НЕТРАДИЦИОННЫЕ РАБОЧИЕ ОРГАНЫ ДЛЯ ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕРНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО

Основные ориентировочные параметры БСВ РО приведены в диссертации, примеры выполнения БСВ РО – на рис. 4 и 5.

а) б)

Рис.4. Схемы БСВ рабочих органов: а) почвообрабатывающий агрегат: 1 – БСВ рыхлитель, 2 – шнековый или БСВ рыхлитель выравниватель, 3 – кольца или диски крепления концов БСВ рыхлителя, 4 – рама; б) режущий аппарат:1– БСВ нож, 2 – неподвижные пальцы, 3 – пальцевый брус (может быть гибким)

Соломосепаратор содержит БСВ выделитель мелкого вороха, кольца крепле-

ния концов спирали, шнековый или струйный отделители соломы от спирали (а. с. СССР №578121, №858951).

Схемы БСВ МСУ представлены на рис. 5.

а) б)

Рис. 5. Схемы БСВ МСУ: а) МСУ с коническим барабаном: 1 – БСВ транспортёр для предварительного обмолота и передвижения вороха к барабану, 2 – конический барабан (может быть установлено молотильное устройство любого типа), 3 – подбарабанье, 4 – цилиндрическое решето;

б) БСВ МСУ с подачей обмолачиваемой массы через коническую часть спирали: 1 – БСВ цилиндрический обмолачивающий сепарирующий и транспортирующий РО, 2 – дека-решето, 3 – наружный кожух, 4 – кольцо со спиралью, закреплённой передним концом на его внутренней поверхности, 5 – опорные ролики, 6 – кольцо крепления конца БСВ РО; – поступление зерносоломистой массы в МСУ, о – движение зерна и сбоины, – соломы

Работами многих исследователей (В. П. Горячкин, М. Н. Летошнев, П. М. Василенко, С..М. Григорьев, М.В. Киреев и др.) установлено, что интенсифицировать сепарацию зерна целесообразно использованием центробежных сил инерции, которые возникают в цилиндрических (и в виде других тел вращения) сепараторах. Но до сих пор не удалось преодолеть их основного недостатка: при показателе кинематического режима К = r2/g >>1 (где r – радиус цилиндра, – его угловая скорость, g – ускорение силы тяжести) усиливается забивание отверстий решёт, а в триерах зёрна не выпадают из ячеек. Применение разных методов уменьшения этих недостатков не дало существенного эффекта.

По теореме Л. Кальмара – С. Якубович произвольное отношение толерантности на М можно задать как отношение А с помощью некоторого всюду определенного соответствия : МL. В данном случае таким соответствием будет наличие центробежных сил P = mr2. Это соответствие задаёт отношение толерантности 2 – разделяющие поверхности выполнены в виде тел вращения, в частности цилиндров или конусов.

В существующих жёстких рабочих органах эти силы инерции являются также и ограничивающими факторами. Поэтому целесообразно устранить указанные недостатки за счет изменения геометрии разделяющей поверхности: так перемена направления действия центробежных сил достигается изменением знака радиуса кривизны на определенной дуге. Это предполагает использование не всюду выпуклых гибких поверхностей, имеющих участки обратной кривизны (УОК).

Создать УОК можно двумя способами: деформацией направляющей окружности и поворотом образующей. В первом случае получаем цилиндрическую поверхность 1 с участком обратной кривизны 2 (рис.6, а), во втором – одностороннюю поверхность – лист Мёбиуса (рис.6, б).

.

а) б)

Рис.6. Гибкие разделяющие поверхности с участками обратной кривизны:

а) цилиндрическая (а. с. СССР № 205418 и др.); б) лист Мёбиуса (а. с. СССР № 493257). Список а. с. СССР, входящих в банк данных по гибким РО, приведён в приложении 5 к диссертации

У гибкой цилиндрической поверхности образовать УОК можно, например нажимным валиком 3. При недостаточной жесткости поверхности 1 по длине её необходимо вложить в жёсткий цилиндр (сплошной, с отверстиями, набранный из стержней), к которому её нужно прижать, например роликами 5. Рама, крепление валика 3, привод и другие элементы не показаны. При работе гибкая поверхность вращается вместе с жёстким цилиндром 4. Движение компонентов смеси указано стрелками: М – загрузка смеси, Мп, Мс – выделение проходовой и сходовой фракций, Ми – инерционное выделение на УОК. Сепараторы по схеме (рис.6, б) мы не исследовали.

Прогнозированием на основе математической теории отношений толерантности (аналитическим прогнозированием) с использованием графов были определены сепарирующие рабочие органы, интенсифицирующие выделение клубней из почвы, совмещающие преимущества пруткового элеватора и пальчатой горки, пальчатой горки и роторного пруткового битера, роторного пруткового битера и пруткового элеватора. Два последних вида сепарирующих рабочих органов выталкивают клубни вверх из слоя почвы на элеваторе пальчатыми транспортерами и битерами, расположенными под верхней ветвью пруткового элеватора (внутри его контура).

В главе 5 «Теоретические основы интенсификации сепарации зерна на гибких разделяющих поверхностях» разработаны стохастическая модель процесса сепарации на основе структурно – логического подхода и основы теории сепарации зерна на гибких разделяющих поверхностях. При стохастическом подходе за состояния системы принимаются логически возможные положения частицы: в слое смеси – 1, на разделяющей поверхности – 2, в её отверстиях (ячейках) – 3, выделение проходом – 4. Сепарация рассматривается как случайный Марковский процесс с дискретными состояниями и непрерывным параметром и описывается системой дифференциальных уравнений Колмогорова (соответственно прямой и обратной)

, (4)

где – матрица производных от переходных вероятностей,

– матрица переходных вероятностей по параметру t,

– матрица инфинитезимальных параметров.

В развернутом виде матрица имеет вид

. (5)

В явном виде система принимает вид

(6)

При . Реальный процесс осуществляется при до значения

, (7)

где – полнота выделения, определяемая агротехническими условиями. Для таких процессов интенсификация заключается в исключении обратных пе-

реходов: . С учетом этого система (6) запишется в виде

(8)

Для работы сепарирующего устройства в установившемся режиме необходимо выполнение условий . При этих условиях решение системы уравнений (8) имеет следующий вид:

Р11 = е–t, Р12 = tе–t, Р13 = 2t2е–t /2. (9)

С учётом того, что Р11 + Р12 + Р13+ Р14 =1, Р14 = 1 – Р11 – Р12 – Р13.

При этом вероятность частице попасть в поглощающее состояние

. (10)

Интенсивность выделения

. (11)

На рис. 7 представлены результаты расчета по (10) на ЭВМ при интерпретации параметра как длины L рабочего органа, Построение графика L=f(Q) на основе графика Р14=f(L) дали возможность графо - аналитическим методом определить длину ячеистой ленты соответственно при = 0,9999…0,999, необходимую для получения удельной производительности овсюжного триера (рис. 8).

Методика расчета длины сепарирующей поверхности приведена в диссертации.

Рис.7. Графики функции P = f(L) при различном значении , 1/м (Q, кг/м2ч):1–14,10 (5400), 2–12,55 (4800), 3–10,55 (4200), 4–9,40 (3600), 5–7,85 (3000), 6–5,25 (2400), 7–4,70 (1800), 8–3,13 (1200), 9–1,57 (600)

Далее изложены основы теории сепарации на гибких разделяющих поверхностях с участками обратной кривизны. Для описания движения частиц на участке постоянного радиуса кривизны r гибкой разделяющей поверхности с учётом отношения толерантности могут использоваться зависимости, полученные для жёстоких разделяющих цилиндрических поверхностей М. Н. Летошневым, П. М. Василенко, Б. Г. Турбиным, С. М. Григорьевым, и другими. П. М. Василенко было получено общее решение системы уравнений Эйлера, на основе которого им было выведено уравнение движения материальной частицы по жёстокой цилиндрической поверхности при = 0,, где – угловая координата частиц. На основе общего решения системы уравнений Эйлера нами было получено частное решение для подачи материала в сепаратор при c начальной скоростью , где , , – угловая скорость поверхности,

, (12) где – угловая координата частицы, – угол трения, f – коэффициент тре- ния зерна по решету, = аrc tg 2f.

Уравнение (12) описывает движение частицы при . Из (12), полагая , мы определили значения и , при которых прекратится относительное движение частицы по цилиндру:

. (13)

Участок гибкой разделяющей поверхности 1, набегающий на нажимной валик 2, в общем случае состоит из четырёх частей (рис. 9, а): BC (),

СД (), ДЕ (), EF (), где – радиус кривизны участка. Частные случаи: участок EF отсутствует, при переход через валик 2 поверхность 1 имеет ; имеется участок ВС (), затем следуют

участки ДЕ () и EF (); имеется два участка (рис.9,б): ДВ() и ДF(). Зёрна при отделении от разделяющей поверхности будут двигаться как тело, брошенное под углом к горизонту. Теоретически установлено, что траектория зёрен не зависит от их свойств, поэтому будет чёткой и небольшой ширины. Рис. 9. Схема участков гибкой поверхности 1, На участках, имеющих набегающей на нажимной валик 2 обратную кривизну,

создаются условия для выделения частиц, застрявших в отверстиях разделяющей поверхности. Такой участок может состоять из одной зоны ДД1 (рис.10,а), у которой , , или из зон ДЕ (), ЕЕ1 () и Д1Е1 (), (рис.10, б).

Выделение застрявшей частицы из отверстия возможно при условии ,(14) где – угол между G и Nпр, ., где F – сила, нормальная к кромкам отверстия, f – коэффициент трения.

Для установления путей интенсификации этого процесса условие (14) выделения частицы из отверстия целесообразно представить так:

, (15) где .

В главе 6 « Верификация результатов прогнозирования» вначале излагается программа и методика экспериментальных исследований. Основной целью экспериментальных исследований является верификация прогноза о перспективности сепарирующих рабочих органов единой схемы для выделителей зерна из соломы, решёт и триеров с гибкой разделяющей поверхностью, полученного двумя методами (аналитическим прогнозированием и РМОИТЗИ).

Программой были предусмотрены следующие исследования:

– проверка результатов прогнозирования, теоретических положений по сепарации на гибких разделяющих поверхностях, определение основных размеров рабочего органа;

–выявление характера движения зерновой смеси внутри сепарирующего цилиндра;

– определение основных показателей, характеризующих производительность и качество разделения зерновой смеси;

– определение энергоёмкости исследуемых рабочих органов.

При проведении исследований были получены следующие зависимости:

где – чистота выхода основной фракции,

q – удельная подача смеси на сепарирующую поверхность,

– коэффициент воздействия щёточного отражателя триера,

– полнота выделения ценной фракции,

Q – удельная производительность по выходу основной фракции,

Е – эффективность разделения по Ньютонам.

Указанные зависимости были получены при различных режимах работы сепараторов, определяемых эквивалентными показателями: – окружная скорость разделяющей поверхности, n – частота её вращения, К – показатель кинематического режима. Решето исследовалось при = 4; 5; 6 м/с, триеры – при n = 60; 100;140 мин –1.

Экспериментальные исследования по этой тематике велись на кафедре сельскохозяйственных машин ВСХИЗО, на опорном пункте ГСКБ ПО «Воронежзерномаш» (в настоящее время ОАО ГСКБ «Зерноочистка»), дополнительно к этому макетный образец триера исследовался в соответствии с планом НИР указанного ГСКБ по их методике. Результаты кино – и фотосъемки выделения зёрен в основном подтвердили положения теории и принятые допущения. При экспериментальных исследованиях решета с гибкой разделяющей поверхностью диаметром 600 мм и длиной 1 м была получена удельная производительность Q более 5 т/м2ч при чистоте зерна 0,99 (рис.11), что превышает таковую плоских решёт в 1,5 – 3 раза.

Рис. 11. Нагрузочные характеристики решета с гибкой разделяющей

поверхностью при = 5 м/с, (n = 159 мин –1)

Затраты мощности на работу гибкого решета представлены на рис. 12.Они в 2, 5 – 2, 8 раза меньше, чем у плоскорешётных зерноочистительных машин.

Рис.12.Поверхностьотклика функции N =f (q,), где N –мощность, q – удельная подача, – скорость решета: 1 – общие затраты мощности на работу решета, 2 – затраты мощности на технологический процесс сепарации

Удельная производительность триера с гравитационной загрузкой смеси достигает 4,8 т/м2ч (рис. 13), кукольного со шнековой – 2,3 т/м2ч при К=6,6.

Рис.13. Нагрузочные характеристики овсюжного триера при показателях кинематического режима: 1 – К=1,2; 2 – К=3,35; 3 – К=6,6 (засоренность 2,5%)

При испытании нами макетного образца УТ–10000 в ГСКБ ПО Воронежзерномаш» на очистке пшеницы «Мироновская–808» достигнута максимальная производительность овсюжного триера Q = 5,2 т/м2ч при чистоте 99,4%, кукольного триера со шнековым загрузочным устройством – Q = 6,1 т/м2ч при чистоте 97,8%. По данным ГСКБ ПО «Воронежзерномаш» удельная производительность овсюжного триера достигает 5,2 т/м2ч, кукольного – 4, 73 т/м2ч при чистоте зерна 0,994 и 0,99 соответственно.

Экстраполяция зависимостей Q=f(К) рисунка 12 представлена на рис. 14. Аналитическая экстраполяция зависимостей Q=f(К)) показывает, что удельная производительность триеров с сосредоточенной гравитационной загрузкой имеет горизонтальную асимптоту Q =12,5 т/м2ч.

Рис. 14. Зависимости Q=f(К) для овсюжного триера: 1 – удельная производительность по выходу Q, соответствующая концу линейной зависимости междуQ и q, 2 –максимальная удельная производительность по выходу

При анализе энергоёмкости скоростных триеров следует учитывать, что энергоёмкость технологического процесса (без учёта холостого хода) характеризует их рабочий процесс, а энергоёмкость холостого хода Nхх – совершенство конструкции. В связи с тем, что конструктивно они ещё недостаточно отработаны, Nхх будет уменьшаться при совершенствовании конструктивного оформления. Зависимости N= f(Q) для триеров приведены на рис. 15, где [Q] = т/м2ч.

Рис. 15. Зависимости N= f(Q) для триера: 1, 2 – N на технологический процесс кукольного триера со шнековым и лотковым загрузочным устройством

Особенностью скоростных триеров с гибкой ячеистой лентой является уменьшение Nтп с увеличением удельной производительности. У овсюжного триера с лотковой загрузкой Nтп = 0,31 кВт-ч/т при Q = 2 т/м2ч, Nтп = 0,201 кВт-ч/т при Q = 3 т/м2ч, Nтп = 0,146 кВт-ч/т при Q = 4,5 т/м2ч. Его полная энергоёмкость соответственно составляет 0,47; 0,377 и 0,315 кВт-ч/т.

Результаты экспериментов дают возможность установить следующие общие положения:

– сепараторы с гибкой разделяющей поверхностью и участками обратной кривизны работоспособны при значениях показателя кинематического режима К>>1;

– зона выделения на участке обратной кривизны чёткая, отделение частиц происходит в месте перегиба разделяющей поверхности и не зависит от физико-механических свойств частиц;

– гибкая разделяющая поверхность с участками обратной кривизны является самоочищающейся;

– экспериментально полученная удельная производительность решета и триера значительно превышает таковую существующих рабочих органов.

Таким образом, результаты экспериментальных исследований подтвердили прогноз о перспективности сепараторов зерновых смесей с гибкой разделяющей поверхностью и участками обратной кривизны. Они являются абсолютной верификацией результатов, полученных аналитическим прогнозированием и рационализированным методом оценки инженерно-технической значимости изобретений (РМОИТЗИ) относительно указанных рабочих органов.