автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование процесса очистки вороха люцерны

ч^. ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. К.Д. ГЛИНКИ

и

На правах рукописи

БУРАВЛЕВ Николай Егорович

УДК 621.928.6 : 633.31

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ВОРОХА ЛЮЦЕРНЫ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОРОНЕЖ-1998

Работа выполнена в Воронежском государственном аграрном университете имени К.Д. Глинки

Научный руководитель - доктор технических наук, академик ААО и МАИ Тарасенко А.П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор JI.T. Свиридов;

кандидат технических наук, доцент U.C. Дорофеев.

Ведущая организация - ОАО ГСКБ «Зерноочистка».

Защита диссертации состоится « 11 » ноября 1998 г. в « 14 » часов на заседании диссертационного Совета Д 120.54.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Воронежском государственном аграрном университете им. К.Д. Глинки по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, д. 1, ВГАУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « 9 » октября 1998 г. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного Совета.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук,

доцент

И.В. LUaroxiiii

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Увеличение производства семян люцерны остается ключевой проблемой сельского хозяйства России. Это связано с трудностью в их уборке и послеуборочной обработке. Применение для очистки семян люцерны традиционных схем и машин для послеуборочной обработки приводит к резкому снижению производительности, увеличению удельных затрат и невысокому качеству очистки. Из-за высокой влажности и засоренности вороха, его обработка влечет за собой значительные потери семян основной культуры, увеличение травмирования и снижение посевных качеств. Наиболее сложной проблемой очистки является выделение семян трудноотделимых сорняков. На основании изложенного можно констатировать, что разработка новых высокопроизводительных сепараторов является научно-технической проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Работа проводилась в рамках технической программы 4.89.9.4 "Разработать и освоить технологические процессы и технические средства для реализации перспективных энерго- и ресурсосберегающих технологий производства сельскохозяйственной продукции и обеспечение безопасных условий труда", включенной в тематику научных исследований агроуни-верситета.

Цель работы повышение эффективности процесса разделения вороха люцерны по аэродинамическим свойствам.

Объект исследований - процесс разделения люцернового вороха в воздушном потоке с предварительной его подготовкой.

Предмет исследований - закономерности процесса разделения люцернового вороха воздушным потоком с предварительной его подготовкой.

Научная новизна. По сравнению с известными техническими решениями научная новизна состоит в том, что:

1) разработаны математические модели движения компонентов на стадиях подготовки вороха к вводу в воздушный поток и его разделения;

2) предложен способ двухстадийного разделения сыпучих смесей по аэродинамическим свойствам, обеспечивающий разные скорости ввода компонентов в воздушный поток на каждой из стадий очистки;

3) теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность выделения ряда трудноотделимых компонентов за счет разной скорости ввода их в воздушный поток.

Техническая новизна предложенного комбинированного сепаратора реализующего способ двухстадийного разделения вороха защищена патентом № 2099155 РФ.

Практическая ценность. Состоит в том, что:

1) разработана конструктивная схема двухстадийной воздушной очистки, обеспечивающей разные скорости вбрасывания компонентов вороха на каждой из стадий;

2) разработана методика проектирования комбинированного сепаратора требуемой производительности;

3) определены конструктивные и технологические параметры сепаратора.

Реализация результатов исследований. Результаты научных исследований переданы:

- в учебный процесс для изучения процесса разделения семян по упругим и фрикционным свойствам;

- конструкторской организации ОАО ГСКБ «Зерноочистка», занимающейся разработкой семяочистительных машин.

Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научных конференциях ВГАУ им. К.Д. Глинки (1993 - 1998 г.г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы 3 печатные работы и получен патент на изобретение.

На защиту выносятся:

- математические модели процесса сепарации вороха;

- принципиальная схема двухстадийяого способа очистки;

- расчетные соотношения для определения параметров сепаратора.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, библиографии и приложений. Общий объем работы составляет 174 страницы, т них 146 страниц основного машинописного текста, 45 рисунков, 7 таблиц и 28 страниц приложений. Список литературы включает 135 наименований, в том числе 3 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и изложены основные положения выносимые на защиту.

В первом разделе дан анализ состава люцернового вороха поступающего на пункты переработки, существующих способов очистки и машин для его обработки. Установлено, что ворох, поступающий на обработку имеет высокую влажность и засоренность. Из литературных источников были выявлены различия в упругих и фрикционных свойствах люцерны и её засорителей.

Вопросам разработки и исследований сепараторов вороха посвящены работы Ю.Д. Ахламова. П.М. Заики, В.Л. Злочевского, И.Е. Кожуховского, В.А. Кубышева, А.И. Нелгобова, Г.Д. Терскова, З.Л. Тиц и др. Анализ их работ показывает, что для очистки сильно засоренного и влажного

вороха люцерны эффективно применение воздушного способа сепарации. Развитие пневмосепарации привело к появлению таких видов сепараторов, как пневмоинерционные и пневмоцентробежные.

Вопросами воздушной сепарации с использованием силовых полей занимались Н.Е. Авдеев, Н.Т. Гармаш, Н.Е. Косилов, П.А, Патрин, И.Ф. Пикуза, В.М. Халанский и др. В результате проведенных исследований были решены многие проблемы. В то же время, анализ работ по гтевмои-нерционному способу сепарирования свидетельствует об отсутствии рациональных конструктивных решений ввода материала в камеру сепарации, которые соответствуют условиям интенсификации разделения вороха в пневмоинерционном поле. Кроме того, анализ исследований позволяют сделать вывод о невозможности выделения только по одному признаку некоторых видов примесей из люцернового вороха, в особенности семян трудноотделимых засорителей.

В соответствии с выше изложенным и поставленной целью исследований в работе предусматривается решение следующих задач исследований:

1. Разработать математические модели процессов подготовки вороха к вводу в воздушный поток и последующего его разделения, позволяющие теоретически обосновать возможность повышения качества воздушной очистки и исследовать закономерности сепарации по комплексу физико-механических свойств.

2. Определить аэродинамические свойства компонентов вороха и влияние фрикционных и упругих характеристик на скорость ввода их в воздушны й по ток и эффективность разделения.

3. Обосновать принципиальную схему комбинированного сепаратора и разработать методику его проектирования.

4. Определить параметры комбинированного сепаратора для заданной производительности и подтвердить эффективность предложенного технического решения.

Второй раздел диссертации посвящен теоретическим исследованиям сепарации по комплексу свойств. Процесс сепарации семян можно условно разбить на две стадии. Каждая из стадий состоит из двух этапов предварительной подготовки и воздушной очистки. На первой стадии предварительная подготовка вороха осуществляется за счет разницы в фрикционных свойствах семян основной культуры и примесей. На второй стадии предварительная подготовка происходит в результате взаимодействия вороха с отражательной поверхностью.

Для исследования влияния параметров и факторов на процессы, происходящие при подготовке и разделении вороха на каждом из этапов, были написаны динамические математические модели. Физический процесс описывался дифференциальными уравнениями.

На этапе подготовки вороха при движении его по фрикционной поверхности на частицы действуют силы, представленные на рис. 1.

—.....Схема сил, действующих на тело при движении частицы

по криволинейной фрикционной поверхности

Рис. 1.

Процесс движения зерна по фрикционной поверхности описывается системой дифференциальных уравнений:

л2

= | w-g - cosa + m--| - sina-/-j m- g - cosa + m--1 cosa

, (1)

d2y f V2)

m —— = m- g-cosa + m--- cosa - mg + f - m • g-cosa + m--1 - sina

dt \ P) К. P,

где m - масса частицы, кг; а - угол между направлением абсолютной скорости движения и осью град; v - абсолютная скорость частицы, м/с; р-радиус кривизны поверхности, м;/- коэффициент трения.

При движении частиц вороха в воздушной камере сепарации на них действуют следующие силы, представленные на рис. 2.

План скоростей и схема сил, действующих на тело при полете в воздушном потоке V*n

Рис. 2.

Полет частиц вороха в воздушном потоке описывают следующие дифференциальные уравнения:

т ■ = -т-кп ■ V} • eos В dt1

d2v 2

т--— = -т ■ кп ■ V, ■ sin ¡3 - mg

dt

(2)

где ¿п - коэффициент парусности; V, - относительная скорость движения частицы, м/с; р~ угол между направлением относительной скорости и осью х, град.

т

На второй стадии частицы вороха соударяются с неподвижной отражательной поверхностью. При этом изменяются направления и величины скоростей (рис. 3).

План скоростей и схема действия сил на частицу вороха при ударе о неподвижную поверхность

М е.

Рис. 3.

Процесс удара частиц вороха об отражательную поверхность и изменение скоростей движения описывают следующие уравнения:

^2= Ш2 ~

Г

(3)

где к - коэффициент восстановления; V,,, и у„2 - нормальные, по отношению к отражательной поверхности, скорости частиц вороха до и после удара, м/с; уг/ и уг2 - касательные скорости частиц вороха до и после удара, м/с, и>2 - угловая скорость частицы после удара, с'1; г - эквивалентный радиус частицы, м.

После преобразования к декартовой системе координат с поворотом осей, когда ось у совпадает с вертикалью, скорости после удара найдем из выражений:

где в- угол между отражательной поверхностью и осью х, град. Затем, по этим дифференциальным уравнениям были составлены математические модели, описывающие процесс движения частиц вороха на всех этапах. Причем выходные параметру одной модели могли являться начальными для другой. Модели позволяют рассматривать каждый последующий этап с учетом предшествующего. Разработанные математические модели реализованы численными методами с помощью подпрограммы 'Т>УЕЬЖ" - решение дифференциальных уравнений.

Математическую модель движения частицы по фрикционной поверхности использовали для подбора уравнения образующей этой поверхности. В результате исследований были получены зависимости представленные на рис. 4.

Зависимость разницы скоростей схода основной культуры и засорителей от скорости подачи вороха на поверхность

Ул - Уз, м/с ^

□ у = 1.5х му = х жу = 4хл2 ду=3хл2 ♦у = 8хл3

Рис 4.

Как видно из графиков (рис. 4) при уравнении образующей у = 8х3 разница в скорости схода с фрикционной поверхности люцерны и засори-

0

0

2

4

6 У0, м/с

теля является наибольшей. Этот фактор стал определяющим при выборе формы образующей.

Исследования процесса разделения частиц вороха по аэродинамическим свойствам на каждой из стадий проводили с помощью математических моделей, описывающих процесс предварительной подготовки и разделения компонентов вороха в воздушном потоке. В частности, на рис. 5 представлены спектры траекторий полета семян люцерны и щирицы в обечайке.

Траектории движения компонентов после схода с фрикционной поверхности а) б)

оде сео а« ода цш о.оз о» о,«о аео аао

Рис 5.

На рис. 5а изображены траектории полета люцерны и щирицы в обечайке в воздушном потоке без предварительной подготовки. Как видно из графиков, верхние траектории полета семян щирицы в обечайке пересекаются с нижними траекториями полета люцерны. Следовательно, при таком варианте, воздушным потоком полностью разделить эти два компонента невозможно.

На рис. 56 изображены траектории полета тех же компонентов, но с предварительной подготовкой их на фрикционной поверхности. Как видно из графиков, траектории полета семян люцерны не пересекаются с траекториями полета семян щирицы в обечайке. Анализ полученных результатов показыва

ет, что данные компоненты полностью разделимы по комплексу аэродинамических и фрикционных свойств.

Аналогичные исследования проведем для второй стадии сепарации -взаимодействие вороха с отражательной поверхностью.

Траектории движения компонентов вороха после столкновения

с отражательной поверхностью а) б)

0,00 0;20 Ц40 0,60 0,Ю 0,00 0,20 0,40 0,60

На рис. 6а представлены траектории полета семян люцерны и щирицы в обечайке в случае, когда не было предшествующего соударения их с отражательной поверхностью. Как видно из графиков, спектры траекторий полета семян щирицы в обечайке и люцерны пересекаются. Следовательно, полностью разделить эти два компонента только воздушным потоком невозможно.

На рис. 66 изображены траектории полета тех же компонентов в воздушном потоке после соударения их с отражательной поверхностью. Анализ приведенных графиков показывает, что по совокупности упругих и аэродинамических свойств достигается полное разделение семян щирицы в обечайке и люцерны на второй стадии сепарации.

Дальнейшие исследования были направлены на определение процентного соотношения компонентов вороха, выделяемых, как при обработке исходного вороха

только одной воздушной очисткой, так и в сочетании с предварительной подготовкой. На рис. 7 представлены результаты исследований по разделению компонентов вороха воздушным потоком с предварительной подготовкой по фрикционным свойствам.

Выделение компонентов вороха воздушным потоком в сочетании с предварительной подготовкой по фрикционным свойствам

1-,

0,9 4,8 0,7 0.60,

0.4 • 0..1 020,1-

0,00

0,16

0,23

0,76

0,38

0,62

0,27;

0,72

0,24;

0,26

0,39

0,00

1,00

0,00-,

),(Ю

0,12

(1,88

0,00

1,00

I

I

3

8. я 8-

СГ Я -е-

3 о

8 о

3

1 и

светлые прямоугольники — процент выделения компонентов вороха воздушной очисткой;

темные прямоугольники - приращение процента выделения компонентов вороха в сочетании воздушной очистки и предварительной подготовки по фрикционным свойствам.

Рис. 7

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что наименьший процент выделения по данному комплексу свойств имеют такие трудноотделимые засорители, как подмаренник цепкий - 50%, гречишка развесистая - 68%, щирица - 95%.

На рис. 8 представлены результаты исследований по выделению компонентов воздушным потоком после соударения частиц вороха с отражательной поверхностью.

Выделение компонентов вороха воздушным потоком в сочетании с предварительной подготовкой по упругим свойствам

О, IX) 0.00 _ 0,00

;

0.9- одз^ г

•

0,8 ■ ----------- - -- _ (1,3.4 - -

0.7- )

0.00,5 ■ • ■ - 0,53 * 1,00 1,01) 1,00

0,4- 0,16 • 0,72 0^8'

0,3 . 0,62

0,2- - _ 0,29 -

0,1 0,00 '0,26

1 ' 5 ' 1 03 о •5 £ 2 £ ' й

ё & а Щирица в обеч а § I С <и 0 1 11 г Р1 « (а ^ о. £ О О. О О. о § ° я \о о ш К § <4 о § о 0 1 2 о с? О о

Рис.8

Полученные данные свидетельствуют о том, что те же трудноотделимые засорители полностью выделить из вороха не удается. Щирица по данному комплексу свойств выделяется только до 36%, подмаренник цепкий до 84%, а куриное просо до 95%.

В заключении можно сделать вывод, что используя совместно с воздушной сепарацией предварительную подготовку вороха люцерны на фрикционной и отражательной поверхностях, возможно выделить большую часть трудноотделимых семян сорных растений. В обработанном ворохе содержание засорителей не будет превышать: подмаренника цепкого - 14%, а щирицы и гречишки развесистой - 5%.

В третьем разделе изложены программа экспериментальных исследований, методика их проведения и обработки полученных результатов, описаны конструкции экспериментальных установок (рис.9).

Схемы экспериментальных установок

1 - рама; 2 - дозирующее устройство; 3 - бункер; 4 - разделитель потока;

5 - фрикционная поверхность; 6 - семясборник; 7 - ящики для вороха;

8 - направляющий канал; 9 - отражательная пластина.

Рис. 9.

Программой экспериментальных исследований предусматривалось решение следующих вопросов:

1) Изучить состав исходного вороха семенников люцерны;

2) Определить скорость движения люцернового вороха и его компонентов после подготовки на фрикционной поверхности;

3) Исследовать аэродинамические свойства люцернового вороха в целом и его компонентов;

4) Определить скорость движения люцернового вороха и его компонентов после столкновения с отражательной пластиной.

Полученные данные обрабатывали методами математической статистики с использованием вычислительной техники.

Экономическую эффективность предложенного комбинированного сепаратора определяли по ГОСТ 23728-88.

В четвертой разделе изложены результаты экспериментальных исследований и дан их анализ.

Исходный ворох с содержанием люцерны 56% был разобран на 11 составляющих. Через экспериментальные установки пропускался ворох, а также наборы семян люцерны и ее засорителей. В результате обработки полученных данных были построены вариационные кривые распределения семян люцерны и их засорителей по фрикционным, упругим и аэродинамическим свойствам (табл.1). По дальности полета частиц вороха, от точки их схода до попадания в семясборник, были определены скорости схода. Полученные результаты сравнивали с результатами теоретических исследований, т.е. со скоростями схода частиц вороха, полученными с помощью математической модели (рис. 10,11).

Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований показывает, что ошибка не превышает 5%.

Таблица 1

Результаты обработки вороха люцерны и ее засорителей

Компоненты По фрикцион- По упругим По аэродина-

ным свойствам свойствам мическим

свойствам

вороха М, дм о, дм М, дм о, дм М, м/с о, м/с

Люцерна 5,91 0,97 6,44 1,62 5,90 0,50

Подмаренник цепкий 5,70 0,86 5,45 1,02 4,78 0,44

Щирица 4,62 0,832 5,18 1,16 4,84 0,337

Щирица в обечайке 4,85 0,997 5,08 1,12 4,22 0,400

Ярутка полевая 4,15 0,76 4,51 0,91 4,38 0,395

Куриное просо 3,64 1,503 3,76 1,19 4,13 0,640

Гречишха развесистая 5,25 0,809 4,82 0,99 4,79 0,53

Солома мелкая 1,78 1,03 2,31 0,88 2,66 0,46

Солома длинная 3,10 1,59 3,20 1,06 3,91 0,503

Бобики 3,10 1,26 2,95 0,98 3,02 0,405

Индифферентный сор 1,58 0,87 2,00 0,87 1,98 0,46

Vex, м /с

3 Ч

Зависимость скорости схода составляющих вороха от коэффициента трения

1 ,5 -I-т-----,-,-,-,

0,4 0,5 0,6 0 ,7 0,8 f

Рис. 10.

Зависимость скорости схода составляющих вороха от коэффициента восстановления

Vex, м/с

3,0 1

Рис. 11.

В пятом разделе показана реализация результатов исследований и их экономическая эффективность.

В результате проведенных исследований была разработана схема комбинированного сепаратора (рис.12), реализующая процесс двухстадийной очистки вороха с предварительной подготовкой на каждой из стадий.

Схема комбинированного сепаратора

4 - отражательная поверхность; 5 - воздушные каналы; 6 - обратный конус; 7 - семясборник; 8 - направляющий конус; 9 - воздушный телескопический патрубок; 10-эксгаустер.

Рис. 12.

Определены необходимые технологические и конструктивные параметры сепаратора.

Диаметр фрикционной поверхности определяем по формуле:

3.6-р-усх-п-с(с- <5>

Необходимую площадь камеры сепарации:

О СМ;

5,=

ВП И В

Площадь кольцевого канала:

5а =Т1-1а

v со&аи

(7)

Рассчитаем производительность вентилятора:

&ВЕ!1 = Уцп\ ' йсх + VВП2 ' ■ (8)

Ширину камеры сепарации:

Д \( А у . 5,

г

■ + . -+4-

СОБ в1 ]1 ( СС« в1 ) Ж 1а=----_ (9)

Предложенная методика инженерного расчета комбинированного сепаратора позволяет определить его конструктивные и технологические параметры в зависимости от исходной засоренности и необходимого количества вороха на выходе из сепаратора.

Расчеты экономической эффективности показали, что годовой экономический эффект при использовании комбинированного сепаратора для очистки вороха люцерны, взамен серийных машин, составит 5571 рубль.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы:

1 Установлено, что перемещение компонентов подчиняется дифференциальным уравнениям движения, которые позволяют полностью математически смоделировать перемещение компонентов вороха на каждой

стадии очистки. Также установлено, что использование криволинейной фрикционной поверхности обеспечивает лучшую разницу в скоростях схода, а уравнение образующей у = 8х3 обеспечивает наибольшую разницу скоростей.

2. Теоретически обоснована возможность повышения качества очистки, за счет получения разных скоростей ввода материала в воздушный поток, при предварительной подготовке вороха. Разница в скорости ввода компонентов вороха в воздушный поток на первой стадии составляет 0.13 - 1.47 и/с, на второй 0.15-1.3 м/с.

3. Определены аэродинамические свойства и влияние фрикционных и упругих характеристик, на скорость вбрасывания люцернового вороха, которые показывают, что использование при разделении сочетания этих признаков позволяет выделить большую часть трудноотделимых засорителей.

4. Предложено техническое решение комбинированного сепаратора (патент № 2099155), позволяющее получить разные скорости ввода компонентов в воздушный поток, за счет перемещения их но фрикционной поверхности на первой стадии и соударения с отражательной поверхностью на второй стадии.

5. Предложена методика проектирования комбинированного сепаратора, позволяющая создать машины различной производительности, для комплектования технологических линий послеуборочной обработки зерна.

6. С учетом теоретических и экспериментальных исследований определены конструктивные и технологические параметры сепаратора для производительности 1.2 т/ч, которые имеют следующие значения: диаметр фрикционной поверхности у основания - 0.7м, производительность вентилятора - 2.96 м3/с, мощность на привод вентилятора - 2.6 кВт, ширина первой камеры сепарации - 0.11м, ширина второй камеры сепарации -0.042м, ширина отражательной поверхности - 0.124м.

7. Применение комбинированного сепаратора позволит полностью выделить из вороха люцерны такие трудноотделимые засорители как: щирица в обечайке, ярутка полевая, куриное просо. Содержание подмаренника цепкого уменьшится с 74 до 14%, щирицы с 84 до 5%, а гречишки развесистой с 71 до 5%, в сравнении с обычной воздушной очисткой.

8. Годовой экономический эффект от применения комбинированного сепаратора составляет 5587 рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Буравлев Н.Е. Возможность разделения вороха люцерны по фрикционным свойствам. // Обеспечение эффективного функционирования производственного потенциала АПК России в условиях рыночных отношений. Мат-лы межрегион, научи.- прак. конф. молодых ученых и специалистов. - Воронеж: ВГАУ, 1993. - С.221 - 222.

2. Буравлев Н.Е. Математическая модель движения частиц вороха по фрикционной поверхности. // Повышение эффективности ai-ропромыш-ленного производства в условиях современных форм хозяйствования. Тез. докл. международной научи. - прак. конф. молодых ученых и специалистов. - Воронеж: ВГАУ, ¡995. - С. 162 - 164.

3. Тарасеико А.П., Буравлев Н.Е. Разработать сепаратор для предварительной обработки зернового вороха. // Резервы стимуляции аграрного производства. Тез. докл. на конф. проф. - преп. состава научных сотрудников и аспирантов госагроуниверситета по итогам исследований за 1991 -1995г. - Воронеж: ВГАУ, 1996. - С. 54 - 55.

4. Патент № 2099155 РФ, МКИЗ В 07 в 13 / 11. Комбинированный сепаратор / Тарасенко А.П., Буравлев Н.Е. (РФ). Заявлено 22.02.96; Опубл. 20.12.97, Б юл. №35. - 4 е.: ил.



МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. К.Д. ГЛИНКИ

На правах рукописи

Буравлев Николай Егорович

УДК 621.928.6 : 633.31

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ВОРОХА ЛЮЦЕРНЫ

Специальность 05.20.01 -Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, академик ААО и МАИ А.П. Тарасенко

ВОРОНЕЖ -

1998

АННОТАЦИЯ

Стремление к снижению потерь семян при уборке семенников люцерны приводит к тому, что на послеуборочную обработку поступает материал, содержащий в своем составе до 80% незерновых компонентов, причем до 30% семян от их общего количества находится в оболочках. В связи с этим возникает необходимость совершенствования технологического процесса предварительной очистки высокозасоренного вороха люцерны.

Изучены физико-механические свойства компонентов высокозасоренного вороха. Разработана математическая модель с учетом влияния основных факторов на процесс сепарации.

В работе приводятся результаты исследования процесса разделения вороха. На основе этого предложена и обоснована схема комбинированного сепаратора для предварительной очистки семян люцерны. Для подготовки вороха к воздушному способу сепарации использованы фрикционные и упругие свойства.

Приводится методика расчета комбинированного сепаратора, позволяющая определить его конструктивные и технологические параметры.

Снижение затрат на обработку вороха, по сравнению со стандартными машинами очистки, позволяет получить годовой экономический эффект, при полной загрузке машин линии предварительной очистки, более 5 тыс. рублей.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................6

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.................9

1.1. Анализ физико-механических свойств вороха люцерны и перспективы его обработки........................................................9

1.2. Анализ теоретических исследований воздушной очистки.......14

1.3. Анализ конструктивных решений, реализующих принцип интенсификации пневмоочисток.....................................................23

1.3.1. Схемы сепараторов для обработки вороха....................23

1.3.2. Виды пневмосепарации.............................................27

1.3.3. Конструкции устройств для очистки вороха..................35

1.4. Цель и задачи исследований.......................................................45

II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ЛЮЦЕРНОВОГО ВОРОХА В КОМБИНИРОВАННОМ СЕПАРАТОРЕ.................................................................................47

2.1.1. Разделение вороха по свойствам поверхности.....................47

2.1.2. Математическая модель движения частицы по фрикционной поверхности...............................................................54

2.1.3. Обоснование вида образующей фрикционной поверхности...........................................................................59

2.2.1. Разделение вороха в сепараторе по аэродинамическим свойствам.......................................................................67

2.2.2. Математическая модель движения частицы в воздушном потоке .........................................................................70

2.2.3. Обоснование параметров воздушного потока......................71

2.3.1. Разделение вороха в сепараторе по упругим свойствам.........74

2.3.2. Математическая модель движения частицы при ударе ее об

отражательную пластину...............................................80

2.4. Теоретическое обоснование предварительного разделения вороха люцерны..........................................................81

III. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................................................................................86

3.1. Программа экспериментальных исследований...........................86

3.2. Описание лабораторных установок..........................................87

3.3. Методика изучения физико - механических свойств вороха семенников люцерны.............................................................92

3.3.1. Методика определения состава вороха семенников люцерны............................................................................92

3.3.2. Методика определения аэродинамических характеристик компонентов вороха семенников люцерны.....................93

3.4. Методика определения скорости схода частиц вороха с фрикционной поверхности............................................................94

3.5. Обработка опытных данных и оценка точности результатов исследований...........................................................................95

IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ВОРОХА ЛЮЦЕРНЫ.............................................98

4.1. Разделение компонентов вороха семенников люцерны по фрикционным свойствам.................................................................98

4.2. Разделение компонентов вороха семенников люцерны по аэродинамическим свойствам........................................................103

4.3. Разделение компонентов вороха семенников люцерны по упругим свойствам.......................................................................106

V. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДЛОЖЕННОГО РЕШЕНИЯ....................................110

5.1. Устройство и работа комбинированного сепаратора..............110

5.2. Методика расчета комбинированного сепаратора..................112

5.3. Экономическая эффективность предложенного решения......125

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.............................................132

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.........................................134

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................................147

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение населения продуктами питания неразрывно связано с проблемой повышения посевных площадей и урожайности кормовых культур. Люцерна - один из основных источников кормовой базы молочного и мясного животноводства [42]. По содержанию белка люцерна превосходит злаковые травы в 3 - 4 раза. Полноценность белка и высокая перевариваемость позволяет использовать люцерну на корм всем видам животных и птице [102].

Расширение посевов люцерны связано с повышением плодородия почвы. Люцерна насыщает почву азотом, способствует сохранению влаги, делает ее рыхлой, предотвращает засоление. Высокая продуктивность, высокопитательная зеленая масса, рекордный выход дефицитного белка с единицы площади, способность давать хорошие урожаи сена без внесения больших доз минеральных удобрений - эти и другие свойства люцерны способствуют повышению роста ее посевных площадей [61].

Однако расширение посевных площадей сдерживается отсутствием достаточного количества семян. Средняя урожайность семян люцерны по стране составляет 1,0 - 1,1 ц/га. Причина такого положения в больших потерях семян при уборке и послеуборочной обработке. Уборка семенников трав зерноуборочными комбайнами по традиционной технологии приводит к потерям до 1/2 -1/3 части урожая [44, 64]. Это объясняется неравномерностью созревания семян по высоте стеблестоя, малым их содержанием в общей массе, повышенной влажностью листьев, высокой засоренностью посевов сорняками.

Очистка семян многолетних трав на серийных воздушно-решетно-триерных машинах из-за высокой влажности и засоренности вороха влечет за собой значительные потери семян основной культуры в отходы. Это оборудование не обеспечивает достаточного качества и поточности технологического процесса, что объясняется недостаточно обоснованным выбором или отсутствием отдельных элементов технологических линий.

Большое количество разновидностей мелкосемянных культур вызывает необходимость насыщения технологических линий для послеуборочной обработки семян специальными машинами для доочистки.

Применение магнитной очистки позволяет очистить семена мелкосемянных культур от трудноотделимых примесей, но загрязняет семена магнитным порошком, который затем вместе с семенами попадает в почву. Порошок оказывает вредное воздействие на обслуживающий персонал семяочистительных пунктов, и согласно экологическим требованиям возникает необходимость отказаться от данного вида очистки.

Наиболее эффективными путями решения проблемы семеноводства в последнее время является внедрение новых поточных технологий уборки, предусматривающих обработку всего технологического урожая или невеяного вороха на пунктах стационарного обмолота, что обуславливает переход от мобильного оборудования к стационарному. Однако по поточной технологии обрабатывается только около 20% семфонда, остальные семена очищаются и сушатся на раздельном оборудовании при высоких затратах труда.

Решение проблемы улучшения качества семян многолетних трав, их карантинного состояния, неразрывно связано с созданием новых высокоэффективных технических средств очистки и сортирования семенного вороха.

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.

Изысканию таких технических средств и посвящена настоящая работа.

Основной целью настоящей работы повышение эффективности процесса разделения вороха люцерны по аэродинамическим свойствам.

Работа проводилась в рамках технической программы 4.89.9.4 "Разработать и освоить технологические процессы и технические средства для реализа-

ции перспективных энерго- и ресурсосберегающих технологий производства сельскохозяйственной продукции и обеспечение безопасных условий труда".

Научная новизна по сравнению с известными решениями состоит в следующем:

1) разработаны математические модели движения компонентов на стадиях подготовки вороха к вводу в воздушный поток и его разделения;

2) предложен способ двухстадийного разделения сыпучих смесей по аэродинамическим свойствам, обеспечивающий разные скорости ввода компонентов в воздушный поток на каждой из стадий очистки;

3) теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность выделения ряда трудноотделимых компонентов за счет разной скорости ввода их в воздушный поток.

Техническая новизна предложенного комбинированного сепаратора реализующего способ двухстадийного разделения вороха защищена патентом № 2099155 РФ.

Практическая ценность состоит в том, что:

1) разработана конструктивная схема двухстадийной воздушной очистки, обеспечивающей разные скорости вбрасывания компонентов вороха на каждой из стадий;

2) разработана методика проектирования комбинированного сепаратора требуемой производительности;

3) определены конструктивные и технологические параметры сепаратора.

На защиту выносятся:

- математические модели процесса сепарации вороха;

- принципиальная схема двухстадийного способа очистки;

- расчетные соотношения для определения параметров сепаратора.

Результаты диссертации представлены на научных конференциях

ВГАУ.

РАЗДЕЛ I

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ физико-механических свойств вороха люцерны и перспективы его обработки.

Ворох семян многолетних трав, поступающий от комбайнов на семяочистительные пункты, как правило, бывает слишком засоренным, в нем содержатся зеленые листья, стебли, семена сорняков, и их общее количество достигает до 50% по массе. В состав засорителей входят: 1) индифферентный сор минерального и органического происхождения (песок, комочки земли, полова, сбоина); 2) живой сор, включающий: семена посторонних культур, семена сорных растений, головневые мешочки, склероции, спорыньи, живых насекомых вредителей, их куколки и личинки; 3) поврежденные, дефектные и проросшие семена основной культуры [12, 48].

Непосредственно в ворохе люцерны содержится около 5 - 9 % крупных примесей (листья, измельченные стебли, колоски, султаны), имеющие влажность в 1,2 - 1,5 раза больше, чем влажность семян, что влияет на общую влажность вороха. Установлено, что за 6 часов хранения вороха общей влажностью 40 % без вентилирования, влажность семян повышается на 1 - 2 %. Одновременно повышается и температура вороха на 10 - 14 градусов. В результате самосогревания семян понижаются их всхожесть и энергия прорастания. Если влажность убираемых семенников более 40%, то самосогревание происходит в бункере комбайна [46].

Влажность и засоренность зернового материала определяют производительность послеуборочных машин. Известно, что повышение влажности на 1 % снижает производительность на 5 %, повышение засоренности на 1 % снижает производительность на 2 % [54, 118]. С повышением влажности снижаются и упругие свойства зерна [128]. Исследования показали, что независимо от вида используемой поверхности, при повышении влажности зерна угол трения увеличивается на 10 - 12 %, а угол естественного откоса на 9 %. С повышением влажности зерновой массы ухудшается выделение примесей по аэродинамическим свойствам [55, 56]. Влажный ворох семян трав является плохо сыпучим, связным материалом. Исследованиями [90, 126] установлено, что механические свойства в основном зависят от содержания половы и мелких соломистых частиц.

Влажность и засоренность вороха меняется как в течении периода уборки, так и в течении 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 [113, 132].

Оперативное выделение из вороха засорителей осуществляется предварительной очисткой. Предварительная очистка вороха позволяет удалить крупные примеси, большую часть сорняков, на 1 - 3 % и более снизить его влажность [35, 110, 128].

Кроме того, в ворохе люцерны содержится большое количество семян сорняков. Для люцерны часто встречающимися и трудноотделимыми являются семена примерно 40 видов сорняков, таких как: бодяг полевой, марь белая, подорожник ланцетолистный, просо куриное, торица мелкосемянная, щетинник зеленый, щирица жминдовидная, ярутка полевая, подмаренник цепкий, гречишка развесистая, щавель малый и другие [67, 79, 131]. Из них к карантинным сорнякам относятся: горчак

розовый, сыть круглая, повилика полевая, паслен колючий, аксирис [67, 107].

Основными признаками делимости семенной смеси для большинства культур являются: парусность (аэродинамические свойства), размеры и свойства поверхности. К дополнительным можно отнести форму, плотность, упругость, электропроводность и др. Чтобы произвести очистку зернового материала, необходимо предварительно установить, по каким признакам вообще можно разделить примеси, и установить делимость смеси по отдельным признакам, затем, выбрав признак деления, определить его числовую величину. Зачастую не удается очистить семена, пользуясь каким-либо одним признаком, в таком случае используют совокупность признаков.

Анализ физико-механических свойств семян люцерны и наиболее часто встречающихся в ней засорителей проводился с помощью ЭВМ ЕС - 1035. Для решения этой задачи использовалась диалоговая информационно - вычислительная система "Зерно", которая позволяет построить оптимальную схему очистки и выбрать соответствующие рабочие органы машин для любого послеуборочного вороха семян.

Исходные данные для работы с системой "Зерно" были получены на основании обзора литературы [5, 12, 22, 49, 53, 54, 68, 107, 121] был собран материал по физико-механическим свойствам. (См. приложение таблица 1)

Полученные из различных источников значения критических скоростей и размеров (длина, ширина и толщина) были усреднены и найдены для каждого вида растений среднее значение вариационного ряда М и среднее квадратичное отклонение ряда ст.

Для расчета было принято, что содержание каждого засорителя в исходной смеси составляет 4 - 5 %. В программе "Зерно", по которой производился расчет, в основе заложена классическая теория разделения

смесей. Процесс имитировался как на стандартных машинах очистки. Первым этапом воздушная очистка, а затем разделение на решетах. Задача исследований заключалась в том, чтобы при потерях основной культуры в отходы в пределах 3 - 5 %, определить возможность выделения наиболее часто встречающихся, трудноотделимых примесей.

Из анализа физико-механических свойств люцерны и ее засорителей видно, что вариационные кривые размерных характеристик сильно растянуты и перекрывают собой почти все имеющиеся в исходном ворохе засорители.

В результате работы с программой "Зерно", при потерях семян основной культуры 3,67 %, удалось полностью выделить семена сорных растений: марь белая, повилика полевая, салат дикий. Частично удалось выделить: бодяг полевой, горчак розовый, просо куриное, щирица жминдовидная, гречишка развесистая, лютик ползучий, щавель малый, липучка. Удалось отделить лишь небольшую часть семян: торицы мел-косемянной, паслена колючего, тимофеевки, болиголова, сурепки, ромашки непахучей. Почти совсем неудалось выделить сорняки: сыть круглая, подорожник ланцетолистый, щетинника зеленого, ярутки полевой, подмаренника цепкого, аксириса, клевера красного, цикория дикого, пикульника ладанникового. Из полученных результатов можно сделать вывод, что ветрорешетными машинами очистки при допустимых потерях основной культуры в о�