CC BY
0Ж.Б. Цыбенов, канд. техн. наук, доц., е-mail: tsibenov@mail.ru С.С. Ямпилов, д-р техн. наук, проф., е-mail: yampilovss@mail.ru В.Б. Балданов, канд. техн. наук, доц., е-mail: cakirslava@gmail.com С.Ж. Гылыкова, аспирант Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 631.362
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЗЕРНОВОГО МАТЕРИАЛА ПО ОЧИСТИТЕЛЬНОМУ УСТРОЙСТВУ СЕПАРИРУЮЩЕГО ЗЕРНОМЕТАТЕЛЯ
Анализ современного состояния зерноочистительной техники, находящейся в фермерских хозяйствах, показал, что растет потребность в универсальной многофункциональной зерноочистительной технике, которая способна за одну операцию произвести охлаждение, сушку, очистку и фракционирование зернового материала. Для выполнения данных требований в ВСГУТУ ведется разработка сепарирующего зернометателя. Зернометатель за одну операцию осуществляет подсушку зерна, предварительную, первичную и вторичную обработку зернового вороха, а также фракционирование сырья по удельной плотности с учетом геометрических размеров.
Для подтверждения заявленных характеристик сепарирующего зернометателя необходимо провести исследования на опытных образцах в хозяйственных условиях. Конструирование и изготовление опытных изделий сепарирующего зернометателя должны основываться на теоретических исследованиях, которые базируются на аналитическом описании движения зернового материала по очистительному устройству сепарирующего зернометателя.
В статье представлены аналитическое описание движения зернового материала дифференциальным уравнением, распределение действия сил на частицу при движении по очистительному устройству, а также конструкция сепарирующего зернометателя.
Ключевые слова: зерновой материал, сепаратор, очистка зерна, процесс разделения, метатель сыпучих материалов, фракционирование, механизация сельского хозяйства.
Zh.B. Tsybenov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
S.S. Yampilov, Dr. Sc. Engineering, Prof.
V.B. Baldanov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
S.Zh. Gilikova, graduate student
ANALYTICAL STUDY OF THE MOVEMENT OF GRAIN MATERIAL THROUGH THE PURIFIRE OF THE SEPARATING GRAIN THROWER
Analysis of the current state of grain cleaning equipment located on farms showed that there is an increasing need for a universal multifunctional grain cleaning equipment that is capable of cooling, drying, cleaning and fractioning grain material in a single operation. In order to fulfill these requirements, the ESSUTM is developing a separating grain thrower capable of cooling and drying grain in one pass, preliminary, primary and secondary cleaning of grain material, as well as grain fractionation by specific gravity, taking into account geometric dimensions.
To confirm the claimed characteristics of the separating grain thrower, it is necessary to conduct research on prototypes in an economic environment. The design and manufacture of experimental products of the separating grain thrower should be based on theoretical studies, which are based on the analytical description of the movement of grain material through the cleaning device of the separating grain thrower.
The article presents an analytical description of the movement of grain material by a differential equation, the distribution of the action offorces on a particle when moving along a cleaning device, as well as the design of a separating grain thrower.
Key words: grain material, separator, grain cleaning, separation process, bulk material thrower, frac-tionation, agricultural mechanization.
Введение
В настоящее время ведутся разработки в области сепарирования и очистки зерна. Перспективной является разработка сепарирующего зернометателя. Очистительные устройства расположены в барабане сепарирующего зернометателя.
Представленный сепарирующий зернометатель с очистительными устройствами, установленный во вращающемся барабане [1], увеличивает эффективность очистки зернового материала, а также сушку зерна при его метании в воздушный поток, уменьшает травмирование зерна.
Сепарирующий зернометатель способен за один проход произвести охлаждение и сушку зерна, предварительную, первичную и вторичную очистку зернового материала, а также фракционирование зерна по удельной плотности с учетом геометрических размеров [2].
Конструкция сепарирующего зернометателя
Предлагаемый сепарирующий зернометатель (рис. 1) состоит из: 1 - основной вращающейся части; 2 - обруча; 3 - прямолинейных гребенок; 4 - очищающих устройств; 5 - загрузочного диска; 6 - несущего диска; 7 - листов; 8 - вращающегося вала; 9 - корпуса; 10 -метающего канала; 11 - загрузочного канала; 12 - дозирующего накопителя; 13 - канала выхода мелкой фракции; 14 - приемной части очистительных устройств; 15 - закругленного конусообразного участка; 16 - прорезей в конусообразном обруче.
Рисунок 1 - Сепарирующий зернометатель: 1 - барабан; 2 - обруч; 3 - гребенка; 4 - очищающие устройства; 5 - загрузочный диск; 6 - несущий диск; 7 - лист; 8 - вал; 9 - корпус; 10 - метающий канал; 11 - загрузочный канал; 12 - накопитель; 13 - канал мелкой фракции; 14 - приемная часть; 15 - закругленный участок; 16 - окно в обруче
Загрузочный диск 5 вращающегося барабана 1 образует с обручем 2 конусообразной формы щелевидное окно шириной Н для выброса зерна на поверхность цилиндрического корпуса 9. Щелевидное окно шириной Н расположено в цилиндрическом корпусе 9, а несущий диск 6 с обручем 2 конусообразной формы в цилиндрической части патрубка вывода мелкой примеси 13. Прямолинейные очистительные устройства 3 имеют вид гребенок и расположены во вращающемся барабане между загрузочным 5 и несущим 6 дисками. Очистительные гребенки 3 в зависимости от конструктивных и технологических требований устанавливают под
определенным углом во вращающейся части 1. За очистительными гребенками 3 расположены очищающие их устройства 4 и листы 7, направляющие фракцию, прошедшую через гребенки 3 к каналу выхода мелкой фракции 13. Электродвигатель посредством ременной передачи приводит вал 8 в движение. Сквозь центр корпуса 9 проходит загрузочный канал 11 соединенный с дозирующим накопителем 12.
Процессы охлаждения, сушки, очистки, транспортировки и фракционирования сыпучего материала сепарирующим зернометателем осуществляются следующим образом. Зерновой ворох транспортирующим устройством подается в дозирующий накопитель 12, затем загрузочный канал 11 подает зерно в приемное отверстие загрузочного диска 5. Под действием гравитационных сил зерно поступает на приемную часть 14 очистительных устройств 3, где зерновой материал отсекается приемной частью 14. Приемная часть 14 - обрезиненная для уменьшения травмирования зерна.
Под действием центробежной силы зерно перемещается с обрезиненной приемной части на сепарирующую гребенку 3. Зерновой материал, перемещаясь под действием центробежных сил по сепарирующей гребенке, разделяется на мелкую фракцию (проход) и основную фракцию (сход). Основная фракция сходом перемещается с большой скоростью на закругленный конусообразный участок 15, где скорость снижается, переходя на конусообразный обруч 2 барабана 1.
Центробежная сила, действующая на материал при вращении барабана, закругленность участка 15 и конусообразность обруча 2 вращающегося барабана 1 выбрасывают зерновой материал через щелевидное окно шириной H на цилиндрическую часть корпуса 9. Вращение барабана приводит к рассредоточению зернового материала по цилиндрической поверхности корпуса 9. Зерновой материал движется по цилиндрической поверхности по инерции к метающему каналу 10. Через метающий канал зерновой материал движется по инерции и выбрасывается в воздушный поток порционно в один зерновой слой, образуя плоскую поверхность. При движении в воздушном пространстве зерновой материал разделяется на фракции в зависимости от аэродинамических характеристик каждого зерна.
Сепарирующие гребенки 3 в процессе работы могут забиться, для их очистки под ними установлены очищающие устройства 4. Мелкая фракция (проход), прошедшая через гребенки 3, перемещается на листы 7, с которых примесь вылетает с вращающегося барабана через щели 16, находящиеся на конусообразном обруче 2 между листами 7 и сепарирующими гребенками 3 в канал выхода мелкой фракции 13.
Сепарирующий зернометатель способен провести ряд операций за один проход, таких как охлаждение и сушка зерна при метании в воздушный поток, предварительная, первичная и вторичная очистка зернового материала с помощью сепарирующих устройств, а также фракционирование зерна по однородности и биологической ценности. Практической особенностью сепарирующего зернометателя является высокая разрешающая способность разделять зерновой материал по удельной плотности с учетом состояния поверхности зерна и геометрических размеров [2].
Аналитическое описание движения зернового материала
Для исследования движения зерна в сепарирующем зернометателе рассмотрим движение зерна по очистительному устройству. Поскольку внешние силы, действующие на зерно, расположены в плоскости вращения барабана, то зерно движется по очистительному устройству без отрыва от нее в неподвижной плоскости (рис. 2).
Согласно распределению действия сил на частицу при движении по очистительному устройству (см. рис. 2) дифференциальное уравнение имеет вид:
d2S
m — = ^ cos a — FTp + G sin(P — a), (1)
где С = тд - сила гравитации; РТр = - сила трения; Рц = тБш2 - сила центробежная; ^ =
as
2тш — - сила центробежная; т - масса зерна, кг; /- коэффициент трения зерна по очистительному устройству; N - сила реакции опоры, Н; а - угловая скорость лопатки, рад/с; £ -расстояние от центра вращения барабана до зерна, м.
Рисунок 2 - Распределение действия сил на частицу при движении по очистительному устройству
или
(2)
ние:
Уравнение равновесия зерна на очистительном устройстве:
N — FK — Fn sin а — G cos(fí — а) = 0
N = FK + Fn sin a + G cos(fí — a). С учетом уравнения 2 уравнение 1 примет следующий вид:
d2S
= Рц cos а — fFK — /Рц sin а —
—fG cos(P — а) + G sin(P — а). (3)
Осуществляя подстановку и деление уравнения (3) на m, получаем следующее уравне-
d2S dS
-—r = Sw2 cos а — 2fw —--f Sw2sin a —
dt2 ' dt
—fg cos(P — a) + g sin(P — a).
(4)
Учитывая, что угловая скорость а зависит от скорости изменения угла поворота очищающего устройства, обозначив угол поворота очищающего устройства через ф, т.е. а = dy/dt или dt = dy/а, уравнение 4 примет следующий вид:
7d2S dS
ш2——г + 2fw2—--Sw2(cos а — f sin а) =
d<p2 d<p
= g(sin(P — a) — f cos(P — a)), d2S dS
-—r + 2f—--S(cos a — f sin a) =
d<p2 d<p
= ± (sin(fi — a)—f costf — a)). (5)
или
Полученная формула (5) перемещения частицы эллипсоидного вида по прямолинейному очистительному устройству является неоднородным линейным уравнением второго порядка, имеющая постоянные коэффициенты.
Выводы
Аналитически выведенные формулы и последующее их решение будут использованы при конструировании и изготовлении опытных изделий сепарирующих зернометателей для проведения исследований. А именно, можно обосновать перемещение различных частиц зернового материала с различной массой по очистительному устройству и основные параметры сепарирующего зернометателя.
Библиография
1. Патент РФ №2332267, В 07 В 11/00, 31/04. Метатель сыпучих материалов / Цыбенов Ж.Б., Ямпилов С.С., Санжеев С.Р., Борисов Г.И. - Опубл. 27.08.2008. - Бюл. № 24.
2. Ханхасаев Г.Ф. Интенсификация обработки зернового вороха зернометательными машинами на открытых площадках зерновок хозяйств Сибири. - Улан-Удэ: Бурят. кн. изд-во, 1995. - 206 с.
Bibliography
1. Patent of the Russian Federation №»2332267, В 07 В 11/00 31/04. Bulk material thrower / Tsybenov Zh.B., Yampilov S.S., Sanzheev S.R., Borisov G.I. - Published 27.08.2008. - Bull. N 24.
2. Khankhasaev G.F. Intensification of grain heap processing by grain throwing machines in open areas of grain crops of Siberian farms. - Ulan-Ude: Buryat Publishing house, 1995. - 206 p.
