ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СЕМЯОЧИСТИТЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАЛЫХ ПАРТИЙ СЕМЯН ПШЕНИЦЫ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ

На правах рукописи

ХАНДРИКОВ ВИКТОР АНАТОЛЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СЕМЯОЧИСТИТЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАЛЫХ ПАРТИЙ СЕМЯН ПШЕНИЦЫ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ ОЧИСТКИ

Специальность 05.20.01 – «Технологии и средства механизации

сельского хозяйства»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург - Павловск 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова» на кафедре сельскохозяйственных машин.

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Галкин Василий Дмитриевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Попов Александр Александрович
	кандидат технических наук, доцент Перекопский Александр Николаевич
Ведущая организация:	Государственное учреждение Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого

Защита состоится 09 июля 2009г. в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 006.054.01 в Государственном научном учреждении «Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук» по адресу: 196625, Санкт-Петербург, п. Тярлево, Фильтровское шоссе, 3, корпус №1, ауд.201.

Факс (812) 466 56 66.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии.

Автореферат разослан 25 мая 2009 г. и размещён на официальном сайте http://www.sznii.ru .

Ученый секретарь диссертационного совета

Черей Н.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы (утверждена постановлением Правительства РФ от 14 июля 2007 г., №446), предусмотрено увеличение площади засеваемой семенами элиты до научно-обоснованной нормы из расчета 15% от общей площади посевов.

Качество же этих семян и их выход зависит, при прочих равных условиях, от эффективности используемых технологий и технических средств для послеуборочной обработки семенного вороха вообще и очистки, в частности.

Семяочистительные линии, используемые для подготовки элитных семян зерновых культур, имеют высокую энергоемкость и металлоемкость, а при очистке от низконатурных примесей наблюдаются повышенные потери полноценных семян в отходы.

Одним из путей повышения эффективности очистки семян является разработка фракционных технологий и машин окончательной очистки (вибропневмосепараторов) с прямоточными деками.

В этой связи совершенствование технологий и технических средств для очистки семян является важной и актуальной задачей, решение которой внесёт существенный вклад в обеспечение регионов районированным элитным посевным материалом.

Направление исследований соответствует «Программе фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг.» и ее разделу «09.01. Разработать конкурентоспособные наукоемкие машинные технологии и технику нового поколения для производства сельскохозяйственной продукции».

Работа выполнена в соответствии с разработанной ВИМ «Концепцией машинно-технологической интенсификации растениеводства на период до 2010 года», предусматривающей создание машин и технологических линий для очистки семян высоких репродукций и темой № 76 плана НИР ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА».

Цель исследования. Повышение эффективности работы семяочистительных линий очистки малых партий элитных семян пшеницы от низконатурных примесей путем совершенствования технологии и машины окончательной очистки.

Объект исследования. Технологический процесс очистки и сортирования семян.

Предмет исследования. Определение закономерностей процесса разделения семян.

Научная новизна состоит в разработке математических моделей, описывающих закономерности разделения семян усовершенствованной машиной окончательной очистки (вибропневмосепаратором), работающим в составе семяочистительной линии.

Практическая ценность работы состоит в определении рациональных параметров и режимов работы машины окончательной очистки с прямоточной декой производительностью до 1 т/ч и ее использовании в семяочистительной линии производительностью 2,5т/ч, реализующей фракционный метод очистки семян.

Новизна вибропневмосепаратора с усовершенствованной декой подтверждена патентом на полезную модель №58288 и патентом РФ №2347352. Технология очистки семян защищена патентом РФ №2340410.

реализация результатов работы. Семяочистительная линия очистки семян с применением вибропневмосепаратора используется в линии очистки малых партий семян в ФГУП УОХ «Липовая гора» ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА». Технологическая схема, параметры и режимы работы вибропневмосепаратора переданы для изготовления опытной партии в ООО «Техноград» Пермского края. Экспериментальный образец вибропневмосепаратора, схема семяочистительной линии используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях Пермской ГСХА (2003-2009 гг.), Санкт-Петербургского ГАУ (2004 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Инновационное развитие АПК. Итоги и перспективы» Ижевской ГСХА (2007 г.), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы технологии производства, хранения, переработки и экспертизы качества сельскохозяйственной продукции» МичГАУ (2007 г.), Международной научно-практической конференции «Разработка и внедрение технологий и технических средств для АПК Северо-Восточного региона» ГУ ЗНИИСХ Северо-Востока (2007 г.), межвузовской научно-практической конференции молодых ученых и студентов Пермского края в Пермском ГТУ (2008, 2009 г.).

Положения, выносимые на защиту:

- математические модели движения и разделения материала в псевдоожиженном слое семян на деке машины окончательной очистки усовершенствованной конструкции;

- конструктивно-технологическая схема машины окончательной очистки и ее рациональные параметры и режимы работы;

- результаты ведомственных испытаний машины окончательной очистки и производственных исследований семяочистительной линии, реализующей фракционную технологию очистки семян с использованием вибропневмосепаратора усовершенствованной конструкции;

- технико-экономическая эффективность семяочистительной линии, реализующей фракционный метод разделения семян.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 научных работ, в том числе одна работа в издании, рекомендованном ВАК Минобразования и науки РФ, две – в материалах Международных и три - Всероссийских научно-практических конференций. Получены 2 патента РФ и 2 патента на полезные модели. Общий объем публикаций составляет 6,6 усл. п. л., 70% из которых принадлежит автору диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 176 страниц состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 245 источников, в том числе 2 - на иностранных языках, и приложений. Основная часть диссертации содержит 156 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 11 таблиц. В приложении помещены таблицы с опытными данными и документы, подтверждающие апробацию и практическое использование результатов исследования.

Содержание работы

Введение содержит обоснование актуальности темы, общую характеристику работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» приведен анализ технологий очистки, способов разделения семян по плотности и конструктивно-технологических схем машин окончательной очистки.

Для повышения эффективности очистки семян в настоящее время используют фракционные технологии.

Значительный вклад в разработку теории процессов движения частиц по колеблющейся поверхности, очистки зерна и семян внесли В.П. Горячкин, М.Н. Летошнев, Г.Д. Терсков, Н.Н. Ульрих, С.А. Васильев, И.И. Блехман, В.В. Гортинский, А.Б. Демский, Н.Г. Гладков, И.Е. Кожуховский, П.М. Василенко, Г.Т. Павловский, Г.Е. Листопад, В.И. Анискин, В.М. Цециновский и другие.

Используемые и новые фракционные технологии и технические средства послеуборочной обработки зерна предложены Н.Е Авдеевым, В.Л. Андреевым, В.Д. Бабченко, А.И. Бурковым, В.С. Быковым, А.Д. Галкиным, В.Д. Галкиным, В.М. Дринчей, Ю.И. Ермольевым, Э.В. Жалниным, П.М. Заикой, А.Н. Зюлиным, К.Н. Капоруллиным, Ю.К. Ковальчуком, Н.И. Косиловым, В.А. Кубышевым, И.П. Лапшиным, А.А. Лопаном, Г.Е. Мазневым, А.А. Поповым, Н.П. Сычуговым, А.П. Тарасенко, В.И. Оробинским, С.С. Ямпиловым, М.Л. Власовым, С.М. Григорьевым, М.В. Киреевым, Ю.А. Космовским, А.Н. Кремневым, С.А. Павловым, А.Н. Перекопским, Н.А. Ревенко, Л.М. Суконкиным, М.А. Тулькибаевым и другими учеными. Однако, при засоренности семенного вороха низконатурными примесями применяемые технологические линии не предусматривают выделения фракции семян с высокими посевными качествами с допустимым содержанием указанных примесей до подачи материала на вибропневмосепаратор.

Для выделения биологически ценной части семян их следует выровнять по размерам и отсортировать по плотности. Наиболее эффективным способом разделения зерновых смесей по плотности является разделение их в вибропсевдоожиженном слое машинами окончательной очистки в виде пневмосортировальных столов (вибропневмосепараторов) в т.ч. с прямоточной декой. Однако эти вибропневмосепараторы имеют высокие потери семян в фуражные отходы.

разработанные технологии очистки семян, при наличии в исходном материале низконатурных примесей, при обработке малых партий элитных семян приводят к увеличению удельных затрат за счет необходимости обработки разнокачественных фракций на параллельных линиях.

На основании анализа состояния вопроса и в соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследования:

- разработать математические модели технологии отделения низконатурных примесей в вибропневмоожиженном слое зернового материала с предварительным решетным фракционированием, определить основные параметры машины окончательной очистки (вибропневмосепаратора);

- создать экспериментальный образец вибропневмосепаратора, провести лабораторные исследования и определить рациональные параметры и режимы работы;

- провести ведомственные испытания вибропневмосепаратора;

- провести производственные исследования семяочистительной линии с использованием вибропневмосепаратора;

- дать рекомендации по использованию семяочистительной линии и разработать номограмму для настройки вибропневмосепаратора на заданные условия работы;

- дать энергетическую и технико-экономическую оценки использования семяочистительной линии с усовершенствованным вибропневмосепаратором.

Во второй главе «Теоретические предпосылки повышения эффективности очистки семян пшеницы от низконатурных примесей» моделированием процесса относительного перемещения частиц разной плотности в слое семян определена возможность отделения компонентов, отличающихся плотностью в две стадии – в виброожиженном слое, с последующей обработкой одной из фракций в вибропневмоожиженном состоянии.

В основу разработки математических моделей положена структурная схема семяочистительной линии (рис.1).

рис. 1 Структурная схема семяочистительной линии

Схема состоит из трех блоков. Первый из них осуществляет, кроме отделения примесей, разделение семян на две фракции в виброожиженном слое. Второй блок производит раздельную очистку фракций от длинных и коротких примесей. Третий блок реализует окончательную очистку одной из полученных фракций семян в вибропневмоожиженном слое.

Условиями работы семяочистительной линии являются: расходная характеристика q0(t) зернового материала, прошедшего предварительную, первичную очистку, разделение по длине и его качество K0(t), оцениваемое засоренностью, плотностью, натурной массой, всхожестью семян и массой 1000 зерен.

Управляющими факторами служат: показатели кинематического режима k1, k2; форма и размеры отверстий решет b1; диаметры ячеек триерных цилиндров d21, d22; скорости воздушных потоков V1, Vр, Vт; угол направленности колебаний *; угол продольного наклона и угол установки скошенной стенки .

Оценками технологического процесса, осуществляемого семяочистительной линией, приняты: выход семян элиты первой Q1(t) и второй фракций Q2(t) и их качество (засоренность З1(t), З2(t); масса 1000 зерен М1(t), М2(t); натурная масса N1(t), N2(t)); потери полноценных семян в отходы П1(t) и П2(t); вероятность сохранения поля допуска на засоренность семян поштучно-учитываемыми примесями РЗ1(t), РЗ2(t).

На частицу плотностью меньше плотности слоя, находящуюся на колеблющейся поверхности, расположенной под углом к горизонту и совершающей гармонические направленные колебания под углом , действуют сила Рп, включающая силу реакции среды Рр и силу, возникающую за счет разности ускорений частиц различной плотности Ри; сила сопротивления перемещению частицы Fд.

Сила реакции среды определяется по выражению, Н:

, (1)

где m0 - эффективная масса частицы, складывающаяся из массы частицы и массы среды в половине её объема, кг;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

– отношение плотности рассматриваемой частицы к плотности частиц, образующих слой;

k – показатель кинематического режима.

Сила, возникающая за счет разности ускорений, зависит от силы воздействия воздушного потока, Н:

, (2)

где Rв – сила воздушного потока, Н.

Сила воздушного потока Rв включает статическую Rст и динамическую Rд составляющие.

Статическая составляющая воздействия воздушного потока определяется по известному выражению, Н:

, (3)

где V – объем, занимаемый частицей в монослое, м3;

gradP - градиент напора, Па/м.

градиент напора представляет собой, Па/м:

, (4)

где P – перепад давления воздуха в слое семян высотой Н, Па.

Перепад давления по уравнению Эргана составит, Па:

, (5)

где – порозность псевдоожиженного слоя;

в – плотность воздуха, кг/м3;

– динамическая вязкость газа, Пас;

dэ – эквивалентный диаметр частиц, м.

Динамическая составляющая Rд зависит от скорости воздушного потока. Предварительные исследования показали, что скорость воздуха в слое находится в пределах 1,5–2,0 м/с. В этом диапазоне скоростей сила воздействия потока на частицу обычно определятся по формуле Ньютона, Н:

, (6)

где с – коэффициент, учитывающий свойства поверхности обдуваемого тела (с =0,184-0,265);

Fч – площадь Миделева сечения частиц, м2.

Площадь Миделева сечения частиц, при условии, что они остаются параллельными продольной осью к колеблющейся поверхности и их размер а будет определять толщину монослоя (как наиболее устойчивое положение), можно определить как площадь эллипса, м2:

, (7)

Сила сопротивления поперечному перемещению частицы Fд, рассчитываемая по методике, предложенной профессором В.С. Быковым, но с учетом воздействия воздушного потока, определяется по выражению, Н:

, (8)

где - насыпной угол, характеризующий хаотичность расположения семян при засыпке, град.;

m0 – масса частиц, образующих слой, кг;

n' – число вышерасположенных монослоев;

fвн= - коэффициент внутреннего трения;

Количество монослоев над рассматриваемой частицей можно выразить через её координату z:

. (9)

величины ускорения деки и скорости воздушного потока ограничены условием безотрывности движения.

Условие перемещения частицы малой плотности вверх с учетом выражений (1) и (8) примет вид:

. (10)

Уравнение (10) описывает процесс движения низконатурной частицы, находящейся в слое семян, перемещающемся по колеблющейся поверхности в зависимости от угла её наклона, соотношения плотностей частицы и слоя, его толщины, показателя кинематического режима, угла направленности колебаний, скорости воздушного потока.

На основе уравнения предложена технология очистки семян от низконатурных примесей в виброожиженном и вибропневмоожиженном слоях.

В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» представлена программа исследований, общепринятые и частные методики лабораторных и производственных опытов, ведомственных испытаний опытного образца машины и математической обработки опытных данных, описаны экспериментальная установка, приборы и оборудование.

Основными задачами экспериментальных исследований являлись проверка достоверности аналитических зависимостей и теоретических выводов, полученных во второй главе, определение рациональных параметров и режимов работы вибропневмосепаратора (ВПС), оценка технологической надежности усовершенствованной поточной линии с использованием разработанного вибропневмосепаратора.

В соответствии с программой экспериментальных исследований разработали и изготовили лабораторную установку, схема которой приведена на рисунке 2,а.

Конструкция установки позволяет регулировать зерновую нагрузку на деку до 1500кг/ч, частоту колебаний в пределах 400-700мин-1 с помощью клиноременного вариатора, амплитуду колебаний – от 7,5 до 15,0мм путем установки сменных эксцентриков, угол продольного наклона деки.