивность процесса сепарации [Текст]. / В.А. Патрин, В.А. Крум //Вестн. НГАУ, - 2014. № 4.-С. 168-173.

20. Патрин В.А. Повышение эффективности сепарации зернового вороха в цилиндрическом решете [Текст] / В.А. Патрин, В.А. Крум // Механизация и электрификация сел.хоз-ва. 2014. — № 6. - С. 2-5.

Список патентов и других научных работ по теме диссертации:

1. Пат.2232650 С2 Российская Федерация, МПК7 В 07 В 1/22 Способ сортирования сыпучих материалов [Текст] / В.А. Патрин, A.B. Патрин; заявитель и патентообладатель В.А. Патрин. - № 2002114048; заявл. .29.05.2002; опубл. 20.07.2004, бюл. № 20.

2. Пат. 2457046 С2. Российская Федерация. МПК В07В 1/22 Способ сортирования сыпучих материалов, устройство для его осуществления и порционный способ движения сыпучей среды [Текст] / В.А. Патрин, A.B. Штрин; заявители и патентообладатели В.А. Патрин, A.B. Патрин заявл. 02.11.2010; опубл. 27.07.2012, бюл. №21.

3. Пат. 144915 А Российская Федерация. МПК В07В 13/05 Способ и устройство для измерения ускорения силы инерции при сдвиговом течении слоев в сыпу-

чем теле [Текст] / В.А. Патрин, В.А. Крум и др.; патентообладатели В.А. Пат-рин, В.А. Крум; заявл.02.11.2010; опубл. 10.05.2012, бюл.

4. Пат. 144910 А Российская Федерация. МПК E02D 1/00 Способ и устройство для измерения силы сопротивления сдвигу слоев в сыпучем теле. [Текст] / В.А. Патрин, В.А. Крум; патентообладатели Патрин В.А., Крум В.А.; заявл. 02.11.2010; опубл. 10. 05. 2012 , бюл. № 13.

5. Патрин В.А. Очистка и сортировка зерна в горизонтальном барабане в процессе подсушки [Текст] / В.А. Патрин // Пути снижения потерь при уборке зерновых в условиях Сибири; материалы науч. конф. СибВИМ. — Новосибирск, 1967. — С. 85-93.

6. Патрин В.А. Сушильно-очистительный агрегат для обработки зерна [Текст] /

B.А. Патрин, П.Н. Федосеев, А.И. Орлов // Техника в сел. хоз.-ве. № 1. -1969.

C. 82-85.

7. Патрин В.А. Влияние кинематического режима на работу цилиндрического решета [Текст]/В.А. Патрин // Тр. НСХИ Новосибирск, 1970, Т.41. - С. 102-112.

8. Патрин В.А. Способ и устройство сортирования сыпучих материалов при быстрых сдвиговых течениях [Текст] / В.А. Патрин, A.B. Патрин // Технологическое и техническое обеспечение производства продукции растениеводства: тр. ВИМ. М., 2003. -Т.141, ч. 2. - С.143-149.

9. Патрин В.А. Системный подход к изучению взаимодействия зерновых сред с

рабочими органами сортировальных машин [Текст] / В.А. Патрин // Современные и перспективные технологии в АПК Сибири: материалы междунар. науч. конф. Новосибирск, 2006. - С. 29-33.

Подписано в печать 19.03.2015 г. Формат 60x84 Х1ХЬ. Объем 2 п. л. Заказ № 16. Тираж 100 экз. _

Отпечатано в СибНСХБ 630501, Новосибирская обл., пос. Краснообск