Підвищення ефективності вібропневматичних сепараторів зерна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Українська академія аграрних наук

Національний науковий центр

"Інститут механізації та електрифікації сільського господарства"

(ННЦ "ІМЕСГ")

УДК 631.362.3

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення ефективності вібропневматичних сепараторів зерна

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Степаненко Сергій Петрович

Глеваха 2008

Загальна характеристика роботи

ефективність вібропневматичний сепаратор зерно

Актуальність теми. Однією з найважливіших технологічних операцій післязбиральної обробки зерна є сепарація. Аналіз існуючих способів сепарації і технічних засобів, які їх реалізують, свідчить, що наявне обладнання за своїми технологічними характеристиками: продуктивністю, ефективністю, енергоматеріалоємністю та надійністю не відповідає сучасним вимогам виробництва зерна і його переробки в умовах господарств.

Можливості підвищення продуктивності і ефективності найбільш розповсюджених - плоскорешітних вібросепараторів практично вичерпано. Збільшення пропускної здатності машин відбувається, як правило, шляхом збільшення поверхні решіт, що призводить до невиправданого підвищення матеріало- і енергоємності робочих органів.

Незважаючи на значну кількість теоретичних і експериментальних досліджень процесів сепарації зерна, присвячених проблемі інтенсифікації розділення зернових сумішей, можливості підвищення техніко-технологічної ефективності зерносепараторів, ще не вичерпано.

Одним з радикальних методів підвищення продуктивності віброрешітних машин при збереженні, або підвищенні якості процесу, може бути збільшення питомого навантаження на решітну поверхню. Але для цього необхідно вирішити задачу підвищення просіювання системи «зерновий шар - решето».

Дисертаційна робота спрямована на вирішення задач удосконалення процесів віброрешітної сепарації на прикладі плоскорешітної машини. Тому дослідження в цьому напрямку залишаються актуальними і перспективними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з програмами і планами науково-дослідних робіт ННЦ “ІМЕСГ”: за темою - “Розробити енерго- та ресурсоощадні технології та комплекси машин для вирощування, збирання, післязбиральної обробки та зберігання врожаю зернових і зернобобових культур, насінників трав, кукурудзи, соняшнику, сої”; проектами: 02.04.02.Ф - “Розробити науково-технічні основи підвищення ефективності післязбиральної обробки і зберігання зерна і насіння та обґрунтувати ресурсозберігаючі технологічні процеси і низьковитратні, багатофункціональні агрегати і комплекси машин для доробки зерна у господарствах” (№ ДР 0102U000230), та 40.02-056Ф - “Розробити ресурсоощадні зонально адаптовані технології та технічні засоби післязбиральної обробки та зберігання зерна” і завданням третього рівня (40.02-056/01.Ф) - “Розробити техніко-технологічні основи вдосконалення сепарації зерна і насіння за комплексом фізико-механічних властивостей”, (№ ДР 0106U011245).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення питомої продуктивності, зниження матеріало- і енергоємності віброрешітних сепараторів (при нормованій якості очищення зерна) шляхом інтенсифікації розпушування шару зерна при збільшенні питомого навантаження.

Для досягнення поставленої мети сформовані такі задачі дослідження:

1. Визначити і обґрунтувати перспективні напрямки підвищення ефективності плоскорешітних вібросепараторів.

2. Розробити механіко-математичні моделі взаємодії частки з вібропневмозрідженим шаром зерна на решеті, які адекватно описують процеси переміщення зерна в шарі і на решеті при взаємодії з пасивними розпушувачами.

3. Виконати теоретичні дослідження руху частки у вібропневмозрідженому шарі та на решеті при зануренні в шар гальмуючих елементів - розпушувачів.

4. Обґрунтувати параметри робочих органів з урахуванням впливу кінематичних режимів, питомих навантажень і стану зернового шару.

5. Визначити вплив кінематичних режимів, питомих навантажень і конструктивних параметрів на інтенсивність розпушування зерна (швидкість занурення частки).

6. Виконати експериментальні дослідження і визначити раціональні конструктивні та режимні параметри сепаратора, які забезпечують збільшення питомої продуктивності і якості розділення.

7. Розробити, виготовити та провести порівняльні, з серійним, виробничі випробування вдосконаленого зерносепаратора і визначити техніко - економічну ефективність його застосування.

Об'єкт дослідження - процес сепарації зернових сумішей на вібропневматичному сепараторі для зерна.

Предмет дослідження - робочі органи, закономірності та режими процесу вібропневматичної сепарації зерна та їх вплив на ефективність розділення зернової суміші.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження, проведені з використанням загальних положень теорії вібраційного переміщення, механіки суцільних і сипких середовищ. Розв'язок одержаних рівнянь виконано аналітично та з використанням комп'ютерних технологій (середовища MathCad-13, MatLab-6). Експериментальні дослідження проведено на лабораторних установках і дослідному зразку зерносепаратора з використанням теорії планування експериментів та статистичної обробки дослідних даних на ПК. Визначення якісних показників та виробничі випробування проводили у відповідності з методикою випробувань зерноочисних машин.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено доцільність застосування пасивних розпушувачів при збільшенні питомого навантаження на решето та одночасному збільшенні продуктивності і якості процесу сепарації.

2. Створено механіко-математичні моделі переміщення часток у вібропневмозрідженому шарі, в яких вперше враховані залежності впливу величини виштовхуючої сили від стану зернового шару та режимних параметрів сепаратора (частоти та амплітуди коливань решета, подачі повітря, питомого навантаження).

3. Вперше встановлено взаємозв'язки між режимними (прискоренням коливань, швидкістю повітря, питомим навантаженням) і конструктивними (розміром, щільністю розміщення розпушувачів, коефіцієнт опору) параметрами та кількісно оцінено їх вплив на інтенсивність розпушування зернового шару для збільшення просіювання в системі «зерновий шар - решето».

4. Комплексними експериментальними дослідженнями вперше одержано і кількісно оцінено залежності питомої продуктивності, якості розділення і питомої енергоємності зерносепаратора від конструктивних параметрів розпушувачів, площі поверхні просіювання, частоти коливань решета та властивостей зернового шару.

5. Визначено критерій оцінки інтенсивності розпушування віброзрідженого шару зерна - ефективною в'язкістю, отримано залежність для його визначення і дано кількісні оцінки цієї величини.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено новий спосіб підвищення ефективності сепарації зерна при збільшенні питомого навантаження на коливне решето (патент № 18056) та вдосконалена конструкція робочих органів плоскорешітного зерносепаратора (патент № 18083). Застосування нових робочих органів і раціональних режимів на серійному сепараторі (ВПС-5) збільшило продуктивність процесу до 25%. Розроблено методику розрахунків основних режимних і конструктивних параметрів сепаратора. За результатами проведених досліджень створено дослідний зразок модифікованого віброрешітного зерносепаратора, який пройшов виробничу перевірку у господарствах Житомирської області. Запропоновані і передані заводу ЗАТ ”Вібросепаратор” (м. Житомир) технічні заходи щодо переустаткування серійно виготовлюваних зерносепараторів типу ВПС-5. Застосування отриманих розробок дає річний економічний ефект 1742 грн. на одну машину.

Опис фізичних процесів та механіко-математичні моделі процесу вібро-пневматичної сепарації використано в учбовому процесі Національного аграрного університету при викладанні дисципліни «Моделювання ТП та систем».

Особистий внесок здобувача. Розроблено конструкційно-технологічну схему вібропневмосепаратора; проведені теоретичні дослідження процесу вібропневматичної сепарації зерна і насіння на решеті; розроблено механіко-математичні моделі руху частки у віброзрідженому середовищі; обґрунтовано конструкційні та кінематичні параметри вібропневмосепаратора; розроблена лабораторна установка вібропневмосепаратора і проведено експериментальні дослідження для виявлення закономірностей процесу роботи сепаратора в залежності від його параметрів; розроблено і випробувано дослідний зразок вібропневматичного сепаратора ВПС-5М для зерна і насіння, розроблено та передано конструкторську документацію на дослідний зразок вібропневмосепаратора заводу ЗАТ “Вібросепаратор”. Дольова участь у публікаціях складає 70-75%.

Апробація результатів досліджень. Основні положення і результати роботи були обговорені і схвалені на щорічних Міжнародних науково-практичних конференціях ”Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (2002, 2003, 2004, 2005 рр.) ННЦ “ІМЕСГ” (смт. Глеваха), на 4-ій та 5-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки” (Кіровоградський національний технічний університет, 2003 р., 2005 р.), на Всеукраїнській науково-практичній конференції молодих вчених і спеціалістів “Стан та перспективи розвитку агропромислового виробництва в сучасних умовах” (с. Созонівка, 2005 р.), на 5-ій Міжнародній науково-технічній конференції ”Вібрація в техніці та технологіях” (Вінниця, 2004 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 14 статей (в т.ч. 6 одноосібно), з них у фахових виданнях 11, одержано 2 патенти України на корисні моделі.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, опису використаних джерел та додатків. Робота викладена на 183 сторінках машинописного тексту, у тому числі: основного тексту - 169 сторінок, містить 87 рисунків, 7 таблиць. Список використаних літературних джерел включає 132 найменування, із них іноземною мовою 9.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об'єкт і предмет дослідження, подано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, наведено інформацію щодо апробації роботи, її структури і обсягу, розкрито особистий внесок здобувача.

У першому розділі ”Аналіз сучасного стану, технологій і технічних засобів сепарації зерна плоскорешітними машинами” наведено аналіз відомих досліджень процесів сепарації зерна з плоскими вібраційними решетами, виконано короткий огляд і порівняльний аналіз конструкцій робочих органів і технічних засобів для інтенсифікації процесів решітної сепарації зерна.

Проблемі сепарації зерна, в тому числі вібраційними решетами присвячені роботи багатьох дослідників, результати яких наведено в узагальнюючих працях П.М. Василенка, І.Є. Кожуховського, В.В. Гортинського, І.І. Блехмана, П.М. Заїки, Г.Д. Терскова, Є.С. Гончарова, Г.Є. Листопада, А.І. Літвінова, Л.М. Тищенко, О.І. Завгороднього, Ю.А. Манчинського, А.В. Міняйла, Ю.А. Космовського, В.М. Дринчі, О.М. Зюліна, Д.І. Мазоренка, В.О. Дубровіна, Б.І. Котова, П.С. Берника, П.Г. Лузана, М.І. Васильковського, О.М. Васильковського, В.В. Бредихіна, М.В. Півня, Д.В. Богатирьова, С.І. Малюти, Н.І. Полуектова, Г.Е. Птушкіної, А.М. Прилуцького та багатьох інших дослідників.

Аналіз результатів досліджень та конструкцій робочих органів зерносепараторів дозволив зробити висновок про те, що підвищення ефективності сепарації, зменшення питомих енерго- і матеріаловитрат та підвищення питомої продуктивності можливе шляхом збільшення навантаження на решето при одночасному штучному розпушуванні зернового шару. При цьому встановлено, що інтенсивність сепарації зростає при збільшенні пористості зернового шару. Але підвищення ступеню розпушеності шару зерна тільки за рахунок інтенсифікації кінематичного режиму призводить до зниження ефективності розділення зернової суміші при підвищенні питомого навантаження.

Рис. 1. Конструктивно-техноло-гічна схема вібропневморешітного сепаратора зерна з інтенсивним розпушуванням зернового шару: 1 - бункер; 2 - заслінка; 3 - зерновий канал; 4 - осадочний бункер; 5 - всмоктуючий вентилятор; 6 - утримуюча пластина; 7 - клапан осадочного бункера; 8, 9 - верхнє та нижнє віброрешето; 10 - аспіраційний рукав; 11 - механічні розпушувачі; 12 - напрям повітряного потоку; 13 - регулюючі пластини; 14 - нагнітальний вентилятор; 15 - вібропривод; 16 - аспіраційний фільтр, 17 - рама; 18, 21, 26 - асинхронний двигун; 19 - варіатор; 20 - дерев'яні планки; 22 - нагнітальна камера; 23 - регулююча штанга; 24 - шарикова очистка; 25 - шків

Для збільшення пористості шару зерна, підвищення питомої продуктивності та якості решітної сепарації при раціональних кінематичних режимах, які забезпечують оптимальну просіюваність решета, перспективно застосувати пасивні розпушувачі (рис. 1), виконані у вигляді занурених в шар зерна, нерухомих відносно решета, гальмуючих стержнів (штифтів) з різним коефіцієнтом опору відносно напрямку руху решета. На основі проведеного аналізу запропоновано конструкцію вібропневморешітного сепаратора зерна з інтенсивним розпушуванням зернового шару (рис. 1).

У другому розділі ”Теоретичні передумови підвищення ефективності сепарації шляхом інтенсифікації процесу розпушування віброзрідженого шару зерна” наведено результати досліджень впливу кінематичних, технологічних і конструктивних параметрів на внутрішньошарові процеси, швидкість переміщення частки в шарі зерна та вздовж поверхні решета при наявності пасивних розпушувачів.

Для спрощення задач теоретичних досліджень прийнято циліндричну форму пасивних розпушувачів, поверхня яких має різне значення коефіцієнта тертя відносно переміщення шару зерна вздовж поверхні при коливальному русі решета «вперед» і «назад» за законом .

На частку, яка знаходиться у вібропневмозрідженому середовищі (рис. 2), діють сили: тяжіння P у гравітаційному полі; сила опору середовища ; виштовхуюча сила Архімеда ; сила опору повітряного потоку ; сила інерції в переносному русі ; виштовхуюча сила , обумовлена взаємодією вібропневмозрідженого шару з поверхнею опору розпушувача, що перешкоджає переміщенню зернового шару.

У векторній формі рівняння руху частки в зерновому шарі має вигляд:

, (1)

де - маса частки, кг; - прискорення, м/с².

Оскільки частка рухається в площині, отримана механіко-математична модель у вигляді системи диференціальних рівнянь, яка описує рух частки в сипкому середовищі, що знаходиться на коливальному решеті:

(2)

; ; (3)

; (4)

де - густина частки, кг/м³; - динамічна густина середовища, що є функцією пористості, кг/м³; - пористість зернового шару; - кут нахилу площини до горизонту, град.; А - амплітуда коливань решета, м; - частота коливань решета, с^-1; t - час, с; - кут між напрямком коливань і площиною (кут вібрацій), град.; - сила опору середовища, що є функцією пористості, H; - коефіцієнт кінематичної в'язкості середовища, м²/с; - коефіцієнт динамічної в'язкості середовища, (кг·м)/с; - еквівалентний діаметр зернівки, м; - коефіцієнт аеродинамічного опору; - швидкість фільтрації повітряного потоку, м/с; - площа міделевого перерізу частки, м²; - густина повітряного потоку, кг/м³; - радіус частки, м; - висота зернового шару, м; - сумарна площа поперечних перерізів штифтових розпушувачів, м²; - щільність встановлених пасивних розпушувачів на 1 дм² решета, шт/дм².; - площа поперечного перерізу штифтового розпушувача, м²; - робоча площа решета, м²; - кут внутрішнього тертя; - діаметр штифтового розпушувача, м; - питоме навантаження, кг/(дм²год).

Для проведення аналізу руху частки за системою (2) створено імітаційну модель (пакет Simulink середовища MatLab) у вигляді функціонального блока.

Розв'язок системи (2) за допомогою отриманої моделі дозволяє визначити координати руху частки і відповідно будови траєкторії руху.

Проведений на імітаційній моделі аналіз руху частки дозволив встановити, що при русі частки, що має більшу густину, ніж «середні» частки, швидкість руху у вертикальному напрямку не перевищує 6 мм/с, тому, використовуючи гіпотезу про характер руху частки за законом Стокса, систему диференціальних рівнянь (2) можна спростити заміною сили опору на силу в'язкого тертя.

З метою подальшого одержання замкнених розв'язків, силу взаємодії частки із вібропневмозрідженим середовищем приймаємо пропорційною швидкості її переміщення в шарі. У межах цих припущень координати траєкторії частки задовольняють системі незв'язаних лінійних диференціальних рівнянь, яку запишемо у вигляді:

(5)

Всі члени правої частини рівняння (5) є функцією пористості вібропневмозрідженого шару, величина якої залежить від кінематичних, технологічних і конструктивних параметрів робочих органів. Аналізом теоретичних посилань та даних експериментів отримана аналітична залежність:

, (6)

де - швидкість повітряного потоку, яке подається під решето, м/с; - діаметр штифтового розпушувача, м; - щільність штифтових розпушувачів на 1 дм² решета, шт/дм².

Залежність (6) дійсна при м/с; с^-1; мм; шт/дм²; мм.

Через розв'язки рівнянь системи (5) одержано остаточні вирази для визначення координат частки.

Для ідентифікації механіко-математичної моделі (2) відповідно до прийнятої гіпотези, інтенсивність розпушування зернового шару і сепарації пропорційна швидкості вертикального переміщення частки. Отримана залежність вертикальної складової швидкості переміщення частки від кінематичних і конструктивних параметрів робочих органів:

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

За умов сталого руху частки для повного періоду коливань решета вертикальна швидкість визначається:

. (13)

Рівняння (7) використане для ідентифікації параметрів і внутрішньошарових процесів при дії вібрацій, повітряного потоку і взаємодії з розпушувачами.

Співставляючи вираз (13) з відомою формулою швидкості вільного падіння кулеподібної частки у в'язкій рідині при незначних числах Рейнольдса, знайдено залежність ефективного коефіцієнта в'язкості зернового шару та, відповідно, коефіцієнту опору, від параметрів робочих органів, процесу сепарації зерна:

; (14)

. (15)

Теоретичні дослідження закономірностей переміщення зернового шару на поверхні проведено з використанням моделі (2) при заміні в'язкого опору на силу тертя .

, (16)

де , - сила тертя відповідно решета та штифта.

За умов ; , система рівнянь (2) описує рух матеріальної частки вздовж решета, а саме:

(17)

Отримані рівняння відрізняються від відомих тим, що частково враховано характеристики зернового шару та вплив гальмуючих елементів.

При регулярному, безвідривному режимі переміщення частки на поверхні решета з миттєвими зупинками система (17) має стандартний розв'язок. Нерівномірність опору тертя поверхні розпушувачів в напрямках руху решета «вперед» і «назад» враховано коефіцієнтом опору переміщення в залежності від ступеня псевдоожиження шару:

, (18)

де , - коефіцієнт тертя по поверхні штифтів при русі «вперед» і «назад», відповідно.

Проведений аналіз теоретичних досліджень дозволяє відзначити, що впливовими факторами інтенсифікації розпушення зернового шару є такі: параметри штифтового розпушувача, частота коливань решета та швидкість повітряного потоку. Аналізом залежностей швидкості переміщення часток у шарі зерна від конструктивно-кінематичних параметрів встановлено, що їх вплив на рух часток крізь шар до решета проявляється через величину пористості е. При збільшенні цієї величини швидкість проходження часток у шарі зерна до решета збільшується. Визначені також значення швидкості занурення частки V_З = 4-6 мм/с та швидкості переміщення частки V_ПР = 60-65 мм/с на поверхні віброрешета.

У третьому розділі ”Методика експериментальних досліджень” наведено коротку програму, методику експериментальних досліджень, описані лабораторна і експериментальна установки, використані прилади, методики вимірювань, обробки та аналізу експериментальних даних.

Програмою досліджень передбачалось визначити ідентифікацію параметрів математичної моделі та її адекватність, підтвердити дані теоретичних досліджень, визначити якість сепарації в залежності від параметрів процесу та робочих органів у широкому діапазоні зміни факторів.

Для виконання експериментів було створено лабораторну та експериментальну установки плоскорешітних вібросепараторів. При фізичному моделюванні процесів було враховано закони подібності, які включають геометричну подібність конструктивних параметрів, а також подібність потоків повітря та зернового матеріалу. Для визначення впливу величин швидкості переміщення, швидкості занурення частки в псевдозрідженому матеріалі, а також для визначення впливу питомого навантаження решета на ефективність процесу сепарації були проведені дослідження вібропневматичної сепарації зерна на плоскому решеті при зміненні кінематичних та аеродинамічних параметрів процесу. Швидкість занурення частинки у вібров'язкому середовищі визначалась за довжиною виміряного шляху, який пройшла частка за фіксований період часу. Швидкість переміщення шару зернового матеріалу по похилій решітній поверхні визначалась за часом перебування частинки на віброрешеті, який визначався візуально при постійній довжині робочої частини решета.

Дослідження якості розділення проводилось стандартними методами на штучно засміченому зерні ячменю. Суттєві фактори змінювались на трьох рівнях в таких межах: - питоме навантаження на 1 дм² решета кг/(дм²·год); - швидкість нагнітального повітряного потоку м/с; - щільність встановлених пасивних розпушувачів на 1 дм² решета шт/дм².; - кут нахилу решітних робочих органів до горизонту ; - частота коливань решета, с^-1; - діагональний крок розташування механічних розпушувачів мм. При проведенні факторних експериментів реалізовано план Хартлі на В6.

У четвертому розділі ”Результати експериментальних досліджень” наведено основні результати проведених шестифакторних експериментів. За результатами експериментальних досліджень отримані регресійні рівняння залежностей швидкості занурення частки, швидкості переміщення частки на решеті та ефективності процесу сепарації від питомого навантаження, швидкості повітряного потоку, параметрів розпушувача, кута нахилу решета до горизонту і кутової швидкості решета. Швидкість занурення частки в зерновий шар визначається із регресійного рівняння:

(19)

Швидкість переміщення частки в зерновому шарі визначається із регресійного рівняння:

(20)

Ефективність сепарації зернової суміші визначається з рівняння регресії:

(21)

де , м/с - швидкість нагнітального повітряного потоку; , град. - кут нахилу решітних робочих органів до горизонту; с^-1 - частота коливань решета; , дм - діагональний крок розташування механічних розпушувачів; , шт./дм² - кількість розташованих розпушувачів на 1 дм² решета; , кг/(дм²·год) - питоме навантаження на 1 дм² решета.

Рівняння (19-21) адекватно описують (при ) шукані залежності за умов зміни факторів у межах: м/с; ; с^-1; мм; шт./дм²; кг/(дм²•год). Перевірка адекватності математичних моделей проводилася з використанням елементів дисперсійного аналізу за допомогою критерію Фішера на рівні довірчої ймовірності 0,95.

За результатами експериментальних досліджень встановлено залежність часу сепарації зернових матеріалів від параметрів процесу інтенсифікації зернового шару, від кінематичних та режимних параметрів вібропневмосепаратора, параметрів розпушувача вібров'язкого середовища.

Аналіз отриманих залежностей дозволяє відзначити такі особливості процесу: найбільша швидкість занурення відбувається при частоті коливань решета в межах 52-57 с^-1 при всіх значеннях питомих навантажень; збільшення швидкості повітряного потоку зменшує швидкість занурення частки при величині оптимальної частоти коливань решета; швидкість занурення зменшується при підвищенні навантаження на решето; максимальна швидкість занурення досягається при питомій густині штифтів в межах 9-11 шт/дм²; змінення кута нахилу решета збільшує швидкість занурення часток майже вдвічі від досягнутого значення 3,99 мм/с при оптимальних та N і практично не впливає на швидкість переміщення шару зерна.

При збільшенні навантаження до 40-60 кг/(дм²·год) ефективність розділення змінюється в межах 5%. Таким чином, при наявності розпушуючих елементів максимальна ефективність досягається при менших значеннях частоти вібрацій, що можна пояснити інтенсифікацією розпушування шару зерна збільшенням його пористості і просіюваності самого решета, при зміщенні зернин сходової фракції із отворів решета.

З аналізу графічних залежностей ефективності сепарації від частоти і кількості розміщення штифтів можна зробити висновок, що ефективність сепарації при використанні штифтового розпушувача збільшується з підвищенням питомого навантаження, тобто продуктивності сепаратора. Таким чином, доведена доцільність збільшення продуктивності плоскорешітних сепараторів шляхом збільшення питомого навантаження на решето. Зменшення просіюваності при цьому можна компенсувати застосуванням механічного розпушування шару зерна. Максимальна ефективність сепарації 94% отримана при таких показниках процесу: щ = 55 с^-1, V_В = 0,9 м/с, n_ш = 8 шт/дм², = 6^о при питомому навантаженні 60 кг/(дм^2.год).

У п'ятому розділі ”Виробничі випробування і впровадження результатів досліджень” наведені результати виробничої апробації дослідного зразка вібропневмосепаратора і дані про впровадження результатів досліджень. На основі аналізу проведених наукових досліджень розроблено і виготовлено дослідний зразок вібропневмосепаратора (рис. 20) продуктивністю 3,5 т/год.

В результаті проведених виробничих випробувань визначено, що при застосуванні запропонованих режимів роботи і реалізації конструктивного виконання розпушувачів питома продуктивність вібропневмосепаратора підвищується на 22-25%, при підвищенні якісних показників процесу сепарації, продуктивності Q = 2,5-3,5 т/год ефективність сепарації складе Е = 83-94%.

Наведена методика розрахунків основних конструктивно-кінематичних та аеродинамічних параметрів вібропневмосепаратора, яка розроблена при аналізі проведених аналітичних та експериментальних досліджень.

Річний економічний ефект від використання запропонованого вібропневматичного сепаратора в дослідному господарстві заводу ЗАТ «Вібросепаратор» склав 1742 грн. на одну машину (станом на 20 жовтня 2007 року). Результати дисертаційних досліджень передано на ЗАТ «Вібросепаратор» для модернізації сепараторів.

Висновки

1. Встановлено, що віброрешітні сепаратори традиційної схеми розділення зерносумішей решетами практично досягли межі вдосконалення і подальше підвищення продуктивності реалізується збільшенням робочої площі решіт. Перспективним напрямком подальшого підвищення продуктивності, при нормованій якості очищення зерна, є інтенсифікація розпушування зернового шару гальмуючими елементами-розпушувачами, при збільшенні питомого навантаження на решето.

2. Інтенсифікація розпушування шару зерна зануреними розпушувачами, які створюють різний опір переміщенню зерна при коливальних рухах решета з одночасною подачею повітря в шар, дозволяє підвищити ефективну просіюваність при збільшенні питомого навантаження на решето до 40-60 кг/(дм²·год).

3. Розроблені механіко-математичні моделі процесів переміщення часток у вібропневмозрідженому шарі зерна та на поверхні решета, які враховують стан зернового шару, що характеризується пористістю і впливом на нього конструктивних параметрів розпушувачів. Адекватність моделей оцінена відхиленням теоретично отриманих даних від експериментальних, що знаходиться в межах 6-12%.

4. Теоретичними і експериментальними дослідженнями доведена доцільність зменшення ефективної вібров'язкості шару зерна з одночасним зниженням швидкості переміщення зерна вздовж решета при застосуванні пасивних розпушувачів, що дає можливість інтенсифікувати кінематичний режим збільшенням частоти коливань до 52-57 с^-1. При цьому швидкість занурення частки збільшується до 6 мм/с, а швидкість переміщення зерна можна знизити до 60 мм/с.

5. Отримано аналітичні залежності швидкості переміщення зерна від кінематичних режимів, питомого навантаження, швидкості подачі повітря, розмірів і щільності розміщення розпушувачів, за допомогою яких визначено ефективну вібров'язкість і ідентифіковано стан зернового шару (пористість, густина середовища, опір переміщенню). Встановлено, що найбільша інтенсивність розпушування досягається при наступних параметрах: частоті коливань решета щ = 52-57 с^-1; амплітуді коливань А = 5 мм; швидкості повітря, що подається під решето V_П = 1,2-1,5 м/с; щільності розміщення розпушувачів n_ш = 9-11 шт/дм².

6. Експериментально встановлено межі раціональних значень режимних і конструктивних параметрів робочих органів, які забезпечують підвищення технологічних показників роботи сепаратора: ефективність розділення до 94% при питомому навантаженні до 60 кг/(дм²·год), частота коливань 55 с^-1, амплітуді 5 мм, швидкості повітря над решетом 0,9-1 м/с та куті нахилу решета 6^є, щільність розміщення розпушувачів 9-11 шт/дм².

7. Аналізом проведених багатофакторних експериментів визначені раціональні значення конструктивних параметрів штифтових розпушувачів: діаметр розпушувача мм; відносна глибина занурення в зерновий шар h_p/h_Ш = 0,9-0,95; щільність розміщення штифтів n_ш = 9-11 шт/дм²; встановлюються під прямим кутом до поверхні решета, при цьому забезпечується 90% очищення при збільшенні продуктивності на 25%.

8. Лабораторно-виробничими випробуваннями модернізованого сепаратора (елементна база зерносепаратора ВПС-5) встановлено, що питома продуктивність сепаратора зросла на 22-25%. Механічні пошкодження зерен не перевищують 0,23-0,31% в залежності від виду культури. Ефективність розділення 83-94%, при продуктивності 2,5-3,5 т/год.

9. За даними виробничої перевірки річний економічний ефект при експлуатації модернізованого вібропневморешітного сепаратора складає 1742 грн. Результати досліджень передано на завод ЗАТ «Вібросепаратор» (м. Житомир) для модернізації зерносепараторів ВПС-5М.

Список опублікованих наукових праць за темою дисертації

1. С.П. Степаненко. Аналіз взаємодії пасивного розпушувача із віброзрідженим зерновим шаром. Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України: Зб. наук. пр. // УкрНДІПВТ. - Дослідницьке, 2005. - Вип. 8(22), кн.2. - С. 290-297.

2. С.П. Степаненко. Обґрунтування параметрів процесу вібропневматичної сепарації зерна на площинному решеті з пасивними розпушувачами. Механізація та електрифікація сільського господарства: Міжвідомчий тематичний науковий збірник // ННЦ ”ІМЕСГ” УААН. - Глеваха, 2005. - Вип. 89. - С. 316-322.

3. С.П. Степаненко. Визначення впливу швидкості занурення зернини у зерносуміші зернового потоку на загальну якість сепарування насіння. Стан та перспективи розвитку агропромислового виробництва в сучасних умовах: Вісник степу. Науковий збірник. - Кіровоград: Центрально-українське видавництво, 2005. - С. 121-123.

4. С.П. Степаненко. Конструирование и дизайн многофункциональных машин для послеуборочной обработки зерна. Творчість та освіта у вимірах ХХI століття: Матеріали VIII Міжнар. наук.-практ. конф. (12-13 травня 2005 р., м. Київ). - К.: ІВЦ ”Видавництво «Екмо»”, 2005. - С. 337-339.

5. С.П. Степаненко. Вплив параметрів пасивних розпушувачів на ефективність вібропневматичної сепарації зерна. Праці Таврійської державної агротехнічної академії - Вип.41. - Мелітополь: ТДАТА, 2006. - С. 153-160.

6. С.П. Степаненко. Вплив аеродинамічних параметрів вібропневмосепаратора на ефективність розділення зернових сумішей. Збірник тез доповідей молодих вчених ХІV Міжнародної науково-практичної конференції ”Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (10-13 жовтня 2006 року) / Національний науковий центр ”Інститут механізації та електрифікації сільського господарства”. - Глеваха, 2006. - С. 67-74.

7. Б.І. Котов, С.П. Степаненко, М.Г. Пастушенко. Тенденції розвитку конструкцій машин та обладнання для очищення і сортування зерноматеріалів. Кіровоградський державний технічний університет. Зб. наук. пр. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. Випуск 33. - Кіровоград, 2003. - С. 53-59. (Автор виконав аналіз існуючих засобів та конструкцій машин для очищення і сортування зерноматеріалів).

8. Б.І. Котов, С.П. Степаненко, М.Г. Пастушенко. Дослідження шляхів підвищення ефективності віброрешітних сепараторів зерна і насіння. Вінницький державний аграрний університет. Зб. наук. праць. «Вибрации в технике и технологиях». Випуск № 3(35). - Вінниця, 2004. - С. 61-63. (Автор виконав дослідження режимних характеристик процесу вібропневмосепарації).

9. Б.І. Котов, С.П. Степаненко. Механіко-математична модель руху твердої частинки у віброзрідженому шарі зерна. Кіровоградський національний технічний університет. Зб. наук. праць. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. Випуск 15. - Кіровоград, 2004. - С. 433-437. (Автором виконані аналітичні дослідження процесу вібропневмосепарації та розроблена механіко-математична модель руху твердої частки).

10. Б.І. Котов, С.П. Степаненко. Параметрична ідентифікація процесу сегрегації зернової суміші на основі експериментальних даних. Механізація та електрифікація сільського господарства: Міжвідомчий тематичний науковий збірник // ННЦ ”ІМЕСГ” УААН. - Глеваха, 2004. - Вип.88. - С. 173-178. (Автору належать методика та результати експериментальних досліджень).

11. Б.І. Котов, С.П. Степаненко. Теоретичні передумови інтенсифікації вібропневматичного розділення зернових матеріалів на решетах. Кіровоградський державний технічний університет. Зб. наук. пр. // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. Випуск 35. - Кіровоград, 2005. - С. 209-214. (Автору особисто належить часткова ідентифікація процесу вібропневматичної інтенсифікації зерна).

12. Б.І. Котов, С.П. Степаненко. Щодо методики дослідження швидкості переміщення зернівок в зерновому воросі на вібруючому решеті. Загальний міжвідомчий науково-технічний збірник. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин / КНТУ. - Вип. 37, 1. - Кіровоград, 2007. - С. 223-227. (Автору належать експериментальні дослідження швидкості переміщення частки в зерновому воросі).

13. Б.І. Котов, С.П. Степаненко. Основні напрямки розвитку технологій та технічних засобів для механізації післязбиральної обробки зерна. Механізація та електрифікація сільського господарства: Міжвідомчий тематичний науковий збірник // ННЦ “ІМЕСГ” УААН. - Глеваха, 2007. - Вип.91. - С. 164-169. (Автору належить аналіз існуючих конструкцій машин та концептуальні положення розвитку техніки).

14. Б.І. Котов, С.П. Степаненко, Р.А. Калініченко. Теоретичне обґрунтування руху частинки зерна на вібропневморешеті при дії розпушуючих робочих органів // Науковий вісник Національного аграрного університету. - К., 2007. - Вип. 115. С. 112-117. (Автору належать аналітичні дослідження руху частки на вібропневморешеті при дії розпушуючих робочих органів на зерновий шар).

15. Патент на корисну модель № 18056 Україна (UA), МПК (2006) В07В1/28. Спосіб сепарації зернових матеріалів. С.П. Степаненко, Б.І. Котов, М.Г. Пастушенко (Україна); ННЦ "ІМЕСГ" УААН (Україна). - № U2006 05352, Заявл. 16.05.2006, Опубл. 16.10.2006, Бюл. № 10, - 4 с.: іл. (Автору належить частково ідея штучного гальмування зернового шару та технологічна схема робочого органу).

16. Патент на корисну модель № 18083 Україна (UA), МПК (2006) В07В4/08. Зерносепаратор. С.П. Степаненко, Б.І. Котов, С.П. Погорілий (Україна); ННЦ "ІМЕСГ" УААН (Україна). - № U2006 05566, Заявл. 22.05.2006. Опубл. 16.10.2006, Бюл. № 10, - 4 с.: іл. (Автору належить схема вібропневмосепаратора та частково ідея конструкції робочого органу).

Анотація

Степаненко С.П. Підвищення ефективності вібропневматичних сепараторів зерна. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Національний науковий центр ”Інститут механізації та електрифікації сільського господарства”, Глеваха, 2008.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності процесу вібропневматичної сепарації зерна і насіння шляхом інтенсифікації процесу сепарації під додатковим впливом на зерновий шар спрямовуючих сил на частку.

За допомогою розроблених механіко-математичних та імітаційних моделей руху частки в зерновому шарі та на поверхні решета з урахуванням розпушувачів зернового матеріалу досліджено динаміку шару суміші, а також окремої частки, яка рухається в шарі, та їх зв'язок з конструктивно-кінематичними та режимними параметрами процесу вібропневмосепарації.

За результатами отриманих досліджень розроблено та виготовлено експериментальний зразок вібропневмосепаратора, виробничі випробування якого підтвердили перспективність вибраного напрямку наукових досліджень.

Ключові слова: зернова суміш, вібропневматичний сепаратор, розділення зерна, штучне гальмування, розпушувач, віброрешітна поверхня.

Аннотация

Степаненко С.П. Повышение эффективности вибропневматических сепараторов для зерна. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Национальный научный центр ”Институт механизации и электрификации сельского хозяйства”, Глеваха, 2008.

Диссертация посвящена повышению эффективности процесса вибропневматической сепарации зерна путем интенсификации процесса сепарации. Для качественной сепарации зерновых смесей целесообразно одновременное использование вибрации, воздушного потока и интенсифицирования разрыхленного шара смеси, путем искусственного торможения зерновой смеси в направлении ее выгрузки.

Экспериментально установлено, что наибольшее влияние на процесс вибропневматической сепарации оказывают следующие факторы: частота колебаний рабочей поверхности решета, скорость воздушного потока, удельная нагрузка на решето, параметры рыхлителей и их межосевое расстояние, угол наклона решета к горизонту. Проведенной оптимизацией процесса вибропневматической сепарации определены их рациональные параметры: амплитуда колебаний решета А = 5 мм; частота колебаний решета щ = 52-57 с^-1; плотность расположения рыхлителей N_ШТ = 9-11 шт/дм²; угол наклона решета к горизонту б = 3-6^о (в зависимости от культуры); удельная нагрузка на решето q = 40-60 кг/(дм²·год); скорость потока воздуха нагнетающим вентилятором над решетом V_П = 0,9-1 м/с и под решетом V_П = 1,2-1,5 м/с; скорость потока воздуха всасывающим вентилятором V_Н = 1,5-2,8 м/с.

Выведены регрессионные зависимости, которые в достаточной степени характеризуют качественные показатели процесса вибропневматической сепарации, таких как: чистота смеси, эффективность сепарации, скорость перемещения частички и скорость погружения частички от конструктивно-кинематических и режимных параметров процесса.

По результатам проведенных научных исследований на заводе ОАО “Вибросепаратор” (г. Житомир) внедрен в производство новый вибропневматический сепаратор для зерна и семян. Испытания на заводе экспериментального образца вибропневматического сепаратора для зерна и семян подтвердили его работоспособность и эффективность в достижении качественных показателей процесса сепарации. Эффективность удаления мелкой фракции 94%, при засоренности материала 5% и продуктивности 3,5 т/час; эффективность удаления мелкой фракции 94%, при засоренности материала 11% и продуктивности 1,5 т/час, что подтверждено актами производственной проверки и внедрения.

Годовой экономический эффект от внедрения нового вибропневматического сепаратора для разделения зерна и семян по плотности на экспериментальной базе завода ОАО “Вибросепаратор” (г. Житомир) составил 1742 грн.

Ключевые слова: зерновая смесь, вибропневматический сепаратор, разделение зерна, искусственное торможение, разрыхлитель, виброрешетная поверхность.

Summary

Stepanenko S.P. Increase of efficiency vibration-pneumatic separators of corn. The Manuscript.

Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineering sciences after speciality 05.05.11 - machines and means of an of agricultural production mechanization. National scientific centre "Institute for Agriculture Engineering and Electrification ", Glevaha, 2008.

Dissertation is devoted to the increase of efficiency of process vibration-pneumatic separator of corn and seed by intensification of process of separation under additional influence on the corn layer of sending forces on a particle.

In this dissertation work the results of theoretical and experimental researches of process of vibration-pneumatic separator of corn and seed are laid out on sieve surfaces with application of the artificial braking of corn material.

As a result of the got researches it is developed and made the experimental standard of vibration-pneumatic separator, the production tests of which confirmed perspective of the chosen direction of scientific researches.

Keywords: corn mixture, vibration-pneumatic separator, division of corn, artificial braking, to make light, vibration is a sieve surface.

Размещено на Allbest.ru