автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Слеживаемость зерновых материалов и разгрузка глубоких сельскохозяйственных емкостей

На правах рукописи

Гордеева Анастасия Борисовна

СЛЕЖИВАЕМОСТЬ ЗЕРНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И РАЗГРУЗКА ГЛУБОКИХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЕМКОСТЕЙ

Специальность 05 20 01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Ростов - на - Дону 2007

0030594Э0

003059490

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ), на кафедре "Физика"

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Кунаков Виктор Стефанович Официальные оппоненты' доктор технических наук, профессор

Богомягких Владимир Алексеевич кандидат технических наук, профессор Ильченко Вильям Дмитриевич Ведущее предприятие Ростовская государственная академия

сельскохозяйственного машиностроения

Защита состой гс часов на заседании

диссертационного совета Д 212.058 п5 при Донском государственном техническом университете по адресу: 344010, г Ростов-на-Дону, пл Гагарина, 1, ДГТУ, ауд 252

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ. Автореферат разосла

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор / / Чистяков А Д

Общ.)'! чар и' херне мжа работы

Актуаиьность темы. Для создания сельхозмашин нового поколения требуется ускорение научно-технического прогресса, сокращение сроков создания новой сельскохозяйственной техники Теоретическое описание процесса, если оно передает все его закономерности с высокой степенью точности, может существенно сократить стадию проектирования машины, предсказать ее технические возможности, сократить время производственных испытаний Мобильные машины и'стационарные агрегаты, предназначенные для посева, уборки, транспортировки, очистки и хранения, имеют бункеры. С их помощью происходит накопление зернового материала, и выполняются погрузочно-разгрузочные работы Несмотря на большие объемы перемещения зерновых материалов к настоящему времени нет теории, которая с единой точки зрения описывала состояние и движение зерновых материалов в бункерах, силосах, трубах постоянного и переменного сечений, скатных досках, в кузове автомобиля при выгрузке и в других случаях

Особый интерес представляет собой исследование движения и состояния при хранении зерновых материалов, имеющих влажность больше кондиционной Жидкость из зерновок поступает на поверхность по капиллярам, имеющим в среднем диаметр порядка 4-5 мкм, и на каждом квадратном миллиметре имеется примерно 101-10: шт Появление влаги на поверхности зерновок качественно изменяет взаимодействие зерен между собой и со стенками емкости по сравнению с зерном, имеющим кондиционную и меньше влажность

Зерно повышенной влажности обладает малой текучестью, имеет повышенное стремление к появлению застойных зон в бункере При вынужденном хранении влажного зерна в емкости (бункере) происходит явление слеживаемости, которое заключается в том, что с течением времени

хранения возрастают силы связи зерен между собой (силы аутогезии) и силы связи со стенками емкости (силы адгезии) до значения превышающего силу тяжести зерна Зерно полностью теряет текучесть Обрушение слежавшегося зерна в емкостях больших размеров, например, башнях элеваторов, приводит иногда к их разрушению, на ремонт которых приходиться тратить большие средства

В связи с этим, появилась необходимость в выявлении формы емкостей и материала для их внутреннего покрытия, в которых зерновые материалы менее подвергались слеживаемости

Работа выполнялась по гранту № 97-7-1-6-36 Минобразования Российской Федерации по фундаментальным исследованиям в области сельскохозяйственного машиностроения (раздел 1 "Тракторное, сельскохозяйственное машиностроение", направление 16 "Погрузочные и транспортные средства, применяемые в сельском хозяйстве")

Цель исследования: Обосновать рациональную форму бункеров и их параметры, обеспечивающих истечение подверженного слеживаемости зернового материала с целью повышения эффективности их функционирования

Научная гипотеза: В результате наблюдения в производственных и лабораторных условиях за истечением влажного зерна из емкостей было предположено, что основную роль при переходе его в состояние слеживания играют силы сцепления зерен между собой и стенками емкости Учет этих сил позволит исследовать переходные процессы и определить оптимальную форму емкостей для кратковременного или длительного хранения зерна

Объект исследования: Бункеры стационарных сельскохозяйственных агрегатов для хранения зернового материала сельскохозяйственного назначения

Предмет исследования: Закономерности взаимодействия влажного зернового материала со стенками и выпускным отверстием бункеров

Научная новизна: Предложены и обоснованы параметры и форма емкостей, в которых зерновая масса меньше подвергается слеживаемости Определены основные закономерности истечения сыпучего зернового материала и влшпше формы и параметров бункера на процесс истечения Смоделирован физико - механический процесс перехода влажного зернового материала из текучего состояния в состояние слеживаемости Учтены физические параметры влажного зерна, характеризующие состояние слеживаемости.

Практическая значимость: Определена форма и обоснованы рациональные параметры бункера, найдены основные принципы проектирования бункерных устройств, в которых зерновой материал наименее подвержен слеживанию Показана методика и программа параметрической оптимизации стационарных бункерных устройств, обеспечивающих миминизацию слеживания и истечения из них зерновых материалов повышенной влажности. Результаты научных исследований переданы для использования в НЛП "Терра" и ООО "ДОНЭЛЕВАТОР"

Апробация: Данная работа была представлена на XVI Международной научной конференции в Ростовской государственной академии сельхозмашиностроения (РГАСХМ), научных конференциях в Азово — Черноморской государственной агроинженерной академии (АЧГАА), в Донском г осударственном техническом университете (ДГТУ)

Публикация результатов. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них в центральной печати 3

На защиту выносятся: - обоснование методики проектирования емкостей, в которых влажное зерно меньше подвергается слеживаемости;

- метод приближения идеальной модели сыпучего материала к реальным свойствам влажного зерна,

- анализ сил внешнего и внутреннего трения во влажном зерновом материале,

- анализ адгезионных и аутогезионных сил во влажном зерновом материале,

- аналитический анализ коэффициентов сопротивления, вызванных трением и силами сцепления в зерновых материалах,

- определение расхода и скорости истечения зерновых материалов с учетом сил сцепления зерен между собой и стенками емкости,

- аналитический анализ перехода зерна из текучего в состояние слеживаемости,

- выбор и обоснование основных физических параметров,характеризующих состояние слеживаемости зернового материала,

- экспериментальные исследования явления слеживаемости зернового материала,

- обоснование экономической целесообразности использования предложенной методики

Структура и объем работы. Диссертация сосшит из введения, 9 глав, общих выводов, списка литературы из 90 наименований Работа изложена на 190 страницах, содержит 107 рисунков и 8 таблиц Содержание работы.

Введение содержит обоснование актуальности темы, общую характеристику работы и основные положения, которые выносятся на защиту

В первой главе представлен анализ работ по исследованиям движения сыпучих материалов в бункерах и распределению сил, действующих на их стенки, а так же краткий анализ работ по исследованиям слеживаемости зерновых материалов в емкостях сельскохозяйственного назначения.

Значительный вклад в исследования по механике сыпучих материалов внесли И. Робертсон, М. Фрид, А Е Делакроа, М С Бернштейн, Л.М Емельянов, М И Хаймович, В А Надеждин, Г Янсен, Е Н Гутьяр, Н В Сорокин, С Джен-

кип, РЯ Зенков, ИГ Иванов, ММ Протодьяконов, Г И Покровский, А И Арефьев, П Н Платонов, Г А Гениев, С С Григорян, Ф Е Кенеман, О Ричмонд, JI В Гячев, В А Богомягких, А И Литвинов, В Ф Семенов, А Б Баранова, В Н Михайличенко, Е Ф Иванова, В Л Нарядов, И А Скорин, Л А Трис-вятский, Н.П Козьмина, Е И Горелова, Г Боуманс, Г А Кондратов, Г.М Малахов, И М Кувшитшков, В А Белоусов, М.Л Езерский, А Ф Паталах, Т С Удодова, В С Кунаков, В.Б. Федосеев и др

Во второй главе речь идет об исходных предпосылках и допущениях при исследовании свойств и движения связанных зерновых материалов Сделан обзор о размерах, формах, покрытии бункеров, и видах истечения зерновых материалов Рассмотрены известные модели зерновых материалов

В третьей главе приведены физико-механичекие и биологические факторы, способствующие слеживаемости зернового материала К физико-механическим факторам относятся силы трения и силы сцепления, возникающие при соприкосновении зерен между собой и стенками емкости, в которой они находятся

Исследования показали, что в интервале влажности от 10 % до 35 % сила трения носит характер граничного трения и определяется выражением*

F = F0 -t р N + с v,

где F0 -касательная к поверхности раздела тел, составляющая сил сцепления, N- сила нормального давления, прижимающая трущиеся поверхности друг к другу, ft - коэффициент трения скольжения, зависящий от природы и состояния взаимодействующих поверхностей, v - относительная скорость зерен, с - коэффициент, характеризующий свойства жидкостной пленки между зернами

В процессе хранения сыпучего сельскохозяйственного материала на стенках емкости, в образующихся капиллярах происходит конденсация влаги, то есть образуются малые капли жидкости, создающие силы адгезии. Подобные

капли формирую[ся и на капиллярах зерен, в результате чею появляемся силы аутогезии Аутогезия и адгезия значительно усложняют погрузочно-разгрузочные работы и влияют на свойства зерна при кратковременном или длительном хранении

Как правило, аутогезионное взаимодействие реализуется между множеством частиц, составляющих сыпучий материал В этом случае суммарная сила аутогезии складывается из сил аутогезии, проявляющихся в индивидуальных контактах между частицами, которая, в свою очередь, зависит от вида зернового материала, его влажности, размера и формы зерен, площади контактных поверхностей между зернами и других факторов Для зерен шарообразной формы (рис 1) индивидуальная сила аутогезии может быть определена по формуле

F = <j 2 л-R smy sin(в + у)-а К л R1 sm2y,

гдео- - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, R- радиус частиц, у - угол поднятия жидкости по частице, в- краевой угол смачивания жидкости,К- кривизна боковых поверхностей, которая определяется.

У 1 1 _ sin(i9+/) cos(0 + y)

г. г R sin у ,„ /, ч Л.' 1 ' (R (l-cos/) + —)

где h- расстояние между частицами, г„ г- радиусы кривизны. Для частиц других форм выражение (2) имеет иной вид

Кроме того, в главе приведены существующие методы борьбы со слеживаемостыо такие как предварительная сушка зерна, хранение зерна в охлажденном состоянии, бескислородной среде, активное вентилирование

В четвертой главе описана модель, предложенная для исследования слеживаемости.

Рис 1. Взаимодействие частиц шаровой формы

За основу выбрана комбинированная модель зернового материала, предложенная Л В Гячевым, и дополненная силовыми характеристиками, описывающими процессы взаимодействия влажных зерен между собой и стенками емкости (рис. 2)

Рис.2 Модель регулярной укладки зерен в бункере с учетом сил вязкого трения и сцепления.

- зерновой материал повышенной и избыточногй влажности состоит из зерен шаровой формы, уложенных правильными слоями (регулярная укладка), перпендикулярно к оси емкости,

- промежутки между зернами частично заполнены жидкостью;

- зерна в процессе движения перемещаются поступательно, скользя по поверхностям друг друга и стенкам емкости;

- силы трения зерен менаду собой и стенками емкости носят граничный характер,

- размеры зерен малы по сравнению с площадью поперечного сечения емкости;

- силы сцепления зерен между собой и стенками емкости являются капиллярными силами ,

Нзлпмосвя и. между внешними и пну 1j д нипми v).нами ни ьлаяшом }ерноном материале установлена аналогично кдк и у идеальной модели профессор«} И В Гмчсиа, с дополнением сил 1раничного 1рения, адгсши и яутогезии Hi полученного выражения определяется проекция силы реакции на ось X

2 Р li'SP + ц/ } tg(a + <р) + iV, с, v12 sm fi - ¡V, c7 vn sin fi + n c„ v,4 cos a

AR i = —f—-----~~~---- "■■"" *+•

1 + tg(/} + <z) tg(anp)

N, FAiT cos/7-Л', F4yr cosf}-n FAJir sine X + tgUi + y) tg(a + <p)

где P - внешняя осевая сила, Zfl - угол укладки зерен, /а - угол между образующей бункера и осью ОХ, ¿у/ - угол внутреннею трения , ¿.<р - угол внешнего трения, d - диаметр зерна, vn, - относительные скорости зерен, N, -число контактов зерен ведущего и промежуточного слоев, N2 - число контактов зерен ведомого и промежуточного слоев, с,, с2 - коэффициенты, характеризующие свойства жидкостной пленки между зернами, с0-коэффициент, характеризующий свойства жидкостной пленки между зерном и стенкой бункера, v24 - скорость движения зерен, прилегающих к стенке бункера, и - число контактов зерен промежуточного слоя со стенками бункера, Fayt - суммарная сила ayroi езионного взаимодействия зерен между собой, Fлж - суммарная сила адгезионного взаимодействия зерен промежуточного слоя со стенками бункера

При составлении условия равновесия промежуточного слоя влажного зернового материала число контактов зерен между собой определяется с учетом того, что расположению ведущего слоя в бункере соответствует стенка с длиной у + &у, а ведомому - у-Ау, промежуточному- у

В данной главе представлен анализ коэффициентов сопротивления, вызванных силами сухого, жидкостного трения и силами сценления Результаты представлены в виде зависимостей перечисленных коэффициентов

от параметров зернового материала, параметров жидкости, находящейся во влажном зерновом материале Результаты даны для различных углов наклона бункера к вертикали

Коэффициент сопротивления, вызванный силами сухого трения зерен между собой и стенками бункера, определяется

к 2 tg(p + y) tg(a + <р)

' (1 + tg(p + iff) íg(a + <рУ) • 2 d cosp '

Коэффициенты сопротивления, вызванные силами жидкостного трения, определяются

_ с, sin р

2 ~ (1+ !£(/? +у) tg(a + <p)) 2 d cos/7'

с2 sin/?

' " + #(сг + <?)) 2 d cos/?'

^ C0 COS«

4 ~ О+ '£(/?+ #(« + ?)) 2 rf cosP' Коэффицие1ПЫ C[, г,, c0, зависят от вязкости жидкости, находящейся в зерновом материале, от площади соприкасающихся поверхностей, толщины жидкостной пленки Будем считать, что частицы зернового материала одинаковы, тогда площади контактирующих поверхностей для различных зерен равны между собой и, соответственно, равны коэффициенты с13 с2, с„ Коэффициенты, вызванные силами адгезии и аутогезии

к Раугп cosP_

5 (1+ !£(/? +Г) tg(a + <p)) 2 d cos/?'

k =_FAvrn <~QiP__

6 (l + rg(/? + y/) tg{a + <p)) 2 d cos/?'

k =_Fjw slnQ-_

7 (l + <g(/? + V) lgia + ф)) 2 d cos/?'

В пятой главе составлены дифференциальные уравнения движения зернового материала в пирамидальном и щелевом бункерах, произведен анализ коэффициентов сопротивления для щелевого бункера

После решения дифференциального уравнения движения влажного зернового материала в бункерах различных форм можно оценить влияние различных сил на истечение зернового материала Кроме того, вошедшие в дифференциальное уравнение силы аутогезии и адгезии зависят от коэффициента поверхностного натяжения жидкостной пленки, который изменяется с течением времени. Поэтому модель позволяет исследовать процесс перехода зернового материала из состояния текучести в состояние слеживания

Дифференциальное уравнение движения элементарного слоя влажного зерна в бункере произвольной формы получается при подстановке в уравнение dm а = dG - dRx - dP, ранее найденных значений dm = p s dx - масса выделенного элемента зернового материала, а - проекция ускорения центра масс элемента на ось ОХ, dG - р g S dx - сила тяжести элемента, dP -приращение осевого усилия, соответствующее расстоянию dx, dRx- сумма проекций на ось ОХ сил реакций стенок бункера в точках, где расположен элемент

Дифференциальное уравнение движения зернового материала в пирамидальном бункере

1 + X) (А, к,-В, *,) =

dx (R-b х) rj sin p eos a

= p g П {R~b xf-q p- 2»p

tj (R-b xy

где A¡ и Br коэффициенты пропорциональности, учитывающие пустоты в межзерновом пространстве, T)=ntg-, п - число сторон правильного

многоугольника поперечного сечения бункера.

Дифференциальное уравнение движения зернового материала в щелевом бункере

dx (R-b х) 2/2 2 /

-{R-b х)р g 2 l — q р--

q2 Ь р

2 / (Л-й л)" '

где А, и В, - коэффициенты пропорциональности, учитывающие пустоты в межзерновом пространстве, /- длина щелевого бункера Коэффициенты, характеризующие силы трения и сцепления в случае щелевого бункера определяются

(Л - 0 с,_

а2 + Я «, (Я (1 + а,) + 1 + а3) d cos/3 '

..__(Я + 1) с2_

(Я (1 + а,) +1 + а,)) 2 d cos/}' " (Я (1 + а,) + 1 + о2) 2 i/ cos/?

а+D Fm __(я+i)

FAYT

Г, *4 =

(Я (1 + а,) + 1 + а2) 2 «7 cos/? _(Я + 1) с0

(Я (1 + а,) +1 + а) 2 d А,

(Я (1 + а,) + 1 + аг) 2

(Я + 1) /у-sma_, где Я = —

(Я (1 + а,) + 1 + а2) 2 if cos/?

В шестой главе приведены решения дифференциальных уравнений для свободного истечения зернового материала из пирамидального и щелевого бункеров Для установившегося истечения получены зависимости расхода и скорости истечения от параметров бункера и свойств зернового материала Для пирамидальног о бункера

q= г

2 Ъ

(ifi+fii

(1 + rg(/? + !f) tg(a + <p)f (2 d cos/?)2 8 bp1

,__1 4УТ

(-A, cosfi + Bt sin a) i) (I + tg(fi + y/) tg(cc + <pj) 2 d cos/? p

r tj g +

(A C. + BX t'o)

(l + tg(fi + y/) tg(a + (pj) 2 d cos/? 2 b p'

(1)

1_U, с,+в, с J_

I (l + tg(P + y/) tg(a + <pjf (2 d cosPf S b p 2 b F„T (-At cos P+B, sin a) rj

, (l +tg(P + y) tg{cc + (p)) 2 d cosp p

(A c, + fli co) 1

- + r ^ g +

(1 + /я(/? + у/) tg(a + <p)) 2 соэ р 2 Ь р т] Для щелевого бункера-

/2 Г4

(Л + 1)

4 б2 ргЦЯ (l + a,)+l + a2) 2 d cosy31^2 / г

2 r I

l r2

U + l) ^v,

/ r3

А рЦЯ (l + a,)+l + a,) 2 d cos/

(A + l)

-(/42 cosp~B2 sine (2 r + l))+r p g 2 J\

2 b p ЦЯ (l + oj+l + ej 2 rf cosPy2 1 r (Я + 1) _Г 5j ai

Л oil 1

1 2 +c„ В, -— f--

4i/>i (Я (l + o,)+l + <32) 2 i/ cos/?U / г ° 2 1,2 r I

2 r I

+ e„ fi, I—+ -III +

(Я + 1)

c, A,

(Я (l + oJ + l + aj) 2 rf cosp\2 l-r

(Я + l) FA„_

1 1

2 r I))) 16 b2 рг

4 b p /ЦЯ (l + oj+l + oj) 2 d cosp

(A2 cos P~B2 sin a (2 r + l))+r p g 2-/

В седьмой главе получены условия слеживаемости влажного зернового материала в емкостях различных форм, учитывая, что этот процесс характеризуется превращением зернового материала в монолит и отсутствием

возможности вытекать из выпускного отверстия, д = О, — = О Для

пирамидального бункера-

г р g 7 =

Для щелевого бункера I гЧ (А + 1)^.

Q + tgiP + V) tg(a + <P) 2 d \ cos р

А-

Вх sme

b Д(Я (1 + а,) + 1+л,) 2 d cosp

(Az cosP-B2 sma (2 r + l))+r p g 2 I =0.

Данные уравнения позволяю! усыновшь взаимосвязь между параметрами жидкости, находящейся во влажном зерновом материале, и свойствами зерна, а также параметрами бункера Для пирамидального и щелевого бункеров соответственно

г р £ г а втр (1+/£(/?+р/) 1я(а+<р))__

\b_clgfijga эта 3 я соч р

(2)

а{0 4- у)

чту со5

(■9 +у)

1 - сое у +

а )

Л Б1П/

г 1 2 ё р {Л (1 + Д|)+1 + ^) 2 с) сов/}

(Л + 1) (-В2 бш(х{1 + 2 г) + Л2 сов/]) к — 81ПХ

<0 + у)

вту со$(в + у)

1 — сое у +

а >

Используя значения характеристик зернового материала и выражение (2), можно определить при каком значении коэффициента поверхностного натяжения в бункере пирамидальной формы зерно потеряет текучесть

Значения о увеличиваются с ростом влажности зернового материала (рис 3,4) При одной и той же влажности зернового материала коэффициент

Пшеннца,горох , а = 30°, г = 20 см

горох

Пшеница,горох , а = 45°, г = 20 см

5 10 15 20 25

Вл ажно с ть в % Рис 3 Зависимость коэффициента поверхностного натяжения жидкости, находящейся в зерновых материалах, от влажности при угле наклона бункера 30°

горох

' 1В хеница

5 10 15 20 25

Влажность в %

Рис 4 Зависимость коэффициента поверхностного натяжения жидкости, находящейся в зерновых материалах, от влажности при угле наклона бункера 45°

пиверллос итого йатяжсння зависит от вида зернового материала (рис.3,4).

Из сравнения сил поверхностного натяжения и силы тяжести зернового материала в бункере следует, что чем меньше значение о, тем больше стремление зерна к текучести и

Пшеница, г орож. в лажно с г ь I = 10 см

14

меньше стремление к состоянию с лежи в ае м ости. Поэтому, исследовав выражение (2) на минимум, получим значение углов а при которых для разных

культур зерновой материал

04 06 08 1

Угол оульера к вертйЩллврадпана£ менее подвержен состоя-

Рис.5 Значения коэффициента поверхностного натяжении жидкости в зерновых материалах при различных углах наклона стенок бункера.

нию с л еж и в ас мсти. Те же результаты можно полу-

- . _ ^ >I.-. . лщй

г- |К .

чип. анализируя графики на рис.5.

В восьмой главе проведено экспериментальное исследование сил сцепления в зерновых материалах, имеющих различную влажность.

Идея опыта состояла в следующем: в центр ячейки с определенным количеством зерна (рис. 6) помещался металлический штифт, поверх которого насыпали зерно пшеницы известной влажности ш и насыпной плотности р. Одновременно засыпали

форму из десяти таких ячеек зерном -

1 Рис. б. Сяема экспериментальной

одинаковой влажности. Затем а течение остановки

трех суток через определенные интервалы времени измеряли силу Т7, при которой штифт начинал движение вверх Такие серии экспериментов были проделаны для зерен пшеницы влажностью со = 10, 15, 20, 25, 30, 35 % Силу аутогезии определяли по формуле

РАУТ = ('Я* - - Р уз) 8- РТР

На рис 7 приведена зависимость этой силы от времени выдержки зернового материала с 15%, 20%, 25%, 30%, 35% влажностью

Как видно из графика сила аутогезии имеет ярко выраженный максимум для 15% влажности по истечению 20 часов, для 20% влажности по истечению 10 часов, для 25% и 35% влажности по истечению 4 часов, для 30% влажности по истечению 8 часов Такое поведение максимумов можно объяснить следующим образом чем больше разность влажностей зернового материала и окружающей среды, тем быстрее идет процесс подсыхания зерна Следовательно, тем быстрее процесс уменьшения числа жидкостных контактов будет преобладать над процессом увеличения числа жидкостных контактов в период слеживаемости Кроме того, величина силы аутогезии зависит от степени влажности зерна Чем больше влажность зернового материала, тем больше величиина силы аутогезии

С течением времени пшеница подсыхает, за счет испарения жидкости, находящейся между зернами При этом испаряются более летучие вещества, свойства жидкости начинают приближаться к свойствам воды, и коэффициент

Рис 7. Зависимость силы аутогезии от времени для зерен пшеницы, имеющей различную влажность ш=15-35%

поверхностного на1яжепия увеличивается, следовательно, увеличиваегся и сила аутогезии С другой стороны процесс испарения ведет к уменьшению площади пягна смачивания, что в свою очередь должно уменьшать силу аутогезии В результате противоборствующих процессов утряски и испарения, ведущих к увеличению силы аутогезии, и процесса уменьшения площади пятна смачивания, ведущего к уменьшению силы аутогезии возникает такой сложный характер зависимости силы аутогезии от времени выдержки зерна для различной влажности При полном испарении, от жидкости должна остаться некоторая желеобразная субстанция, которая в дальнейшем превратиться в сухую пленку При этом силы капиллярной аутогезии превратятся в силы молекулярной когезии, дополнительные к силам сухого трения Соответственно этому и сила вытягивания штифтов увеличиться, что мы и регистрируем в виде увеличения силы аутогезии

Подобная серия экспериментов была проведена для пшеницы различной

влажности, масса которой в ячейке в 55 раз больше, чем в предыдущем опыте. Максимальное значение сила аутогезии (рис 8) для 15% влажности принимает через 5 часов после засыпки Для массы зерна в 55 раз меньше максимум силы аутогезии для 15% влажности наступает через 35 часов Для 20% влажности графики зависимое ш в обоих случаях носят похожий характер Максимум для 25% также как и

Пшеница,« = [ЗЗДРАЖ

Время в часах

Рис 8 Зависимость силы аутогезии от времени для зерен пшеницы, имеющей различную влажность ю-15-25%

а . I) : ц<|, >. г.1 I.г . 11, ■ * ■. ^.. . ) ;!' лой ^ гл<шс приведен Теоретический анализ соотношений между мялами аугогезии и адгезии во всем объеме зернового материала. Случай рассмотрен для пирамидальной укладки. Так как отношение силы адгезии к силе аутогезни для различных культур принимают значения от 0.05 до 0.4 для углов наклона бункера от 30' до 60°, то можно сказать, что значительный вклад в процесс слеживания влажного зернового материала вносит сила аутогезий.

Для определения расхода влажного зернового материала из бункера проводились экспериментальные исследования истечения из модельного бункера конической формы (рис.9). Был произведен расчет расхода из модельного бункера конической формы по формуле (1).

Для экспериментальных исследований исходный зерновой материал доводился до требуемой влажности Добавлением воды, засыпался п модельный бункер, и определялось время истечения. Для

каждого исследуемого значения влажности было получено несколько экспериментальных значений расхода, по которым, с использован и нем теории Стьюдента, была построена линия регрессии (рис, 10), В таблице 1 приведены значения расхода для модели осе! симметричного бункера с радиусом выпускного отверстия 0,02 метра и углом наклона бункера к

Рис. 9.Устройство для экспериментального исследования истечения зернового материала.

Пшеница

и иии ?

0.000«

.С»

Т» 0.0004

ч

о □ .00035

о

«с Л, 0 0003

0.00025

18 20 22 24 влажность в%

Рис. 10 Зависимости экспериментальных и расчетных значений расхода пшеницы от влажности из модели конического бункера.

вершкали 34,68°, полученные экспериментальным пуюм, и с помощью расчеи но формуле (1) с учетом сил адгезии, аутогезии и граничного грения, действующих во влажном зерне.

Как видно из графика, между экспериментальными и расчетными значениями расхода в пределах влажности от 15% до 18% (рис 11) наблюдается отличие в пределах от 6% до 10%, для влажностей от 18% до 25% это отличие

достигает 17% (рис 10) Значения расхода, полученного по формуле из теории проф Л В Гячева (яг-4.7 1 ОЛг/с) превышают расчетные по формуле (1) на 30-38% и экспериментальные на 34-47% В действительности в бункера для кратковременного хранения закладывается зерно влажностью не более 18%

Таблица 1. Расход для пшеницы, осесимметричный бункер (цг=4 7 10"4 м3/с)

Вла ж но стъ, % расход, теор ,м3/с расход, эксп ,м3/с 8,% коэф pei рсс сии, а Коэф регрессии b Коэф коррс л г Sb 1ф t,,

15 3 300 ю4 3 100 ю4 6 1 4 10" -6 9 10"*1 -0 909 1 2 lO"* 5 65 231

16 3 200 104 2 980 Ш4 69 4 10"4 -6 9 10"" -0 909 1 2 10"" 5 65 231

17 3 150 10" 2 900 Ю4 79 4 104 -6 9 10" -0 909 1 2 10"6 5 65 231

18 3 100 104 2 750 104 112 4 10"4 -6 9 10"6 -0 909 1 2 10" 5 65 2 31

19 3 052 10" 2 600 104 14 8 4 Iff4 -6 9 10~" -0 909 1 2 10-" 5 65 231

20 3 000 104 2 500 104 16 4 Iff4 -6 9 Iff* -0 909 1 2 10^ 5 65 231

21 2 980 104 2 475 104 169 4 10"4 -6 9 10 " -0 909 1 2 10"" 5 65 231

22 2 965 104 2 460 104 17 4 104 -6 9 Iff6 -0 909 1 2 10"* 5 65 2 31

23 2 940 104 2 450 104 17 4 Iff4 -6 9 10"" -0 909 1 2 10"° 5 65 231

24 2 910 104 2 425 104 17 4 lO"1 -6 9 10"" -0 909 1 2 10"" 5 65 231

D 0005 О 00045

о

^ 0 0004 «

° 0 00035

о

0 0003 0 00025

Пшеница

пряма* расход i по тео .ии Л Б Гячева

^- —-— ■

\ r лини f-pcppcc

ЭКСП TO оси

15 5

18

16 16 5 17 17 5 влажность в %

Рис 11 Зависимости экспериментальных и расчетных значений расхода пшеницы о г влажности из модели конического бункера.

Iii графика (рис 11) видно, что для влажности 15%-18% отличие экспериментальных и расчетных значений составляет не более 10% Учитывая положение полученных кривых на рассматриваемом интервале варьируемой влажности для практических расчетов можно ввести поправочный коэффициент к теоретическим моделям величиной к=0 88, чю существенно снизит ошибку расчетных значений

Количественное расхождение расчеишх данных по формуле (1), полученных с учетом реальных сил во влажном зерновом материале, с экспериментальными объясняется тем, что при расчетах не все параметры, характеризующие зерновой материал можно было учесть в предлагаемой модели Например, зерна пшеницы принимались за шаровые, форма которых близка к эллипсоиду

Формула расчета расхода зернового материала из реальных бункеров сельскохозяйственного назначения по результатам проведенных исследований была получена, используя теорию подобия Крылова

г 2 tga„ 2 I 1 \ г2 _ I g гт

Чг=Чп, — --+г, П —— (г, S)-—- 2 rj tgam --

г/ tgar tgar 2 tga, \ 2 tga„

Зная экспериментальное значение расхода зернового материала для модельного бункера, можно получить верояшос значение расхода для реального бункера В таблице 2 представлены значения расхода для реального конического бункера, полученные на основании проведенных исследований

По результатам исследований предложен бункер с углом наклона 42° для ООО "ДОНЭЛЕВАЮР"

Расчет экономической эффективности производился по методу Савицкой Г В из учета процентной сохранности зерна в случае использования предложенных в работе емкостей При хранении 1000 тонн зерна пшеницы в емкостях предложенной формы, количество сохраненного зерна составило 952 тонн, в бункере произвольной формы 880 тонн Количество сохраненного зерна оп-

Таблица 2 Расход зерна для реального иун- ределялось согласно соот-

¡Ат. - Дот,|

ношению f = J--^ 100%

т0

где Ат,- масса сохраненного без повреждений зерна в предложенной емкости, Ат2-масса сохраненного без повреждений зерна в произвольной емкости, т0- масса зерна, закладываемого на хранение В ценах на 2006 год экономический эффект составил 7,2% от общей стоимости зерна, закладываемого на хранение

Общие выводы по работе.

1 Применение модели идеальной сыпучей среды, предложенной профессором Л В Гячевым, к влажным зерновым материалам дает существенное различие с экспериментальными данными, что затрудняет расчет технологических параметров бункеров, обеспечивающих истечение подверженного слеживаемости зернового материала

2 Во влажных зерновых материалах существенную роль играют граничные силы трения зерен между собой и стенками емкости, от значения которых зависит скорость истечения зерна из бункера Выявлено, что силы граничного трения зерен о стенки в зависимости от влажности, вида зерна и формы бункера превышают силы граничного трения зерен между собой в 1,5-4,5 раза

3 Выявлено влияние влаги на силы аутогезии и адгезии в зерновых материалах, имеющих капиллярную природу Силы передаются через микрокапли

кера (г = 0 15м, = 34,68°)

Влажное! ь,% 1 11 41 - <■ с учетом С1и1 действ во влажном зерне, теори-тич ч и Чз - , с эксперим С%

15 0 0693 0 0635 84

16 0 0691 0 0629 89

17 0 0690 0 0624 95

18 0 0688 0 0616 10

19 0 0687 0 0607 11

20 0 0686 0 0602 12 2

21 0 0685 0 0600 124

22 0 0684 0 0598 126

23 0 0682 0 0595 12 7

24 0 0681 0 0594 12 7

25 0 0678 0 0593 12 5

жидкости, имеющиеся на поверхности зерновок Количество микрокапель на 1 \пг площади поверхности зерновки пшеницы завися I от влажности и составляют от 1 1 104до 8 1 101

4 Анализ коэффициентов сопротивления, вызванных силами трения и силами сцепления, показывает, что с ростом влажности зернового материала наблюдается рост коэффициентов сопротивления, что затрудняет истечение и приводит к слеживанию влажною зернового ма1ериала Значения коэффициента сопротивления, вызванного аутогезионными силами больше значения коэффициента, вызванного адгезионными силами В зависимости от вида культуры и влажности 01 ношения этих сил заключено в интервале от 25 до 100 раз Это означает, что силы сцепления между зернами вносят наибольший вклад в торможение зерна в бункере по сравнению с силами сцепления зерна и стенок

5 Решение уравнения движения влажного зерна в бункере впервые позволило получить зависимости расхода и скорости движения влажного зерна в бункере от аутогезионных и адюзионных сил и 01 параметров бункера Из решения следует, что перечисленные силы уменьшают расход и скорость в в среднем на 30-40% в бункере по сравнению с идеальной сыпучей средой проф Л В Гячева

6 Уравнение движения с учетом сил сцепления позволило аналитически проанализировать переход влажного зернового материала из текучего в состояние слеживаемости Динамическое уравнение движения при условии

о= 0,—= 0 переходит в статическое Из уравнения следует, что состояние Л

слеживаемости характеризуется силой тяжести зерна, силои адгезии и аутогезии Значение силы адгезии можно свести к минимальному гидрофобной поверхностью

7 Из уравнения следует, что состояние слеживаемости удобно характеризовать коэффициентом поверхностного натяжения и краевым углом, значения которых зависят от влажности и вида зерновых культур

8 Экспериментальные исследования пока или, что сигта лутогезии возрастает с течением времени хранения зернового материала Временная выдержка зерна влажнос!ью 10-35% показала, что силы аутогезии растут с течением времени в емкостях, объем которых отличается друг от друга в 50-80 раз, причем характер зависимости во временных рамках имеет похожий вид

9 Предложенные модели и результаты экспериментов позволяют разработать алгоритм проектирования емкостей, в которых зерновой материал менее подвержен слеживаемосги

10 Выявлены оптимальные углы наклона бункера к вертикали, в котором пшеница и юрох наименее подвержены слеживанию, то есть при этих параметрах бункера силы поверхностного натяжения минимальны Таким бункером для зерен пшеницы 15% и 25% влажности, гороха 25% является осесиммегричный бункер с углом наклона стенок к вертикали 42 градуса, радиус выпускного отверстия 20см , для гороха 15% влажности - 39,5 градусов, радиус выпускного отверстия 20см

11 Оценка экономической эффективности производилась из учета сохранности зерна в случае слеживаемости Экономический эффект составил 7,2% от общей стоимости сохраняемых зерновых культур

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Гордеева А Б , Кузнецова Н Н , Пахайло А И , Федосеев В Б Математическая модель взаимодействия цилиндрических частиц влажного сельскохозяйственного материала /Математические методы в технике и технологиях Сб тр XVI Междунар науч конф В 10 т Т 5 Секция 5 /Под общ ред В С Балакирева //РГАСХМ ГОУ, Ростов н/Д, 2003

2 Гордеева А Б , Кунаков В С , Кузнецова Н Н, Федосеев В Б Математическая модель адгезионных сил, возникающих во влажном сельскохозяйственном материале /Математические методы в технике и технологиях Сб тр XVI Между-

нар науч конф В 10 I Т 5 Секция 5/Под общ ред В С Балакирева //РГЛСХМ ГОУ, Ростов н/Д, 2003

3 Гордеева А Б , Федосеев В Б , Кунаков В С Исследование капиллярных сил когезии между зернами пшеницы //Известия ВУЗов Северо-Кавказский регион Естественные науки Приложение №1 2005

4 Федосеев В Б , Гордеева А Б Капиллярное взаимодеиствие зерновок сельскохозяйственных культур //Известия ВУЗов Северо-Кавказский регион Естественные науки. Приложение №6 2005 5 Федосеев В Б , Гордеева А Б , Кунаков В С Скорость истечения зерна из конического бункера //Известия ВУЗов Северо-Кавказский регион Естественные науки Приложение №8 2005

В набор¿Ц 04печать ££ 04 О?

Объем^4усл п л ,уч -изд л Офсет Формат 60x84/16

БумататипЖЗ Заказ №-/86 Тираж /00

Издательский центр ДГТУ

Адрес университет и полш рафичсского предприятия 344010, г Росгов-на-Дону, пл Гагарина,!

Введение.

1.1. Анализ работ по исследованиям движения сыпучих материалов в бункерах и распределению сил, действующих на их стенки.

1.2. Краткий анализ работ по исследованиям слеживаемости зерновых материалов в емкостях сельскохозяйственного назначения.

2. Исходные предпосылки и допущения при исследовании свойств и движения связанных зерновых материалов.

2.1. Допущения о форме бункера. Размеры и объем бункеров.

2.2. Материалы для изготовления бункеров. Гидрофобные и гидрофильные покрытия.

2.3. Виды истечения зерновых материалов из бункеров.

2.4. Модели зерновых материалов. Их достоинства и недостатки.

2.4.1. Модель сплошной среды.

2.4.2. Модель профессора Л.В.Гячева.

2.4.3. Модель профессора В.А.Богомягких, модель влажного зернового материала.

3.Факторы, способствующие слеживаемости зерновых материалов.

3.1. Трение зерен между собой и стенками емкости.

3.1.1. Трение при кондиционной и меньше влажности зерна.

3.1.2. Трение при повышенной влажности. Граничное трение и его переход в жидкостное.

3.2.Силы сцепления в зерновых материалах.

3.2.1. Адгезионные силы.

3.2.2. Аутогезионные силы.

3.3. Существующие методы борьбы со слеживаемостью.

3.3.1. Хранение зерна в сухом состоянии.

3.3.2. Хранение зерна в охлажденном состоянии.

3.3.3. Хранение зерна в бескислородной среде.

3.3.4. Активное вентилирование.

4. Модель зернового материала, предложенная для исследования слеживаемости.

4.1. Взаимосвязь между внутренними и внешними силами в зерновых материалах, имеющих повышенную и избыточную влажность.

4.2. Коэффициенты сопротивления.

4.2.1. Коэффициент сопротивления, вызванный силами сухого трения зерен между собой и стенками бункера.

4.2.2. Коэффициенты сопротивления, вызванные силами жидкостного трения.

4.2.3. Коэффициенты сопротивления, вызванные силами аутогезии и адгезии.

5. Дифференциальное уравнение движения элементарного слоя влажного зерна в трубах переменного сечения.

5.1. Дифференциальное уравнение движения элементарного слоя влажного зерна в бункере произвольной формы.

5.2. Дифференциальное уравнение движения элементарного слоя влажного зерна в пирамидальном бункере.

5.3. Дифференциальное уравнение движения элементарного слоя влажного зерна в щелевом бункере.

6. Решение дифференциальных уравнений для труб переменного сечения.

6.1. Расход и скорость движения влажного зерна в пирамидальном бункере.

6.2. Расход и скорость движения влажного зерна в щелевом бункере.

7.Условия слеживаемости зернового материала в емкостях различных форм.

7.1.Слеживаемость зернового материала в пирамидальном бункере.

7.2.Условие слеживаемости зернового материала в щелевом бункере.

8.Экспериментальное и теоретическое исследование влияния сил сцепления на процесс слеживания влажного зернового материала.

8.1.Экспериментальное исследование сил аутогезии в зерновом материале кондиционной и повышенной влажности.

8.2. Оценка влияния сил адгезии и аутогезии на движение зернового материала в бункерах различных форм. Случай пирамидальной укладки.

8.3. Оценка влияния сил жидкостного трения зерен между собой и стенками бункера на движение зернового материала в бункерах различных форм. Случай пирамидальной укладки.

9. Экспериментальное исследование истечения влажного зернового материала из бункера.

9.1. Экспериментальное исследование истечения влажного зернового материала из модельного бункера осесимметричной формы. Теоретический расчет расхода из модельного бункера пирамидальной формы.

9.2. Расход зернового материала из реального бункера. Формулы расчета расхода зернового материала из глубоких бункеров сельскохозяйственного назначения по экспериментальным данным для модельных бункеров.

Выводы.

Проблема обеспечения страны сельскохозяйственной продукцией решается в настоящее время на основе коренного изменения структуры управления народным хозяйством, изменения собственности на средства производства и землю, а также путем дальнейшего совершенствования и развития материально-технической базы. Для создания сельхозмашин нового поколения требуется ускорение научно-технического прогресса, сокращение сроков создания новой сельскохозяйственной техники.

Существенную помощь конструкторским бюро и заводам, изготовляющим технику, могут оказать научные и, прежде всего теоретические исследования технологических процессов, выполняемых машинами и агрегатами. Теоретическое описание процесса, если оно передает все его закономерности с высокой степенью точности, может существенно сократить стадию проектирования машины, предсказать её технические возможности, сократить время производственных испытаний. При наличии теории могут быть использованы современные вычислительные машины и графопостроительные средства, что значительно облегчает и ускоряет работу конструкторских бюро.

Мобильные машины и стационарные агрегаты, предназначенные для посева, уборки, транспортировки, очистки от примесей, имеют бункеры. С их помощью происходит накопление зернового материала, и выполняются погрузочно-разгрузочные работы. По данным [1] на одну тонну закупленного зерна приходиться 7-8 тонн погрузочно-разгрузочных работ. В РФ общий объем выращенной зерновой продукции составляет 80-90 млн. тонн. При этом почти на порядок больше тонн зернового материала приходиться на погрузочно-разгрузочные работы. Несмотря на большие объемы перемещения зерновых материалов к настоящему времени нет теории, которая с единой точки зрения описывала состояние и движение зерновых материалов в бункерах, силосах, трубах постоянного и переменного сечений, скатных досках, в кузове автомобиля при выгрузке и в других случаях.

Особый интерес представляет собой исследование движения и состояния при хранении зерновых материалов, имеющих влажность больше кондиционной. В работе [2] отмечается, что длительному хранению подлежит зерновой материал имеющий влажность менее 13 %. При такой влажности дыхание зерна столь незначительно, что для жизнедеятельности зерновок достаточно того кислорода, который имеется в межзерновом пространстве, оболочках и складках самих зерновок. При более высокой влажности процесс дыхания усиливается и увеличивается потребление зерном кислорода. Недостаток кислорода приводит к гибели зерновок. По данным других авторов [3] с ростом влажности дыхание зерновок переходит в анаэробное состояние, при котором из зерна выделяется этиловый спирт или молочные кислоты. В более поздних работах [4] показано, что подобная жидкость из зерновок поступает на поверхность по капиллярам, имеющим в среднем диаметр порядка 4-5 мкм, и на каждом квадратном миллиметре имеется примерно 104 105 шт. Появление влаги на поверхности зерновок качественно изменяет взаимодействие зерен между собой и со стенками емкости по сравнению с зерном, имеющим кондиционную и меньше влажность.

Зерно повышенной влажности обладает малой текучестью, имеет повышенное стремление к появлению застойных зон в бункере. Происхождение застойных зон может быть истолковано формированием статически устойчивого свода, однако визуальные наблюдения [5] за движением в бункере влажного зерна показывают, что они могут появляться и без сводов в обычном их понимании.

Кроме того, при вынужденном хранении влажного зерна в емкости (бункере) происходит явление слеживаемости, которое заключается в том, что с течением времени хранения возрастают силы связи зерен между собой (силы аутогезии) и силы связи со стенками емкости (силы адгезии) до значения превышающего силу тяжести зерна. Зерно полностью теряет текучесть. Гравитационных сил недостаточно для нормального либо гидравлического истечения зернового материала из бункера (силоса), либо кузова транспортного средства. При хранении зернового материала большими по высоте насыпями происходит запрессовывание и слеживаемость возрастает. При этом даже изменяется форма отдельных зерновок, на них образуются вмятины. Известны случаи [6] слеживаемости сухих зерновых масс влажностью 12-14% при продолжительном (в течении года и более) хранении в высоких железобетонных и металлических силосах. После на внутренних стенках обнаруживаются сплошные или гнездовидные одно или многослойные наросты зерна, своего рода сталактиты, для удаления которых приходиться применять механические средства.

Большое влияние на процесс слеживаемости зернового материала оказывает температура. При отрицательной температуре происходит смерзание зерновок между собой, с образованием кристалликов льда между ними. При высокой температуре влажное зерно подвергается самосогреванию и самовозгоранию. Для выгрузки зернового материала в таких случаях приходиться использовать дополнительные устройства, например вибраторы, либо примитивные средства, например лопаты, что иногда приводит к травмированию обслуживающего персонала. Обрушение слежавшегося зерна в емкостях больших размеров, например, башнях элеваторов, приводит иногда к их разрушению, на ремонт которых приходиться тратить большие средства [7].

В связи с изложенным в работе решается проблема выявления формы емкостей (бункеров, силосов и др.) внутри которых влажный зерновой материал менее подвергался слеживаемости и изыскание технических средств обеспечивающих текучесть зерна на ранних стадиях появления слеживаемости.

Работа выполнялась по гранту № 97-7-1-6-36 Минобразования Российской Федерации по фундаментальным исследованиям в области сельскохозяйственного машиностроения (раздел 1 "Тракторное, сельскохозяйственное машиностроение", направление 1.6 "Погрузочные и транспортные средства, применяемые в сельском хозяйстве"). Цель исследования: Обосновать рациональную форму бункеров и их параметры, обеспечивающих истечение подверженного слеживаемости зернового материала с целью повышения эффективности их функционирования.

Объект исследования: Бункеры стационарных сельскохозяйственных агрегатов для хранения зернового материала сельскохозяйственного назначения.

Предмет исследования: Закономерности взаимодействия влажного зернового материала со стенками и выпускным отверстием бункеров. Научная гипотеза: В результате наблюдения в производственных и лабораторных условиях за истечением влажного зерна из емкостей было предположено, что основную роль при переходе его в состояние слеживания играют силы сцепления зерен между собой и стенками емкости. Учет этих сил позволит исследовать переходные процессы и определить оптимальную форму емкостей для кратковременного или длительного хранения зерна. Научная новизна: Предложены и обоснованы параметры и форма емкостей, в которых зерновая масса меньше подвергается слеживаемости. Определены основные закономерности истечения сыпучего зернового материала и влияние формы и параметров бункера на процесс истечения. Смоделирован физико - механический процесс перехода влажного зернового материала из текучего состояния в состояние слеживаемости. Учтены физические параметры влажного зерна, характеризующие состояние слеживаемости.

Практическая значимость и реализация: Определена форма и обоснованы рациональные параметры бункера, найдены основные принципы проектирования бункерных устройств, в которых зерновой материал наименее подвержен слеживанию. Показана методика и программа параметрической оптимизации стационарных бункерных устройств, обеспечивающих миминизацию слеживания и истечения из них зерновых материалов повышенной влажности. Результаты научных исследований переданы для использования в НПП "Терра" и ООО "ДОНЭЛЕВАТОР" Апробация: Данная работа была представлена на XVI Международной научной конференции в Ростовской государственной академии сельхозмашиностроения (РГАСХМ), научных конференциях в Азово -Черноморской государственной агроинженерной академии (АЧГАА), в Донском государственном техническом университете (ДГТУ). Публикация результатов. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них в центральной печати 3. На защиту выносятся:

- обоснование методики проектирования емкостей, в которых влажное зерно меньше подвергается слеживаемости;

- метод приближения идеальной модели сыпучего материала к реальным свойствам влажного зерна;

- анализ сил внешнего и внутреннего трения во влажном зерновом материале;

- анализ адгезионных и аутогезионных сил во влажном зерновом материале;

- аналитический анализ коэффициентов сопротивления, вызванных трением и силами сцепления в зерновых материалах;

- определение расхода и скорости истечения зерновых материалов с учетом сил сцепления зерен между собой и стенками емкости;

- аналитический анализ перехода зерна из текучего в состояние слеживаемости;

- выбор и обоснование основных физических параметров,характеризующих состояние слеживаемости зернового материала;

- экспериментальные исследования явления слеживаемости зернового материала;

- обоснование экономической целесообразности использования предложенной методики.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, общих выводов, списка литературы из 90 наименований. Работа изложена на 190 страницах, содержит 107 рисунков и 8 таблиц.

выводы.

1. Применение модели идеальной сыпучей среды, предложенной профессором JI.B. Гячевым, к влажным зерновым материалам дает существенное различие с экспериментальными данными, что затрудняет расчет технологических параметров бункеров, обеспечивающих истечение подверженного слеживаемости зернового материала.

2. Во влажных зерновых материалах существенную роль играют граничные силы трения зерен между собой и стенками емкости, от значения которых зависит скорость истечения зерна из бункера. Выявлено, что силы граничного трения зерен о стенки в зависимости от влажности, вида зерна и формы бункера превышают силы граничного трения зерен между собой в 1,5-4,5 раза.

3. Выявлено влияние влаги на силы аутогезии и адгезии в зерновых материалах, имеющих капиллярную природу. Силы передаются через микрокапли жидкости, имеющиеся на поверхности зерновок. Количество микрокапель на 1 мм1 площади поверхности зерновки пшеницы зависят от влажности и составляют от 1.1-104 до 8.1 104.

4. Анализ коэффициентов сопротивления, вызванных силами трения и силами сцепления, показывает, что с ростом влажности зернового материала наблюдается рост коэффициентов сопротивления, что затрудняет истечение и приводит к слеживанию влажного зернового материала. Значения коэффициента сопротивления, вызванного аутогезионными силами больше значения коэффициента, вызванного адгезионными силами. В зависимости от вида культуры и влажности отношения этих сил заключено в интервале от 25 до 100 раз. Это означает, что силы сцепления между зернами вносят наибольший вклад в торможение зерна в бункере по сравнению с силами сцепления зерна и стенок.

5. Решение уравнения движения влажного зерна в бункере впервые позволило получить зависимости расхода и скорости движения влажного зерна в бункере от аутогезионных и адгезионных сил и от параметров бункера. Из решения следует, что перечисленные силы уменьшают расход и скорость в в среднем на 30-40% в бункере по сравнению с идеальной сыпучей средой проф. Л.В.Гячева.

6. Уравнение движения с учетом сил сцепления позволило аналитически проанализировать переход влажного зернового материала из текучего в состояние слеживаемости. Динамическое уравнение движения при условии q = 0, —= 0 переходит в статическое. Из уравнения следует, что состояние dt слеживаемости характеризуется силой тяжести зерна, силой адгезии и аутогезии. Значение силы адгезии можно свести к минимальному гидрофобной поверхностью.

7. Из уравнения следует, что- состояние слеживаемости удобно характеризовать коэффициентом поверхностного натяжения и краевым углом, значения которых зависят от влажности и вида зерновых культур.

8. Экспериментальные исследования показали, что сила аутогезии возрастает с течением времени хранения зернового материала. Временная выдержка зерна влажностью 10-35% показала, что силы аутогезии растут с течением времени в емкостях, объем которых отличается друг от друга в 50-80 раз, причем характер зависимости во временных рамках имеет похожий вид.

9. Предложенные модели и результаты экспериментов позволяют разработать алгоритм проектирования емкостей, в которых зерновой материал менее подвержен слеживаемости.

10. Выявлены оптимальные углы наклона бункера к вертикали, в котором пшеница и горох наименее подвержены слеживанию, то есть при этих параметрах бункера силы поверхностного натяжения минимальны. Таким бункером для зерен пшеницы 15% и 25% влажности, гороха 25% является осесимметричный бункер с углом наклона стенок к вертикали 42 градуса, радиус выпускного отверстия 20см., для гороха 15% влажности - 39,5 градусов, радиус выпускного отверстия 20см.

11. Оценка экономической эффективности производилась из учета сохранности зерна в случае слеживаемости. Экономический эффект составил 7,2% от общей стоимости сохраняемых зерновых культур.

1. Иванов А.И., Лейкин А .Я., Хувес Э.С., Чарный М.С. Комплексная механизация погрузочно-разгрузочных работ с зерном. - М.: «Колос» 1974 г. 515 стр.

2. Сергунов В. С. Дистанционный контроль температуры зерна при хранении. -М: Агропромиздат 1987 г. 5-10 с.

3. Анискин В. И., Рыбарук В. А. Теория и технология сушки и временной консервации зерна активным вентилированием. // Труды ВИМ. 1972

4. Федосеев В. Б. Капиллярные явления в зерновых культурах.-Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2005.-144с.

5. Кунаков В. С. К вопросу об истечении реальных сыпучих материалов из бункеров. / РИСХМ. Ростов н/Д 1979. - 13с - Док. в ЦНИИТЭИ Тракторсельхозмаш. 16.01.80, № 140

6. Трисвятский Л. А. «Хранение зерна» М., Агропромиздат, 1986 с.

7. Вобликов Е.М., Буханцов В.А. Послеуборочная обработка и хранение зерна.-Ростов н/Д:издательский центр "МарТ", 2001.-240с.

8. Покровский Г. И., Арефьев А. Н. Об истечении сыпучих тел. / Журнал технической физики. 1937 - Т VII. - Вып. 4 - С. 424-427

9. Hagen Е. Berliner Monatsberichte der Akademie der Wissenshaften. 1852.-N 35.

10. Фрид M. Результаты опытов по определению давления на дно и стенки глубоких сосудов. //Мукомольно-пищевая промышленность. 1890. - № 4. - С. 921-933.

11. Делакроа А. Опыт непосредственного определения давления зерна в закромах элеватора. // Журнал МПС. 1894. - Кн. 3.

12. Бернштейн М. С. Форма истечений и давление зерна в силосах. // Строительная промышленность. 1945. - №10 - С. 11-13

13. Бернштейн М. С. Форма истечений и давление зерна в силосах. // Исследовательские работы по инженерным конструкциям. М., 1949. - С. 139168

14. Емельянов JI. М. Два типа давления грунта в высоких коробах. // Известия ТСХА. М. - 1962. - вып. 6. - 43 с.

15. Хаймович М. И. Опытное определение давления зерна в силосах. // Строительная промышленность. 1964. - № 5. С. 19-26.

16. Надеждин В. А. Распределение давлений в сыпучих телах. // Мукомольно-пищевая промышленность. 1891. - №1. - С. 12-15

17. Карчевский И. С. Опыт исчесления давления зерна на дно и стенки закромов. // Журнал МПС. 1894. - Кн. 3. - С. 291-344.

18. Jansen Н. Versuche uber Getreidedruck in Silozellen. Berlin, 1895. - S. 10451049.

19. Гутьяр E. M. Вопросы динамики сыпучей среды. // ЦНИИСК Научные сообщения. М., 1958. - вып. 2. - С. 41-43

20. Гутьяр Е. М. Распределение давлений на стенки силосной башни. // Тр. Московского автодорожного института., М., 1955. сб.2. - С. 37-40

21. Сорокин Н. В. Обобщение формулы Янсена для силосов, наполненных разнородными материалами. // Советское мукомолье и хлебопеченье. 1934. -№ 3. - С. 16-17

22. Сорокин Н. В. Давление вытекающего зерна на стены и дно силосов. // Советское мукомолье и хлебопеченье. 1936. - № 2. - С. 23-26.

23. Сорокин Н. В. Давление сыпучих тел на стены и дно силосов переменного сечения. // Советское мукомолье и хлебопеченье. 1935. - № 4. -С. 17-20

24. Jenkin С. F. The Pressure Exerted by Granular Material: an Application of the Principles of Dilatancy. Proceedings of Royal Society of London, Serie A, vol. 131, 1931,53-89.

25. Зенков P. JI. Механика насыпных грузов. М.: Машиностроение. 1964 -с.251.

26. Зенков P. Л., Гриневич Г. П., Исаев В. С. Бункерные устройства. М.: Машиностроение, 1977. - 244с.

27. Иванов И. Г. Исследование процесса сводообразования в бункерах. // Записки ЛГИ 1961. - Т.44. - Вып.1. - Разработка рудных месторождений.

28. Иванов И. Г. О методах изучения процесса сводообразования. // Сборник научных трудов Криворожского горного института, 1963. Вып.23. - С. 17-24.

29. Jenike A.W. Better design for bulk handing. // Chemical Engineering. 1954. -N 12.

30. Jenike A.W., Elsem P. I., Woley R. H. Flow properties of bulk solids. // Proceedings A.S.T.M. 1960. - Vol. 60. - P. 1168-1181.

31. Jenike A.W. Gravity flou of solids. // Trans, of the institution of chemical Engineering. 1962. - Vol. 40. - N 5. - P. 264-271.

32. Jenike A.W. Why bins don't flow? Mechanical Engineering. 1964. - p. 4043.

33. Протодьяконов M. M. Давление горных пород и рудничные крепления, 4.1,4.2 М., 1933.

34. Покровский Г. И., Арефьев А. Н. Об истечении сыпучих тел // Журнал технической физики. 1937., - Т. VII. - Вып. 4. - С. 424-427.

35. Платонов П. Н., Банит Е. А. Пропускная способность выпускных отверстий силосов и бункеров // Мукомол.-элеватор. промышленность. 1958. №8. С. 28-29

36. Newton R.H., Dunham G.S., Simpsson Т.Р. // Transaction of the American institute of chemical Engineering. 1945. - N4. - P. 219.

37. Гениев Г. А. Вопросы динамики сыпучей среды // Научные сообщения ЦНИИСК. Вып.2. М.: Госстройиздат, 1958. - 122с.

38. Гениев Г. А. Об одном варианте теории сыпучей среды // Строительная механика. 1965. - № 6. - С. 23-26.

39. Гениев Г. А. Теория установившегося движения сыпучей среды. М.: Госстойиздат, 1956. - С. 38-45.

40. Григорьян С. С. Об осесимметричных движениях сыпучей среды // Прикладная математика и механика. 1967., - Т.21 вып.2. - С. 27-29

41. Кенеман Ф. Е. О свободном истечении сыпучих тел. // Известия АН СССР, отд. механики и машиностроения. 1960. - №2. - С. 70-72.

42. Jenike A.W., Elsem P.I., Woley R.H. Flow properties of bulk solids // Proceedings A.S.T.M. 1960.-Vol. 60.-P. 1168-1181.

43. Jenike A.W. Gravity flou of solids // Trans, of the institutions of chemical Engineering. 1962. - Vol. 40. - N 5. - P. 264-271.

44. Jenike A.W. Why bins don't flow? Mechanical Engineering. 1964. - P. 4043.

45. Shirai T. // Chemical Engineering. 1972. - N 16. - P. 86.

46. Richmond O. Gravity hopper design // Mechanical Engineering. 1963. - N 1

47. Блох В. А., Чайка Г. К. К вопросу о рациональной форме бункера // Сталь. 1955. №6 - С. 37-39.

48. Бривманис Р. В., Бумманис А. К. Пути обеспечения полного опорожнения силосов. // Механика сыпучих материалов: Тез. докл. Всесоюз. конф. Одесса 1980. - С. 152-153.

49. Бузенков Г. М., Ма С. А. Машины для посева сельскохозяйственных культур. М.: Машиностроение 1976.

50. Кунаков В. С. К вопросу движения связанного сыпучего материала в бункерах сельскохозяйственного назначения. / РИСХМ., Ростов н/Д, 1985. -16с. Док. в ЦНИИТЭИ Тракторсельхозмаш 15.01.85, №5337.

51. Муравкин Б. И., Сидоров П. Н. Рациональная форма бункера для угольной пыли. // Электрические агрегаты. 1957. - №4. С. 12-15.

52. Гячев JI. В. Движение сыпучих материалов в трубах и бункерах. М.: Машиностроение, 1968.- 184с.

53. Гячев Л. В. Основы теории бункеров. Новосибирск: Изд-во Новосибирского университета. 1992. - 311с.

54. Кунаков В. С. Исследование характера сил трения между зернами влажного сыпучего материала. / РИСХМ. Ростов н/Д. - 1980. - 5с. - Док. в ЦНИИТЭИ Тракторсельхозмаш. 12.01.81 №193.

55. Богомягких В. А. Теория и расчет бункеров для зернистых материалов. -Ростов н/Д, Изд-во РГУ, 1973. 148с.

56. Литвинов А. И. Динамика потока тел. Ростов н/Д. Изд-во РИСХМ, 1979. -94с.

57. Семенов В. Ф. Механико-технологические основы истечения зернистых сельскохозяйственных материалов из емкостей: Автор, дисс. д-ра техн. наук. -Новосибирск 1980. 45с.

58. Баранова А. Б. Исследование влияния сводообразования на истечение сыпучих материалов: Дис. канд. техн. наук Ростов н/Д, (РИСХМ), 1973. 107с.

59. Михайличенко В. Н. Сводообразование в сыпучем материале. // Вопросы механики в сельхозмашиностроении. Ростов н/Д РИСХМ, 1977. С. 29-34

60. Иванова Е. Ф. Исследование движения сельскохозяйственных сыпучих материалов в трубах и бункерах. Дис. канд. техн. наук. - Ростов н/Д. (РИСХМ)-1968. 217с.

61. Нарядовой В. Л. Исследование неустановившегося режима истечения сыпучих материалов из бункерных устройств сельхозмашин: Дис. канд. техн. наук. Ростов н/Д (РИСХМ) 1973. - 169с.

62. Скорик И. А. Исследование истечения зернистых материалов из бункеров: Дис. канд. техн. наук. Ростов н/Д. РИСХМ 1969. - 189с.

63. Кунаков В. С. Исследование закономерностей движения влажных зерновых материалов в бункерах сельхозмашин и агрегатов. Дис. канд. техн. наук. Барнаул, (АЛИ) 1981. - С. 176.

64. Кунаков В. С. Интенсификация процессов выгрузки сводообразующих зерновых материалов. Дис. докт. техн. наук. Ростов н/Д. ДГТУ, 1998. - С. 407.

65. Платонов П. Н. Элеваторы и склады. Агропромиздат М 1987

66. Трисвятский JI. А. Техника и технология хранения и переработки зерна. Труды ВНИИЗ, 1976. №83 с.

67. Трисвятский JI. А. Техника, технология и экономика хранения зерна Труды ВНИИЗ, 1978. №90 с.

68. Козьмина Н. П. Хранение зерна (Перевод с английского), М. Колос, 1975.C.

69. Горелова Е. И. Основы хранения зерна. 1986

70. Боуманс Г. Эффективная обработка и хранение зерновых материалов. Пер. Дашевского В.И., 1991г.

71. Кондрашев Г. А. Применение полимерных покрытий на мельничных и комбикормовых предприятиях. Серия комбикормовая промышленность. М., ЦНИИТЭИ Минзав СССР. 1978 С. 5-20.

72. Малахов Г.М. Выпуск руды из обрушенных блоков. Металлургиздат, 1952г.

73. Кувшинников И. М., Малоносов Н. J1. Метод определения слеживаемости минеральных удобрений. Химия в с/х., 1970, №10 С. 27-31.

74. Белоусов В. А. К вопросу оптимальных давлений при таблетировании лекарственных порошков. Химико-фармацевтический журнал., 1976, №3 С. 105-111.

75. Езерский М. JL, Письменная Г. М., Сапожникова Е. М. Об измерении слипаемости порошков антибиотиков. Химико-фармацевтический журнал. 1976 №3 С. 145-149.

76. Паталах А. Ф., Безручко Г. А., Широков М. В., Шипик JI. Ю. Влияние некоторых сводообразующих факторов на истечение зерновых материалов из бункеров.

77. Удодова Т. С., Кучеренко В. Н., Вовкотруб Н. Ф. Влияние некоторых факторов на процесс слеживания порошкообразных молочных продуктов. Молочная промышленность №2,1980. С. 17-20.

78. Кондрашов Г. А., Кондрашева JI. И., Сухина М. И. Истечение сыпучих продуктов из бункеров и силосов. Известия вузов, Пищевая технология, №2, 1981.

79. Зимон А. Д. Адгезия пыли и порошков. Химия, 1976 - с. 95-134.

80. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука 1982 с. 371-380

81. Соколовский В. В. Статика сыпучей среды. М.: Физматгиз. - 1960

82. Богомягких В.А., Кунаков B.C., Пахайло А.И. Статическая теория истечения сыпучих тел. Ростов н/Д: Изд. РГУ, 1998. 147с.

83. Алферов К.В. Бункеры, затворы, питатели. М.: Машгиз, 1946, - 178с.

84. Джунта И.С. Каналы течения гранулированных материалов в бункерах с плоскими днищами. // Конструирование и технология машиностроения: Тр. амер. о-ва инженеров-механиков.-1969г. Сер.В. - №2. -с. 123-132.

85. Технология хранения зерна: Учебник для вузов/Под ред. Е.М.Вобликова.-СПб.: Издательство "Лань", 2003.-448с.

86. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. М.: Физматгиз. -1963 .-472с.

87. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.Н. Адгезия твердых тел. -М., Наука, 1973 279с.