автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование процесса очистки бункерного вороха пшеницы в комбинированном сепараторе

На правах рукописи

ПОПОВ Антон Евгеньевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ БУНКЕРНОГО ВОРОХА ПШЕНИЦЫ В КОМБИНИРОВАННОМ СЕПАРАТОРЕ

Специальность 05.20.01-Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 оев гт

Воронеж 2011

005009012

Работа выполнена на кафедре «Высшая математика и теоретическая механика» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный агарный университет имени императора Петра I».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шацкий Владимир Павлович

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор

Оробинский Владимир Иванович

Кандидат технических наук Агеев Алексей Анатольевич

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт комбикормовой промышленности ОАО «ВНИИКП»

Защита диссертации состоится «21» февраля 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.010.04 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I».

Автореферат размещен на сайтах ' http://www.vsau.ru и http ://www.vak.ed.gov.ru

Автореферат разослан «20» января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

И.В. Шатохин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшим звеном в единой технологической цепочке зернового производства является послеуборочная обработка и хранение зерна. В настоящее время снижение урожайности и, как следствие, экономической эффективности зернопроизводства во многом объясняется использованием устаревших технологий послеуборочной обработки зерна и подготовки семян. Основными путями увеличения производства зерна являются повышение урожайности за счет использования высококачественного посевного материала и снижение потерь зерна на всех стадиях производства.

Проблема повышения качества посевного материала неразрывно связана с технологическим процессом очистки семенного материала.

Главными причинами низкого качества семян являются несвоевременная обработка зернового вороха, высокий уровень травмирования зерна при уборке и послеуборочной обработке, а также недостаточное выделение биологически неполноценного зерна при послеуборочной обработке.

Интенсификация процесса сепарации и получение качественного семенного материала не возможна без использования новых или модернизированных сельскохозяйственных машин.

Поэтому в последнее время в нашей стране и за рубежом ведутся разработки по внедрению новых технологических процессов и технических средств, для реализации перспективных энерго- и ресурсосберегающих технологий производства семян сельскохозяйственных культур.

Особенно актуальна проблема сбережения ресурсов для малых и фермерских хозяйств.

В настоящее время существует множество способов и технических устройств для очистки бункерного вороха зерновых культур. Однако наиболее эффективными, в вопросе энерго- и ресурсосбережения, являются устройства в которых процесс очистки происходит под действием сил гравитации. Гравитационные машины, обладая рядом преимуществ (малые масса, габаритные размеры, установочная площадь, требуемый объем помещения, простота обслуживания, способность обрабатывать зерновой материал повышенной влажности, отсутствие вибрации), могут использоваться для подготовки зерна (семян) к сушке, хранению или последующей основной очистке.

Таким образом, проблема повышения эффективности процесса сепарирования сыпучих материалов является актуальной и требует разработки путей ее эффективного решения.

Целью работы является повышение качества очистки бункерного вороха пшеницы.

Объект исследования: процесс разделения бункерного вороха пшеницы рабочими органами комбинированного сепаратора и устройство для его реализации.

Предмет исследования - закономерности разделения бункерного вороха пшеницы при его обработке на рабочих органах комбинированного сепаратора.

Методика исследований - аналитическое исследование процесса се-

парации бункерного вороха пшеницы рабочими органами комбинированного сепаратора выполнены на основе математического моделирования; экспериментальные исследования проводили в лабораторных условиях; результаты экспериментальных исследований обрабатывали с использованием программ Microsoft Word, Microsoft Excel и др.

Научная новизна заключается:

- в разработке математической модели движения компонентов вороха в комбинированном сепараторе, отличающаяся учетом влияния изменения массы элемента потока и конструктивных параметров рабочих органов на перемещение вороха в процессе его.обработки;

- в обосновании рациональной формы криволинейных сепарирующих поверхностей;

- в разработке технического решения для реализации процесса разделения бункерного вороха пшеницы рабочими органами комбинированного сепаратора.

Практическая значимость:

- реализация нового технического решения - комбинированного сепаратора для разделения семенных смесей обеспечивает качественные показатели очистки зернового вороха, соответствующие агротехническим требованиям;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при проектировании комбинированного сепаратора.

Реализация результатов исследований. Работа выполнена согласно плану научно-исследовательских работ Воронежского ГАУ. По результатам исследований разработан, изготовлен и испытан в лабораторных условиях опытный образец комбинированного сепаратора. Отдельные результаты исследований используются в учебном процессе студентами агроинженерного факультета Воронежского ГАУ.

Достоверность научных положений подтверждается результатами лабораторных исследований, полученных с использованием современной измерительной аппаратуры при достаточном количестве повторностей опыта, обработкой опытных данных с использованием методов математической статистики и актом проверки результатов исследований в лабораторных и производственных условиях.

Апробация работы. Основные положения работы доложены, обсуждены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Воронежского государственного аграрного университета в 2005-2011 годах.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в их числе 3 - в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 1 патента на полезную модель РФ, общим объемом 2,23 усл. п. л. (авторских 1,36 усл. п. л.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников включающего 133 наименования, из них 11 на иностранных языках и прило-

жений. Основная часть диссертации содержит 129 страниц компьютерного текста, включая 47 рисунков, 17 таблиц.

На защиту выносятся: математическая модель перемещения компонентов вороха по криволинейным рабочим поверхностям комбинированного сепаратора, учитывающая изменение массы элемента вороха в процессе очистки; техническое решение для реализации процесса разделения бункерного вороха пшеницы рабочими органами комбинированного сепаратора; параметры предложенного технического решения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулированы: цель работы, объект и предмет исследований, научная новизна. Представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследования» проведен анализ исследований то совершенствованию процесса очистки бункерного вороха пшеницы.

Анализ исследований показал, что одной из причин некачественной обработки бункерного вороха пшеницы, является несовершенство конструкций выпускаемых серийных машин, а именно разделение по одному признаку, поэтому для обработки необходимо использовать сочетание нескольких признаков разделения одновременно.

Вопросами связанными с совершенствованием качества очистки бункерного вороха зерновых культур занимались А.Н. Зюлин, В.И. Анискин, Г .И. Гозман, Н.Е. Авдеев, Ю.В. Чернухин, А.П. Тарасенко, В.И. Оробинский, B.C. Быков, В.В. Кузнецов и др.

Анализ всех типов существующих сепараторов для очистки бункерного вороха зерновых культур и факторов, влияющих на повышение эффективности разделения смесей, позволяет сделать следующие выводы:

- Наиболее эффективным и производительным способом разделения зерновых примесей является пневмоинерционный.

- Сочетание различных физико-механических свойств для разделения смесей является перспективным направлением дальнейших разработок сепараторов.

В качестве рабочих органов предлагается использовать решета двух типов: плоские - с клиновидными отверстиями и прутковые - криволинейной формы.

По результатам проведенного анализа и в соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Обосновать принципиальную схемы комбинированного сепаратора и определить его рациональные параметры.

2. Разработать математическую модель движения компонентов вороха, учитывающую влияние изменения массы и конструктивных параметров рабочих органов на перемещение вороха в процессе его обработки.

3. Экспериментально оценить количественные и качественные показатели работоспособности элементов предложенной конструкции, а также проверить адекватность математической модели.

4. Обосновать и выбрать наиболее рациональные параметры предлагаемого устройства.

5. Обосновать экономическую целесообразность использования предложенного комбинированного сепаратора.

Во втором разделе «Теоретические исследования процесса очистки бункерного вороха пшеницы в комбинированном сепараторе» предлагается

принципиальная схема обработки вороха в комбинированном сепараторе (рисунок 1). Исходный ворох из бункера 2 поступает в питающий зернопровод 3, под действием гравитационных сил движется вниз и попадает в камеру воздушной сепарации 5. В ней из вороха нагнетательным воздушным потоком, создаваемым вентилятором 4, уносятся в осадочную камеру 6 легковесные компоненты.

Далее ворох попадает на рабочие органы с клиновидными отверстиями 4 (рисунок 2). Преимуществом решет данного типа является отсутствие эффекта заклинивания отверстий за счет их клиновидной формы, то есть они равномерно расширяются от начала к окончанию (расстояние Ь, меньше расстояния Ь2). Также данные рабочие органы позволяют регулировать крупность получаемых фракций. При движении по ним основная часть зернового материала вместе с мелкими примесями просыпается вниз и попадает на скатную поверхность 10. Крупные примеси продолжают свое движение по каскаду решет и попадают в материало-приемник для крупной фракции.

Проходовая фракция попадая на скатную поверхность 10 продолжает свое движение по ней и затем попадает на рабочий орган второго типа (рисунок 3),который выполнен в виде вогнутых, параллельно сформированных прутков с заданным расстоянием между ними. Прутки для

1 - корпус, 2 - бункер, 3 - питающий зернопровод, 4 - вентилятор, 5 - камера воздушной сепарации, 6 -осадочная камера, 7 - рабочие органы с клиновидными отверстиями, 8, 9 - рабочие органы пруткового типа, 10, 11 - скатные поверхности, 12, 17 - каналы для вывода прохо-довой фракции, 13, 14, 15, 18 - ма-териалоприемники, 16 - шарнирный механизм.

Рисунок 1 - Принципиальная схема комбинированного сепаратора

Рисунок 2 - Рабочий орган с Рисунок 3 - Прутковое решето

клиновидными отверстиями

обеспечения параллельности по всей длине имеют крепление в 4-х точках, два по краям и два промежуточных. Промежуточное крепление осуществляется следующим образом. Каждый из прутков крепится к металлическому основанию, причем ширина каждого усика Ь, данного основания, меньше диаметра прутка (1, а его высота И больше расстояния между прутками I. Это сделано для исключения очагов забивания в местах крепления. Поверхность рабочих органов выполнена в виде части окружности определенного радиуса.

В результате движения по вогнутым рабочим органам очищаемый материал, за счет центробежной силы, сильнее прижимается к сепарирующей поверхности, при этом повышается интенсивность просеивания и исключается эффект отскока частиц от поверхности. Проходовая фракция просеивается через калибрующие каналы и при помощи скатных поверхностей 11 и каналов 12 и 17 выводится из сепаратора. Сходовая фракция самотеком поступает в бункер для очищенного материала.

С целью определения рациональных параметров был применен инструмент математического моделирования. На первом этапе был смоделирован процесс воздушной очистки, происходящий на первой ступени комбинированного сепаратора. Его основной целью является выделение легковесных примесей.

Схема сил и система уравнений, описывающие процесс воздушной очистки представлены на рисунке 4.

Для данной схемы сил математическая модель будет выглядеть следующим образом:

У„

Уо

V, И,

Vy

V

где кп - коэффициент парусности, УПот - скорость воздушного потока, § - ускорение свободного падения.

пщ

Рисунок 4 - Схема сил дейст-

Начальными условиями для решения данной системы дифференциальных уравнений будут:

вующих на рассматриваемый

элемент вороха на первой ступе- х(0) = х0,у(0) = у0,х(0) = 0,у(0) = у0

ни очистки комбинированного

сепаратора

известно что коэффициенты парусности для пшеницы равны 0,07-0,2, а для половы 0,6-4,2.

Результаты численной реализации моделирования воздушной очистки первой ступенью предлагаемого устройства представлены на рисунке 5. Переменные параметры - скорость воздушного потока и начальная скорость, постоянные: коэффициенты парусности К„=0,2 для пшеницы, Кп=0,6 для половы. Соотношение скорости воздушного потока и начальной скорости подбирали таким образом, чтобы происходило полное разделение семян пшеницы и половы, без выноса основного материала в отходовую фракцию. Рисунок 5 начальная скорость и скорость воздушного потока: а) Ун=0,3 м/с У„=4 м/с, б) У„=0,5 м/с У„=4,4 м/с, в) У„=0,7 м/с Уп=4,7 м/с, г) У„=0,9 м/с Уп=5 м/с

Анализируя результаты моделирования можно сделать вывод о том, что без потерь семян основной культуры в отходы можно полностью разделить семена пшеницы и половы. При этом рациональными будут следующие параметры: начальная скорость У„=0,3 м/с, скорость воздушного потока У„=4-4,5 м/с.

Разработанная компьютерная программа позволяет определить рациональные геометрические и технологические характеристики первой ступени очистки комбинированного сепаратора.

На втором этапе был смоделирован процесс очистки, происходящий в 3-м и 4-м блоках комбинированного сепаратора.

При рассмотрении движения элемента вороха пшеницы по поверхности рабочего органа приняты следующие допущения: элемент вороха в сече-

Из литературных источников

-О 05 О О.Ь5 О.У 0.15 0,2 -Ь.К О 3(3 С1 0,15 02 С.25

15 ' 0.2 ' О.Й -0 05

) ' ' 0.05 010150205

-семена пшеницы

................ полова

Рисунок 5 - Результаты реализации моделирования воздушной очистки на входе в комбинированный сепаратор.

нии имеет круглую форму; частицы вороха не контактируют между собой.

В данном случае на элемент потока действуют: сила тяжести пц», результирующая сила реакции связи стенок канала Нри и результирующая сила трения частицы о поверхности образующие канал Ртр (рисунок б).

Математическая модель описывающая процесс движения элемента вороха по криволинейной сепарирующей поверхности у(х) с учетом изменения его массы имеет вид:

-ц1 _

1 + ре ц

ч ■ / -

х(0) = х0; х(0) = у0, где р - радиус кривизны поверхности

х =

'V

- + §соза

'сова

Г •——г-вюа

бшВ

Р =

г Га ^

ч ^с- ,

dx

2'

V2 - квадрат скорости,

р - коэффициент засоренности = - коэффици-ш0

ент сепарации, f - коэффициент трения, 1 - длина участка сепарирующей поверхности, 1

cosa = —====,

Vl + y'(x)2

мни — . ----- ■— .

Л/1+УТХ)2

Задав уравнение поверхности, мы можем определить скорость и координаты участка потока в любой момент времени. Ограничивающим фактором для реального процесса является недопущение уменьшения скорости движения зернового потока. В таблице 1 представлены результаты численной реализации выражения 1.

Таблица 1 - Уравнения поверхностей

Уравнение поверхности Скорость, м/с. (без учёта сепарации) Скорость, м/с. (с учётом сепарации) Радиус кривизны

0,2*(х2+2*х) 2,52 2,75 4,92

0,3*(х2+х) 2,57 2,78 3,69

0,3*(х2+2*х) 3,25 3,51 5,19

0,4*(х2+х) 2,67 2,88 3,81

0,4*(х2+2*х) 2,73 2,95 5,85

0,5*(xz+x) 3,36 3,62 4,07

0,5*(х2+2*х) 2,67 2,88 6,80

0,2*(х3+х) 2,42 2,64 4,05

0,2*(х3+2*х) 2,82 3,05 5,00

0,3*(х3+х) 2,97 3,21 3,66

0,3*(х3+2*х) 3,43 3,72 5,15

0,4*(х3+х) 3,07 3,32 3,57

(х+0,5)2+(у-35И)2=1 4,07 4,50 1,00

(х+0,4)2+(у-0,69)2=0,64 3,15 3,47 0,80

(х+0,3)2+(у-0,5)2=0,36 2,65 2,93 0,60

Рисунок 6 - Силы, действующие на элемент потока, движущегося по криволинейной сепарирующей поверхности

Следующий фактор, который влияет на выбор рациональной формы сепарирующей поверхности - радиус кривизны, уменьшение которого увеличивает прижимную силу и, следовательно, улучшает процесс сепарации.

Из таблицы полученных результатов видно, что наименьшим радиусом кривизны, а, следовательно, и наибольшей прижимной силой, обладает окружность.

Следует также отметить, что радиус кривизны окружности - величина постоянная, в отличие от остальных уравнений поверхности, для которых эта величина является средней.

Преобразуя уравнение (1) для случая, когда рабочей поверхностью является часть сектора, получим:

х =

V ) (. соза . ^ — ч^сова г--г-8та

. Р

р + е^

этр

Длина участка сепарирующей поверхности равна:

+ У х(0*\ (2)

. О Г <Ь • 2

1 = й. • = Я - агсБШ—

х(о>2+4) к

" Л .Х0 . х(0 = К • агсвт— - атсвт—1— .(.) V Я Я

(3)

После несложных преобразований, учитывая, что у'^,) =— • и

Г,-л— а

лМ+У *(') =—т= , получим окончательное уравнение описывающее движение элемента потока:

~и\ ( у21 Г^ова . р Я , ,,, хш= есозан-— ---эта--?—--—7ц , =х | '. (4)

лДяпр )

Численное решение этого уравнения с начальными условиями х(0) = х„, х(0) = у„ позволяет определить закон движения элемента потока по сепарирующей поверхности выполненной в форме части окружности радиуса Я.

Результаты численной реализации предложенной модели представлены на рисунке 7. На нем показана зависимость изменения скорости элемента потока от его начальной скорости и коэффициента сепарации. Коэффициент сепарации принимали равным 0; 0.3; 0.4.

|- - ■ 0,4 - —0.3 0| ' - - 0.4--0,3 01

[.". -0.4— —0,3 о] Г - -0,4— —0,3 о]

Рисунок 7 - Графики изменения скорости элемента потока от его начальной скорости и коэффициента сепарации.

Из зависимостей, представленных на рис. 7, видно, что разница скорости с учетом коэффициента сепарации и без его учета составляет около 10%, что является существенным фактом и говорит о необходимости учета изменения массы при составлении математических моделей, описывающих процесс движения зернового вороха в сепараторах.

Результаты проведённых расчетов (таблица 1) показали, что наилучшим вариантом является окружность радиусом 0,8 м., часть сектора я/6 - рабочая поверхность. При этом длина участка сепарирующей поверхности составляет приблизительно 0,4 м.

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» - изложена программа экспериментальных исследований, дано описание лабораторной установки и методики проведения опытов.

В соответствии с поставленными задачами программой экспериментов

было предусмотрено следующее:

- определить состава бункерного вороха пшеницы;

- определить влажность пшеницы;

- определить посевные качества пшеницы;

- определить скорости витания и коэффициенты парусности компонентов вороха;

- определить коэффициенты сепарации рабочих органов;

- исследовать влияния величины и скорости подачи вороха на качественные показатели процесса его сепарации через калибрующие каналы рабочих органов сепаратора;

- определить рациональное положение и количество рабочих органов сепаратора;

- определить скорости схода компонентов вороха с рабочих органов сепаратора;

- определить микротравмирование зерен пшеницы.

Процесс очистки бункерного вороха пшеницы различными типами рабочих органов сепаратора проводили на лабораторной установке (рисунок 8). Сменные рабочие органы представлены на рисунке 9.

1 - рама; 2 - бункер; 3 - дозирующее устройство; 4 - сменный рабочий орган;5 - скатная поверхность; 6 - шарнирное крепление рабочего органа; 7,

8 - семясборники. Рисунок 8 - Схема и общий вид лабораторной установки

Установка была разработана и изготовлена на основании результатов теоретических исследований, представленных во 2-м разделе.

а) б) в)

а) - рабочий орган с клиновидными отверстиями; б), в) - прутковые рабочие органы Рисунок 9 - Рабочие органы сепаратора

При проведении опытов определяли: уровень микротравмирования, состав исследуемого вороха, посевные качества, потери и скорости схода компонентов вороха.

В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты экспериментальных исследований и дан их анализ.

С целью определения рациональных параметров: начальной скорости, подачи материала и количества решет, при которых обеспечиваются наилучшие показатели качества разделения вороха рабочими органами с клиновидными отверстиями, были проведены опыты по определению влияния этих показателей на качество очистки (рисунок 10,11, 12).

На рисунке 10 показаны результаты опытов по определению потери семян пшеницы Ц от скорости поступления V,, и удельной подачи вороха, т/ч.

а) б)

Пс, %з-5

Пс, %

Ун, м/с

-Зт/ч —■— 5 т/ч ■

-Зт/ч —5т/ч —т/ч

а) проход по 2 решетам; б) проход по 4 решетам Рисунок 10 - Зависимость потери семян основной культуры от скорости поступления и удельной подачи вороха

На рисунке 11 показаны результаты опытов по определению степени разделения круппых компонентов вороха и засоренности от скорости поступления и удельной подачи вороха.

а) б)

а) степень разделения крупных компонентов вороха; б) засоренность Рисунок 11 - Зависимость качественных показателей от скорости поступления и подачи зернового вороха

На рисунке 12 показаны результаты опытов по определению пропускной способности рабочих органов с клиновидными отверстиями от скорости

поступления и удельной подачи вороха.

Анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что рациональными будут следующие показатели: У0 до 3м/с, подача до 5т/ч, количество решет 4.

Далее были проведены аналогичные исследования для рабочих органов пруткового типа с расстоянием между прутками 1,8мм.

На рисунках 13 14,15 показаны результаты опытов по определению засоренности 30К, степени разделения мелких компонентов вороха Ек от скорости поступления и удельной подачи вороха и зависимость пропускной способности пруткового рабочего органа с расстоянием между прутками 1,8мм, от скорости поступления вороха.

15

Рисунок 12 - Зависимость пропускной способности рабочих органов с клиновидными отверстиями от скорости поступления вороха

а) проход по 1 решету; б) проход по 2 решетам Рисунок 13 - Зависимость засоренности от скорости поступления и удельной подачи вороха

Ек, %

Ун, м/с

Рисунок 14 - Зависимость степени разделения мелких компонентов вороха от скорости поступления и подачи вороха

Рисунок 15 - Зависимость пропускной способности пруткового рабочего органа от скорости поступления вороха

Полученные зависимости позволяют сделать вывод о том, что рациональными будут следующие показатели: У0 до 3м/с, подача до 8т/ч, количество прутковых решет с расстоянием между прутками 1,8мм. - 2.

На рисунке 16 показаны результаты опытов по определению полноты разделения фуражной фракции Ес от скорости поступления Ун и удельной подачи вороха на прутковых решетах с расстоянием между прутками 2,4мм.

На рисунке 17 показаны результаты опытов по определению пропускной способности пруткового рабочего органа с расстоянием между прутками 2,4мм, от скорости поступления вороха от удельной подачи я и скорости поступления Ун.

Ч, т/ч

3,5 4.5

10таГ| УН, М/С

а) проход по 1 решету; б) проход по 2 решетам Рисунок 16 - Зависимость полноты разделения фуражной фракции от скорости поступления и подачи вороха

Полученные зависимости позволяют сделать вывод о том, что рациональными будут следующие показатели: У0 до 3м/с, подача до Ют/ч, количество прутковых решет с расстоянием между прутками 2,4мм. - 2.

Исследования энергии прорастания и лабораторной всхожести, массы 1000 семян и уровню микротравмирования проводили после очистки каждой ступенью комбинированного сепаратора. Наибольший эффект по увеличению лабораторной всхожести и массы 1000 семян наблюдался после очистки на прутковых решетах с расстоянием между прутками 2,4 мм. Подтверждением этому являются рисунки 18, 19 на которых изображены зависимости лабораторной всхожести и массы 1000 семян от количества проходов по прутковым решетам.

Рисунок 17 - Зависимость пропускной способности пруткового рабочего органа с расстоянием между прутками 2,4мм, от скорости поступления вороха

3 4 _повторность

]□ Исходный ворох И1 проход Р2прохода |

Рисунок 18 - Зависимость лабораторной всхожести от количества проходов по прутковым решетам с расстоянием между прутками 2,4 мм

1 2 количество проходов

Рисунок 19 - Зависимость массы 1000 семян от количества проходов по прутковым решетам с расстоянием между прутками 2,4 мм

Данные рисунка 18 позволяют сделать вывод о том, что 1-го решета недостаточно для достижения требований ГОСТ по лабораторной всхожести, так как отдельные пробы не достигали 92 % всхожести. Однако проход по двум решетам обеспечивает достижение требуемого уровня лабораторной всхожести по ГОСТ Р 52325 - 2005.

Полученная зависимость рисунка 19 показывает, что проход по двум решетам дает существенное увеличение массы ЮООсемян, а начиная с третьего прохода наблюдается незначительное увеличение исследуемого показателя. Поэтому целесообразно принять количество прутковых решет с расстоянием между прутками 2,4 мм равным 2.

Результаты по изменению микротравмирования семян пшеницы представлены в таблице 2.

Исходный ворох После клиновидных решет После прутковых решет (1,8 мм). После прутковых решет (2,4 мм).

Тщ,. % 32,85 34,63 35,19 35,82

Данные таблицы 2 показывают, что основное увеличение микротравмирования наблюдается после прохода по решетам с клиновидными отверстиями.

На рисунке 20 представлены экспериментальные и теоретические траектории полета элемента потока, где Н и Ь - соответственно вертикальная и горизонтальная координаты полета при сходе с пруткового рабочего органа с

расстоянием между прутками 2,4 мм, экспериментальной установки.

Построенные зависимости показывают, что значения, рассчитанные теоретически, незначительно отличаются от экспериментальных данных (расхождение не более 8%), что объясняется влиянием взаимодействия между отдельными элементами вороха в процессе их движения. Такое незначительное расхождение теоретических и экспериментальных значений свидетельствует об адекватности разработанной математической модели.

В пятом разделе «Экономическая оценка эффективности комбинированного сепаратора» - представлены результаты расчетов технико-экономических показателей эффективности использования предложенного технического устройства. В качестве объекта для сравнения выбран серийно выпускаемый гравитационный сепаратор ЗГ-5.

Проведенные расчеты показали, что несмотря на несколько более высокие показатели, такие как прямые эксплуатационные затраты и затраты труда в проектируемом варианте, годовой экономический эффект может быть достигнут за счет более высокого качества обрабатываемого материала, при этом годовой экономический эффект от внедрения комбинированного сепаратора составляет 148,25 тыс. руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ теоретических и экспериментальных исследований показал, что совершенствование процесса предварительной очистки бункерного вороха семян пшеницы возможно за счет использования в комбинированном сепараторе решет двух типов: плоских с клиновидными отверстиями и прутковых в виде вогнутой гребенки.

2. Разработаны математические модели движения компонентов вороха по поверхности рабочих органов, учитывающие изменение массы элемента потока, а также влияние конструктивных и режимных параметров сепаратора на перемещение вороха в процессе его обработки.

3. Численная реализация модели движения по криволинейным рабочим поверхностям позволила обосновать рациональную форму сепарирующих

_ _ _ Ц см.____________

[— . -Экспериментальная! — — Экспериментальна^ ■ Теоретическая - ■ - - Экспериментальна^

Рисунок 20- Сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей

поверхностей (дуга окружности), их количество и взаимное расположение, а также кинематические характеристики подачи вороха.

4. Выявлены рациональные значения параметров и режимов работы комбинированного сепаратора: начальная скорость V„=0,3 м/с, скорость воздушного потока в камере воздушной очистки Vn=4-4,5 м/с, количество клиновидных решет - 4 с углом наклона 47°, удельная подача до 10 т/ч, образующая поверхности пруткового рабочего органа представляет часть окружности радиуса 0,8 м. с длиной рабочей поверхности 0,4 м., ширина калибрующего канала 1,8мм (для выделения мелких засорителей), 2,4мм (для выделения фуражной фракции).

5. В результате экспериментальных исследований получено, что комбинированный сепаратор при рациональных значениях его параметров и режимов работы может обеспечить чистоту семян пшеницы на выходе до 99,11%. Потери семян в отходах при этом составят не более 0,5%.

6. Расчетный годовой экономический эффект от применения комбинированного сепаратора составил 148,25 тыс. руб.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Шацкий, В.П. Выбор формы образующей линии сепарирующей поверхности / В .П. Шацкий, А.Е. Попов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2008. - № 10. - С.9.

2. Шацкий, В.П. Моделирование сепарирования зерна с учетом потери массы / В.П. Шацкий, А.Е. Попов, В.А. Гулевский // Механизация и электрификация сельского хозяйства.-2010.-№10. — С.20-21.

3. Шацкий, В.П. К вопросу о конструктивных особенностях и моделировании работы комбинированного сепаратора / В.П. Шацкий, И.В. Гридне-ва, А.Е. Попов // Вестник ВГАУ, - 2011. №30 - С.ЗЗ - 35.

Изобретения и полезные модели

4. Пат. 83018 РФ МКП В 07 В 1/10 Устройство для разделения семенных смесей/ В.П. Шацкий, A.E. Попов. - № 2009109436/22; Заявлен 16.03.2009; Опубл. 20.05.2009, Бюл № 14 - 5 е.: ил.

Статьи в сборниках научных трудов и отраслевых журналах

5. Попов, А.Е. Движение по криволинейной сепарирующей поверхности / А.Е. Попов // Вклад молодых ученых в решение проблем аграрной науки. Материалы межрегиональной науч.-практ. Конференции молодых ученых. - Воронеж. - 2005. - Ч.И. - С.215 - 217.

6. Шацкий, В.П. О математическом моделирование движения потока частиц по криволинейной поверхности с потерей массы / В.П. Шацкий, А.Е. Попов // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления. Межвузовский сборник научных трудов. - Воронеж. - 2005. - Вып.Ю. - С.134 -136.

7. Шацкий, В.П. Самоочищающееся сепарирующее устройство / В.П. Шацкий, А.Е. Попов // Повышение эффективности использования, надежности и ремонта сельскохозяйственных машин / Сб. н. тр. / Воронежский ГАУ. - 2005.-С.192-193.

8 Попов, А.Е. О вопросе моделирования потока частиц по криволинейной сепарирующей поверхности, параболической формы, с учетом потери массы / А.Е. Попов // Международная научно-практическая конференция / Сб. н. тр. / Старооскольский технологический институт. - 2007. - Том IV - С. 43-45.

9. Попов, А.Е. О выборе рациональной формы решет в гравитационном сепараторе / А.Е. Попов, В.П. Шацкий // Мировой опыт и перспективы развития сельского хозяйства. Материалы международной конференции. - Воронеж. - 2008. - 4.1. - С. 226 - 228.

10. Попов, А.Е Моделирование процесса очистки зернового вороха на рабочем органе гравитационного сепаратора / А.Е. Попов, Н.Г. Спирина // Международная научно-практическая конференция преподавателей, сотрудников и аспирантов «образование, наука, производство и управление» / Сб. н. и н.-методических докладов / Старооскольский технологический институт. -2009.-Том II-С. 183-185.

11. Попов, А.Е. К вопросу об экспериментальном обосновании технических и технологических параметров комбинированного сепаратора / А.Е. Попов // Инновационные технологии и технические средства для АПК: материалы всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященные 100-летию Воронежского государственного аграрного университета им. императора Петра I - Ч. IV - Воронеж: ФГБОУ ВПО ВГАУ.-2011.-С.116-121.

Гарнитура Тайме. Формат бОхБО1/^. Бумага кн.-журн. Усл. п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 5672. Типография ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ, 394087, Воронеж, ул. Мичурина, 1.

61 12-5/1624

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ИМПЕРАТОРА ПЕТРА I

На правах рукописи

Попов Антон Евгеньевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ БУНКЕРНОГО ВОРОХА ПШЕНИЦЫ В КОМБИНИРОВАННОМ СЕПАРАТОРЕ

Специальность - 05.20.01 Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, В. П. Шацкий

Воронеж 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................9

1.1.1 Характеристика бункерного вороха пшеницы и перспективы его обработки.....................................................................................9

1.1.2 Основные требования, предъявляемые к очистке зерна....................14

1.2 Способы и средства предварительной очистки бункерного вороха пшеницы....................................................................................16

1.3. Пути совершенствования процесса предварительной очистки бункерного вороха пшеницы............................................................34

1.4. Цель и задачи исследований.......................................................35

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ БУНКЕРНОГО ВОРОХА ПШЕНИЦЫ В КОМБИНИРОВАННОМ СЕПАРАТОРЕ..................................................................................37

2.1. Принципиальная схема обработки вороха......................................37

2.2. Разделение вороха по аэродинамическим свойствам на входе

в комбинированный сепаратор.........................................................41

2.3. Разделение вороха на рабочих органах комбинированного сепаратора....................................................................................47

2.3.1. Разделение вороха по фрикционным свойствам на рабочих

органах пруткового типа..........................................................................47

Основные результаты и выводы...........................................................63

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...........................................................................64

3.1. Программа экспериментальных исследований................................64

3.2. Лабораторные установки...........................................................64

3.3. Методика определения состава бункерного вороха пшеницы..............71

3.4. Методика определения влажности вороха......................................71

3.5 Методика определения посевных качеств семян пшеницы..................72

3.6. Методика определения скоростей витания компонентов вороха..........72

3.7 Методика определения коэффициентов сепарации рабочих органов......73

3.8. Методика исследования процесса разделения вороха в сепараторе.......75

3.8.1. Общая методика исследований...............................................75

3.8.2. Методика исследования влияния величины и скорости подачи вороха на качественные показатели процесса его сепарации

через калибрующие каналы рабочих органов сепаратора......................76

3.8.3. Методика определения количества и положения рабочих

органов сепаратора..............................................................77

3.8.4. Методика определения скоростей схода компонентов вороха

с рабочих органов сепаратора.........................................................79

3.9. Методика определения микротравмирования зерна...........................81

3.10. Математическая обработка результатов экспериментальных исследований................................................................................82

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................84

4.1. Состав бункерного вороха пшеницы..............................................84

4.2. Аэродинамические характеристики компонентов бункерного

вороха семян пшеницы..............................................................85

4.3 Результаты исследования процесса очистки на решетах с

клиновидными отверстиями.......................................................86

4.4 Результаты исследования процесса очистки на прутковых решетах........91

4.4.1 Результаты исследования процесса очистки на прутковых решетах

с расстоянием между прутками 1,8 мм................................................91

4.4.2 Результаты исследования процесса очистки на прутковых решетах

с расстоянием между прутками 2,4 мм................................................94

4.5. Посевные качества семян пшеницы...............................................97

4.5.1 Результаты исследований изменения энергии прорастания и лабораторной всхожести.................................................................97

4.5.2 Результаты исследований изменения массы 1000 семян..................100

4.5.3 Результаты исследований микротравмирования семян...................101

4.6 Определение скоростей схода элементов вороха с пруткового рабочего

органа с расстоянием между прутками 2,4 мм.....................................102

Основные результаты и выводы.........................................................103

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ

КОМБИНИРОВАННОГО СЕПАРАТОРА.............................................105

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..........................................................................114

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.........................................115

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................130

ВВЕДЕНИЕ

Зерновое производство в нашей стране традиционно является основной и наиболее значимой отраслью сельского хозяйства, от развития которой в значительной мере зависит обеспеченность населения продуктами питания, его жизненный уровень.

Важнейшим звеном в единой технологической цепочке зернового производства является послеуборочная обработка и хранение зерна. В настоящее время снижение урожайности и, как следствие, экономической эффективности зернопроизводства во многом объясняется использованием устаревших технологий послеуборочной обработки зерна и подготовки семян. При стабильном сохранении посевных площадей и ведении интенсивного земледелия основными путями увеличения производства зерна являются повышение урожайности за счет использования высококачественного посевного материала и снижение потерь зерна на всех стадиях производства. В целом по Российской Федерации потери зерна из-за недостаточной обеспеченности техникой для послеуборочной обработки составляют от 5 до 10 млн тонн в год, а недобор урожая по причине высева некондиционных семян - 10-15 млн тонн в год.[115].

Проблема повышения качества посевного материала неразрывно связана с технологическим процессом предварительной очистки семенного материала. Данный процесс усложняется тем, что бункерный ворох семян пшеницы, поступающий на пункты послеуборочной обработки, лишь в редких случаях бывает достаточно чистым, чтобы его можно было хранить или направлять на дальнейшую обработку и использовать. Основная масса бункерного вороха содержит примеси, снижающие его качество и возможность хранения.

По данным Госсеминспекции, в последние годы в России стандартных семян высевают не более 20 %, тогда как в ведущих зернопроизводящих странах - 90...95%, даже некондиционных семян по разным показателям качества высевают 10,5...34,9% [108]. Главными причинами низкого качества

семян являются несвоевременная предварительная обработка зернового вороха, что ведет к снижению качества семян из-за поражения их микроорганизмами, высокий уровень травмирования зерна при уборке и послеуборочной обработке, а также недостаточное выделение биологически неполноценного зерна при послеуборочной обработке. Такое низкое качество семян в России объясняется недостаточным технологическим и техническим уровнем механизации производства семян. По мнению академика В.И. Анискина, Э.В. Жалнина, А.Н. Зюлина, увеличение в семенном фонде доли семян, соответствующих по посевным качествам ГОСТ Р52325-2005, до 60 % могло бы дать прибавку урожая в среднем на 0,6 т/га, до 80 % - 0,8т/га, при 100% -около 1,0 т/га, что позволило бы снизить и себестоимость производства зерна [6, 43, 51]. Поэтому эффективная и своевременная обработка зернового материала с целью получения высококачественных семян является важной народнохозяйственной задачей.

Интенсификация процесса сепарации и получение качественного семенного материала не возможна без использования новых или модернизированных сельскохозяйственных машин, органов, узлов или их деталей.

Поэтому в последнее время в нашей стране и за рубежом ведутся работы по разработке и внедрению новых технологических процессов и технических средств, для реализации перспективных энерго - и ресурсосберегающих технологий производства семян сельскохозяйственных культур.

Гравитационные машины, обладая рядом преимуществ (малые масса, габаритные размеры, установочная площадь, требуемый объем помещения, простота обслуживания, способность обрабатывать зерновой материал повышенной влажности, отсутствие вибрации, исключение травмирования семян), решают проблему эффективной подготовки зерна (семян) к сушке, хранению или последующей основной очистке.

Таким образом, проблема повышения эффективности процесса сепарирования сыпучих материалов является актуальной и требует разработки путей ее эффективного решения.

Целью настоящей работы является повышение качества очистки бункерного вороха пшеницы.

Объектом исследования является процесс разделения бункерного вороха пшеницы рабочими органами комбинированного сепаратора и устройство для его реализации.

Предмет исследования - закономерности разделения бункерного вороха пшеницы при его обработке на рабочих органах комбинированного сепаратора.

Методика исследований - аналитическое исследование процесса сепарации бункерного вороха пшеницы рабочими органами комбинированного сепаратора выполнены на основе математического моделирования; экспериментальные исследования проводили в лабораторных условиях; результаты экспериментальных исследований обрабатывали с использованием программ Microsoft Word, Microsoft Excel и др.

Научная новизна заключается:

- в разработке математической модели движения компонентов вороха в комбинированном сепараторе, отличающаяся учетом влияния изменения массы элемента потока и конструктивных параметров рабочих органов на перемещение вороха в процессе его обработки;

- в обосновании рациональной формы криволинейных сепарирующих поверхностей;

- в разработке технического решения для реализации процесса разделения бункерного вороха пшеницы рабочими органами комбинированного сепаратора.

Практическая значимость:

- реализация нового технического решения - комбинированного сепаратора для разделения семенных смесей обеспечивает качественные показатели очистки зернового вороха, соответствующие агротехническим требованиям;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при проектировании комбинированного сепаратора.

Достоверность научных положений подтверждается результатами лабораторных исследований, проведенных с использованием современной измерительной аппаратуры, обеспечивающих приемлемую точность измерений, обработкой опытных данных с использованием компьютерных математических программ. Результаты теоретических исследований достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Апробация работы. Основные положения работы доложены, обсуждены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Воронежского государственного аграрного университета в 2005-2011 годах.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в их числе 3 - в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 1 патента на полезную модель РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников и приложений, изложена на 129 страницах компьютерного текста, содержит 47 рисунков, 17 таблиц. Список использованных источников включает 133 наименования, в том числе 11 на иностранном языке.

На защиту выносятся: математическая модель перемещения компонентов вороха по криволинейным рабочим поверхностям комбинированного сепаратора, учитывающая изменение массы элемента вороха в процессе очистки; техническое решение для реализации процесса разделения бункерного вороха пшеницы рабочими органами комбинированного сепаратора; параметры предложенного технического решения.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Л Характеристика бункерного вороха пшеницы и перспективы его обработки

Бункерный ворох пшеницы, поступающий на пункты послеуборочной обработки, содержит большое количество засорителей (кусочки стеблей, листьев, пыль, семена сорных растений, комочки земли) и представляет собой смесь, состоящую из полноценных, щуплых и поврежденных семян основной культуры, семян других культур и сорных растений. В ворохе также присутствуют примеси минерального и органического происхождения. Содержание семян основной культуры в ворохе изменяется в широких пределах, и по данным различных авторов составляет от 72 до 99% [1, 15, 16, 18, 31, 39, 41, 42, 46, 48, 53, 57, 65, 67, 77, 106, 109, 125, 127, 133]. Минеральная примесь -пыль минерального происхождения, песок, комочки земли и др. - составляет обычно не более 1...1,5% от массы поступающего на обработку зернового вороха [75]. Только при уборке малоурожайных участков с полегшим хлебостоем в годы с неблагоприятными погодными условиями количество минеральных примесей увеличивается до 4.. .5%.

Влажность является важнейшей характеристикой поступающего на обработку зернового вороха и в значительной степени определяет технологию дальнейшей обработки. С увеличением влажности бункерный ворох имеет большую плотность и низкую сыпучесть, что создает дополнительные трудности при его очистке [54, 102, 117].

Влажность и засоренность вороха меняется как в течение периода уборки, так и в течение дня. На эти показатели существенное влияние оказывают техническое состояние комбайнов, квалификация комбайнеров, а также состояние посевов (густота стеблей, высота растений, засоренность), относительная влажность воздуха в день уборки [129].

В процессе послеуборочной обработки влажность примесей превышает влажность зерна в 1,5 и более раз.

Высокой засоренности сопутствует наличие в ворохе частиц с влажностью 50 - 70% и более [3, 50]. Зеленые части растений, как правило, имеют более высокую влажность, что отрицательно сказывается на сохранности зерна в ворохе [50 ,54] до его обработки.

Наличие травмированных зерновок в зерновом ворохе отрицательно влияет на его хранение: снижает его стойкость при хранении, усиливает интенсивность дыхания, развития микроорганизмов, клещей и других вредителей зерна [99, 128].

Свежеубранный зерновой ворох очень быстро подвергается порче под влиянием активного развития плесневых грибов, а также в результате самоотравления при анаэробном дыхании, резкого повышения температуры при самосогревании.

Чтобы не допустить ухудшения посевных качеств семян, следует по-ступаемый зерновой ворох быстро обрабатывать и хранить так, чтобы обеспечить завершение процесса послеуборочного дозревания [80 ,126]. В период послеуборочного дозревания зерновая масса дышит в несколько раз интенсивнее, чем после его завершения.

Известно, что количественные и качественные характеристики комбайнового вороха (влажность и относительное содержание различных компонентов и др.) изменяются в широких пределах.

Исследованиями А.Д.Галкина и В.Д.Галкина [27] установлено, что средняя влажность и засоренность вороха недозревшими (зелеными) зернами составляет соответственно 24 и 20%, из сорных трудно выделяемых примесей в семенах пшеницы, ячменя и овса находятся овсюг, членики дикой редьки, свербича. Среднее содержание члеников дикой редьки в зерновом материале варьирует в пределах 5...60 шт/кг. Авторами установлено, что при

и

среднем содержании в комбайновом ворохе до 4% недозревших зерен можно получить 32...45% семян, соответствующих стандарту.

По данным ВИМ, при хранении зерна влажностью 16... 17% без вентилирования при отсутствии примесей плесневые грибы появляются у ржи через 68 и ячменя ярового - более чем через 100 дней. При наличии 2% мелких зеленых примесей плесневые грибы появляются у ржи через 46 и ячменя ярового - 68 дней, а полная порча семян отмечается соответственно через 46 и 100 дней. При наличии 3% семян сорняков плесневые грибы появляются у ржи через 42 и ячменя - 86 дней, а полная порча семян происходит соответственно через 46 и 100 дней. При наличии 2% зеленых примесей, 2% семян сорняков и 2% дробленого зерна появление плесневых грибов наблюдается у ржи через 16 и ячменя - 27 дней, а полная порча семян - соответственно через 27 и 42 дня. При наличии 3% зеленых примесей, 3% сорняков и 4 % дробленого зерна появление плесневых грибов наблюдается у ржи через 6 и ячменя - 19 дней, а полная порча семян происходит соответственно через 11 и 26 дней. Такая же закономерность отмечена и по другим культурам [79].

Одним из важных факторов развития микроорганизмов на зерне является его жизнеспособность.

Исследованиями Н.Б.Воронюка и М.Г.Голика установлено, что при одинаковых условиях хранения невсхожее зерно пшеницы значительно быстрее плесневеет, чем всхожее. А.В.Коробейников [59] отмечает, что через шесть месяцев хранения на зерне с понижением всхожести с 94 до 52% даже при его влажности 8,7% общее количество микроорганизмов в тысячах на 1 г возврастает с 218,6 до 320,0, в том числе плесневых грибов и бактерий - �