автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технологическое и техническое обеспечение ресурсо-энергосберегающих процессов очистки и сортирования зерна и семян

РГБ ОД

6 1 ЛНВ 2000

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ВИМ)

На правах рукописи

ЯМПИЛОВ Сэнгэ Самбуевич

УДК 631.362.633.1

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕСУРСО-ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ И СОРТИРОВАНИЯ ЗЕРНА И СЕМЯН

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва -1999

Работа выполнена в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете (ВСГТУ) и Всероссийском научно-исследовательском институте механизации сельского хозяйства {ВИМ)

' Научный консультант: АНИСКИН В.И., доктор технических наук,

профессор, академик Россельхозакадемии и академии аграрных наук Беларусии, Заслуженный деятель науки и техники РФ.

Официальные оппоненты: ЕЛИЗАРОВ В.П., доктор технических наук,

профессор, академик Международной академии информатизации. ТУАЕВ М.В., доктор технических наук, профессор, академик Международной академии информатизации, заслуженный деятель науки РФ.

ФОКАНОВ A.M., доктор сельскохозяйственных наук.

Ведущее предприятие: ОАО «ГСКБ Зерноочистка».

Защита состоится «_ » Ж^Ц_1999 г., в 10 ч

на заседании диссертационного совета Д.020.02.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте механизации сельского хозяйства (ВИМ) по адресу: 109428, г. Москва, 1 - й Институтский проезд, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан « 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук Мамедова Л.В.

поп.гьо

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В себестоимости производства зерна доля очистки и сортирования при послеуборочной обработке не превышает и десяти процентов, но отказ от этих операций или не достаточно качественное выполнение их приводит к большим потерям, цена которых может значительно превышать затраты на их проведение.

Известные изменения в сельскохозяйственном производстве нашей страны, прошедшие за последние десять лет, требуют коренных преобразований в послеуборочной обработке зерна и семян .

Имеющаяся в сельском хозяйстве зерноочистительная техника морально устарела (не соответствует современным условиям зернопроизводства), физически изношена на 85...90 % и количественно не достаточна (обеспеченность крупных хозяйств не превышает 40 %, а фермерские хозяйства требуемой техники не имеют вовсе).

Необходимо создание новой технической базы, максимально адаптированной к многообразию условий современного сельскохозяйственного производства и обеспечивающей в каждом конкретном случае решение задач послеуборочной обработки при минимальных капитальных, энергетических и иных затратах. Создание такой техники - проблема прежде всего научно-исследовательская, и на ее решение направлена диссертационная работа.

Исследования и разработки, составившие основу диссертации, выполнены в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете, а также в ВИМе по планам НИОКР на 1981...1998 гг., и в соответствии с заданиями 03.02. и 02.03 общесоюзной программы «Зерно» О.Ц. 032 (1981... 1990 гг.) ГКНТ СССР.

Цель исследований - разработка высокоэффективных ресурсо-энергосберегающих технологий и технических средств очистки и сортирования при послеуборочной обработки зерна и семян.

Объекты исследований - зерновой и семенной ворох, технологии, процессы и рабочие органы машин и оборудования для очистки и сортирования зерна и семян.

Методика исследований. Физико-механические свойства зерна, пс севные и урожайные свойства семян определяли по специально разрабс танным методикам и в соответствии с государственными и отраслевым стандартами (ГОСТ 12038 - 84, ГОСТ 70.102 - 83). При этом использовал дополнительно разработанные приспособления и частные методики для ог ределения аэродинамических свойств семян, а также рекомендуемые стан дартами приборы и вспомогательное оборудование для определения физи ко-механических свойств зернового материала и качественных характер« стик семян.

Математические характеристики зерновых материалов, представ ляющие собой признаки делимости зерновых смесей, определены с приме нением теории распознавания образов и выражены обобщенными призна ками компонентов исходной смеси.

Разрабатываемые ресурсо-энергосберегающие технологии и машинь для очистки и сортирования зерна и семян исследовали с помощью специ ально разработанной интегрированной программной системы на компьюте ре, а также на физических моделях, макетных и опытных образцах в произ водственных условиях.

Результаты экспериментов обрабатывали методами математическо! статистики с использованием специальных программ для ЭВМ и в соответ ствии с требованиями ГОСТ 8.207 - 76 «Прямые измерения с многократны ми наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений».

Научную новизну представляют:

- метод исследования и оптимизации технологий и технически) средств послеуборочной обработки зерна и подготовки семян на основе интегрированной системы математических моделей и компьютерных программ расчета основных показателей процессов и синтезирования технологий с использованием информационной базы данных о характеристике объекта обработки, рабочих органов машин и оборудования, условий производства и других определяющих факторов и требований к конечному продукту;

- установленная закономерность изменения четкости разделения семян на фракции в зависимости от удаленности их признака от его гранич-

го значения, разделяющего фракции; зга закономерность характерна для трирующих машин любого принципа действия, а ее использование по->ляет расчетным путем прогнозировать с высокой точностью эффектив-:ть применения этих технических средств на очистке и сортировании сен в зависимости от их свойств;

- аналитические зависимости качественной и количественной харак-шстики процессов очистки и сортирования семян с рециркуляцией фраки - полуфабриката на машинах с непрерывным распределением фракций;

- установленные закономерности высокоэффективного сортирования ,1ян по посевным качествам (всхожести, силы роста и энергии прорастая) каскадным решетным сепаратором и другими сепарирующими орга-«и.

Основные научные результаты.

- методика расчета технологий сепарирования трудноразделимых >новых материалов, позволяющая как оценивать эффективность применяя комплексов известных технических средств на очистке и сортирова-и зерна и семян, так и выявлять новые рабочие органы и процессы, по-шающие четкость разделения при минимальной себестоимости опера-й;

- математическая модель интенсифицированного процесса сепарации >новых материалов каскадным решетным сепаратором с поярусным рас-гделением обрабатываемого материала, послужившая основой разработ-семейства новых универсальных зерно-семяочистительных машин, су-ственно сокращающих число операций при послеуборочной обработке >на и подготовке семян;

- математическая модель процесса сепарации зерновых материалов с диркуляцией фракции - полуфабриката, позволяющая управлять процес-VI очистки и сортирования в границах оптимального режима.

Практическую ценность имеют:

- система машинных технологий очистки зерна и семян для различ-х условий производства;

- интегрированная программная система компьютерного исследов; ния и оптимизации технологий и технических средств послеуборочной об работки зерна и подготовки семян;

- метод расчета универсальных зерно-семяочистительных машин каскадным решетным станом;

- конструктивные схемы и основные параметры каскадных униве{ сальных сепараторов с плоскими, цилиндрическими и ленточными работ ми органами (а.с. №№ 965532, 1447423);

- опытные образцы и модели универсальных зерно-семяочистител! ных машин.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций по; тверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальны исследований, положительными результатами испытаний созданных маши и разработанных технологий. Адекватность результатов теоретических экспериментальных исследований достигает 95 % уровня значимости.

Реализация результатов исследований.

Интегрированная программная система компьютерного исследовани: оптимизации и проектирования технологий и технических средств посл( уборочной обработки зерна и подготовки семян используются ВИМом АО «ВИСХОМ» при разработке концепций развития имеющейся техники создании перспективной технической базы нового поколения. Она принят за основу компьютерной системы автоматизированного проектирования ОАО «ГСКБ Зерноочистка» при разработке новых машин и оборудован! послеуборочной обработки зерна и семян.

Технологии очистки зерна п семян основных зерновых культур, также рапса, сорго и фасоли, реализуемые путем фракционирования 1 универсальной зерно-семяочистительной машине, обеспечивающие вьвд ление качественного зерна и биологически наиболее ценного посевного м; териала, конструктивные схемы и основные параметры семейства униве] сальных решетных сепараторов используются ОАО «ГСКБ Зерноочистка Разработанные технологии, а также универсальные зерносемяочистител ные машины используются в хозяйствах Восточно-Сибирского региона.

Методики расчета решетных и воздушных сепараторов, а также Триест применяются в учебном процессе Восточно-Сибирского государственно-о технологического университета, а также в ОАО «ГСКБ Зерноочистка».

Апробация работы.

Материалы диссертации рассмотрены и одобрены на секции уборки и ослеуборочной обработки зерна ВИМа (1978...1983 гг.); Всесоюзном на-чно-техническом совещании «Развитие комплексной механизации произ-одства зерна с учетом зональных условий» (Москва, 1982);совещаниях рабочей группы по подготовке системы машин на 1981...1990 гг. (1985...1987 г.), координационном совещании по выполнению общесоюзной научно-ехнической программы 0.51.12 (задание 06) ГКНТ СССР; на заседаниях гаучно-технического совета ОАО «ГСКБ Зерноочистка» (1983, 1999 гг.).

Основные положения диссертационной работы и результаты исследо-¡аний доложены и обсуждены на научных конференциях профессорско-феподавательского состава и аспирантов Восточно-Сибирского государст-¡енного технологического университета (1988... 1999 гг.); конференции мо-годых ученых и специалистов (ВИМ); международной научно-технической сонференции ВИЭСХ (1998 г.).

Публикации. Материалы выполненных исследований опубликованы в 59 печатных работах, в числе которых описания 9 авторских свидетельств -ССР и патентов РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы, включающего 321 источник, в том числе 37 на иностранных языках, и приложений.

Основная часть диссертации содержит 312 страниц машинописного текста, 53 рисунка и 18 таблиц.

На защиту выносятся:

- метод исследования и оптимизации технологий и технических средств послеуборочной обработки зерна и подготовки семян на базе интегрированной программной системы;

- методика расчета технологий очистки и сортирования при послеуборочной обработке зерна и подготовке семян;

- математическая модель интенсифицированного процесса разделен зерновых материалов многоярусным блоком решет, послужившая основ разработки нового семейства высокоэффективных универсальных зери семяочистительных машин;

- математическая модель процесса сепарации с рециркуляцией час зернового материала на зерно-семяочистительных машинах;

- математические модели процессов сортирования семян по посевнь качествам сепарирующими органами зерно-семяочистительных машин;

- система машинных технологий очистки зерна и семян для разли ных условий производства;

- методика расчета основных параметров универсальных каскадш решетных сепараторов;

- конструктивные схемы и основные параметры каскадных униве сальных сепараторов с плоскими, цилиндрическими и ленточными рабоч ми органами (а.с. №№ 965532, 1447423).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ основных тенденций развития те нологий и технических средств для послеуборочной обработки зерна и с мян. Обоснована необходимость уменьшения энергетических затрат в пр цессе послеуборочной обработки и подготовки семян.

Исходя из того, что технология производства зерна состоит из чет] рех основных операций: обработка почвы и посев, уход за посевами, убор! урожая, послеуборочная обработка зерна и подготовка семян, определен средние значения совокупных энергозатрат (затраты всех видов использу мой энергии, в том числе энергии труда, перенесенной в процессе прои водства на результаты труда) по указанным этапам работ, которые для Р составляют соответственно, МДж/га: 8000, 1980, 2700 и 810, всего 1345 МДж/га. Энергозатраты живого труда в технологиях не превышают ; МДж/га, т.е. около 0,2 % всех затрат. В других Европейских странах, пр] меняющих эффективные технологии производства зерна, удельные сов купны^ энергозатраты находятся в большом диапазоне 7200...54000 МДж/

зависимости от условий, технического уровня производства и других фак-эров.

Среди основных технологических операций производства зерна на одготовку почвы приходится 62...64 % общих затрат энергии в то время, ак расходы энергии на послеуборочную обработку, включая и подготовку емян, при благоприятных условиях составляют всего 5... 10 %, а в зонах овышенного увлажнения 17...22 % .

Факт сравнительно низких затрат на послеуборочную обработку не олжен восприниматься как свидетельство второстепенной значимости и не бязательности выполнения этой операции. Попытки сэкономить средства а счет исключения затрат на этом заключительном этапе производства ерна приводят к резкому снижению эффективности затрат на всех преды-;ущих этапах за счет снижения качества и количества произведенного коечного продукта. Следует отметить также, что относительно низкая за-ратная доля послеуборочной обработки в себестоимости производства ерна в нашей стране достигнута в результате научно-технических достижений отечественных ученых и конструкторов. Так за 40 лет работы ВИМа с 1930 по 1970 гг.) трудозатраты на послеуборочную обработку зерна и се-1ян были снижены более чем в 100 раз (с 22 до 0,2...0,05 чел-ч/т).

Технологии очистки и сортирования зерна и семян, а также техниче-:кие средства для их реализации разработаны на основании научных работ З.П. Горячкина, H.H. Ульриха, Н.М. Летошнева, П.П. Колышева, Г.Т. Пав-ювского, Г.Д. Терскова, В.А. Кубышева, Г.Е. Листопада, И.Е. Кожуховско-о, Н.Г. Гладкова, А.Я. Соколова, В.В. Гортинского.

Дальнейшее развитие техническая база послеуборочной обработки юлучила в работах В.И. Анискина, В.П. Елизарова, Г.И. Гозмана, А.Н. Зю-шна, М.В. Туаева, Н.И. Косилова, В.Д. Бабченко, A.M. Корна, A.C. Матвеева, А.Г. Чижикова, H.A. Урханова, A.M. Фоканова, H.A. Ревенко, И. Климка, А.Г. Громова, В.М. Дринчи и др. Научные разработки нашли ;вое отражение в семействе новых машин, агрегатов и комплексов, разра-Зотанных в ГСКБ ПО «Воронежсельмаш» (В.Д. Олейников, Н.И. Грабель-■совский, С.А. Венков, Ю.П. Полунин, А.Н. Кремнев и др.).

Имеющаяся техническая база послеуборочной обработки зерна и подготовки семян морально устарела и не соответствует современным условиям сельскохозяйственного производства. Она создавалась для других условий, при которых владельцем большей части урожая было государство, и целью послеуборочной обработки являлась срочная подготовка к немедленной отправке зерна на государственные заготовительные предприятия (элеваторы). Для этого создавались поточные линии - дорогостоящие зерноочистительные агрегаты и зерноочистительно-сушильные комплексы, период занятости которых, определялся, в основном периодом уборки, т.е. около одного месяца. В настоящее время, когда производитель зерна стал владельцем урожая, должна быть обеспечена возможность обработки, хранения и реализации в более длительном периоде с меньшей производительностью и, следовательно, стоимостью машин, что позволит существенно снизить себестоимость послеуборочной обработки. Другая важная особенность современных условий - образование большого количества малых хозяйств (фермерских и коллективных), т.е. хозяйств со сравнительно небольшим объемом производства зерна.

В новых условиях более выгодной является так называемая двухэтап-ная технология послеуборочной обработки зерна, обеспечивающая значительное снижение капитало-энергоемкости за счет увеличения продолжительности работы техники в течение года до 500...900 часов.

Мировая номенклатура зерно-семяочистительных машин весьма велика - это автономные пневмосепараторы, решетные сепараторы, триеры, скальператоры с горизонтальными и вертикальными цилиндрами (с внешней и внутренней рабочей поверхностью), вибропневмосепараторы (пнев-мостолы) машины специального назначения (диэлектрические, магнитные, фрикционные и др). Каждый тип машин представляет собой типоразмер-ный ряд (по 10 и более моделей) различной производительности (от 50 кг до 250 т/ч). Наибольшее количество разработок посвящено решетным сепараторам - 42 %, пневмосепараторам - 31 %, триерам -11%, вибропневмосе-параторам - 10 %, машинам спецназначения - 6 % .

Снижение удельных показателей энергоемкости и металлоемкости машин, как отечественного так и зарубежного производства достигается за

счет повышения их производительности путем увеличения размеров традиционных сепарирующих рабочих органов. Этот путь повышения производительности зерно-семяочистительных машин малоэффективен и его нельзя признать перспективным. В связи с чем существующая практика комплектации предприятий послеуборочной обработки сложными семяочисти-тельными машинами приводит к созданию многоэтажных, громоздких и дорогостоящих сооружений.

Удельные энергоемкости машин предварительной очистки как отечественного так и зарубежного производства находятся приблизительно в одинаковых пределах и составляют, кВтч/т: 0,12...0,44; универсальных воздушно-решетных машин - 0,86...1,61; вибропневмосепараторов - 1,88...3; триеров-0,22...0,29; машин специального назначения - 1...13 . Удельная металлоемкость зерносемяочистительных машин отечественного производства в 1,3...1,8 меньше, чем аналогичных зарубежных машин и находится в пределах - 30...700 кг-ч/т. Удельный объем воздушно-решетных машин составляет около 1,2...5,2 м3-ч/т.

Создание новой технической базы послеуборочной обработки зерна и семян, соответствующей современным условиям сельскохозяйственного производства, связано прежде всего с большим объемом научных, конструкторских и проектных работ, требующих больших затрат труда, времени и средств. Эти проблемы могут быть эффективно решены на основе применения высоких технологий - компьютерных систем автоматизированного проектирования и оптимизации.

Данная работа направлена на создание высокоадаптивных ресурсо-энергосберегающих технологий и технических средств очистки и сортирования зерна и семян во всем многообразии зернопроизводящих хозяйств как крупных коллективных, так и малых фермерских.

На основе проведенного анализа с учетом поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

- разработать интегрированную программную систему компьютерного исследования и оптимизации технологий и технических средств послеуборочной обработки зерна и подготовки семян;

- разработать математические модели интенсифицированных процес сов разделения зерновых смесей для нового семейства высокоэффективны; универсальных зерно-семяочистительных машин;

- обосновать ресурсо-энергосберегающие технологии очистки зерн; и семян основных зерновых культур на универсальных машинах воздушно решетно-триерного типа;

- разработать метод инженерного расчета универсальных зерно семяочистительных машин с каскадным решетным станом.

Вторая глава посвящена разработке методики исследований техно логий и технических средств послеуборочной обработки зерна и подготое ки семян.

Основу методики составляет разработанная программная систем технологического и технического обеспечения послеуборочной обработк зерна и подготовки семян, предназначенная для автоматизированной вырг ботки технологических и технических решений, расчета технике экономических и технологических показателей обработки зерна и семя (рис. 1). Система является инструментальным средством для формировани технологических линий обработки зерна и подготовки семян, выбора м< шин, оборудования, агрегатов и строительных конструкций. Кроме топ система предназначена для решения справочно-информационных зада' возникающих как в процессе создания линий, так и при их эксплуатаци] т.е. при послеуборочной обработке зерна и подготовке семян. Программна система обеспечивает пользователю возможность быстро ориентироватьс во множестве данных, находить требуемые объекты, корректировать их пр необходимости, фиксировать новые варианты, производить вычисления получать результат на экране дисплея или в отпечатанном виде.

Информационное обеспечение системы представляет собой совоку] ность баз данных, содержащих условно постоянную информацию (НСИ) динамическую, полученную в процессе комплектования линий. Часть эл ментов базы данных характеризуется графическими изображениями (схем технологий, схемы машин, рисунки, чертежи). Некоторые параметры мог вычисляться по специальным программам.

Главное нформационное меню DUKE

Зоны Хозяйства Семена, Технологии, Машины,

производства РАИММЕШ зерно ТЕСНМЕЫи оборудование

гОЫЕМЕШ БЕМЕМЕМи МБНМ

Здания, Заводы,

сооружения цеха, линии

АЯСНМЕШ ШЕМЕШ

Персонал

PERSCAT GRUPSCA

л_

Математические модели МАТМСЮ

Нормы СНиП, стандарты

Рис.1. Логическая схема программных модулей системы технологического и технического обеспечения послеуборочной обработки зерна и подготовки семян.

К базам данных, содержащим условно-постоянную информацию с производстве и подготовке семян, относятся: зоны производства, хозяйства, семена, технологии, машины и оборудование, здания, персонал, заводы а также математические модели процессов, связанных с послеуборочной обработкой, нормы СНиП и стандарты.

Динамическая информация содержится в базе данных «Проект», которая дает информацию о вновь разработанных технологических линиях, заводах, машинах оборудовании.

Комплекс технических средств, обеспечивающих функционирование системы базируется на основе персональной ЭВМ.

На основе использования имеющейся в базе данных информации с параметрах исходного материала (семян, зерна), характеристики производства, имеющейся техники, математических моделей процессов, признаков делимости исходного материала и признаков разделения зерновых материалов на рабочих органах и других данных, разработанная программная система позволяет:

- выбирать рациональные параметры машин и оборудования;

- рассчитывать технологии послеуборочной обработки зерна и подготовки семян с оптимизацией по различным критериям;

- комплектовать варианты технологических линий и оптимизировать варианты с выдачей подробной технико-экономической и энергетической оценки.

Третья глава посвящена разработке математических моделей процессов очистки и сортирования, обеспечивающих повышение технологической эффективности рабочих органов и технологий сепарирования и составляющих научную (расчетную) основу интегрированной программной системы.

Проектирование технологий сепарирования зерновых материалов включает определение комплекса зерно-семяочистительных машин и вспомогательного оборудования, позволяющих реализовать рациональную технологическую последовательность их применения.

Расчет технологической последовательности применения машин осуществляется, как правило, по нескольким критериям на основании исследования физико-механических свойств исходного материала (признаков делимости) в наибольшей степени влияющих на разделяющую способность сепараторов - признаков разделения.

Известная методика расчета технологии разделения зерновых материалов по комплексу признаков, разработанная Зюлиным А.Н. на основе исполь- • зования ЭВМ и теории распознавания образов, дает возможность быстро и с требуемой точностью определить теоретическую возможность разделения зерновой смеси по заданному комплексу п признаков и рассчитать оптимальную технологию разделения в предположении, что процесс сепарации по любому признаку осуществляется абсолютно четко, независимо от близости значений признака разделяемых компонентов. Такой подход дает хорошие результаты при ориентировочных расчетах новых технологий, когда необходимо из большого множества всевозможных вариантов отобрать группу наиболее эффективных технологий. Однако для окончательной оценки практически эффективной технологии необходимо учитывать нечеткость сепарации, обусловленную случайным характером процесса разделения, осуществ-тяемого любым сепарирующим органом. С учетом этого разработана методика расчета технологии сепарирования зерновых материалов, основывающаяся на физико-механических свойствах представительных выборок семян, сак основного компонента А, так и примеси - компонента В. Содержание ос-ювного компонента в исходном материале Си,.а в очищенном должно быть 1е ниже Ск, а содержание основного компонента в отходе после обработки шлжно быть не более Дк.

Каждая зерновка или частица примеси характеризуется п признаками >азделения: X), х2, ..., х„, среди которых могут быть и обобщенные, т.е. зави-:имые от нескольких других этой совокупности. Предполагается, что существуют рабочие органы или машины, разделяющие зерновой материал по там признакам.

Все исходные данные, включая характеристику исходного материала массивы А, В, данные Си, Ск, Дк), введены в базу данных компьютера.

Расчет технологии сепарирования зерновых материалов осуществляли по следующему алгоритму.

Частицы объединенной представительной выборки исходного материала ранжируем по каждому признаку x¡, где i=l, 2,..., п, в отдельности

X„áX¡2<...<X¡N) (1)

где ДГ = JV<C)+ N{"\ V'-TV""- объемы представительных выборок семян и примеси.

В области значений X¡ в интервале (X¡i, X¡n), перебирая всевозможные интервалы с шагом АХ, находим граничные значения X^'XV основного компонента (семян) и xi"'» Xln > XÍ"' примеси, ограничивающие

фракцию семян требуемой чистоты Ск и, соответственно фракции отхода с ограниченным содержанием семян в них Дк (рис. 2а). В каждом из рассматриваемых интервалов (а, ¡3) для каждой частицы исходного материала, представленного рядом (1), определяем вероятность Р(а, Р) того, что сепаратор, действующий по признаку X¡, оставит ее в интервале (a, ¡i), если ее признак X¡ находится в нем, т.е. четкость разделения и вероятность Р(а, р) быть отнесенной ошибочно сепаратором во фракцию F(a, Р), если ее признак X¡ находится вне этого интервала. Вычисляем суммарную вероятность ¿C){cc,0) семян попасть во фракцию F(a, Р) и суммарную вероятность £(П){(Х,0) примеси попасть в эту же фракцию:

dc\a,py\ . (2)

k=1

где индексом (с) и (п) обозначена принадлежность частиц к семенам или примеси.

Вычисляем содержание С семян во фракции F(a,P) по формуле:

с(а,Р)= ■ сМ)

Cj"(a,PíH]-c„)c""(a,P)

Рис. 2. К определению граничных значений признаков разделения X; 'а) и характерная картина разделения зернового материала сепаратором (б). [ - частицы, оставленные сепаратором в своей фракции; 2- частицы, оши-Зочно отнесенные сепаратором к «чужой фракции»; 3 - частицы исходного материала; 4- частицы «чужой фракции», отнесенные сепаратором к «своей фракции».

Величину С(а, ¡3) сравниваем с С, и Дк, т.е. проверяем, отвечает ли фракция F(a, (!) требованиям очищенных семян или требованиям выделенных примесей:

С(а, Р)>СК; (5)

С(а, Р)<ДК. (6)

Для тех интервалов (а, Р), для которых выполняется соотношение (5) или (6), определяем количество очищенных семян Е(с)(а, (3) или выделенной примеси Etn)(a, Р):

Е(с>(а, Р)=(е(с)(ос> P))/N(c); Е(п)(а, Р)=(е(п,(а, p))/Nín>; (7)

Из всех фракций F(a, р), удовлетворяющих условию (5), находим фракцию максимального выхода, т.е. с максимальным значением £?с\а,/3).

Значения а и Р этого интервала принимаем в качестве граничных xl'i^ Xt' > ограничивающих фракцию очищенных семян по признаку X¡ (см. рис. 2 а).

Аналогично из всех интервалов, удовлетворяющих условию (6), находим интервалы (слева и справа от найденного xV< Xt' )> не пересекающиеся с ним, с максимальными значениями Значения аир этих интер-

валов (левого и правого) принимаем в качестве граничных: Х'<"'> ~X.IV и Xlíi' Хм . ограничивающих фракцию отхода с допустимым содержанием семян Дк.

По найденным максимальным значениям = и с

учетом других приоритетов выбираем сепаратор для первой технологической операции. В качестве других приоритетов могут быть, например, предпочтения использовать в начале более производительные и менее дорогие машины (рабочие органы) или машины, обеспечивающие попутно с основной операцией подготовку материала для более качественной работы последующих машин.

«Выделяем» фракции чистых семян и отхода по признаку j в соответствии с найденными границами фракций, удаляя из массивов А и В те частицы, признак Xj которых попадает в интервалы границ фракций чистых семяк и отхода. Относительное количество таких частиц определено величинами ¡P и

Все операции повторяем с оставшимися массивами до полного разделения или до остановки из-за невозможности дальнейшего разделения и вычисляем суммарное количество очищенных семян и выделенной примеси в результате всех этапов процесса:

ёП)=±Е?- (8)

Представленный формулами (8) результат разделения семенного материала по комплексу п признаков X/, Хг, ..., Хп зависит не только от того, на сколько велика разница признаков семян и примеси, но и от того, как четко сепарирующие органы способны разделять зерновой материал, компоненты которого существенно различаются по используемым признакам.

Поскольку процессы сепарирования имеют случайный характер, четкость разделения определяется вероятностью отнесения компонента смеси к той или иной фракции (рис. 2 б).

Идеальный сепаратор должен безошибочно выделять фракцию частиц, признак которых X, находится в границах заданного интервала (а, 0). Реальный сепаратор выделяет фракцию, в которую входит часть материала из интервала (а, /5), а так же некоторое количество частиц, признак Х1 которых находится за пределами этого интервала.

Вероятность Рк(а, Р) к-ой частице, признак^ которой находится в интервале (а, Д>, попасть в «свою фракцию», выделяемую сепаратором, зависит от интенсивности процесса разделения, продолжительности нахождения частицы в сепараторе, а так же от удаленности частицы от границ интервала, т.е. от величин Хы-а и /}-Х1к. Кроме того, вероятность Рк(а, ¡3) зависит и от принципа действия, типа, особенностей сепаратора, которые должны учитываться в каждом конкретном случае.

Экспериментальные исследования работы известных сепарирующих устройств (решет, триеров, пневмосепаратора, пневмосортировального стола, каскадного решетного сепаратора) при разделении зернового материала на фракции показали, что график зависимости вероятности частиц не попасть в свою фракцию от близости ее признака к границам фракций имеет в общем сходный для всех сепараторов вид (рис. 3 ).

Различаются графики сепараторов с дискретным распределением фракций (решето, триер) и графики с непрерывным распределением фракций (пневмосепаратор, пневмосортировальный стол, каскадный решетный сепаратор). Для первой группы сепараторов характерно не симметричное распределение вероятностей перехода частиц в «чужие» фракции слева и справа от границы между фракциями. Графики вероятностей перехода, относящиеся к другой группе, близки к симметричным.

Установленные исследованиями зависимости хорошо аппроксимируются выражением:

где РК(а, ¡3) - вероятность к-й частицы с признаком Хж (а<Х,к <¡3 ) в результате действия сепаратора не попасть в «свою» фракцию; /V , /-¡¡и -интенсивность случайного процесса сепарации вблизи границ: справа а и слева от Д / - продолжительность обработки материала сепаратором.

Вероятность Рк(а,(3), к-й частицы с признаком а <Х1к</3 быть выделенной в «свою фракцию» определяется формулой:

РК(а,р)=1- РК(а,р) (10)

Вероятность Рк(а,/3) попадания во фракции Р(а,Р) частицы, признак Х* которой находится вне интервала (а,0), определяется формулой, подобной (9):

Р,(^)=0,5{ехр[-//в/(ог-Хй)']+ехр[-//А(Хл -у0)/]}, (11)

где ¿¡¡а , - интенсивность случайного процесса сепарации вблизи границ: слева а и справа от р.

На рис. 3 представлены экспериментальные и расчетные по формулам (9) и (11) данные зависимости вероятности ошибочной сепарации у границ фракций при разделении пшеницы решетным сепаратором.

Адекватность полученных вероятностных моделей позволяет использовать их при компьютерном исследовании делимости зерновых смесей и расчете оптимальных вариантов технологий очистки и сортирования семян.

Рис. 3. Экспериментальные и расчетные по формулам (9) и (11) данные зависимости вероятности ошибочной сепарации у границ фракций при разделении решетом с прямоугольными отверстиями; 1- вероятность попадания частиц толщиной, менее 2,0 мм, во фракцию частиц с размерами 2. ..2,8 мм; 2 - вероятность попадания частиц, толщиной 2...2,8 мм, во фракции семян толщиной, менее 2 мм, и толщиной более 2,8 мм; 3- вероятность попадания частиц, толщиной более 2,8 мм во фракцию 2.. .2,8 мм.

Эффективность разработанной методики была проверена на числовом массиве комплекса (длины, ширины, толщины, коэффициентов трения, критической скорости воздушного потока, плотности и фактор формы) физико-механических свойств трудноразделимых семян пшеницы и ячменя.

Сравнительный анализ расчета технологии сепарирования зерновых материалов показал, что количество выделяемых семян, соответствующих требованиям 1-го класса стандарта по разработанной методике меньше, чем по аналогу - в среднем на 6...7 %, а семян, соответствующих 2-му классу стандарта, - на 15 %.

Разработанный метод расчета технологий сепарирования зерновых материалов позволяет проводить оптимизационные расчеты операций сепарации на ЭВМ, на основании таких факторов как содержание основного (очищенного) компонента в исходном и конечном материалах, потерь основного материала во фракции примесей, а также с учетом вероятности попадания зерновок в соседние фракции.

Рециркуляция фракиий является одним из эффективных способов повышения качества процессов сепарации в универсальных зерно-семяочистительных машинах. Однако до настоящего времени отсутствует аналитическое обоснование рециркуляции фракций, что создает существенные трудности при обосновании процессов сепарации с рециркуляцией одной из фракций, которую именуют, как правило, промежуточной.

В течении непрерывного процесса сепарации часть впервые рецирку-лируемого материала (РМ) направится на рециркуляцию и во второй раз, г часть от этой части и третий раз и т.д.. Поэтому поток материала, направленный на рециркуляцию после сепарации исходного материала, назовем первичным. Первичный поток также разделится на три фракции, одна из кото рых пойдет еще раз на доработку. Поток материала, идущего на рециркуляцию после сепарации первичного потока назовем вторичным.

С целью выявления основных закономерностей процесса рециркуляцш приняли допущение о том, что РМ распределяется на фракции в тех же про порциях как и исходный материал.

Учитывая тот факт, что все фракции содержат выделяемую примесь \ основной компонент, рассмотрим долевое распределение компонентов пс фракциям в промежутке времени (назовем его первым) от начала сепарацш исходного материала, до поступления первичного рециркулируемого поток; в приемное устройство сепаратора: е„ - выделяемой примеси (отход); у- дол! основного компонента в отходах (потери); 8 - рециркулируемая доля приме си, т.е. часть примеси направленная на дополнительную обработку; Я - ре циркулируемая доля основного материала.

Доля примеси в очищенном материале в п -ый промежуток времени: Кп=(1-£п-Щ1-5). (12)

Из (12) видно, что при сепарации материала с рециркуляцией его части, доля примеси в поступающем на обработку материале составляет 1/(1-3) от исходной.

Аналогичное распределение по фракциям основного компонента:

(13)

где У„- накопление основного компонента в РМ; X - рециркулируемая доля основного компонента.

Долю основного компонента R„ в очищенном материале определим по аналогии с формулой (12):

R„=(l-y-A)/(l-A). (14)

Полнота выделения примесей определяется по формуле:

P=(Cu-C0)/Cll=l-(CJCJ, (15)

где Сц-содержание примеси в исходном материале; Са- содержание примеси в очищенном материале.

Содержания примесей в исходном и в очищенном материалах могут быть определены по формулам:

Cu=my(m„+mJ=m¿m; С0= т„У(тпа+тпа), (16)

где т - масса исходного материала; т„, т„0 - масса примесей в исходном и очищенном материале соответственно; т0, т00- масса основного компонента в исходном и очищенном материале соответственно, кг.

Массы шпо и ш00 выразим через тп и т0.

Доля примеси, оставшаяся в очищенном материале К„ , определяет во сколько раз уменьшилась масса примеси в очищенном материале в сравнении с исходным. Отсюда следует выражение: тпо=К„ -т„. Аналогично для основного компонента, умножение R„ на массу основного компонента в исходном материале покажет во сколько раз уменьшилась (R„<1) масса основного компонента в очищенном материале в сравнении с исходным: т00= R„-m0. Выражения т„0 и тво вставим в формулу (16), числитель и знаменатель поделим на ш, и учитывая равенства mJm=Cu, и т</т=1-Си получим: С„= Kn CJ[KnCu+R„(l-CJ] . (17)

Вставив выражения С„, Rn и Кп в формулу (15) после несложных преобразований получаем:

P=l-f(l - £n - S)(l-X)]/[(1 - £n - S)(1-X)Cu+(1-y-A)(1-S)(1-CJ]. (18)

Например, после пропуска зернового материала через сепаратор удаленная доля примеси составила £„=0,45 (рис. 4 а). Полнота выделения в таком случае составит Р=0,405. Определим значение 5 рециркулируемой доли примеси, при которой полнота выделения будет равной 0,6 т.е. Р=0,6. Из точки 1 ведем кривую (рис. 4 б) до пересечения с заданным значением Р (точка 2). На нижней оси отсчитываем значение 5=0,28 (точка 3). Таким образом , с помощью рециркуляции части материала получили прирост полноты выделения АР=0,195.

Из описания процесса следует, что в РМ накапливается примесь и основной компонент в соответствии с формулой (13).

Учитывая массовое распределение РМ определим долю основного материала от всего исходного материала, направленную на рециркуляцию. Обозначив ее через q и вставив значения У„ и а„ получим:

<7= [Л(1-3)+(&А)СШ1-5)(1-А)]. (19)

С увеличением количества рециркулируемой доли Я основного компонента увеличивается доля материала от всего исходного материала, направленная на рециркуляцию, особенно при возрастании рециркулируемой доли примеси (рис. 5 а).

После несложных преобразований отношений массы примеси и массы РМ получаем выражение для определения содержания примеси в поступающем на обработку материале:

С^О-УСУМ-А^+О-ЭО-С«)]. (20)

В формуле (20) при определении С„ учитывается накопление примеси и основного компонента. Следовательно содержание С„ примеси в очищенном материале помимо формулы (17) можно определить и таким образом:

Со=(1-еп-8)СД(1-еп-8)Сп+0~Г-Ш1-СМ- (21)

При постоянной подаче <3, рециркулируемая часть материала q увеличит нагрузку сепаратора. Чтобы сохранить постоянной оптимальную нагрузку сепаратора , требуется уменьшить подачу исходного материала:

О^/О-К^р (22)

где С2Р , % - подача и производительность сепаратора соответственно, при его работе с рециркуляцией части материала.

Рис. 4 , Зависимость полноты р выделения примеси от удаляемой е„ (а) и рециркулируемой 6 (б) долей примеси, при: С„=0,10; 1=0,10; у=0,02.

Рис. 5. Зависимость доли q материала, направляемого на рециркуляцию (а), и снижения производительности д q (б) от рециркулируемой доли основного компонента X.

Разница производигельностей при обоих режимах работы равна \У-\Ур= О - Q/(l+q)) где \У-производительность сепаратора без рециркуляции. Обе части равенства разделим на О. Отношение ■\УР)/ О является относительным уменьшением производительности сепаратора Дq при его работе с рециркуляцией части материала, в сравнении с производительностью того же сепаратора, работающего без рециркуляции фракций:

¿4=4/(1+д), (23)

Вставив значение q из формулы (19) получим:

Ас!=[А(1-$)+(5-Л)С^(1-3+(С>-Л)С,]. (24)

Уменьшение производительности сепаратора при увеличении количества основного компонента, направляемого на рециркуляцию, представляется линейными зависимостями (рис. 5 б).

Рассмотрены качественные и количественные показатели, процесса сепарации, при условии, что РМ подается в приемное устройство сепаратора минуя дозатор. Полученные формулы (12...15), верны и для схемы, в которой РМ подается из сепаратора в дозатор, а дозатор настроен на подачу, обеспечивающую оптимальную нагрузку.

Разработанные аналитические зависимости процесса рециркуляции, а также проведенные экспериментальные исследования показали, что он является эффективным способом увеличения полноты выделения примесей. Увеличение доли рециркулируемой примеси при постоянной доле выделяемой примеси приводит к увеличению полноты выделения. Накопление примеси е поступающем на обработку материале, с учетом рециркулируемой доли, происходит до определенного предела.

Математическая модель процесса разделения зерновых смесей каскадным решетным сепаратором.

С целью интенсификации процесса сепарации универсальными каскадными зерно-семяочистителями исследовали основные закономерности сепарации при подаче материала одновременно на несколько ярусов решет (на рис. 6 . подача на три яруса) слоем толщиной км («вертикальная» загрузка).

Исходный зерновой материал включает подлежащий очистке основное компонент т.е. зерно, мелкую (в том числе короткую) примесь и крупную (I

том числе и длинную) примесь. Предполагается, что основной компонент по массе и объему составляет основную часть обрабатываемого материала, т.е. более 80%.

Рис.6. Схема каскадного решетного стана с «вертикальной» загрузкой материала: 1 - делительное решето; 2 - основные решета; 3 - накопители; 4 -(ерновой материал; М„ - мелкая примесь; Зк - короткая примесь; 3„ - очи-ценное зерно; Д„ - длинная примесь; Кп - крупная примесь.

Материал подается на делительное устройство 1 (рис. 6), выполненное, тпример, в виде короткого решета с большими отверстиями, которое рас-1ределяет зерновой материал в общем виде на т равных частей, направляе-1ых параллельно на начала ш решет (согласно рис. 6, т=3). Все эти решета щинаковые, т.е. они имеют круглые отверстия одного диаметра, пэзволяю-цего проходить в отверстия не только мелким частицам, но и : грновкам ос-ювного компонента, а также части или полностью частицам крупной приме-и.

Каждый компонент исходной смеси просеивается через решета с ха-актерной для него интенсивностью /л, зависящей, при прочих равных усло-иях, от свойств (в первую очередь размеров) частиц.

Полнота просеивания е,(0) основного компонента через /' - ое решете блока т загрузочных решет представляется формулой:

Sj4t)=

/Q, (О. f<it«»4Q-Q3.

1 - ex pf(/-//,""», о,-,!"1

mQ у

где Q - подача исходного материала на решетный стан, кг/с, Q3 - подача материала, соответствующая распределению его на решете слоем в одно зерно, кг/с; t — продолжительность пребывания материала на решетах с моментг поступления на начала решет, с; /,1П)Р , ¡.in>г, - интенсивность просеивания основного компонента через решето из толстого слоя и элементарного слоя соответственно, с1; t/0> - момент перехода толстого слоя материала на решете в элементарный слой; / - порядковый номер решета (начиная с верхнего), на которое подается материал параллельными потоками {1 <i <ni).

Просеивание основного компонента на других ярусах решет при i>ra , работающих с накопителями слоя, несколько отличается от рассмотренного процесса при i< т. Это отличие обусловлено тем, что часть основногс компонента просеивается на накопителе, что может приводить к определенному уменьшению толщины слоя материала на решетах. Однако, поскольку практический интерес представляют накопители с пропускной способностью в 3...4 раза меньшей, чем у основных решет, то с допустимой погрешностью можно распространить формулу (25) на процесс просеивания для остальных ярусов каскадного решетного стана.

Рассмотрим теперь процесс просеивания мелкого компонента. В общем виде процесс просеивания мелкого компонента через решето п - го яруса представляется формулой:

€?«) = (s)K\s)ds , (26)

о

где i/M}„(t) - функция интенсивности просеивания мелкого компонента через п - й ярус решетного стана, с'; V„(t) - скорость просеивания зернового материала через я - й ярус, м/с; h„(t) - толщина зернового слоя на и - м ярусе, м\

- линейная плотность мелкого компонента в зерновом слое на и - м ярусе, л)"', определяемая по формуле:

0=

ехр[-/Ли(«)<&][*„(*)]-' /ехр[ \Яп(г)с1г][{лп^)(у(27) О 0 0

*¥№(*№ ЫО^Чп+У п((){нп(()У.

Определим выражения входящих в формулу (26) функций, применительно к условиям «вертикальной» загрузки.

Толщина слоя на первом решете определяется по формуле:

Ир п31, ^ (0)>

т

эг* р

(28)

М

(0)

гг

ВФу'

и

(29)

где Н0 - толщина слоя материала, подаваемого на решетный стан, м\ И, -толщина элементарного слоя основного компонента на решете, м. Величины Н0 и /гэ связаны с (2 и (2Э формулами:

Ог

ВЪУу'

где В - рабочая ширина решета, м; IV - скорость перемещения материала по решету, м/с; у- объемная масса зернового материала, кг/м3.

Функция интенсивности просеивания Ц1] М>(1) и скорость убывания толщины слоя так же зависят от момента времени , когда слой на решете становится элементарным:

Ир >

(м) Мрэ>

VI0=

о,

(30)

где - интенсивность просеивания мелкого компонента через решето при элементарной загрузке.

На решето второго яруса решетного стана так же как и на первое поступает т - я часть зернового материала толщиной Н(/т. Но толщина слоя на этом решете в течение определенного времени не убывает, как на первом, а сохраняется постоянной. Это происходит потому, что на слой зернового материала поступает просеивающийся материал с первого решета, причем, поскольку решета одинаковые, то скорость У2 уменьшения толщины слоя на втором решете равна скорости увеличения толщины слоя на этом решете, совпадающей со скоростью К/ убыли толщины слоя на первом решете. Сохранение толщины слоя на втором решете продолжается до момента времени ¡/0> , когда на первом решете слой уменьшится до элементарного. Далее при 1> 1/п> толщина слоя на втором решете будет уменьшаться как это происходило на первом решете, только раньше т.е. при 0<1 < В связи с этим происходит определенное удлинение слоя материала на втором решете. Такая же закономерность распределения материала сохраняется на каждом нижерасположенном У — ом решете, на которое подается исходный материал слоем толщиной Но/т: эта толщина слоя сохраняется в течении периода времени, равном (1-1) (/0>. В связи с этим для всех загрузочных решет {¡<т) можно записать следующие выражения \)/,(1) и У,(1):

т '

0<*<(М)',(О);

т

т

(31)

Процесс просеивания мелкого компонента через решета, расположенные ниже ш загрузочных, определяется теми же формулами (26) и (27), с той тишь разницей, что в этом случае функции Л,(У, у!*0 (О и определены в других границах, связанных с накопителями слоя, установленными перед эешетами при ¡>т:

/2,(0=

Но 2т' Но

>

т /ъ>

(л,)

К

'р э>

(0), м/к,,

0,

0<(<(г-т-1)(„;

0</<(/-ти-1К;

(/-т-1)^<Г<шГ,(0)+(1-т)Гн;

(32)

1е - продолжительность движения материала на накопителе, с; - ин-гнсивность просеивания мелкого компонента через накопитель, с1.

Величина /„ определяется через продольное смещение решет Ь и ско-эсть движения материала по решету W по формуле:

(33)

Использование выражений (31), (32) в формуле (27) позволяет опреде-1ть последовательно плотность У'м>(1), У2(м>(1'),..., ¥пы(0 и далее по формуле 6) вычислить полноту просеивания мелкого компонента через п -й ярусный 1скадный решетный стан.

Рассмотрим теперь процесс просеивания крупного компонента.

Особенность крупного компонента в сравнении с мелким заключается гом, что:

0

- крупный компонент просеивается с поверхности решета т.е. из элементарного слоя И,, что позволяет в формулах (26) и (27) считать И((), к(з) и И(г) постоянными и равными Иэ.

- крупный компонент не проходит через решето попутно с основным компонентом, как это происходит с мелким компонентом, поэтому Уп(1)=0.

С учетом этих особенностей формулы для определения плотности У,!к'

и полноты выделения е„ ' представляются в виде: О 0 0

(34)

(35)

где у/к\(() — функция интенсивности просеивания крупного компонента.

Определим выражение плотности У[к)(1) для условий «вертикальной» загрузки, т.е. параллельной подачи на первые т ярусов решетного стана.

Предполагаем, что крупный компонент в подаваемом на т решет материале распределен равномерно по толщине слоя:

гло=-

1

тН0 0,

(0) 1 >

(36)

(0)

Подставляя выражения (36) в (34) и интегрируя, получим плотность распределения крупного компонента на первом решете:

1

МР

(0)

/,<°> (к) -Гр

тН0

(к)

и[к)

^Р

(0) 1 »

(37)

где /к)р — интенсивность просеивания крупного компонента через решето из

толстого слоя.

Используя полученные выражения У^к>(1) в формуле (35) получим формулу полноты просеивания крупного компонента через первое решето в период времени ?<7/

(0).

ИЭМ

(0)

„(*), Ир Ир Ир 1

1-е р

(0)

(38)

поскольку значение функции интенсивности у, при /</; равно /ир'к>.

При { > //" толщина слоя материала на первом решете становится элементарной, поэтому плотность распределения крупного компонента станет равной:

-,¿k)<t~t(0h

(0)

(39)

где - интенсивность просеивания крупного компонента через решето в условиях загрузки элементарным слоем.

Полнота просеивания крупного компонента в этом случае определяется формулой:

s{k\t)=l-(l-er(t»))e

t>t

(0)

(40)

Учитывая, что крупная примесь, поступающая с вышерасположенного (/-/) решета на слой материала на i -м решете, достигает поверхности /-го решета только когда она опуститься на него вместе с просеивающимся зерновым материалом, то плотность распределения этого компонента на / - м загрузочном решете определяется выражением:

íf'(0=

С (О, О).

(41)

t>t

(0)

где У,/1'(I) плотность, определяемая по формуле (37); Ук)а0) плотность, определяемая по формуле (34);

На остальных (не загрузочных) ярусах решет, т.е. при />№ плотность и полнота просеивания определяются по формулам (34) и (35) при 1=и и следующих значениях функций интенсивности у/^:

Vn --

Ин 5

0<¿<(«-m-l)íH;

где //®„ -интенсивность просеивания крупного компонента через накопитель, с'.

Разработанная модель процесса просеивания, представленная формулами (25)...(42), формально описывает процесс разделения трехкомпонент-ной зерновой смеси, состоящей из основного компонента, мелкого и крупного. Но эта модель годится и для описания процесса разделения смеси, состоящей из любого числа разных компонентов, не являющихся основным. Например, мелкий компонент может состоять из нескольких компонентов, каждый из которых характеризуется своей, отличной от других, интенсивностью просеивания. Как в реальном процессе, так и в модели разделение таких компонентов осуществляется независимо друг от друга.

Повышение эффективности работы воздушно-решетных зерно-семяочистительных машин, а также их универсальности ограничены недостаточным качеством сепарации зерновых смесей в пневмосепарационных каналах.

Проведенными сравнительными исследованиями лабораторных пнев-мосепараторов и их промышленных аналогов выявлено, что качество сепарации в лабораторных пневмосепараторах в среднем на 14...25 % выше, чем в промышленных сепараторах.

Моделирование аэродинамических свойств семян.

С целью совершенствования процесса сепарации в универсальных зер-но-семяочистительных машинах, исследовали физические основы аэродинамического разделения зерновых смесей в пневмосепарационных каналах.

В качестве обобщенного признака сепарации зерновых смесей в воздушном потоке приняли критическую скорость зерновок Ук определяемую из выражения:

^=1,15 д/^МРЛ)' (43)

где g - ускорение силы тяжести, м/с2; <1 - эквивалентный диаметр зерновок, м; рч - плотность зерновок, кг/м3; р„ - плотность воздуха, кг/м3; кс - коэффициент сопротивления зерновок воздушному потоку.

Применение выражения (43) для практического расчета ограничивается в основном из-за сложности определения кс - коэффициента сопротивления

зерновок воздушному потоку, который зависит от комплекса физико-механических свойств зерновок и в первую очередь от формы, плотности, миделевого сечения и скорости воздушного потока.

В связи с тем, что семена сельскохозяйственных культур имеют широкий диапазон размерных характеристик, плотности, скорости витания и формы, значения коэффициентов сопротивления находятся в широком диапазоне 0,44... 1,0.

Исследовали коэффициенты сопротивления семян пшеницы, ячменя, сои и гречихи. Выбранные семена представляют собой широкий диапазон как по форме так и по состоянию поверхности, которые характерны для семян основных сельскохозяйственных культур.

Определена зависимость коэффициентов сопротивления от числа Рей-нольдса (табл. 1) для исследованных семян:

¿С=а+611е+с11е2, где Яе значения критерия Рейнольдса; а, Ь и с — константы.

(44) Таблица 1.

Расчетные значения параметров

Культуры Значения коэффициентов моделей Средние квад-ратические отклонения Коэффициенты корреляции

а Ь с

Пшеница 1,03 -9,76-10"5 8,49-10"9 0,03 0,93

Ячмень 1,05 4,40-10"5 -4,68-10"9 0,12 0,85

Соя 0,46 -1,15-Ю"6 1,07-10"'° 0,06 0,79

Гречиха 0,62 -3,84-10"5 4,14-10'9 0,06 0,54

Одним из главных факторов снижающих эффективность универсальных зерно-семяочистительных машин, работающих в режиме предварительной и первичной очистки является выделение соломистых примесей из зернового вороха и в частности соломинок, имеющих узлы (утолщения).

Проведены исследования аэродинамических свойств соломинок, имеющих длину от 5 до 40 мм и массу от 11 до 90 мг, которые являются характерными для комбайнового вороха.

Получены линейные уравнения,отражающие зависимость критической скорости К/ соломинок с одним узлом от их длины и скорости Усм от индивидуальной массы:

V«=5,582+0,1031» (45)

=5,651+0,046М. (46)

где Ь - длина соломинок; М- индивидуальная масса соломинок;

Анализ экспериментальных исследований, а также полученных уравнений показал, что около 17...35 % соломинок с одним узлом не могут быть выделены из зерновых смесей пневмосепараторами.

В четвертой главе проведено обоснование технологий очистки и сортирования зерна и семян с применением универсального каскадного сепаратора.

С целью интенсификации процесса сепарации на каскадных решетных сепараторах провели сравнительные исследования способа подачи материала на решета при помощи дополнительного делительного решета «вертикальная подача» и обычного способа, при котором зерновой материал подают горизонтально «горизонтальная подача», а также оценили адекватность математических моделей просеивания зерна.

Эффективность выделения мелкой (короткой) и крупной (длинной) примесей определяли по формуле:

£=шах|^(')-£(0)|. (47)

где е(0 - полнота просеивания мелкой (короткой) или соответственно, крупной (длинной) примесей; е<0)—полнота просеивания основного зерна..

Сопоставление данных, рассчитанных по формулам (25...42) для основного, мелкого (короткого) и крупного (длинного) компонентов, с экспериментальными данными показало их хорошее соответствие. Максимальная разница рассчитанного и экспериментального значений эффективности выделения примесей не выходит за пределы случайной ошибки опыта ( 5 %). Она составляет, % : мелких частиц - 4,9 , коротких частиц - 4,3 и длинных (овса) - 3,8. Анализ исследований показал, что эффективность выделения мелких и коротких примесей при «вертикальной загрузке» с увеличением ко-

личества ярусов решет в каскаде увеличивается в большей степени, чем при «горизонтальной загрузке». Эффективность выделения мелкого и короткого компонентов при «вертикальной загрузке» на каскаде решет из 12 ярусов является достаточно высокой - 0,92, которая при «горизонтальной загрузке» достигается только на каскаде из 20 решет (рис. 7 а). Максимальная эффективность выделения длинных примесей при «горизонтальной загрузке» и каскаде, содержащем даже 25 решет не превышает 0,85, что при «вертикальной загрузке» достигается уже при 8...9 решетах. С увеличением производительности каскадного сепаратора эффективность выделения мелких и коротких примесей уменьшается, как при горизонтальной так и при вертикальной загрузках, причем разность между значениями производительностей для сравниваемых способов с ростом производительности сепаратора растет (рис. 7 б). Эффективность выделения мелких и коротких примесей каскадным сепаратором, состоящим из 15 ярусов, при производительности 15 т/ч-м и горизонтальной загрузке составляет 0,83...0,85, которую при вертикальной загрузке можно достичь при производительности 25 т/ч-м.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили, что применение вертикальной загрузки в каскадном решетном стане, позволяет уменьшить количество ярусов решет на 35...42 % и повысить производительность сепараторов в 1,3... 1,5 раза.

Одним из эффективных способов повышения просеваемости разделяемых компонентов на решетах и особенно на каскадных сепараторах является оптимизация кинематического режима работы.

Были исследованы пять режимов колебания решет: продольные по ходу движения зернового материала при угле между направлением колебаний и плоскостью решета у>0; продольные при у=0; продольные при у<0; поперечные относительно направления движения зернового материала; круговые. Вычисляли интенсивность просеивания компонентов: мелкой цм , короткой Цк, длинной (Лд примесей и основного зерна ц0, а также отношения а интенсивностей ц0/рк, ц0/ци и (1Л,'|Д0 . Эффективность выделения компонентов смеси определяли по формуле:

Е , (48)

Е 0,8 0,6

0,4 0,2

0 5 10 15 20 п, шт

Е 0,8

0,6

0,4

0,2

0 5 10 15 20 25 (2,т/ч.м

Рис. 7. Зависимость эффективности выделения примесей каскадным решетным сепаратором от количества ярусов решет (а) и подачи материала (б) при разных способах загрузки: 1 - горизонтальная загрузка; 2 - вертикальная загрузка. Линии - расчетные данные ; точки - эксперимент; а - мелкая примесь; • - короткая примесь; ® -длинная примесь (овес).

*Г\ . , л "•^"чГТ"

X 1 —Щг

41 0> й

N \ \ \

б) Л

Для сравнения результатов испытаний пяти вариантов кинематических схем решет подбирали кинематические режимы, обеспечивающие одинаковые скорости перемещения материала по решетам, равную приблизительно 1,1.. Л ,3 дм/с.

Экспериментальными исследованиями пяти типов виброприводов выявлено, что путем оптимизации кинематического режима (частота колебаний ш=5...7 с'1 , амплитуды А=5...15 мм, угла наклона решета (5=4...16°) можно увеличить эффективность в среднем на 4...8 %. Установлено также, что с уменьшением амплитуды и увеличением частоты колебаний эффективность выделения всех типов примесей возрастает.

Применение вибрационного режима обеспечивает существенное повышение эффективности выделения примесей: длинной на 16...21 %, короткой и мелкой соответственно - на 8...10 и 7...13 %. Увеличение эффективности просеивания мелкой и короткой примесей обусловлено нахождением их на решете в контакте с перфорациями решет более длительное время, чем при низкочастотных колебаниях. Повышение полноты выделения крупных примесей вызвано уменьшением эффективности их просеивания за счет частого отражения кромками отверстий решет.

Исследования кинематических схем привода решет в колебательное движение показали, что применение отрицательных углов направленности колебаний у=-2...3° позволяет дополнительно повысить эффективность выделения длинной примеси на 4...6 %, а мелкой и короткой - на 6...11 %.

В процессе экспериментальных исследований установлено, что для очистки зерна до базисных кондиций при продольных колебаниях с углом у=0 требуется 9...12 ярусов решет, а при у > 0 - 12...15 ярусов. Применение же вибрационного режима при у=-2.. .3° уменьшает число ярусов до 4.

Качество работы решетных сепараторов универсальных зерно-семяочистительных машин в значительной степени определяется эффективностью работы пневмоканалов, работающих совместно с решетами.

Исследование пневмосистем воздушно-решетных сепараторов проводили на типичных машинах, выпускаемых промышленностью, а также на лабораторном стенде, позволяющем имитировать процесс сепарации в широком диапазоне параметров.

Наибольшее влияние на качество пневмосепарации оказывают способы подачи материала и коэффициенты неравномерности воздушного потока.

Провели сравнительные исследования четырех способов подачи зерновых материалов: при помощи аспирационных (опорных) сеток, самотеком со свободным перепадом зерна, самотеком со свободным перепадом зерна и с опорной сеткой, и в виде зерновых струй в шахматном порядке.

Выявлено, что аспирационные сетки являются очень чувствительными к перегрузке зерном. При удельной производительности пневмоканалов 2...4 кг/ч-см2 толщина слоя зерна на аспирационной сетке равна 14. ..21 мм и является существенным сопротивлением (около 115... 134 Па) пневмосистемы машины. Независимо от величины отверстий в сетке с повышением зерновой нагрузки наблюдается резкое падение скоростей во всех сечениях канала и прорывающиеся при этом через верхний слой материала потоки воздуха уносят в отходы значительное количество зерна, составляющее при нагрузках 3,5...4,5 кг/ч-см2 до 6...9 %. Ускорение, необходимое для равномерного перемещения зерна по аспирационной сетке, превышает пределы ускорений, развиваемых решетами зерноочистительных машин (15...20 м/с2). Недостаточные ускорения сеток вызывают замедленное движение зерна, скопление его на аспирационной сетке. При этом, незначительное изменение толщины слоя на сетке приводит к существенному увеличению неравномерности скоростного поля канала - 22...34 %. Экспериментальные исследования показали, что применение аспирационных сеток при удельных зерновых нагрузках меньших 2 кг/ч-см2 является эффективным для зерна и семян различных культур.

Исследованиями способов подачи зерновых материалов со свободным перепадом зерна выявлено, что работа пневмосепараторов при высоких удельных зерновых нагрузках (4...5 кг/ч-см2) и свободном перепаде зерна в канале 210...235 мм является устойчивой. Экспериментально установлено, что высота обязательного перепада зерна Н может быть выражена через глубину аспирационного канала Ь выражением Н>(2,1.. .2,4)Ь.

При подачах зернового материала с опорными сетками так и со свободным перепадом зерна скоростное поле воздушного потока в каналах работающих от одного вентилятора характеризуется высокой неравномерно-

стью. В первом канале аспирации (со стороны загрузки) коэффициенты неравномерности воздушного потока находились в пределах 10,5... 14,6 % , а во втором - 16,1 ...27,3 %.

Подача зерновых материалов в пневмоканалы в виде отдельных зерновых струй в шахматном порядке обеспечивает уменьшение сопротивления зернового слоя воздушному потоку, а также способствует снижению коэффициентов неравномерности воздушному потоку на 5...9 %.

С целью повышения эффективности работы пневмосортировальных каналов в процессе вторичной очистки предложен способ подачи зерна со свободным перепадом и с аспирационной сеткой. Отличительной особенностью этого способа является установка сетки в канале с изломом в противоположные стороны относительно поперечной оси канала. Это обеспечило повышение эффективности работы канала за счет равномерного распределения очищенного зерна по аспирационной сетке. За счет чего повысилась эффективность сепарации во 2 - м аспирационном канале на 9... 11 %.

Таким образом, результаты исследований показали, что для высокопроизводительных универсальных воздушно-решетных машин , работающих при удельных зерновых нагрузках в пневмоканалах 3,5...5 кг/ч-см2 , целесообразными способами подачи являются: для 1- го канала - в виде зерновых струй в шахматном порядке, для 2 - го - со свободным перепадом зерна и с опорной сеткой.

Исследование сортирования семян по посевным качествам.

На базе разработанных технических решений, интенсифицирующих процессы сепарации каскадных решетных сепараторов и пневмосепараторов, а также с применением пневмосортировального и отражательного столов, решетных сепараторов с прямоугольными и круглыми отверстиями провели сравнительные исследования по изысканию ресурсо-энергосберегающих технологий очистки и сортирования семян для хозяйств с разными объемами производства.

Исследования проводили на семенах ячменя «Одесский 100» и пшенице «Мироновская -808» по специально разработанной методике. Исходные материалы содержали примеси, в том числе трудноотделимые семена других

растений в количестве характерном для семенных материалов, поступающих на послеуборочную обработку и подготовку семян.

Определяли всхожесть, энергию прорастания, силу роста, количество семян других растений и массу 1000 семян во фракциях, полученных на каскадном сепараторе, решетных сепараторах с прямоугольными и круглыми отверстиями, пневмосортировальном столе, пневмосепараторе и отражательном столе (на ячмене).

Эффективность выделения высококачественных семян рабочими органами оценивали отношением посевных свойств семян (всхожести, энергии прорастания, силы роста и др.) разделенных фракциях к этим свойствам в исходном материале.

Экспериментальными исследованиями установлено, что наибольшее количество семян ячменя, соответствующих 1-му классу стандарта (около 80 %) по чистоте, содержанию семян других растений и всхожести получается с использованием отражательного стола. Поэтому технологическая операция окончательной очистки семян ячменя должна включать отражательный стол.

Эксперименты проводили по единой, специально разработанной методике, позволяющей сравнивать эффективность сортирования на каждом рабочем органе между собой.

Математические модели сортирования семян пшеницы по посевные качествам на исследованных сепараторах представляются различными функциями (табл. 2).

Изменение силы роста семян в полученных фракциях (рис. 8 а) на ком плексе исследованных рабочих органов описывается в основном квадратич ными функциями, при высоких значениях коэффициентов корреляцш (г=0,97...0,99) и сравнительно низких значениях средних квадратических от клонений (8=0,81...2,81 %). Увеличение силы роста семян в определенны; фракциях по сравнению с исходным материалом получается на каждом и: исследованных рабочих органов в разной степени. Максимальная эффектив ность сортирования семян по этому показателю получается на каскадном ре шетном сепараторе (рис. 8 а).

Изменение всхожести и энергии прорастания семян во фракциях (рис 9) характеризуются снижением этих показателей с увеличением выхода се-

Таблица 2

Основные характеристики математических моделей сепарирования семян пшеницы по посевным качествам_

Сепаратор Модель Значения параметров моделей

а | Ь | с | <1-1 е | Б | г

Сила роста

Каскадный Р1=а+ЬВ+сВ2 130,85 -0,66 0,004 - - 1,39 0,99

Решето 0* Р1=а+ЬВ+сВ': 123,32 -0,39 0,002 - - 0,81 0,99

Решето 0 Р1=а+ЬВ+сВ'! 101,88 0,45 -0,005 - - 1,24 0,97

ПСС** р1=а+ЬВ+сВ'! 112,74 -0,21 0,0009 - - 1,17, 0,98

Пневм. сеп. Р1=а+ЬВ+сВ' +ПВ3+еВ4 109,18 1,48 -0,063 0,0009 -3,95-10"6 2,81 0,97

Всхожесть

Каскадный У1=а+ЬВ+сВ' 110,34 0,11 -0,002 - - 3,05 0,93

Решето 0 У1=а+ЬВ+сВ'; 92,46 0,24 -0,002 - - 4,07 0,67

Решето 0 У1=а+ЬВ+сВ2 106,61 -0,11 0,0003 - - 0,22 0,99

ПСС У1=а+ЬВ+сВ' 109,12 -0,051 -0,0003 - - 1,09 0,97

Пневм. сеп. У1=а+ЪВ+сВ' 93,00 0,21 -0,0013 - - 2,81 0,97

Эне] згия прорастания

Каскадный Е1=а+ЬВ+сВ2 Ш,00 0,78 -0,009 - - 2,66 0,98

Решето 0 Е1=а+ЬВ+сВ2 80,04 1,32 -0,011 - - 11,9 0,72

Решето 0 Е1-а+ЬВ+сВг +ОВ3+еВ4 133,19 -1,66 0,058 -0,0008 3,85106 4,93.: ,0,98

ПСС Е1=а+ЬВ+сВ2 107,35 0,11 -0,002 - - 1,63 0,94

Пневм. сеп. Е1=а+ЬВ+сВ2 74,24 0,71 -0,005 - - 8,5 0,83

Масса 1000 семян

Каскадный М1=ехр(а+Ь/В +с1п(В)) 4,87 0,03 -0,054 - - 1,42 0,99

Решето □ М1=а+ЬВ-нсВ^ +ОВ3+еВ4 , 122,94 -0,075 -0,0071 0,0001 -6,41- ю-7 0,07 0,99

Решето 0 М1=а+ЬВ 129,54 -0,29 - - - 0,75 0,99

ПСС М1=а+ЬВ+сВ2 +БВ3+еВ4 111,85 0,138 -0,0091 0,0001 -4,70- ю-7 4,85 0,84

Пневм. сеп. М1=а+ЬВ+сВ2 120,07 -0,25 0,0005 - - 0,55 0,99

Содержание семян других растений

Каскадный (}{=а/(1+Ьехр( -сВ)) 13,49 782,19 0,1607 - - 1,57 0,98

Решето О <31=а+Ь/В 12,91 -57,97 - - - 4,07 0,67

Решето 0 (^(аь+св")/ (Ь+ в") -0,042 283737 4,2 13,896 4,215 - 0,45 0,99

ПСС (31=1/(а+ЬВс) 2,45 -0,34 0,4236 - - 0,77 0,99

Пневм. сеп. Р1=1/(а+ЬВс) 1,98 -0,0675 0,7254 - - 0,51 0,99

*□ - решето с прямоугольными отверстиями; 0 - решето с круглыми отверстиями; **ПСС - пневматический сортировальный стол.

Рис. 8. Зависимость силы роста семян (а) и количества семян других раст ний (б) во фракциях каскадного сепаратора (1), решетного сепаратора с пр моугольными отверстиями (2), решетного сепаратора с круглыми отверста ми (3), пневмостола (4), пневмосепаратора (5), В- количество семян во фрг циях.

'ис. 9. Увеличение всхожести (а) и энергии прорастания (б) семян во фрак-(иях каскадного сепаратора (1), решетных сепараторов с прямоугольными (2) I круглыми (3) отверстиями, пневмостола (4) и пневмосепаратора (5), В - ко-ичество семян во фракциях.

мян, причем фракции, полученные на каскадном решетном сепараторе по сравнению с другими исследованными рабочими органами имеют максимальные значения всхожести и энергии прорастания как и силы роста, что свидетельствует о высокой эффективности его применения при подготовке семян.

Зависимость количества семян других растений во фракциях показывает (рис. 8 б), что наиболее эффективными при выделении семян других растений, в т.ч. и семян трудноотделимых примесей являются пневмосортировальный стол и пневмосепаратор. Эффективность выделения семян других растений на каскадном решетном сепараторе выше, чем на решетных сепараторах как с круглыми, так и с продолговатыми отверстиями.

Пятая глава содержит результаты практической реализации и технико-экономическое обоснование эффективности их применения.

Установленные проведенными исследованиями новые данные о рабочем процессе каскадного решетного стана дают основания для разработки методики расчета универсальных зерно-семяочистительных машин различной производительности — от малых машин производительностью порядка 0,5...2,5 т/ч для фермеров до высокопроизводительных машин производительностью 10. ..50 т/ч для крупных хозяйств.

Новые данные, имеющие непосредственное отношение к проектированию универсальной зерно-семяочистительной машины, сводятся к следующему:

- загрузка каскадного решетного стана путем параллельной подачи на несколько верхних ярусов (вертикальная загрузка) повышает эффективность процесса очистки, что позволяет снизить габариты и массу решетного стана и повысить производительность в 1,3... 1,5 раза;

- применение высокочастотных малоамплитудных колебаний решетногс стана вдоль направления решет или под отрицательным углом позволяет повысить эффективность очистки зерна (семян) и уменьшить количество ярусов решет на 35...40%;

- каскадный решетный сепаратор обеспечивает сортирование семян пс ценным посевным признакам (всхожести, энергии прорастания, силе роста \ массе 1000 семян), что позволяет рекомендовать его применение при подготовке качественных семян.

Совместное использование каскадного решетного стана с двумя пнев-мосепарирующими устройствами по типу известных семяочистительных машин воздушно-решетного типа - предварительный пневмосепаратор перед решетным станом и пневмосортировальный канал после решетного стана -позволяет доводить семена до первого класса стандарта.

Задача расчета формулируется следующим образом: для машины производительностью 0 при обработке заданного материала (ряда культур) определить основные параметры каскадного решетного стана, обеспечивающего доведение исходного материала до требуемых кондиций с заданными ограничениями на выход зерна (семян) в отход и фракции второго сорта.

К основным параметрам каскадного решетного стана относятся: размеры (ширина и длина) решетных элементов (распределителя материала по решетам верхних ярусов, основных решет и накопителей), продольное смещение и количество ярусов решет, расстояние между плоскостями решет, диаметры отверстий решетных элементов,, угол наклона и направление колебания решет, амплитуда и частота их колебания.

В общем случае расчет производится в три этапа.

Первый этап - оценка принципиальной возможности очистки заданного материала до требуемых кондиций каскадным решетным станом и другими сепарирующими средствами. Этот вопрос решается по разработанной методике расчета технологий сепарирования зерновых материалов по комплексу признаков.

На втором этапе с помощью графических построений распределения основных потоков очищаемого материала и его фракций определяются предварительные параметры решетного стана.

На третьем этапе параметры уточняются по результатам расчета процесса сепарации с помощью математической модели, в которой найденные на втором этапе предварительные параметры используются в качестве первого приближения.

На первом этапе эффективность применения каскадного решетного сепаратора рассчитывается по обобщенному признаку разделения :

Г=*,а+Л2&+Л3с > (49>

где а, Ь, с - длина, ширина и толщина частиц материала; кь к2, к3 - коэффициенты значимости соответствующих признаков частиц: к( = 0,74±0,08; к2 = 0,48±0,06; к3 = 0,47±0,05.

Второй этап - предварительная оценка основных параметров решетного стана - осуществляется с помощью диаграммы распределения основных фракций обрабатываемого материала решетным станом.

Эффективный для процесса высокочастотный режим целесообразно применять в машинах сравнительно малой производительности, до 1-1,5 т/ч, масса решетного стана которых достаточно мала для вибрационного движения. При расчете таких машин можно ориентироваться на амплитуду колебания 1.. .2 мм, частоту 25..50 Гц.

Для машин более высокой производительности следует применять обычный режим колебания при амплитуде 7...10 мм, частоте 6...8 Гц, угле наклона решет 6... 10° и угле направления колебаний близком к нулевому.

Выбор диаметра отверстий решет следует производить с учетом зависимости интенсивности просеивания компонентов разделяемого материала от диаметра отверстий. Каждому диаметру ¿/, из типоразмерного ряда отверстий решет, предусмотренного стандартом на полотна решетные, соответствуют определенные значения интенсивности просеивания компонентов зернового материала:

КШ, /СШ, (50)

где верхний индекс указывает наименование компонента: (0) - основной; (м) - мелкий; (к) - крупный; нижний индекс рирэ указывает на условия загрузки решета, про которых определена интенсивность просеивания: р - загрузка толстым слоем; рэ - элементарным слоем материала.

При предварительном выборе диаметра отверстий решет предпочтение следует отдавать наибольшему размеру, при котором получается максимальные различия между интенсивностью просеивания примесей и основного зерна.

Степень различия интенсивности просеивания разделяемых компонентов зернового материала удобно определять в виде отношения й большей интенсивности просеивания к меньшей:

(01 <«)

-V' • (51)

а»- — ' а* = —т >

где а^ , и ам - степень различия интенсивности просеивания крупного и, :оответственно, мелкого компонентов относитетельно основного.

Суммарная рабочая ширина решет В, на которые параллельно подается исходный материал, определяется выражением:

В=(т, (52)

где О - заданная производительность машины, кг/с; С?в - удельная нагрузка т решето, кг/с.м.

Удельную нагрузку Ов следует задавать исходя из условий максимальной эффективности процесса, т.е. выделения мелких и крупных примесей, "лавными из таких условий являются, как уже отмечалось, режим движения эешетного стана, определяющий максимальную степень различия интенсивности просеивания разделяемых компонентов материала, и толщина слоя Ьм материала на решетах. Оптимальной толщиной слоя является слой в 2...3 шементарных слоя. Для пшеницы, ржи, ячменя, овса и других близких к ним то размерам зерновок эта толщина составляет 7... 12 мм. В связи с этим сдельная нагрузка на загрузочные решета определяется по формуле:

<2а=кт,У, (53)

где к - толщина слоя материала, выраженная числом элементарных слоев; уэ - плотность элементарного слоя на единице площади решета кг/м2; V - скорость движения материала по решету, м/с. Число загрузочных ярусов решет т определяем исходя из предпочтительного числа решетных станов в машине тр (по условиям уравновещенно-:ти машины обычно принимают тр=2) и рабочей ширины Вр решетного ;тана с учетом использования стандартных решетных полотен (шириной 740, г90 или 990 мм):

ш =В/ (шрВр)= 0/(к Ъ V тр Вр). (54)

По значениям интенсивности просеивания компонентов (50) для ¡ыбранного диаметра с1: отверстий решет строится диаграмма распределения юновных потоков компонентов каскадным решетным станом (рис. 10).

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 х,м

1-1-1-1---1-1-1-1-1-1

Рис. 10. Диаграмма распределения основных потоков фракций сепарируемого материала на каскадном решетном стане:

- поток основного компонента зерна; || 11111111 [] - поток мелко: (короткой) примеси; | | - поток крупной (длинной) примеси.

Среднее перемещение X, частицы компонента на п решетах каскада определяется интенсивностью просеивания ц и скоростью перемещения материала на решете V по формуле :

х,=п~' <55)

V

что позволяет определить среднюю траекторию частицы в каскадном решетном стане и усредненные границы основных потоков.

Усредненные границы потоков определяются по средним пробегам частиц компонентов. Основной компонент, подаваемый на начало верхних т ярусов ( на рис. Щ т=3) толщиной слоя в к элементарных слоев, распределя-

ется на верхнем решете в границах интервала ОВ, состоящего из двух участков: первый - участок сплошного слоя, второй - элементарного слоя.

Длина хГ* первого участка определяется в соответствии с (53) по формуле:

хГ={куэ V -уэ V)! £ у =(к-1) V///;, (56)

длина второго, определяется в соответствии с (55) как средний пробег крайней частицы на решете в условиях элементарной загрузки:

*г=у///;>- (57)

В связи с этим длина участка ОВ представляется в виде:

ОВ=хТ + хТ=к V/ /л'* • (58)

Аналогично определяется длина участка ОЕ , представляющего средний пробег частиц основного компонента на ш - м загрузочном решете:

(59)

Первая граница потока основного компонента ниже т -го решета (последнего загрузочного) определяется линией ЕР , проведенной через конечные точки среднего пробега частиц основного компонента, зависящие от продольного смещения Ь каждого решета относительно вышерасположенно-"о:

иР=ВЕ+(п-т)Ь • (60)

Левая граница ОТ основного потока проходит через концы накопите-1ей, так что длина ЦТ определяется простым выражением:

ЦТ=(п-т)Ь ■ (61)

Правая граница потока мелкой примеси определяется линией АР, проводящей через точки пробега мелких частиц на каждом решете в соответст-ши с формулой (55):

(62)

Левая граница потока мелкой примеси £>й определяется интенсивно-;тью просеивания этого компонента через накопители:

Ш=(п-т)ч1 (63)

Аналогично определяются границы CG и DS потока крупной примеси:

• (64)

US={n-m) v(l / fip+1 / (¿р)

Анализируя диаграмму распределения потоков фракций разделяемое материала (рис.10) можно определить в первом приближении основны параметры каскадного решетного стана, такие как число ярусов решет, и: длину, ширину, размеры отверстий решет и накопителей, а также оценит зоны приема разделенных фракций.

Например, согласно рис.10 основные потоки примесей и зерн разделяются начиная с шестого яруса. Длина решетного стана, включающег эти шесть ярусов составляет около 0,8 м.

Степень (полнота) разделения материала в зависимости от числ ярусов решет должна быть уточнена расчетом процесса по математическо: модели на ЭВМ. Эти расчеты позволяют также уточнить зоны прием фракций материала.

Продольное смещение решет за счет установки накопителей ело следует задавать в пределах 75... 150 мм в зависимости от размеро отверстий решет и накопителей.

Расстояние между плоскостями решет должно выбираться из расчете чтобы слой материала толщиной в 3...5 элементарных слоев свободн перемещался между ярусами решет. Для обработки зерна основных зерновы культур достаточно, чтобы расстояние между плоскостями решет было окол 20 мм.

Выбор диаметра отверстий распределителя материала по решета] производится с учетом числа загрузочных решет т . Диаметр отверсти распределителя выбирается из ряда (50) таким, чтобы интенсивност просеивания его была в 3.. .5 раз выше, чем у основных решет.

Длина распределителя Lp определяется выражением:

Lp=mALp, (65)

где ALp=0,04.. .0,06 м.

Разработанное в диссертационной работе технологические и технические решения процессов сепарации зерна и семян реализованы в универсальных зерно-семяочистительных машинах КРС-10, КРС-25 и КРС-50 производительностью, соответственно, 10, 25 и 50 т/ч, а также в технологиях, включающих применение разработанных машин.

Отдельные новые конструктивные решения, а также элементы технологий исследовали в лабораторных условиях. Новые машины и технологии испытывали в хозяйственных условиях.

Испытания машин в хозяйственных условиях проводили в соответствии с региональной научно-технической программой «Бурятия. Наука и техника 1998...2000 г.» по теме: «Разработка универсального сепаратора зерна».

Результаты хозяйственных испытаний сепаратора КРС-10 показали, что при подаче около 15 т/ч комбайнового вороха, полнота выделения мелких и коротких примесей составляла - 86...97,4 %, длинных и крупных примесей более 77 %. Потери зерна в отходы - 0,3...0,74 %. Выход очищенного зерна - 78...84 %, при чистоте - 98,6. ..99,7 %.

Результаты испытаний показали, что каскадный решетный сепаратор может выделять 75...85 % зерна базисных кондиций в процессе одной операции, что уменьшает нагрузки на последующие зерно-семяочистительные машины и позволяет существенно повысить производительность линии и снизить травмирование зерна и семян в процессе послеуборочной обработки.

Рекомендации промышленности по совершенствованию технологий очистки и сортирования зерна и семян основных зерновых культур путем применения универсальных каскадных решетных сепараторов, и предложения по конструктивным схемам и основным параметрам семяочистительной машины КРС-50 производительностью 50 т/ч использованы ОАО «ГСКБ Зерноочистка» при разработке опытного образца универсальной зерно-семяочистительной машины КРС-50 производительностью 50 т/ч заменяющей две машины - воздушно-решетную и триерную.

Технико-экономическую эффективность использования результатов диссертационной работы определяли через основные энергетические и экономические показатели разработанных машин и технологий. В частности, применение новых разработок при реконструкции зерноочистительных arpe-

гатов и комплексов (табл. 3) обеспечивает снижение совокупных энергозг трат на 32...43 %, при этом, расчетный годовой экономический эффект пре вышает 200 тысяч руб.

Таблица

Основные технико-экономические показатели

сравниваемых машин и технологий_

Наименование показателей Технологии очистки зерна Технологии подготовки семян

Базовая ЗАВ-25 Новая Базовая ЗАВ-25+ СП-10А Новая

Годовая выработка, т 9125 20250 3600 8200

Прямые энергозатраты, МДж/т 15,29 10,14 102,65 55,85

Энергоемкость машин и оборудования, МДж/т 6,49 4,13 25,15 14,89

Совокупные энергозатраты, МДж/т 22,68 15,17 128,7 71,64

Годовой экономический эффект,, руб. 64800 171117

Новая технология очистки зерна на базе разработанного универсальн! го каскадно-решетного сепаратора КРС-50 позволяет увеличить производ! тельность агрегата ЗАВ-25 в 1,7...2,2 раза в зависимости от состава исходи го материала. При этом в агрегате вместо машины первичной очистки ЗВ( 20 А производительностью 25 т/ч установлена новая универсальная маши1 КРС-50 производительностью 50 т/ч, машина предварительной очисп МПО-50 заменена гравитационным зерноочистителем 2СЗГ-25,

Новая технология очистки и сортирования при подготовке семян, кр ме перечисленных выше машин зерновой линии, включает машину втори ной очистки МВУ-1500 (вместо двух СВУ-5А) и машину окончательной оч стки МОС-9, что позволяет увеличить производительность технологическ« линии с 10 до 20 т/ч.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Изучение состояния имеющейся технической базы послеуборочной бработки зерна и подготовки семян и потребности в ней в настоящее время оказало, что она физически изношена и морально устарела:

- более 90 % техники исчерпало свой рабочий ресурс и подлежит спи-анию; обеспеченность машинами для очистки зерна продовольственного и >уражного назначения составляет 45 %, машинами для очистки семян - 35 %, ехникой для сушки - 25 %, хранилищами - 40 %;

- техника не соответствует современным условиям сельскохозяйствен-:ого производства и требует коренной модернизации.

2. Научное обеспечение реконструкции имеющейся и создания новой ехнической базы послеуборочной обработки зерна и подготовки семян, со-тветствующей современным условиям производства, связано с большим бъемом научно-исследовательских, опытно-конструкторских и проектных |абот, требующих значительных затрат труда, времени и средств.

Разработанная интегрированная программная система, на основе со-(ержащейся в ее базе данных информации (математических моделей процес-ов обработки, характеристики исходного материала и конечного продукта, 1абочих органов машин и оборудования, строительных конструкций, усло-ий производства и др.) с помощью персонального компьютера позволяет:

- рассчитывать высоко-адаптивные машинные технологии послеубо-ючной обработки зерна и подготовки семян, а также оптимальные парамет->ы новых машин;

- комплектовать конкурирующие варианты технологических линий ерно-семяобрабатывающих предприятий и оптимизировать их по различим критериям применительно к конкретному хозяйству, ко всему многооб->азию хозяйств региона или страны в целом с выдачей подробной технико-•кономической оценки.

3. Исследование процесса сепарации зерновых материалов на различии рабочих органах показало, что четкость распределения семян по фрак-щям при сортировании зависит от степени различия значений признака де-гимости семян и граничного значения этого признака, разделяющего фрак-щи.

Для известных сепарирующих органов - решетных, триерных, пневмо-сепаратора, пневмосортировального стола, а также каскадного решетного сепаратора характерна экспоненциальная зависимость четкости сортирования зерновок от разности значений их признака и граничного значения признака разделяющего фракции.

Разработанная на основе установленной закономерности методика расчета технологий очистки и сортирования зерна и семян позволяет по характеристике исходного материала и сепарирующих органов оценивать принципиальную возможность разделения материала с доведением его до требуемых кондиций, определять рациональную последовательность операций и эффективность применения в технологической линии различных сепарирующих органов.

4. Для крупных хозяйств (объем производства зерна тысячи тонн) целесообразно совместное применение поточной и двухэтапной технологий Часть зерна обрабатывается в уборочный период, а другая - в послеуборочный период, что позволяет существенно сократить себестоимость обработм за счет более продолжительного использования дорогостоящего оборудова ния. В этих хозяйствах эффективно использование фракционной технологи на базе универсального сепаратора, выделяющего из исходного материал; 70...90 % зерна (семян) требуемых кондиций и разделяющего остальнун часть на фракции - отход и зерно (семена) «второго сорта», которое в зави симости от хозяйственной целесообразности либо дорабатывается до требуе мых кондиций на машинах меньшей производительности, либо используете на фураж без доработки.

В малых хозяйствах (объем производства десятки-сотни тонн) эффек тивно использование двухэтапной технологии, при которой в уборочный пе риод осуществляется только подготовка к хранению (предварительная очист ка и при необходимости сушка), а доведение до требуемых кондиций (базис ных, семенных) - в послеуборочный период. В таких хозяйствах рациональн применение одной машины - универсального зерно-семяочистителя, обесш чивающего доведение до требуемых кондиций не менее 80...90 % зерна (а мян) за один проход и 90...95 % при повторной обработке промежуточно фракции (второго сорта).

Разработанная система машинных технологий очистки и сортирования зерна и семян при послеуборочной обработке обеспечивает минимальную себестоимость обработки в различных хозяйствах.

Рациональный типоразмерный ряд универсальных сепараторов характеризуется следующими уровнями паспортной производительности на обработке зерна (семян), т/ч : 1 (0,4); 2,5 (1,0) - для малых хозяйств и 10 (4); 25 (10); 50 (20)-для крупных хозяйств.

5. Поярусное распределение-исходного .материала при подаче на каскадный решетный стан с оптимальной загрузкой решет (слоем толщиной в 2...4 зерновки) в отличие от подачи материала на верхнее решето толстым слоем, интенсифицирует процесс сепарации, что позволяет повысить эффективность очистки и сортирования и снизить материалоемкость и габариты сепаратора в 1,3... 1,5 раза.

Разработанная математическая модель интенсифицированного процесса составила основу метода расчета основных параметров высокопроизводительных универсальных зерно-семяочистительных машин, функционально заменяющих воздушно-решетные и триерные машины.

Повышение эффективности работы малопроизводительных универсальных машин (0,5...2,5 т/ч) обеспечивается за счет применения высокочастотных (25...50 Гц) малоамплитудных (1...2 мм) колебаний решет в собственной плоскости. Потребное число ярусов решет при этом снижается на 35...40%.

6. Исследование процесса сепарации зерна с рециркуляцией фракции-толуфабриката показало, что рециркуляция может приводить как к повыше-адю эффективности очистки, так и к существенному снижению её в зависи-иости от доли и состава этой фракции. Разработанная математическая модель троцесса позволяет устанавливать рациональный режим работы сепаратора, обеспечивающий стабильное повышение эффективности очистки зерна за ;чет рециркуляции. Главными факторами эффективности рециркуляции яв-юются: рециркулируемая фракция по составу должна быть близкой к исход-юму материалу, а доля рециркулируемой примеси -меньше, чем выделяемой ! отход.

7. Исследования возможности сортирования семян пшеницы и ячмеи по посевным качествам (всхожести, силе роста, энергии прорастания) на ра личных сепарирующих органах (решета с прямоугольными и круглыми ог верстиями, пневмосепаратор, пневмосортировальный стол, каскадный р< шетный сепаратор) показали, что перераспределение семян с разными посе: ными качествами по фракциям, в той или иной степени осуществляется ка> дым из исследованных рабочих органов. Наиболее четкое сортирование г этим показателям получено на каскадном решетном сепараторе, обеспеч: вающем выделение фракций семян с повышенными относительно исходнь посевными качествами: всхожести —до 12 %, силы роста - до 29 %, энерп прорастания - до 28 % в зависимости от выхода фракций.

8. Коэффициенты сопротивления воздушному потоку семян основнь зерновых культур имеют тесную связь с критерием Рейнольдса и находятся интервале 0,45... 1,0. Коэффициенты сопротивления семян рапса, сои и про приближаются к 0,44, а семян пшеницы, ржи, ячменя и кукурузы близки 1,0. Коэффициенты сопротивления соломинок так же близки к 1,0. Объемш фактор формы семян имеет тесную корреляционную связь с их критерш сферичности.

Соломистые частицы с узлом на одном конце ориентируются в вс душном потоке, в основном, вертикально и имеют более высокие критик ские скорости воздушного потока, чем соломинки без узлов или с узлак расположенными ближе к их центру, которые склонны занимать горизс тальное положение в воздушном потоке.

9. Для обеспечения стабильного скоростного режима воздушного пот ка в аспирационных каналах, работающих совместно с решетным станом первый аспирационный канал исходный зерновой материал целесообраз подавать в виде чередующихся в шахматном порядке зерновых струй, а второй, сортировочный канал - на опорную сетку, с высоты в 2,1...2,4 р< больше глубины канала. При этом оба канала могут работать от одного в( тилятора с крутопадающей характеристикой.

10. Основные результаты диссертационной работы используки ВИМом, АО «ВИСХОМ» и ОАО «ГСКБ Зерноочистка» при разработке п< спективных направлений нового поколения машин и оборудования для ]

леуборочной обработки зерна и семян. Фракционные технологии и отдель-ые натурные образцы универсальных зерно-семяочистительных машин [рименяются в ряде хозяйств Бурятии. Использование материалов выпол-[енных исследований позволяет снизить удельную энергоемкость процессов >чистки и сортирования при послеуборочной обработке на 32...45 %, и сни-ить удельные затраты на строительство агрегатов и комплексов в 1,3'... 1,6 1аза.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ ОСНОВНЫХ РАБОТАХ

1 .Просеваемость различных компонентов зерновой смеси через блок >ешет. НТБ ВИМ, М„ 1979, вып.40, C.26...28.

2. Разделение зерновых смесей по длине частиц на ситах. ЦНИИТЭИ ^1ин. Заг. СССР, Научно-технический сб. Серия: Элеваторная промышлен-юсть, М., 1980, вып.4, С.1...3.

3. Влияние основных параметров каскада решет на эффективность се-мрации зерна по длине частиц. НТБ ВИМ, М., 1981, вып.45, С.27...30, (соавтор Зюлин А.Н.).

4. Математическая модель просеивания зернового материала через шок решет. НТБ ВИМ, М., 1981, вып.47, с.24.,.28, (соавтор Зюлин А.Н.).

5. Повышение эффективности выделения короткой примеси каскадным эешетным сепаратором. НТБ ВИМ, М., 1981, вып.48, с.41,.,42.

6. Влияние содержания примеси и влажности зерна на эффективность зчистки каскадом однородных решет. В кн.: Развитие комплексной механи-¡ации производства зерна с учетом зональных условий. Тезисы докладов научно-технического совещания. М., 1982, с.191, (соавтор Зюлин А.Н.).

7. Результаты испытаний каскадного решетного сепаратора. Механизация и электрификация сельского хозяйства. М., 1982, № 10, с.52.,.53, (соавтор Зюлин А.Н.).

8. Исследование очистки зерна каскадным решетным сепаратором. Сб. гр. ВСТИ, Улан-Удэ, 1987, с.41.,.42.

9. Применение ЭВМ и графопостроителя в инженерной графике. Тезисы докладов научной конференции ВСТИ. Секция педагогики высшей шко-[щ. Улан-Удэ, 1987, с. 19, (соавтор Жигжитов В.Ж.).

10. Машинная графика. Методические указания по решению задач начертательной геометрии на ЭВМ и выполнение чертежей на графопостроите-пе (учебно-методическая разработка). Ротапринт ВСТИ, Улан-Удэ, 1987, (соавторы Тыхеева З.С., Жигжитов В.Ж., Шойдопов П.И., Дашиев П.Б.).

11. Очистка семян ржи и ячменя от длинных примесей на каскадном решетном сепараторе. Тезисы докладов научной конференции ВСТИ. Улан-Удэ, 1988, с. 14.

12. Каскадный решетный сепаратор. Труды ВСТИ, Улан-Удэ, 1991, с.3.

13. Очистка зерновых примесей по длине частиц на многоярусном решетном сепараторе. Бурятский ЦНТИ, Улан-Удэ, вып.4-92,1992, с.1.,.3.

14. Фракционная очистка зерновых материалов. Труды ВСТИ, Улан-Удэ, 1992, с.17...21.

15. Совершенствование технологии очистки зерна. Сб. научных трудов ВСГТУ. Серия: «Техническиенауки»,Улан-Удэ, 1994, вып. 1, с. 56...58.

16. Технология послеуборочной обработки зерна и семян. Тезисы докладов научной конференции ВСГТУ. Улан-Удэ, 1994, с.31.

17. Основные принципы системы автоматизированного проектирования оборудования предприятий по хранению и переработке зерна. Тезисы докладов научной конференции ВСГТУ, Улан-Удэ, 1994, с.7.

18. Экологически безопасная технология очистки зерна. Биология на пороге 21-го века. Тезисы докладов Республиканской конференции молодых ученых БГСХА. Улан-Удэ, 1998 г., с.34.

19. Результаты испытаний универсального сепаратора зерна в хозяйственных условиях. Вестник Восточно-Сибирского государственного технологического университета. Улан-Удэ, 1999, вып. 2, с. 32...35.

20. Решетный стан зерноочистительной машины. Бурятский ЦНТИ, Улан-Удэ, 1998, вып. 51 - 98, с. 1...3., (соавтор Дондоков Ю.Ж.).

21. Системы автоматизированного проектирования. ВСТИ, Улан-Удэ, 1994,31 е., (соавтор Алексеев Г.Г.).

22. Методические указания по курсу РКТМ «Расчет и конструирование воздушных сепараторов» для студентов по специальности 1706. Ротапринт ВСГТУ, Улан-Удэ, 1995,11 с.

23. Анализ энергоемкости производства основных зерновых культур. Энергосбережение в сельском хозяйстве. Часть 2. Тезисы докладов международной научно-технической конференции. Москва, 1998, с.3.,.4 (соавторы Анискин В.И., Дринча В.М.).

24. Методические указания по курсу РКТМ «Расчет и конструирование ситовых сепараторов» для практических занятий студентов по специальности 1706. Ротапринт ВСГТУ, Улан-Удэ, 1996,15 с.

25. Экспериментальное обоснование возможности разработки универсального сепаратора зерна. Сб. научных трудов ВСГТУ. Серия: «Технические науки», 1996, вып.З, с. 103... 108.

26. Методические указания по курсу РКТМ «Расчет и конструирование триеров» для студентов по специальности 1706. Ротапринт ВСГТУ, Улан-Удэ, 1996,15 е., (соавтор Урханов H.A.).

27. Исследование фракционных технологий очистки семян основных ерновых культур. Земледелие. 1998, №3, с.15...19, (соавторы Зюлин А.Н., (ринча В.М.).

28. Предварительная очистка семян в хозяйствах. Вестник семеновод-тва в СНГ. №2, 1998, с.28.,.31, (соавторы Зюлин А.Н., Дринча В.М.).

29. Выбор сепараторов предварительной очистки зерна. Международ-ый сельскохозяйственный журнал. 1998, № 4, с. 18...22.

30. Обоснование основных параметров пневмоинерционных ворохо-чистителей с двумя аспирационными каналами. Механизация и электрифи-ация сельского хозяйства. 1998, №10, С.22...26, (соавтор Дринча В.М.).

31. Исследование способов псевдоожижения зерновых материалов, естник Российской академии сельскохозяйственных наук. 1998, № 6, (соав-эр Дринча В.М.) с.73...74.

32. Компьютерная система технологического и технического обеспече-ия послеуборочной обработки зерна и подготовки семян. Вестник семено-эдства в СНГ. 1998, №4, с. 36...39.

33. Универсальный зерно-семяочиститель для малых хозяйств. Сб. на-шых трудов ВСГТУ. Серия «Технология, биотехнология и оборудование ¡пцевых и кормовых производств», Улан-Удэ, 1999, вып. 5, том 2, С.70...74 оавторы Кириллов А.Н., Дондоков Ю.Ж.).

34. Сравнительный анализ исследования энергоемкости производства шовных зерновых культур. Вестник семеноводства в СНГ. 1999,, №1, 31...35.

35. Влияние факторов кинематического режима универсального сепа-1Тора зерна на эффективность очистки зернового материала. Сб. научных »удов ВСГТУ. Серия «Технология, биотехнология и оборудование пищевых кормовых производств», Улан-Удэ, 1999, вып. 5, том 2, с.96.,.104 (соавто-,1 Дондоков Ю.Ж., Кириллов А.Н.).

36. Современные тенденции производства вибропневмосепараторов. :хника в сельском хозяйстве. 1999, № 5, (соавтор Дринча В.М.).

37. Метод расчета технологии сепарирования зерновых материалов. 5. научных трудов ВСГТУ. Серия «Технология, биотехнология и оборудо-ние пищевых и кормовых производств», Улан-Удэ, 1999, вып. 5, том 2, 169...183.

38. Аналитическое обоснование формы отверстий решет универсально-сепаратора зерна. Сб. научных трудов ВСГТУ. Серия «Технология, био-

хнология и оборудование пищевых и кормовых производств», Улан-Удэ, 99, вып. 5, том 2, с Л11... 128 (соавторы Дондоков Ю.Ж., Кириллов А.Н.).

39. Исследование процесса рециркуляции зернового материала. Техни-в сельском хозяйстве. 1999, № 2, с.21,.,25, (соавторы Зюлин А.Н., Дринча М).

40. Влияние основных факторов универсального сепаратора на эффек-вность очистки зерна. Сб. научных трудов ВСГТУ. Серия «Технология,

биотехнология и оборудование пищевых и кормовых производств», Улг Удэ, 1999, вып. 5, том 2, с. 160... 168 (соавторы Дондоков Ю.Ж.).

41. Фракционная технология очистки зерна. Сб. научных тру л ВСГТУ. Серия «Технология, биотехнология и оборудование пищевых и к( мовых производств», Улан-Удэ, ,1999, вып. 5, том 2, с. 168... 174 (соавто Дондоков Ю.Ж.).

42. Универсальная зерно-семяочистительная машина. Бурятск ЦНТИ, Улан-Удэ, 1999, вып. 10-99, C.1...3.

43. Направления производства конкурентноспособной зерносемяо1 стительной техники. Техника и оборудование для села. 1999, № 3-4, 28...31. (соавтор ДринчаВ.М.).

44. Исследование и интенсификация процесса очистки зерна и сем универсальным сепаратором. Информационный бюллетень Мин. сельскс хозяйства и продовольствия Респ. Бурятия, Улан-Удэ, 1999, вып.4, с. 44...5

45. Технология очистки семян рапса. Земледелие. 1999, № 3, с.15... 1 I

46. Универсальная зерно-семяочистительная машина для малых к; стьянских хозяйств. Информационный бюллетень Мин. сельского хозяйс и продовольствия Респ. Бурятия, Улан-Удэ, 1999, вып.2, с. 48...50.

47. Технология очистки семян фасоли. Сельский механизатор. 1999, 7, C.25...28.

48. Современные тенденции производства сепараторов для предва] тельной очистки зерновых материалов. Механизация и электрификация се. ского хозяйства. 1999, № 6.

49. Технология очистки семян сорго. Достижения науки и технига АПК. 1999, № 3, с.31.,.33.

50. Технология очистки и сортирования семян. Земледелие. 1999, № с.40.,.41.

51. A.c. № 965532 (В07В 1/12). Решетный стан семяочистительной i шины, (соавтор Зюлин А.Н.) - Опубл. в Б.И., 1982, № 38.

52. A.c. № 1447423 (В07В 1/12). Решетный стан семяочистителы машины.(соавтор Зюлин А.Н.) - Опубл. в Б.И., 1988, № 48.

53. A.c. № 1489850. Решетный стан семяочистительной машины, (со торы Дашиев П.Б., Карабан B.JI.) - Опубл. в Б.И., 1989, № 3.

54. Патент РФ № 2130343. Сепаратор сыпучих материалов. - Ony6i Б.И., 1999, № 14 (соавторы Анискин В.И., Дринча В.М.).

55. Патент РФ № 2130344. Пневмосепаратор зерновых материало] Опубл. в Б.И., 1999, № 14 (соавторы Анискин В.И., Дринча В.М.).

56. Патент РФ № 2132755. Способ сепарации сыпучих материало] устройство для его реализации. - Опубл. в Б.И., 1999, № 19.

57. Патент РФ № 2130345. Способ сепарации сыпучих материало: устройство для его реализации. - Опубл. в Б.И., 1999, № 14 (соавторы А: скин В.И., Зюлин А.Н., Дринча В.М.).

58. Патент' РФ № 2131785. Пневмосепаратор сыпучих материалов. -1убл. в Б.И., 1999, № 17 (соавтор Дринча В.М.).

59. Положительное решение по заявке № 98109467/03(010909), 1998 г. выдачу патента РФ. Способ сепарации сыпучих материалов и устройство

я его реализации. (Зюлин А.Н., Дринча В.М.).

npilov S.S. Technological and Technical solutions for low cost post harvesting atment grain and seeds.

e thesis ( manuscript) for scientific degree of doctor in Technical Sciences at : specialty 05.20.01. "Mechanization of Agricultural Production" (VIM), 1999. ere are presented 59 scientific papers, 9 authorized certificates and patents. They atain results of theoretical and experimental investigations of the technological d technical maintenance factors in cleaning and sorting systems for low cost ¡paring high quality grain and seeds of cereal grains.

e theoretical and experimental methods of determing the technologies and maines for post harvesting treatment are described. Special seed cleaning machines re designed and constructured to separate seed types with length differences.

i experimental device and method of determing the drag coefficients of grain and aw were developed.

e method and cascade separator for sorting seeds and grain by' complex ysical properties were developed to be used for the projection of fractional post •vesting technologies.

eoretical and experimental analysis were carried out which form methodical ;es and the system for low cost preparing high quality grain and seeds of cereal lins crop.

ncipals of fractional cleaning technology in module design with universal aner for the conditions of the operational process were developed. The new ;cade machines and fractional technologies for cleaning and grading seeds and lin were designed and introduction into industrial production.

ta on the effectiveness of the proposed technological approaches and machinery nplexes are presented.

y words: screen, sieve, aerodynamic properties of seeds, drag coeffcients of tin and straw, fluidized bed, terminal velosity of grain and straw, gravity >arator, cleaning machines and s, modeling.

SUMMARY

Подписано к печати 29.09.99г. Формат бумаги 60x90 1/16 Обьбм 2,0 УЧ.ИЗД.П.Л. Заказ 26. Тираж 100.

Типография ЦОПКБ ВИМ

7

грамм расчета основных показателей процессов и синтезирования технологий с использованием информационной базы данных о характеристике объекта обработки, рабочих органов машин и оборудования, условий производства и других определяющих факторов и требований к конечному продукту;

- установленная закономерность изменения четкости разделения семян на фракции в зависимости от удаленности их признака от его граничного значения, разделяющего фракции; эта закономерность характерна для сепарирующих машин любого принципа действия, а ее использование позволяет расчетным путем прогнозировать с высокой точностью эффективность применения этих технических средств на очистке и сортировании семян в зависимости от их свойств;

- аналитические зависимости качественной и количественной характеристики процессов очистки и сортирования семян с рециркуляцией фракции - полуфабриката на машинах с непрерывным распределением фракций;

- установленные закономерности высокоэффективного сортирования семян по посевным качествам (всхожести, силы роста и энергии прорастания) каскадным решетным сепаратором и другими сепарирующими органами.

Основные научные результаты.

- методика расчета технологий сепарирования трудноразделимых зерновых материалов, позволяющая как оценивать эффективность применения комплексов известных технических средств на очистке и сортировании зерна и семян, так и выявлять новые рабочие органы и процессы, повышающие четкость разделения при минимальной себестоимости операций;

- математическая модель интенсифицированного процесса сепарации зерновых материалов каскадным решетным сепаратором с поярусным распределением обрабатываемого материала, послужившая основой разработки семейства новых универсальных зерно-семяочистительных машин, сущест-

8

венно сокращающих число операций при послеуборочной обработке зерна и подготовке семян;

- математическая модель процесса сепарации зерновых материалов с рециркуляцией фракции - полуфабриката, позволяющая управлять процессом очистки и сортирования в границах оптимального режима.

Практическую ценность имеют:

- система машинных технологий очистки зерна и семян для различных условий производства;

- интегрированная программная система компьютерного исследования и оптимизации технологий и технических средств послеуборочной обработки зерна и подготовки семян;

- метод расчета универсальных зерно-семяочистительных машин с каскадным решетным станом;

- конструктивные схемы и основные параметры каскадных универсальных сепараторов с плоскими, цилиндрическими и ленточными рабочими органами (а.с. №№ 965532, 1447423);

- опытные образцы и модели универсальных зерно-семяочистительных машин.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами испытаний созданных машин и разработанных технологий. Адекватность результатов теоретических и экспериментальных исследований достигает 95 % уровня значимости.

Реализация результатов исследований.

Интегрированная программная система компьютерного исследования, оптимизации и проектирования технологий и технических средств послеуборочной обработки зерна и подготовки семян используются ВИМом и АО «ВИСХОМ» при разработке концепций развития имеющейся техники и создании перспективной технической базы нового поколения. Она принята за

9

основу компьютерной системы автоматизированного проектирования в ОАО «ГСКБ Зерноочистка» при разработке новых машин и оборудования послеуборочной обработки зерна и семян.

Технологии очистки зерна и семян основных зерновых культур, а также рапса, сорго и фасоли, реализуемые путем фракционирования на универсальной зерно-семяочистительной машине, обеспечивающие выделение качественного зерна и биологически наиболее ценного посевного материала, конструктивные схемы и основные параметры семейства универсальных решетных сепараторов используются ОАО «ГСКБ Зерноочистка». Разработанные технологии, а также универсальные зерносемяочистительные машины используются в хозяйствах Восточно-Сибирского региона.

Методики расчета решетных и воздушных сепараторов, а также триеров применяются в учебном процессе Восточно-Сибирского государственного технологического университета, а также в ОАО «ГСКБ Зерноочистка».

Апробация работы.

Материалы диссертации рассмотрены и одобрены на секции уборки и послеуборочной обработки зерна ВИМа (1978...1983 гг.); Всесоюзном научно-техническом совещании «Развитие комплексной механизации производства зерна с учетом зональных условий» (Москва, 1982);совещаниях рабочей группы по подготовке системы машин на 1981...1990 гг. (1985...1987 гг.), координационном совещании по выполнению общесоюзной научно-технической программы 0.51.12 (задание 06) ГКНТ СССР; на заседаниях научно-технического совета ОАО «ГСКБ Зерноочистка» (1983, 1999 гг.).

Основные положения диссертационной работы и результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Восточно-Сибирского государственного технологического университета (1988...1999 гг.); конференции молодых ученых и специалистов (ВИМ); международной научно-технической конференции ВИЭСХ (1998 г.).

12

Ресурсоэнергоэкономичность - не самоцель, но главное средство и реальный (беспроигрышный) резерв повышения конкурентноспособности отечественного зернового производства.

Высокая урожайность зерновых культур является недостаточным условием повышения конкурентноспособности зернопроизводства, а в некоторых случаях не является однозначным критерием его эффективности. Так, например, в США и Канаде средняя урожайность пшеницы не превышает 23 ц/га, однако при этом достигаются высокая рентабельность и конкурентноспособность [9, 50].

Повышение эффективности зернового хозяйства, а также его конкурентной способности в условиях рыночных отношений основывается в первую очередь на уменьшении его энергоемкости и ресурсо - энергосохранности.

Технологию производства зерна можно представить состоящей из четырех этапов: обработка почвы и посев, уход за посевами, уборка урожая, послеуборочная обработка (и подготовка семян) [5, 86, 88].

Определены средние значения совокупных энергозатрат по указанным этапам работ, которые для РФ составляют соответственно, МДж/га: 8000, 1980, 2700 и 810 (с учетом энергоемкости подготовки семян) (всего 13490 МДж/га). Энергозатраты живого труда в технологиях не превышают 30 МДж/га, т.е. около 0,2 % всех затрат. В других Евроцейских странах (табл. 1.1), применяющих высокоэффективные технологии производства зерновых культур, удельные совокупные энергозатраты находятся в большом диапазоне 7200...54000 МДж/га в зависимости от условий, технического уровня и других факторов.

Среди различных технологических операций производства зерна на подготовку почвы приходится 62...64 % общих затрат энергии в то время как расходы энергии на послеуборочную обработку включая и подготовку семян

18

тратами энергии, в первую очередь на сушку - до 30 % от общих затрат энергии, потребной на производство зерновых материалов [233, 272].

В настоящее время постоянный рост цен на энергоносители приводит к тому, что многие хозяйства не могут уже сохранить собранное зерно без существенных его потерь. В ряде случаев потери из-за несвоевременной обработки составляют 22...35 % [78, 244, 281, 259, 319].

Проблема повышения сохранности зерна, а также семенных фондов усугубляется снижением госзакупок зерна, кризисным состоянием зарождающейся базы рыночных структур: около 90 % из имеющихся в хозяйствах хранилищ, комплексно не механизированы и не обеспечивают технологических требований к хранению зерна и семян, а также сушке и очистке.

Следует заметить, что просматривается общая закономерность для всех культур - повышенной влажности вороха соответствует общая повышенная засоренность и повышенное содержание щуплых и дробленных зерен. В работе [24, 117] получена следующая зависимость между влажностью Ж и засоренностью £ зернового вороха:

~ 0,176+0,05№

3=е . (1.1)

Разрабатываемые технологии и технические средства для послеуборочной обработки должны исключать ухудшение биопотенциала семенного материала, а по возможности стимулировать посевные и урожайные свойства, продуктивность и качество урожая [14, 91 103, 169, 209].

Важными характеристиками при выборе технологии послеуборочной обработки зерна является интенсивность поступления зернового вороха на пункты послеуборочной обработки, а также изменение во времени его влажности и засоренности. Характеристику зернового вороха (табл. 1.3), поступающего на ОПХ «Черепановское» в Сибири, приводят в своей работе М.С. Титов и В.Н. Тесленко [129, 195].

3,5

С,%

2,5

1,5

0,5

/ / / \ \ \

/ / / \ \ \ \ J

/ у / / ! \ \ \ / / / /

У' \ \ У ✓ У у ............- /

У у / / ✓ \ У /

25.авг 02.сен 6 10 14 18 22 Дни

---семена сорных растений органическая примесь

Рис. 1.3. Колебания содержания примесей в зерновом ворохе по дням поступления на послеуборочную обработку.

р,%

3,5 3 2,5 2 1,5 1

0,5

/ / / ч \

У к N \ 1 \ / V \ \ \

* / - У V Ч ч <4 < "Ч. /Л / \ / \ \ ч.

! Ч ^ У \ ч ч ч

\ » * N

25.авг 02.сен

10 14 18 22 Дни

---зерно в колосках и пленках......дробленное, щуплое и мелкое зерно

Рис. 1.4. Изменение состава зерновой примеси по дням поступления на послеуборочную обработку.

22

В процессе послеуборочной обработки влажность примесей превышает влажность зерна в 1,5 и более раз (рис. 1.5) [96]. Влажность зерна на корню в течение суток может изменяться в широких пределах, достигая минимума к 17... 18 часам. Соответственно меняется и влажность зерна, поступающего на пункты послеуборочной обработки.

20 22 24 26 28 34 40 46 52 VI/, %

¡зерно ■ примеси

Рис. 1.5. Гистограмма распределения компонентов вороха по влажности (по данным П.А. Коломейца).

В ряде случаев за 9 часов работы комбайна начальная влажность зерна может снизиться на 8...10 и более процентов, то есть среднее снижение влажности зерна доходит до одного процента за один час. При большой разнице во влажности зерна (более 5...10 %) утренней и дневной уборки технология его послеуборочной обработки должна быть различной, и оно должно сохраняться раздельно. Изменение влажности в течение дня и за период в несколько дней определяется как метеорологическими условиями, так и характером влажности зерна. Вторичная влажность, полученная за счет увлажнения зерна росой или дождем, снижается очень быстро в течение одного дня. Динамика влажности зерна, поступающего в бункер комбайна в течение рабочего дня, соответствует динамике влажности зерна на корню. За счет ув-

23

лажнения сорной растительностью влажность зерна, поступающего в бункер, на 0,5... 1,0 % выше влажности зерна на корню.

В Российской Федерации доля зерна, убираемого с влажностью до 16 %, не превышает 25...30 %, средневзвешенная влажность убираемого зерна -18...19 %, а в неблагоприятные годы - свыше 20 %. Практически во всех случаях влажность примесей значительно выше, чем у основного зерна.

В необработанном зерновом ворохе повышенной влажности и засоренности уже в первые часы хранения повышается интенсивность дыхания, что ведет к повышению температуры, появлению плесневых грибов и бактерий, частичной или полной порче зерна. Так, на третьи сутки хранения необработанного зернового вороха семенного назначения при исходной влажности 28,3 % его температура возросла с 27 до 43°, энергия прорастания снизилась с 62 до 8 %, а всхожесть - с 82 до 20 % [35]. Для безопасного хранения зерновой ворох с влажностью более 20% и температурой 10... 16 °С должен быть обработан в течение суток [314].

При хранении зерна в неочищенном виде, при наличии в нем кусочков стеблей, листьев и семян сорняков повышенной влажности, влажность зерна быстро повышается на 2...4 %. Наиболее интенсивно возрастает влажность в первые 6 часов после уборки. В отдельных случаях, при повышенном содержании влажной примеси, влажность зерна увеличивается на 2...4 % за счет его отлежки вместе с сором. Поэтому очистка засоренного зерна тотчас же после его поступления на ток обязательна и должна производиться при помощи машин, позволяющих выделять примеси высокой влажности. С увеличением количества примесей качество зерна при хранении существенно снижается (табл. 1.4). Хранение даже сухого зерна (влажностью до 15 %), не прошедшего предварительную очистку от сорных примесей, и особенно мелких, способствует значительному снижению его качества [106,144].

Особые затруднения возникают в хозяйствах при очистке зерна повышенной влажности и засоренности, так как в соответствии с ГОСТ 5888-74

24

каждый процент влажности свыше 16 % приводит к снижению производительности сепараторов на 5 %, увеличение засоренности на 1 % свыше 10 % -

на 2 % [144].

Таблица 1.4.

Снижение качества зерна в зависимости от содержания в нем примесей.

Содержание примесей Продолжительность хранения зерна до появления плесени, суток Полное снижение качества через.. .суток

Рожь, влажность 16,7 %

без примесей 68 более 100

2 % зеленых примесей 46 65

3 % семян сорняков 42 46

2 % зеленых примесей, 2 % семян сорняков, 2 % дробленных семян 16 27

3 % зеленых примесей, 3 % семян сорняков, 4 % дробленных семян 6 11

Ячмень яровой, влажность 16,8 %

без примесей более 100 нет данных

2 % зеленых примесей 68 более 100

3 % семян сорняков 86 более 100

2 % зеленых примесей, 2 % семян сорняков, 2 % дробленных семян 27 42

3 % зеленых примесей, 3 % семян сорняков, 4 % дробленных семян 19 26

За счет интенсивной предварительной очистки комбайнового вороха можно снизить его влажность на 3 %. Например, в условиях ВосточноСибирского региона применение зернометателей позволяет за одну операцию уменьшить влажность комбайнового вороха на 1 % [213].

Для предварительной очистки зернового вороха перед его загрузкой в зернохранилища хозяйства вынуждены завозить зерновой материал на ток, очищать его там зерноочистительными агрегатами и комплексами или пере-

25

движными ворохоочистителями и только после этого перевозить зерно в склад.

Предварительная очистка свежеубранного зернового вороха в хозяйствах позволяет [287]:

- снизить влажность за счет удаления зеленых примесей, семян сорняков и наружной влаги и сократить до минимума очаги самосогревания, а следовательно и увеличить время безопасного хранения;

- уменьшить объем работ, затраты энергии и топлива при проведении последующих операций;

- повысить производительность машин первичной и вторичной очистки, сушилок и комплексов в целом;

Сжатые сроки предварительной обработки больших объемов влажного и засоренного зерна выдвигают особые требования к машинам предварительной очистки - они должны иметь высокую производительность и технологическую надежность, обеспечить требуемое качество обработки.

Так как при обработке на семенные цели в зерновом ворохе содержится зерно, предназначенное на семена, на продовольствие или фураж, то целесообразно выделять эти фракции в процессе предварительной очистки для их последующей обработки, с максимальным выходом зерна в партию с наиболее высокой стоимостью [121, 126].

Для предварительной и первичной обработки зернового вороха на пунктах послеуборочной обработки применяются машины ЗВ-50, ЗВС-20А, ЗАВ - 10.30000, МПО-50, МЗП-50, а для обработки его на открытых площадках - ОВС-25, которых в хозяйствах постоянно не хватает. При всем конструктивном многообразии существующих воздушно-решетных машин для предварительной очистки отечественного и зарубежного производства они имеют низкую удельную производительность, особенно при обработке влажного и сильно засоренного вороха [13]. Подобного недостатка лишены пнев-мосепараторы. Влияние влажности зерна на производительность этих машин

26

менее существенно. Однако серийные пневмосепараторы являются недостаточно эффективными, так как характеризуются низкой эффективностью выделения мелких примесей, хотя на стадии предварительной очистки пневмосепараторы потенциально могут выделить значительную часть примесей (рис. 1.6).

V

/ "V

/ \ —

/ у / \ \

/1 / \ \

/7 • / / \ __\_ \

. - - Л с- - *" , ' / \ \

■ • ' \ \ \

и.- / " * ■ • -з! Ь.—----------

0 4 5 6 7 8 9

_________________V, м/с

---Ж'--засорители колотые и битые зерна | ---щуплые зерна -семена основной культуры }

Рис. 1.6. Кривые распределения компонентов вороха пшеницы по скорости витания частиц.

В этой связи особое значение приобретает проблема интенсификации процессов предварительной очистки зернового вороха за счет использования новых рабочих органов, в которых технологический процесс протекает под действием аэродинамических и инерционных полей, превосходящих силу тяжести зерен основной культуры. Заслуживают внимания технология и созданные на ее основе сепараторы, обеспечивающие высокопроизводительную предварительную очистку зерна и разделение его на фракции