CC BY
58
УДК 631.362
В.Д. Г алкин, д-р техн. наук, профессор; А.А. Хавыев, канд. техн. наук, доцент;
В.А. Хандриков, канд. техн. наук, доцент; К.А. Грубов, ст. преподаватель;
И.П. Менгалиев, К.С. Килин, И.Ю. Козловский, аспиранты, ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДВИЖЕНИЯ И РАЗДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ СЕМЕННОЙ СМЕСИ В ВИБРОПНЕВМООЖИЖЕННОМ СЛОЕ
Введение. Конкурентоспособность зернового производства обусловлена многими факторами. Однако, к главным и наименее низкозатратным из них, относится применение семян с высокими посевными качествами. Для повышения посевных качеств семян используют различные методы, в том числе, разделение их в вибропневмоожиженном слое по комплексу физико-механических свойств, в том числе, по плотности. Кроме этого, разделение по плотности используют для выделения биологически ценной части семян, так как между посевными качествами семян и их плотностью существует тесная взаимная корреляция.
Техническими средствами, применяемыми в настоящее время для разделения семян по плотности, служат вибропневмосепараторы с трапециевидными деками. Однако эти сепараторы имеют низкую удельную нагрузку и, как следствие, - высокие энергетические затраты. В этой связи исследования, направленные на повышение эффективности разделения семян в вибропневмоожиженом слое, являются важными и актуальными, результаты которых приведут к созданию конкурентоспособных вибропневмосепараторов семян.
Теоретическое исследование и результаты. С учетом исследований, проведенных В.В. Гортинским, И.И. Блехманом, В.Я. Хай-нманом, применительно к виброожиженному слою сыпучего материала [1,2] получено уравнение относительного перемещения частицы в вибропневмоожиженном слое:
т1 ■ z = (1 -Д)-К •(g • cosр + иг)+R]-Fd, (1)
где m0 - эффективная масса частицы, складывающаяся из массы частицы и массы среды в половине её объема;
Z - проекция относительного ускорения частицы;
g - ускорение свободного падения;
А - отношение плотности рассматриваемой частицы к плотности частиц, образующих слой;
RB - сила воздушного потока;
uz - проекция ускорения решета на ось z;
Fd - сила сопротивления относительному перемещению.
Сила воздушного потока RB включает статическую Rcm и динамическую Rd составляющие.
Статическая составляющая воздействия воздушного потока определяется по известному выражению:
Rcm = V • gradP > (2)
где V - объем, занимаемый частицей в монослое;
gradP - градиент напора.
Градиент напора представляет собой:
gradP = ДР, (3)
H
где АР - перепад давления воздуха в слое семян высотой Н.
Перепад давления по уравнению Эргана составит:
др = 150• ЬЛ..E1L• H +1.75• • H > (4)
Л d3 Л d3
где п - порозность вибропневмоожижен-ного слоя;
рв - плотность воздуха;
f - динамическая вязкость газа;
d3 - эквивалентный диаметр частиц.
Объем частиц, форма которых аппроксимирована трехосным эллипсоидом, определен по формуле:
V =
n •a^b •l б
(5)
где а, Ь, I - соответственно, толщина, ширина и длина частиц.
Эквивалентный диаметр частиц определяется по формуле:
d = з
б • V
n
Rd =Pи■C• F 'V
F =
n •b •l 4
Количество монослоев над рассматриваемой частицей можно выразить через её координату г:
H - а/2 - z
(11)
(б)
Динамическая составляющая Яд зависит от скорости воздушного потока. В диапазоне скоростей до 2,0 м/с, сила действия его на частицу сыпучего материала определяется по формуле Ньютона:
(7)
где с - коэффициент, учитывающий свойства поверхности частицы (с =0,184-0,265 );
Рч - площадь Миделева сечения частицы. Площадь Миделева сечения частиц, при условии, что их продольная ось располагается параллельно колеблющейся поверхности, и их размер а будет определять толщину монослоя (как наиболее устойчивое положение), можно определить как площадь эллипса:
(8)
По методике анализа процесса виброперемещения слоя семян, предложенной профессором В.С. Быковым, но с учетом воздействия воздушного потока, сила сопротивления поперечному перемещению частицы Fd определится по выражению:
F _т0 -(g •cosР-RB!т0 + и) •n •tg(Р'-Рш) , (9)
F 1 + feu •tg (Р - Рвн )
где Р - насыпной угол, характеризующий расположение
семян в насыпи;
m0 - масса частиц, образующих слой;
n' - число вышерасположенных монослоев;
feu= tgpeH - коэффициент внутреннего трения;
Проекция ускорения рабочей поверхности определится по формуле:
U = а • r • cosat •sine. (10)
Величины ускорения деки и скорости воздушного потока ограничены условием безотрывного движения плотных частиц.
Решением дифференциального уравнения (1) численным методом при т0=32мг, а=2,65мм, е=2,8мм, 1=6,5мм, ш=52 с-1,
г=2,5мм, ß=5°, ß-180, рвн=16°, рсл=0,780г/см3, е=22° определены время и скорость перемещения частицы из нижнего слоя на его поверхность. При этом должно соблюдаться условие:
(l A) • [мо •(g^ cos ß + U ) + Re
^ M0 •(g ^cos ß-je + U ^ n • tg ß - Рен ) . (12)
l + їен •tg (ß'-рен )
Скорость относительного перемещения низконатурных частиц в вибропневмоожи-женном слое зависит от соотношения плотности рассматриваемой частицы к плотности частиц, образующих слой. От этой величины также зависит скорость воздушного потока, при которой начинаются внутрислоевые перемещения (рис.1).
При одинаковой скорости воздушного потока перемещение частицы с малой глубины происходит интенсивнее.
Результаты, полученные путем расчета, достаточно хорошо согласуются с данными экспериментальных исследований В.Д Бабченко, В.М. Дринчи, Л.М. Суконкина и В.А. Веденеева [3].
Методика и результаты экспериментальных исследований.
Исследования проведены на кафедре сельскохозяйственных машин Пермской ГСХА с использованием разработанного, с учетом проведенных теоретических исследований, вибропневмосепаратора [4], конструкция которого позволяет повысить удельную нагрузку, а, следовательно, снизить энергоёмкость очистки семян.
Целью исследования явилась проверка результатов теоретических исследований вли-
n =
a
2
яния скорости воздушного потока на степень верхность движущегося вибропневмоожи-выделения низконатурных примесей как женного слоя и оценка потерь семян в отхо-следствие степени интенсивности перемеще- ды при конкретной нагрузке на деку виброп-ния компонентов с малой плотностью на по- невмосепаратора.
Рис. 1 Зависимость скорости перемещения низконатурных компонентов в вибропневмоожиженном слое от скорости воздушного потока
Опыты на очистке семян пшеницы от овсюга проводили при настроечном значении подачи 1000 кг/ч. Среднее значение объёмной массы семян пшеницы составило 0,733 кг/дм3, а семян овсюга - 0,41 кг/дм3. Среднее значение засоренности овсюгом - 100 шт./кг. Вибропневмосепаратор имел продольный угол деки 3°, поперечный - 0°, угол направленности колебаний - 30°, амплитуду колебаний деки -15 мм, частоту колебания деки - 490 1/мин. Экспериментальные исследования проведены по методике [5] при изменении скорости воздушного потока: 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4 м/с. Пробы отбирали на установившемся режиме работы ВПС. После опыта определяли массу каждой из пяти фракций и число сорных семян. Вычисляли среднее число семян сорняков в килограмме пшеницы. Расчётом определяли полноту выделения овсюга и потери се-
мян основной культуры в отходы. По полученным данным были построены графические зависимости (рис.2).
Выводы. Получены математические модели, позволяющие прогнозировать скорости перемещения компонентов с малой плотностью в вибропневмоожиженном слое в зависимости от различных факторов.
С учетом результатов исследований разработан и изготовлен вибропневмосепаратор усовершенствованной конструкции, позволяющий повысить удельную нагрузку на деку и снизить затраты энергии на очистку семян.
Экспериментальные исследования показали, что при увеличении скорости воздушного потока от 0,6 до 1,4 м/с степень отделения семян овсюга из пшеницы увеличивается и достигает 70% при потерях семян в отходы, не превышающих 3% (при допускаемых - 10%).
Потери, %
0.4
у- 18.4; 9*** 73.0171 ♦ 3,6837 .
1 ■ і
♦ V * 4. ИО?**- 8,6!>€ < 4*. 6,1769,/ ► *
< 5 г— 1 ♦
0.6
0.8
Полнота выделения, К
80
70
60
Б0
40
30
20
10
1.0 1.2 1,4 1.6
Скорость аоідушного потока, м/с
■- степень выделения примесей ♦ - потери семян в отходы
Рис. 2. Закономерности изменения показателей качества разделения компонентов семенной смеси в вибропневмоожиженном слое в зависимости от скорости воздушного потока
Литература
1.Гортинский В.В., Демский А.Б., Борискин М.А. Процессы сепарирования на зерноперерабатывающих предприятиях. М.: Колос, 1980. 303 с.
2.Блехман И.И., Хайнман В.Я. К теории разделения сыпучих смесей под действием колебаний // Механика твердого тела. 1968. № 6. С. 5-13.
3. Дринча В.М. Исследование сепарации семян и разработка машинных технологий их подготовки. Воронеж: Изд-во НПО «МОДЭК», 2006. 384с.
4.Галкин В. Д., Грубов К. А. Вибропневмосепаратор семян с усовершенствонной декой. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2011. № 4, С. 12-13.
5.Галкин В.Д., Кошурников А.Ф. Научно-исследовательская работа студентов: система мероприятий, методика выполнения, оценка и конкурсы. Пермь: Изд-во Пермская ГСХА, 2005. 38 с.
