автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование процесса сепарации зерна в вертикальных пневмоканалах

На правах рукописи

ПАШИНОВА Надежда Валерьевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЕПАРАЦИИ ЗЕРНА В ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПНЕВМОКАНАЛАХ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

005533499

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Улан-Удэ, 2013

005533499

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления» (ФГБОУ ВПО ВСГУТУ) в период с 2008 по 2013 г.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Ямпилов Сэнгэ Самбуевич

Официальные оппоненты: Дринча Василий Михайлович,

доктор технических наук, профессор ведущий научный сотрудник, ГНУ «Всероссийский селекционно-технологический институт садоводства и питомниководст-ва»

Абидуев Андрей Александрович,

кандидат технических наук, доцент кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка и безопасности жизнедеятельности» ФГБОУ ВПО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная

сельскохозяйственная академия»

Защита состоится «11» октября 2013 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.06 при ФГБОУ ВПО «ВосточноСибирский государственный университет технологий и управления» по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская 40 в, ауд. 8-124.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления.

Автореферат разослан «.

Ученый секретарь диссертационного совета

Б.Д. Цыдендоржиев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Известные изменения в сельскохозяйственном производстве нашей страны, прошедшие за последние годы, оказали существенное влияние на технологию послеуборочной обработки зерна.

Имеющаяся в сельском хозяйстве зерноочистительная техника морально устарела, так как не соответствует современным условиям зерно-производства и физически изношена на 70 - 90%. Обеспеченность крупных и средних хозяйств не превышает 35%, а малые и фермерские хозяйства вовсе не имеют требуемой техники.

Обеспечение хозяйств полнопоточными линиями послеуборочной обработки зерна, как это предполагалось в доперестроечный период, в настоящее время не представляется возможным. С одной стороны, по недоступным инвестиционным вложениям для хозяйств, а с другой, в нецелесообразности оснащения хозяйств во многих случаях лишними машинами.

В последнее время в большинстве хозяйств широкое применение находят пневматические сепараторы. Это объясняется тем, что этот класс машин является наиболее доступным по ценовым параметрам, а также по достигаемому технологическому эффекту. Однако в большинстве случаев, стремление хозяйств к упрощению технологий послеуборочной обработки и простой заменой их пневмосепарирующими машинами приводит к большим потерям зерна.

В связи с этим поиск путей повышения эффективности сепарации зерна, в воздушных сепараторах, без особого их удорожания, является актуальной народнохозяйственной задачей, диверсификации материально-технической базы обработки зерна и уменьшения потерь зернового материала.

Работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы ВСГУТУ по теме: «Исследование и разработка пневмосепарирую-щего канала для очистки зерна» (гос. регистрация № 01201254456).

Цель работы- повышение эффективности сепарации зерна в пневматических вертикальных каналах от легковесных, щуплых, мелких и битых зерен.

Объект исследования - зерно, органическая и минеральная примесь, пневматический вертикальный канал с перегородками.

Предмет исследований - технологический процесс сепарации зерна по аэродинамическим свойствам в вертикальном канале, выравнивание скорости воздушного потока в вертикальном канале.

Научная новизна:

- математическая модель процесса сепарации зерна в вертикальном пневмоканале с перегородками;

- закономерности изменения полноты выделения компонентов в вертикальном пневмоканале с перегородками в зависимости от основных конструктивно-технологических параметров (скорости воздушного потока, удельной нагрузки и количества перегородок).

На вертикальный пневмоканал с перегородками получен патент РФ №2438781.

Практическая ценность работы.

Конструктивно-компоновочная схема пневматического сепаратора, включающая вертикальный пневмоканал с перегородками.

Оптимальные конструктивно-технологические параметры вертикального пневмоканала с перегородками.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса сепарации зерна от легковесных, щуплых, мелких и битых зерен в вертикальном пневмоканале с перегородками. Переменными параметрами модели являются физико-механические свойства компонентов зернового материала и конструктивные параметры пневмоканала и его перегородки. Применение модели позволяет определить полноту выделения компонентов из зернового материала в вертикальных пневмоканалах с перегородками.

2. Основные оптимальные конструктивно-технологические параметры воздушного сепаратора с вертикальным пневмоканалом с перегородками:

- удельные зерновые нагрузки - 29 кг/см2ч;

- количество установленных перегородок - одна;

- высота перегородки - 250 мм ;

- скорость воздушного потока — 5,5 м/с.

3. Установка перегородок в пневмоканале дает возможность увеличить эффективность очистки легких примесей на 9-19 % и использовать его на очистке зернового материала от легковесных, щуплых, мелких, битых зерен основной культуры и шелухи.

Реализация результатов работы.

На основании проведенных исследований разработан воздушный сепаратор, включающий вертикальный пневмоканал с перегородка-ми.Сепаратор внедрен в СПК «Гигант» Заиграевскогорайона и СХПК «Эдэрмык» Кижингинского района Республики Бурятия.

Апробация работы.

Материалы исследований докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «БМТ ПАПП» ВСГУТУ (г. Улан-Удэ) в 2010-2013 гг., на научно-практических конференциях ВСГУТУ (г. Улан-Удэ) в 2009-2012 гг., на Байкальском молодежном форуме «Здоровая молодежь - будущее России» (г. Улан-Удэ) в 2009 г., на I Международной научно-практической конференции «Качество как условие повышения конкурентоспособности и путь к устойчивому развитию» (г. Улан-Удэ) в 2009 г., на всероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодые ученые Сибири» (г. Улан-Удэ) в 2010 г., на международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию БГСХА и 50-летию инженерного факультета Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В.Р. Филиппова, «Инженерное обеспечение и технический сервис в

АПК» (г. Улан-Удэ) в 2011 г., на международной заочной научно-практической конференции «Современные тенденции в науке: новый взгляд» (г. Тамбов) в 2011 г., на III региональном научно-производственном семинаре «Чтения И.П. Терских» «Техника и технологии инженерного обеспечения АПК» (г. Иркутск) в 2011 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 1 статья в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, патент РФ на изобретение «Пневмоканал для очистки зерна».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, включает 13 таблиц, 48 рисунков, список литературы из 107 наименований и 4 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования и дана краткая характеристика работы.

В первой главе дан анализ исследований зерноочистительных машин и пневмосепарирующих систем как отечественных, так и зарубежных компаний, а так же описаны патенты на изобретение пневмоканала для очистки зерна от легких примесей, изучена сепарация зернового материала в пневмосепарирующих каналах с восходящим воздушным потоком. Дан анализ урожайности и валового сбора зерновых культур в Республике Бурятия с 2006 по 2010 г. Проведен анализ конструкций пневмосепарирующих каналов.

Вопросам сепарации зернового материала посвящены работы П.М. Василенко, И.П. Безручкина, В.В. Гортинского, H.H. Колышева, И.Е. Кожуховского, A.C. Матвеева, А.Я. Малис, А.Р. Демидова, А.Н. Зю-лина, H.A. Урханова, В.М. Дринчи, Г.Ф. Ханхасаева, В.Г. Хамуева и других ученых.

На основе анализа всех существующих зерноочистительных машин, а также новых разработанных машин, можно сделать вывод о том, что наиболее перспективным направлением по разработке машин для очистки зерна восходящим воздушным потоком является воздушный сепаратор для очистки зерна, в пневмоканале которого установлены перегородки для выравнивания скорости воздушного потока, благодаря чему увеличивается эффективность очистки зернового материал от легких примесей, а также предварительное перераспределение компонентов зерновой смеси при подаче в пневмоканал.

На основании вышеизложенного были сформулированы следующие задачи исследования:

- разработать математическую модель процесса сепарации зернового материала в вертикальном пневматическом канале с перегородками;

- изучить влияние основных параметров на эффективность выделения легких примесей в вертикальном пневматическом канале с перегородками и экспериментально обосновать его основные параметры;

- провести хозяйственные испытания воздушного сепаратора с вертикальным пневматическим каналом.

Во второй главе приведены теоретические исследования пневмосе-парации зернового материала в восходящем воздушном потоке, разработана математическая модель процесса сепарации зернового материала на воздушном сепараторе с установленными перегородками в пневмоканале.

Очистка зерна от легких примесей восходящим воздушным потоком с установленными перегородками в пневмоканале с целью выравнивания скорости воздушного потока, а также предварительные экспериментальные исследования очистки зернового материала в пневмоканале с перегородками позволяют выявить новые возможности существенной интенсификации данного процесса с целью обеспечения лучшей эффективности очистки зернового материала от легких примесей.

На рисунке 1 показано распределение частиц по высоте пневмосепа-рирующего канала, где О - глубина пневмосепарирующего канала; V - скорость воздушного потока; А/, к2, /г.?..Л, - уровни, на которых находятся препятствия (частицы зерна основной культуры, витающие в пневмоканале).

Интенсивность процесса выделения легких частиц в момент времени I определятся формулой:

; 41 (бо;-е(Ф*

где <2(А?,г) - количество легких частиц выделившихся в следующий за I

малый промежуток времени А?;

- количество легких частиц в общем потоке зернового материала поступивших в пневмоканал в момент времени

Вероятность выделения Р(г) легких частиц через интенсивность выделений определяется по формуле:

Р{() = (2)

В этом случае интенсивность выделения легких частица/охарактеризует индивидуальное свойство выделения данных частиц, и для различных легких частиц она может быть различной.

Вероятность выноса легкой частицы, находящейся на некотором уровне /г„ можно описать уравнением (2), но так как свойства легкой частицы не меняются в течение времени, когда она поднимается вверх по пневмоканалу, то интенсивность ее выделения не изменяется и принимает вид:

Р-\-е~М1' при Г >0, (3)

где Ц, - интенсивность выноса легких частиц в первом отсеке.

Разделим высоту пневмоканала от 0 до /? на п равные уровни А/, И2, /г^.../(„ и предположим, что препятствия (частицы зерна основной культуры, витающие в пневмоканале) могут появляться только на этих п уровнях.

Время пребывания легкой частицы на любом уровне й,- (7=1,2,3...п) имеет показательное распределение, показанное выражением (3).

Согласно теореме о распределении суммы взаимно независимых случайных величин, имеющих одинаковое показательное распределение, суммарная вероятность выноса легких частиц при прохождении п/ - уровни имеют вид:

^ ('И"*

-/V

/V ^ Ы2 ^ ^ М

л-1 Л

2! (и, -1)!

при ?>0. (4)

Тогда количество легких частиц, поступивших во второй отсек, определяется выражением:

где £ (?) - полнота выделения легких частиц в первом отсеке

Вероятность выноса легких частиц при прохождении п2 - уровни во втором отсеке имеют вид:

А' М2 ^ ^М'

2-Л

1! 2!

(«2-1)!

при Г>-0. (6)

Если подставить полноту выделения легких частиц в первом отсеке в формулу (6) то получим:

\2

1|/|,г|М2,...., М"'1

1!

2!

(л, -1)!

1+М+М1+....+ МГ1

1!

2!

(«2-1)!

при

tУ0. (7)

Полнота выделения легких частиц определяется формулой:

£ = ■

<2о

(8)

Введя коэффициент учитывающий пространство препятствий, который зависит от концентрации витающего слоя зерновок, безразмерная величина:

К = С, С2С, • С4 • д, (9)

где - масштабный коэффициент, размерность которого обратно пропорциональна размерности <у;

С2 - коэффициент, учитывающий физико-механические свойства компонентов зернового материала, безразмерный;

С, - коэффициент, учитывающий конструкцию пневмосепарирующего

канала, безразмерный;

С4 - коэффициент, учитывающий перераспределение компонентов зернового материала в слое при подаче в пневмоканал, безразмерный; д - удельная зерновая нагрузка, кг/см2-ч.

1 а; ■ 1-е""'' • [ 1! 2! (и,-1)^ -

к во'

-й'

! | М | (/У)' 1! 2!

Ы22 («2-1)!

Таким образом, формула (10) описывает процесс сепарации компонентов зернового материала в пневмоканале с перегородками.

Для проверки математической модели и обоснования основных параметров воздушного сепаратора с установленными перегородками в пневмоканале использовали экспериментальную установку (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид и принципиальная схема экспериментальной установки: 1 - пневмоканал; 2 - вентилятор; 3 - матерчатый фильтр; 4 - сетчатый фильтр; 5 - электродвигатель; 6 - автоматический выключатель; 7 - приемный бункер; 8 - вывод очищенного материала; 9 - заслонка; 10 - осадочная камера; 11 - разгрузочное устройство, 12 - перегородки

Установка включает следующие узлы и механизмы: пневмоканал 1 прямоугольного сечения для сепарации зерна восходящим воздушным потоком, вентилятор 2, сетчатый фильтр 4, матерчатый фильтр 3, электродвигатель 5, автоматический выключатель 6 для защиты электродвигателя от токов короткого замыкания, магнитный пускатель для управления работой электродвигателя, приемный бункер 7 для ввода исходного материала в канал, канал 8 для вывода очищенного материала, заслонку 9 для регулирования подачи воздуха в пневмоканал, осадочную камеру 10, разгрузочное устройство отхода 11, в пневмоканале установлены прямоугольные перегородки 12 высотой 250 мм и шириной 300 мм, которые делят по ширине пневмоканал на три равные части. Рост скорости на всех участках пневмосепарирующего канала говорит о выравнивании концентрации обрабатываемого материала по поперечному сечению. Увеличение удельной зерновой нагрузки ведет к выравниванию скорости воздушного потока, тем самым создаются условия для наиболее эффективного разделения зернового материала, т.е. при большой скорости воздушного потока, возможно, добиться высокой эффективности разделения.

В пневмосепарирующем канале, в отличие от всех существующих, установлены перегородки, которые способствуют выравниванию скорости воздушного потока, что повышает эффективность разделения зернового материала.

Нижний лоток питающего бункера оснащен вибратором. Выпускное отверстие питающего бункера 7 оборудовано регулировочной задвижкой. Устройство для регулирования расхода воздуха представляет собой заслонку 9, которую, двигая по горизонтали, можно регулировать подачу воздушного потока в пневмосепарирующий канал.

В качестве генератора воздушного потока использован центробежный вентилятор 2 с электродвигателем 5.

Исходный зерновой материал после тщательного перемешивания загружается в приемный бункер 7, из приемного бункера - вибрирующим питающим лотком зерновой материал, на котором происходит перераспределение частиц зернового материала в слое, подается в пневмосепарирующий канал 1. Под действием воздушного потока примеси, скорость витания которых меньше скорости витания зерен основной культуры, поднимаются вверх по пневмосепарирующему каналу 1 и поступают в осадочную камеру 10. Из осадочной камеры примеси выгружаются с помощью клапана 11, который закрывает выпускное отверстие с помощью замка, благодаря этому заслонка плотно прижата к выпускному отверстию, и открывают его только при наполнении отходом осадочной камеры 10. Очищенное от легких и трудноотделимых примесей зерно выводится через канал 8. Воздушный поток из осадочной камеры 10, пройдя через сетчатый фильтр 4, расположенный в осадочной камере и очищаясь от пыли, поступает в вентилятор 2 и выходит наружу через выходной патрубок, на котором установлен матерчатый фильтр 3.

Далее взвешивали легкую примесь, попавшую в осадочную камеру, и проводили анализ эффективности очистки зернового материала.

Обрабатываемый зерновой материал пшеница 2011 года, влажностью 12,8%, с содержанием легкой примеси 4,42% (битые зерна основной культуры, трудноотделимые сорняки, шелуха и т.д.).

Испытания проводили на трех различных уровнях подачи от 8 до 10 т/ч. Количество установленных перегородок варьируется от 0 до 2, скорость воздушного потока в пневмоканале изменяется от 3,5 до 5,5 м/с, загрузка пневмоканала зерновым материалом от 29,62 до 37 кг/см2 ч.

Скорость воздушного потока в канале определяли через его динамическое давление, которое замеряли трубкой Пито-Прандля, подсоединяемой к микроманометру ММН, через отверстия в боковых стенках канала. Также определили скорость воздушного потока в пневмоканале с помощью чашечного анемометра МС-13, установив его горизонтально навстречу воздушному потоку и электронным термоанемометром testo 405, который определяет скорость воздуха с точностью до сотых единиц.

В третьей главе изложены программа и методика исследований.

Показатели эффективности выделения легкой примеси Е определяли по формуле В.Г. и Г.В. Ньютонов.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальной проверки математической модели процесса очистки зернового материала от легкой примеси в пневмоканале с перегородками, а так же экспериментального обоснования основных параметров воздушного сепаратора с установленными перегородками в пневмоканале.

Результаты исследований процесса сепарации зернового материала в воздушном сепараторе с установленными перегородками в пневмоканале позволили установить высокую эффективность его использования при очистке зерна от легких примесей.

Эксперименты проводились на специально приготовленном зерновом материале, содержащем 95,58% основного зерна и легкой примеси.

Основное зерно - пшеница влажностью 12,8%, очищенная от примесей всех видов. В качестве легких примесей использовали легковесные, щуплые, мелкие, битые зерна основной культуры, шелуху и трудноотделимые сорняки.

Предварительными экспериментальными исследованиями установлено, что эффективность очистки зерна от легких примесей увеличивается на 4-8%, за счет использования в приемном бункере вибрирующего питающего лотка.

В задачу данной работы входила оценка влияния количества перегородок установленных в пневмоканале, загрузки пневмоканала зерновым материалом и скорости воздушного потока на эффективность очистки пшеницы от легких примесей с использованием вибрирующего питающего лотка.

С целью обоснования количества и высоты перегородок, установленных в пневмоканале, были проведены экспериментальные исследования по

изучению влияния высоты перегородок на эффективность очистки зерна от легких примесей, а затем и количества перегородок. Анализ влияния установленных перегородок показал, что максимальная эффективность очистки зерна от легких примесей 99,46% при одной установленной перегородке (рис. 3).

Влияние скорости воздушного потока на эффективность очистки зерна от легких примесей. Исследования показали, что при увеличении скорости воздушного потока в пневмосепарирующем канале увеличивается эффективность очистки зерна от легких примесей, а при уменьшении скорости воздушного потока уменьшается эффективность очистки зерна.

3.5 4 4,5 5 5,5 б Скорость воздушного потока, м с

• 1 перегородка высотой 100 мм

■1 перегородка высотой 150 мм

1 перегор-эдка высотой 200 мм

•1 перегородка высотой 250 мм

Рис. 3. Эффективность очистки зернового материала в писвмоканале с одной перегородкой в зависимости от скорости воздушного потока

100

90

о о so

3

1 70

о

-е- 60

О 50

3 3,5 4 4,5 5 5,5 б Скорость воздушного потока, м с

•2 перегорода:л

ЕЫССТСН 100 мм

-2 перегородки высотой 150 мм

2 перегородки еысотой 2СЮ мм

-2 перегородки высотой 250 мм

Рис. 4. Эффективность очистки зернового материала в пневмоканале с двумя перегородками в зависимости от скорости воздушного потока

Влияние удельной подачи зернового материала на эффективность очистки зернового материала от легких примесей изучали при подаче зернового материала 29,62 кг/см2-ч; 33,3 кг/см2-ч и 37 кг/см2-ч, что соответст-

вует 8 т/ч; 9 т/ч и 10 т/ч. Исследования очистки зернового материала от легких примесей показали, что с увеличением загрузки пневмоканала зерновым материалом уменьшается эффективность очистки зернового материала, а при уменьшении загрузки увеличивается эффективность его очистки с 96,18 до 99,46%.

Изучение процесса очистки зерна от легких примесей заключалось в определении оптимальной скорости воздушного потока в пневмоканале, загрузке пневмоканала зерновым материалом и количестве перегородок установленных в пневмоканале для выравнивания скорости воздушного потока, при которой обеспечивается высокая эффективность очистки зерна от легких примесей в пневмосепараторе.

Для решения поставленной задачи было произведено планирование эксперимента при помощи полного факторного эксперимента (ПФЭ-З3). Уровни варьируемых факторов определяли на основе анализа научно-технической информации по состоянию вопроса.

Установлено, что скорость воздушного потока в пневмоканале может варьироваться от 3,5 до 5,5 м/с, поэтому при планировании эксперимента необходимо учесть этот фактор.

Кроме того, было установлено, что следует проводить эксперименты в пневмоканале без перегородки, а также с одним и двумя установленными перегородками.

В качестве параметра оптимизации была выбрана эффективность очистки зернового материала, характеризующая способность разделения зернового материала от легких примесей и потери зерна в отходы.

В таблице 1 представлены уровни варьирования факторов процесса очистки зернового материала от легких примесей.

Таблица 1 - Уровни варьирования факторов процесса очистки зернового материала от легких примесей

Фактор Уровень

-1 0 +1

Х1 - скорость воздушного потока в пневмоканале, м/с 3,5 4,5 5,5

Х2 - количество установленных перегородок в пневмоканале, шт. 1 0 2

Х3 - загрузка пневмоканала зерновым материалом, кг/см2-ч 29,62 33,3 37

Построив план полного факторного эксперимента при изучении процесса очистки зернового материала от легких примесей, осуществили эксперимент. Получив экспериментальные данные, выполнили статистическую обработку результатов.

В результате обработки экспериментальных данных трехфакторного эксперимента получены уравнения регрессии следующего вида:

у = \\ §2733+5,861-Х,-16-Х, -6,641• X2 +0,6108- Х2 ■ + 2,2215X,2; у = 1034414- 0,2189- + 8,5519- Х2 - 0,0048- Х\ + 0,00 М-ХУХ2- 6,6413- X].

Рис. 5. Зависимость эффективности очистки зернового материала от скорости воздушного потока и количества перегородок

Рис. 6. Зависимость эффективности очистки зернового материала от количества установленных перегородок и загрузки пневмоканала зерновым материалом

Получив экспериментальные данные, уравнение регрессии и выполнив статистическую обработку результатов с помощью программы 81аи5йса 6.0 построили график зависимости эффективности очистки зернового материала от скорости воздушного потока и количества установленных перегородок (рис. 5). Из графика видно, что максимальная эффективность очистки зернового материала 96.44% при одной установленной перегородке и скорости воздушного потока 5,5 м/с, а минимальная эффективность очистки 80,1% при двух установленных перегородках и скорости воздушного потока 3,5 м/с.

При помощи той же программы 81аи5Иса 6.0, построили график зависимости эффективности очистки зернового материала от количества установленных перегородок и загрузки пневмоканала зерновым материалом (рис. 6). Из графика видно, что максимальная эффективность очистки зернового материала 96,44% при одной установленной перегородке и загрузке пневмоканала зерновым материалом 29,62 кг/см2-ч, а минимальная эффективность очистки 80,1 % при двух установленных перегородках и загрузке пневмоканала зерновым материалом 37 кг/см2-ч.

Таким образом, экспериментально обоснованы рациональные параметры процесса очистки зернового материала от легких примесей в пнев-моканале с перегородками: загрузка пневмоканала зерновым материалом -29 кг/см2ч, количество установленных перегородок - одна, высота перегородок - 250 мм и скорость воздушного потока - 5,5 м/с.

Анализ эффективности выделения легкой примеси в зависимости от влажности зернового материала показал, что с увеличением влажности зернового материала уменьшается эффективность выделения легкой примеси. Так при скорости воздушного потока 3,5 м/с эффективность выделения легкой примеси при влажности зернового материала \У=27,4% составляет 68,3%, а при влажности зернового материала 12,Неэффективность выделения легкой примеси 88,89%.

При увеличении содержания легкой примеси в зерновом материале уменьшается эффективность выделения легкой примеси. Так, при содержании легкой примеси в зерновом материале Со=4,42% эффективность выделения легкой примеси составляет 99,4%, а при содержании легкой примеси в зерновом материале С0=Ю% эффективность их выделения составила 57,12%.

Испытания макетного образца воздушного сепаратора, в пневмокана-ле которого установлены перегородки, показали на работоспособность в хозяйственных условиях.

В пятой главе представлена экономическая эффективность внедрения воздушного сепаратора с установленными перегородками в пневмока-нале.

Годовой экономический эффект составляет более 200 тыс. руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ исследований показал, что применение пневмоканалов становится эффективным при использовании конструктивных решений, обеспечивающих равномерное распределение скорости воздушного потока за счет установки перегородок по глубине пневмоканала.

2. Установка перегородок дает возможность увеличить эффективность очистки легких примесей на 9 - 19% и использовать его на очистке зернового материала от легковесных, щуплых, мелких, битых зерен основной культуры и шелухи.

3. Разработана математическая модель процесса сепарации компоне-тов зернового материала в вертикальном пневмоканале с перегородками (10), которая учитывает физико-механические свойства компонентов зернового материала, конструкцию пневмоканала и перераспределение компонентов в слое при подаче в пневмоканал. Применение данной модели позволяет определять полноту выделения компонентов из зернового материала в вертикальных пневмоканалах с перегородками.

4. Эффективность выделения легких примесей увеличивается при увеличении скорости воздушного потока в пневмоканале от 3,5 до 5,5 м/с

на 3 - 10%. А при увеличении загрузки зернового материала, подаваемого в пневмоканал, уменьшается.

5. Обоснованы рациональные параметры процесса очистки зернового материала от легких примесей в пневмоканале с перегородками: загрузка пневмоканала зерновым материалом - 29 кг/см2ч, количество установленных перегородок - одна, высота перегородок - 250 мм и скорость воздушного потока - 5,5 м/с.

8. Хозяйственные испытания разработанного воздушного сепаратора с вертикальным пневматическим каналом и с перегородкой подтвердили устойчивость процесса сепарации на разных зерновых материалах при удельных зерновых нагрузках до 29 кг/см2ч.

9. Ожидаемый годовой экономический эффект от воздушного сепаратора для очистки зерна от легкой примеси с установленными перегородками в пневмоканале составил более 200 тыс. руб. на одну машину.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих печатных работах.

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Пашинова Н.В. Моделирование аэродинамических свойств семян основных зерновых культур [Текст] / С.С. Ямпилов, Н.В. Пашинова // Вестник ИрГСХА. Вып. 42 - Иркутск: ИрГСХА, 2011, С.123-133.

В других изданиях:

2. Пашинова Н.В. Урожайность и валовой сбор зерновых культур в Республике Бурятия [Текст] / С.С. Ямпилов, Н.В. Пашинова // Сборник научных трудов. Серия: Технология и средства механизации в АПК. Вып. 5. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2009, С. 39-42.

3. Пашинова Н.В. Посевные площади и валовой сбор зерна в Республике Бурятия [Текст] / Н.В. Пашинова // Байкальский молодежный фору «Здоровая молодежь - будущее России» (15-19 июня 2009 г.): сборник статей и проектов. - Улан-Удэ: НоваПринт, 2009, С. 63-66.

4. Пашинова Н.В. Новые селекционные машины для очистки зерна [Текст] / С.С. Ямпилов, Г.Ж. Дондокова, Н.В. Пашинова // Сборник научных докладов I Международной научно-практической конференции «Качество как условие повышения конкурентоспособности и путь к устойчивому развитию». - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2009, С. 198-206.

5. Пашинова Н.В. Разработка нового пневмоканала для очистки зерна [Текст] // С.С. Ямпилов, Н.В. Пашинова // Сборник научных трудов. Серия: Технология и средства механизации в АПК. Вып. 6. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2010, С. 155-158.

6. Пашинова Н.В. Очистка зерна в пневмоканале [Текст] / С.С. Ямпилов, Н.В. Пашинова // Сборник научных докладов международной научно-

практической конференции, посвященной 80-летию БГСХА и 50-летию инженерного факультета (9-12 июня 2011 г.) «Инженерное обеспечение и технический сервис в АПК» - Улан-Удэ: Изд-во БГСХА им. В.Р. Филиппова, 2011, С. 106-110.

7. Пашинова Н.В. Исследование пневмоканала с боковым отверстием и барьерами [Текст] / С.С. Ямпилов, Г.Ж. Дондокова, Н.В. Пашинова // Сборник научных трудов. Серия: Технология и средства механизации в АПК. Вып. 7. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2011, С. 133-138.

8. Пашинова Н.В. Анализ теоретических исследований очистки зернового материала в пневмоканале [Текст] / С.С. Ямпилов, Г.Ж. Дондокова, Н.В. Пашинова // Сборник научных трудов. Серия: Технология и средства механизации в АПК. Вып. 7. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2011, С. 154-164.

9. Пашинова Н.В. Очистка зерна в пневмоканале с барьерами [Текст] / С.С. Ямпилов, Н.В. Пашинова, Г.Ж. Дондокова // Современные тенденции в науке: новый взгляд: сборник научных трудов по материалам международной заочной научно - практической конференции 29 ноября 2011 г.: в 9. частях. Часть 4; М-во обр. и науки РФ. Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011. С. 160-162.

10. Патент РФ № 2438781, МПК С1, В02В 1/00. Пневмоканал для очистки зерна / С.С. Ямпилов, Н.В. Пашинова, Ж.Б. Цыбенов, Ц.Ц. Цыды-пов, В.Б. Балданов (РФ) Опубл. 10.01.2012; Бюл. №1.

11. Пашинова Н.В. Результаты экспериментальных исследований очистки зерна от легких примесей в воздушном сепараторе [Текст] / С.С. Ямпилов, Н.В. Пашинова, Г.Ж. Дондокова // Сборник научных трудов. Серия: Технология и средства механизации в АПК. Вып. 8. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012, С. 145-149.

Подписано в печать 10.09. 2013 г. Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 269.

Издательство ВСГУТУ

670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ»

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЕПАРАЦИИ ЗЕРНА В ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПНЕВМОКАНАЛАХ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201362641

ПАШИНОВА Надежда Валерьевна

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Ямпилов С.С.

Улан-Удэ-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Аннотация............................................................................... 5

Введение................................................................................. 7

Глава I. Состояние вопроса........................................................... 13

1.1. Урожайность и валовой сбор зерновых культур в Республике Бурятия............................................................................ 13

1.2 Характеристика зернового материала, поступающего на послеуборочную обработку.......................................................... 16

1.3 Существующие зерноочистительные машины с пневмосепари-рующими системами........................................................... 19

1.4 Анализ сепарации зернового материала в пневмосепарирующих каналах с восходящим воздушным потоком.............................. 46

Глава II. Теоретические исследования пневмосепарации зернового материала в восходящем воздушном потоке........................................... 53

2.1 Математическая модель процесса сепарации компонентов зернового материала в пневмоканале с перегородками.................... 53

Глава III. Программа и методика экспериментальных исследований....... 62

3.1. Программа экспериментальных исследований...................... 62

3.2. Описание экспериментальной установки, оборудований и приборов .............................................................................. 63

3.2.1. Экспериментальная установка для исследования распределения скорости воздушного потока в пневмосепарирующем канале с одно, двумя установленными перегородками и без перегородок..... 63

3.2.2. Прибор для определения скорости витания зерновок........... 67

3.2.3. Контрольно-измерительные приборы.............................. 68

3.3. Методика экспериментальных исследований........................ 72

3.3.1. Схема проведения экспериментов................................... 72

3.3.2. Методика проведения опытов при исследовании распределения зерна и примеси исходного материала по скорости витания.......... 73

3.3.3. Методика проведения опытов при исследовании распределения скорости восходящего воздушного потока в пневмосепарирующем канале с перегородками при различной удельной зерновой нагрузке...... 74

3.3.4. Методика проведения опытов при сравнительном исследова-

нии эффективности разделения зернового материала в пневмосепарирующем канале без перегородок, с одной и двумя перегородоками ... 76 Глава IV. Обоснование основных параметров очистки зерна воздушным

потоком.................................................................................. 78

4.1. Обоснование схемы воздушного сепаратора, в пневмоканале которого установлены перегородки........................................ 78

4.2. Влияние основных параметров воздушного сепаратора, в пневмоканале которого установлены перегородки............................ 79

4.2.1. Влияние скорости витания пшеницы и легкой примеси на эффективность разделения........................................................ 80

4.2.2. Влияние установленного вибролотка на эффективность очистки зерна от легких примесей в пневмоканале без перегородок......... 82

4.2.3. Влияние количества и высоты установленных перегородок в пневмоканале на эффективность очистки зерна от легких примесей.. 84

4.2.4. Обоснование основных параметров воздушного сепаратора при очистке зерна от легких примесей...................................... 88

4.2.5. Влияние засоренности зерновой смеси на эффективность очистки зерна от легких примесей.......................................... 96

4.2.6. Влияние влажности зернового материала на эффективность выделения легких примесей................................................. 98

4.3. Испытание в хозяйственных условиях................................ 100

Глава V. Экономическая эффективность внедрения воздушного сепаратора для очистки зерна от легких примесей с установленными перегородками в пневмоканале..................................................................................................................................103

5.1. Расчет оптовой цены воздушного сепаратора для очистки зерна с установленными перегородками в пневмоканале....................................104

5.1.1. Расчет отраслевой себестоимости воздушного сепаратора .... 104

5.1.2. Оптовая цена машины....................................................................................................105

5.2. Расчет основных технико-экономических показателей......................107

Основные выводы............................................................................................................................................112

Литература............................................................................................................................................................114

Приложение..........................................................................................................................................................124

АННОТАЦИЯ

диссертационной работы Пашиновой Н.В. на тему: «Совершенствование процесса сепарации зерна в вертикальных пневмоканалах»

Проведен аналитический обзор различных конструкций зерноочистительных машин, а также исследований сепарации зерна с целью повышения эффективности очистки зерна от легких примесей.

Экспериментально и теоретически обоснована функциональная схема воздушного сепаратора для очистки зерна от легких примесей, который состоит из пневмоканала, установленных перегородок для выравнивания скорости воздушного потока в пневмоканале, вибрирующего питающего лотка, центробежного вентилятора, матерчатого фильтра для вывода отработанного воздуха, сетчатого фильтра, электродвигателя, автоматического выключателя, приемного бункера, патрубка для вывода очищенного материала, заслонки для регулирования скорости воздушного потока подаваемого в пневмока-нал, осадочной камеры, разгрузочного устройства для вывода легких примесей.

Разработана математическая модель процесса сепарации зернового материала от легких примесей в воздушном сепараторе, в пневмоканале которого установлены перегородки, по которой определяются необходимые параметры и режим воздушного сепаратора данной производительности, обеспечивающего необходимые показатели качества очистки.

Проведены экспериментальные исследования влияния основных факторов (размеры и количество перегородок, скорость воздушного потока в пневмоканале, загрузка единицы ширины пневмоканала, влажности зернового материала) на эффективность очистки зернового материала от легких примесей, и на основе их изучения обоснованы режим и конструктивные параметры воздушного сепаратора для очистки зернового материала от легких

примесей производительностью 10 т/ч, обеспечивающего соответствие требованиям, предъявляемым к машине предварительной очистки.

Представлены результаты испытаний воздушного сепаратора для очистки зернового материала от легких примесей с установленными перегородками в пневмоканале в хозяйственных условиях и основные технико-экономические показатели машины.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Известные изменения в сельскохозяйственном производстве нашей страны, прошедшие за последние годы, требуют коренных преобразований в послеуборочной обработке зерна [3 8].

Имеющаяся в сельском хозяйстве зерноочистительная техника морально устарела, так как не соответствует современным условиям зернопроизвод-ства и физически изношена на 70...90%. Обеспеченность крупных и средних хозяйств не превышает 35%, а малые и фермерские хозяйства вовсе не имеют требуемой техники [38].

Необходимо разработать зерноочиститель максимально адаптированный к многообразию условий современного сельскохозяйственного производства, обеспечивающий минимальные затраты, но позволяющий на первом этапе обработки получить большую часть очищенного зерна [40].

В сельском хозяйстве нашли применение машины, в которых разделение зернового материала производится исключительно с помощью воздушного потока, так называемые пневмосепараторы. Наибольшее распространение по конструктивной простоте и компактности получили пневмосепараторы, в которых используется канал с восходящим воздушным потоком. Такие каналы обеспечивают более продолжительное воздействие воздушного потока на сепарируемый материал, по сравнению с горизонтальными и наклонными потоками, и как показали исследования, время воздействия потока на материал оказывает влияние на качество разделения. Выход легкого компонента тем больше, чем рациональнее выравнена скорость воздушного потока в пневмоканале. Однако в каналах прямоугольной формы в результате сложных явлений, которые имеют место при взаимодействии зернового материала с потоком воздуха, эффективность очистки находится в зависимости от его глубины. По этой причине глубина во всех каналах пневмосепараторов и пневмосепарирующих систем зерно-семяочистительных машин не превыша-

ет определенного значения [95]. Скорость воздушного потока в пневмокана-лах выравнивают, применяя специальные конструктивные решения.

Для увеличения эффективности очистки зернового материала и достижения более высоких экономических и качественных показателей работы воздушного сепаратора, необходимо провести исследования с таким конструктивным решением, которое поможет значительно выравнить скорость воздушного потока в пневмоканале, по сравнению с известными модернизациями пневмоканала [95].

В этой связи, разработка и внедрение воздушного сепаратора для очистки зерна от легких примесей, а также создание универсальных машин является актуальной задачей в научном и практическом плане.

Поэтому необходимо разработать воздушный сепаратор максимально адаптированный к многообразию условий современного сельскохозяйственного производства, обеспечивающий минимальные затраты и очистку основной части зерна от легких примесей.

Исследования по разработке нового пневмоканала для очистки зерна от легких примесей выполнена в Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления по планам НИР на 2008-2012 г.г. "Исследование и разработка пневмосепарирующего канала для очистки зерна с перегородками".

Целью повышение эффективности сепарации зерна в пневматических вертикальных каналах от легковесных, щуплых, мелких и битых зерен.

Основные задачи исследования:

- разработать математическую модель процесса очистки зернового материала в воздушном сепараторе с перегородками;

- изучить влияние основных параметров на эффективность выделения легких примесей в воздушном сепараторе, в котором установлены перегородки и экспериментально обосновать его основные параметры;

- изучить работоспособность воздушного сепаратора в хозяйственных условиях.

Объект исследования - зерно, органическая и минеральная примесь, пневматический вертикальный канал с перегородками.

Предмет исследований - технологический процесс сепарации зерна по аэродинамическим свойствам в вертикальном канале, выравнивание скорости воздушного потока в вертикальном канале.

Научная новизна.

- математическая модель процесса очистки зернового материала в пневмоканале с перегородками;

- закономерности изменения полноты выделения легких примесей в пневмоканале с перегородками в зависимости от скорости воздушного потока, удельной нагрузки и количества перегородок.

На пневмоканал с перегородками получен патент РФ № 2438781.

Практическая ценность работы.

Конструктивно-компоновочная схема пневматического сепаратора, включающая вертикальный пневмоканал с перегородками.

Оптимальные конструктивно-технологические параметры вертикального пневмоканала с перегородками.

Реализация результатов работы.

На основании проведенных исследований разработан воздушный сепаратор, включающий вертикальный пневмоканал с перегородками. Сепаратор внедрен в СГЖ «Гигант» Заиграевского района и СХПК «Эдэрмык» Кижин-гинского района Республики Бурятия.

Апробация работы.

Материалы исследований докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «БМТ ПАПП» ВСГУТУ (г. Улан-Удэ) в 2010-2013 гг., на научно-практических конференциях ВСГУТУ (г. Улан-Удэ) в 2009-2012 гг., на Байкальском молодежном форуме «Здоровая молодежь - будущее России» (г. Улан-Удэ) в 2009 г., на 1 Международной научно-практической конференции «Качество как условие повышения конкурентоспособности и путь к

устойчивому развитию» (г. Улан-Удэ) в 2009 г., на всероссийской молодеж-

9

ной научно-технической конференции «Молодые ученые Сибири» (г. Улан-Удэ) в 2010 г., на международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию БГСХА и 50-летию инженерного факультета Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В.Р. Филиппова, «Инженерное обеспечение и технический сервис в АПК» (г. Улан-Удэ) в 2011 г., на международной заочной научно-практической конференции «Современные тенденции в науке: новый взгляд» (г. Тамбов) в 2011 г., на III региональном научно-производственном семинаре «Чтения И.П. Терских» «Техника и технологии инженерного обеспечения АПК» (г. Иркутск) в 2011 г.

Публикации. Основное содержание исследований опубликовано в 10 печатных работах, одна из них в реферируемом издании:

1. Пашинова Н.В. Моделирование аэродинамических свойств семян основных зерновых культур [Текст] / С.С. Ямпилов, Н.В. Пашинова // Вестник ИрГСХА. Вып. 42 - Иркутск: ИрГСХА, 2011, С. 123-133.

2. Пашинова Н.В. Урожайность и валовой сбор зерновых культур в Республике Бурятия [Текст] / С.С. Ямпилов, Н.В. Пашинова // Сборник научных трудов. Серия: Технология и средства механизации в АПК. Вып. 5. -Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2009, С. 39-42.

3. Пашинова Н.В. Посевные площади и валовой сбор зерна в Республике Бурятия [Текст] / Н.В. Пашинова // Байкальский молодежный фору «Здоровая молодежь - будущее России» (15-19 июня 2009 г.): сборник статей и проектов. - Улан-Удэ: НоваПринт, 2009, С. 63-66.

4. Пашинова Н.В. Новые селекционные машины для очистки зерна [Текст] / С.С. Ямпилов, Г.Ж. Дондокова, Н.В. Пашинова // Сборник научных докладов I Международной научно-практической конференции «Качество как условие повышения конкурентоспособности и путь к устойчивому развитию». - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2009, С. 198-206.

5. Пашинова Н.В. Разработка нового пневмоканала для очистки зерна [Текст] // С.С. Ямпилов, Н.В. Пашинова II Сборник научных трудов. Серия:

Технология и средства механизации в АПК. Вып. 6. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2010, С. 155-158.

6. Пашинова Н.В. Очистка зерна в пневмоканале [Текст] / С.С. Ямпилов, Н.В. Пашинова // Сборник научных докладов международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию БГСХА и 50-летию инженерного факультета (9-12 июня 2011 г.) «Инженерное обеспечение и технический сервис в АПК» - Улан-Удэ: Изд-во БГСХА им. В.Р. Филиппова, 2011, С. 106-110.

7. Пашинова Н.В. Исследование пневмоканала с боковым отверстием и барьерами [Текст] / С.С. Ямпилов, Г.Ж. Дондокова, Н.В. Пашинова // Сборник научных трудов. Серия: Технология и средства механизации в АПК. Вып. 7. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2011, С. 133-138.

8. Пашинова Н.В. Анализ теоретических исследований очистки зернового материала в пневмоканале [Текст] / С.С. Ямпилов, Г.Ж. Дондокова, Н.В. Пашинова // Сборник научных трудов. Серия: Технология и средства механизации в АПК. Вып. 7. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2011, С. 154-164.

9. Пашинова Н.В. Очистка зерна в пневмоканале с барьерами [Текст] / С.С. Ямпилов, Н.В. Пашинова, Г.Ж. Дондокова // Современные тенденции в науке: новый взгляд: сборник научных трудов по материалам международной заочной научно - практической конференции 29 ноября 2011 г.: в 9. частях. Часть 4; М-во обр. и науки РФ. Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011. С. 160-162.

10. Патент РФ № 2438781, МПК С1, В02В 1/00. Пневмоканал для очистки зерна / С.С. Ямпилов, Н.В. Пашинова, Ж.Б. Цыбенов, Ц.Ц. Цыдыпов,

B.Б. Балданов (РФ) Опубл. 10.01.2012; Бюл. №1.

11. Пашинова Н.В. Результаты экспериментальных исследований очистки зерна от легких примесей в воздушном сепараторе [Текст] /

C.С. Ямпилов, Н.В. Пашинова, Г.Ж. Дондокова // Сборник научных трудов. Серия: Технология и средства механизации в АПК. Вып. 8. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012, С. 145-149.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, включает 13 таблиц, 48 рисунков, список литературы из 107 наименования и 4 приложений.

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Урожайность и валовой сбор зерновых культур в Республике Бурятия

В условиях сокращающихся площадей усиливается необходимость повышения урожайности зерновых культур и снижение потерь зерна, главным образом, в процессах его послеуборочной обработки и подготовки продовольственного и семенного материала с учетом местных условий [91].

тыс. тонн

150 -|-

loo

50 О

Рисунок 1.1- Валовой сбор зерновых культур в Республике Бурятия

На рисунке 1.1 видно, что валовой сбор зерновых в Республике Бурятия с каждым годом умен