CC BY
0DOI 10.53980/24131997_2023_2_57
С.С. Ямпилов, д-р техн. наук, проф., e-mail: yampilovss@mail.ru Ж.Б. Цыбенов, канд. техн. наук, доц., e-mail: tsibenov@mail.ru А.О. Жигжитов, канд. техн. наук, ст. преподаватель Н.В. Пашинова, канд. техн. наук, доц.
С.Ж. Гылыкова, преподаватель Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 631.362
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ЗЕРНОВОГО МАТЕРИАЛА В СЕПАРИРУЮЩЕМ ЗЕРНОМЕТАТЕЛЕ
В статье представлены данные сопоставления аналитического описания процесса разделения частиц зернового материала сепарирующими устройствами, установленными во вращающийся барабан сепарирующего зернометателя с экспериментальными исследованиями. Провели аналитическое исследования действия центробежных сил на частицу во вращающемся барабане устройства и гравитационных сил в неподвижной системе для сравнения их эффективности при очитке зернового материала.
Исследования показали, что эффективность очистки зернового материала от примесей сепарирующим зернометателем составляет 73-76 % при подаче зерна 19 т/ч и содержания примесей 12 % в исходном зерне. Определены основные геометрические и кинематические параметры сепарирующего зернометателя. Приведены экспериментальные зависимости влияния основных параметров сепарирующего зернометателя на эффективность очистки.
Ключевые слова: сепаратор, процесс разделения, очистка зерна, эффективность очистки, зернометатель.
S.S. Yampilov, Dr. Sc. Engineering, Prof.
Zh.B. Tsybenov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof. A.O. Zhigzhitov, Cand. Sc. Engineering, senior lecturer.
N.V. Pashinova, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
S.Zh. Gylykova, Lecturer
STUDIES OF SEPARATION PROCESS OF GRAIN MATERIAL IN A SEPARATING GRAIN THROWER
The article compares experimental studies and the analytical description of separation process of grain material particles in separating devices installed in the rotating drum of the separating grain thrower. It studies centrifugal forces effect on a particle in rotating drum of the device and gravitational forces in a stationary system and compares their effectiveness in the cleaning of grain material.
Studies have shown efficiency of grain material from impurities by separating grain thrower is 7376 % at a grain feed of 19 tons per hour and a content of 12 % impurities in the initial grain. The main geometric and kinematic parameters of the separating grain thrower are determined. Experimental dependencies of influence of main parameters of the separating grain thrower on cleaning efficiency are given.
Key words: separator, separation process, grain cleaning, cleaning efficiency, grain thrower.
Введение
В ВСГУТУ разработан сепарирующий зернометатель [1], содержащий вращающийся барабан, в котором установлены сепарирующие устройства, осуществляющие очистку зернового материала от мелких примесей. Очистка производится под действием центробежных сил значительно превышающих гравитационные, позволяющих за один проход очистить зерновой материал на 70-80 %.
По данным аналитических исследований движения частиц зернового материала в сепарирующем зернометателе [2, 3] получены дифференциальные уравнения. Анализ данных уравнений и экспериментальные исследования, подтверждающие аналитические исследования, позволят определить геометрические и кинематические показатели сепарирующего сепаратора для проектирования промышленного образца.
Цель исследования - изучить влияние основных параметров сепарирующего зерноме-тателя на эффективность очистки зерна от примесей.
Аналитическое описание процесса очистки
Аналитическим путем вывели уравнение эффективности очистки зерна от примесей сепарирующими устройствами, установленными во вращающийся барабан (рис. 1).
Рисунок 1 - Процесс очистки зернового материала в сепарирующем зернометателе, где 1 - зерновой материал; 2 - примеси
Полнота просеивания мелкой фракции:
Ем = (1 -е"^ ) (1)
где Qм - исходное количество мелкой фракции, т/ч; Цм - интенсивность просеивания мелкой фракции; ё - длина сепарирующего устройства. Полнота просеивания основной фракции:
£о =(}"(!- е"^ * ) (2)
где Qо - исходное количество основной фракции, т/ч; Цо - интенсивность просеивания основной фракции.
Эффективность выделения мелкой фракции:
Аналитические исследования действия центробежных и гравитационных сил
Для сравнительного анализа действия центробежных и гравитационных сил на частицу сопоставили результаты аналитических исследований [2, 3]. Действие гравитационных сил на частицу, перемещающуюся по наклонному неподвижному сепарирующему устройству, приведены в исследованиях гравитационного сепаратора [4].
Схема действия центробежных сил на частицу зернового материала во вращающемся барабане показана на рисунке 2.
Анализ показал, что в поле центробежных сил радиальная скорость перемещения частицы и по сепарирующему устройству возрастает по мере удаления от центра (рис. 3).
Рисунок 2 - Схема действия центробежных сил на частицу
Причем центробежная сила N прижимающая частицу к сепарирующему устройству, пропорционально возрастает скорости. Анализ данных зависимостей (см. рис. 3) показал, что значительно увеличивается эффективность разделения и очистки зерна во вращающемся барабане по всей длине сепарирующего устройства.
о
-а
Я «
н £
к
<и <и
а
<и а <и
а
-а
н о о
а
§
О
1 и о — шЛ250 + А(а) зт ро + а)Х2 со5 р0) — В (со сох /?0 — шЛ2 5т р0) . „ и = ——---;-:--А1еА1Д—
е^Ро а)Л, — а>Л2
и0 — (оЛ,50 + А(ш 5гп р0 + соз /50) — В(а> соз р0 — эт р0) сое^^СА] - Л2)
— А БЫ р + В со5 р.
■ -
10 о 300 сч о
8 7 а £
/ ^ а = 0 1 а
А о яиц
э
э 7 еа Р 60
/ 1 N/т = + Рц бш а + С 5т(/? + сг))/г
1 П п
0,05
0,1
0,15
0,2 0,25 0,3
Расстояние от центра, 8, м
Рисунок 3 - Зависимости скорости движения частицы и реакции опоры от длины сепарирующего устройства, установленного во вращающийся барабан: 8 - расстояние от центра; и - скорость перемещения частицы; а - угол наклона сепарирующего устройства; N - реакция опоры
При неподвижной системе, когда частица зернового материала перемещается по наклонному неподвижному сепарирующему устройству (рис. 4), действует только гравитационная сила [5]. Скорость движения частицы и по наклонному устройству линейно возрастает (рис. 5). Однако прижимающая гравитационная сила N остается постоянной.
N
Рисунок 4 - Схема действия гравитационных сил в неподвижной системе
0.8
0,6
0.4
0.2
и -- = V '5 05/711 [60) - 0.4#со$(60)
а = = 60
\
//т = дт соб(
9.81
4.9
Л
а о а о
03 <и Рч
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
Расстояние от центра, 8, м
Рисунок 5 - Зависимости скорости движения частицы и реакции опоры от длины сепарирующего устройства в неподвижной системе при угле наклона а=60о
Частицы по мере движения набирают высокую скорость и пролетают по сепарирующему устройству, поэтому значительная часть примеси не проходит через отверстия. Таким образом, при большой скорости движения частиц по сепарирующему устройству эффективность разделения и очистки уменьшается, особенно на конечных участках сепарирующего устройства. Наблюдается резкое снижение эффективности очистки от примесей сепарирующими устройствами в неподвижной системе, особенно на длинных решетах. Для уменьшения скорости движения, решета делают короткими и устанавливают в зигзагообразные каналы [6, 7].
Важно отметить, что центробежные силы, прижимающие частицы к сепарирующему устройству, значительно выше гравитационных на начальных участках сепарирующего устройства в 6 раз и на периферии в 20 раз. Данная особенность значительно увеличивает эффективность очистки в поле центробежных сил.
Объекты и методы исследований
Экспериментальные исследования проводили для определения эффективности очистки зерна от примесей сепарирующими устройствами, установленными во вращающийся барабан.
Исследования осуществляли при очистке зернового материала пшеницы сорта Бурят-ская-79 с влажностью зерна 14 %. Количество зернового материала в опытах составило 200 кг. Сепарирующих устройств во вращающемся барабане устанавливали в количестве от 3 до 11 шт. Угол наклона сепарирующих устройств меняли от -35 до 15°. Также устанавливали различную производительность устройства от 10 до 26 т/ч и содержание примесей в зерновом материале от 5 до 15 %. Мелкими примесями представляли частицы зерна пшеницы, колотые вдоль.
Для проверки аналитических исследований и обоснования основных параметров сепарирующего зернометателя произвели планирование эксперимента при помощи полного факторного эксперимента. После нахождения коэффициентов составили уравнение регрессии. Уравнение удовлетворило критериальному условию Фишера и адекватно представило результаты эксперимента.
Результаты исследования и их обсуждения
По результатам исследований построили зависимость эффективности очистки от угла наклона и количества сепарирующих устройств (рис. 6).
£ = 26.81+0.42о* 10. З п-0 0021 а2 -0.032а п-0 5 п2
Рисунок 6 - Зависимость эффективности очистки от угла наклона и количества сепарирующих устройств
Провели полный факторный эксперимент и построили зависимости эффективности очистки от производительности и угла наклона сепарирующих устройств (рис. 7).
Е = 77.04+0.45 0+1.79 а -0.003 О2 0.007 0 а -0.1031 а2
Рисунок 7 - Зависимость эффективности очистки от производительности и угла наклона сепарирующих устройств
Построили зависимости эффективности очистки от содержания примесей и производительности устройства (рис. 8).
В процессе исследований провели анализ адекватности аналитических выражений (1-3), представляющих процесс очистки зернового материала от примесей (см. рис. 6-8).
Е = 43.15+3.85 П+2.78П-0.13О2-0.0425-0 П-0.161 ГР
Рисунок 8 - Зависимость эффективности очистки от содержания примесей и производительности
Сравнение расчетных данных по выражениям (1-3) эффективности очистки зернового материала от мелкой примеси с экспериментальными исследованиями выявило необходимую их сходимость и адекватно представило зависимости.
Результаты исследований показали, что максимальная разница экспериментальных значений с расчетными составила 4,6 %. Данные значения не выходят за пределы 5 % допустимых случайных ошибок.
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что эффективность очистки зернового материала от примесей растет при росте количества установленных сепарирующих устройств во вращающийся барабан. Однако большое количество решет увеличивает массу барабана и усложняет конструкцию устройства.
При увеличении угла наклона сепарирующих устройств эффективность очистки от примесей растет. Одновременно уменьшается скорость движения зерна в барабане, что негативно сказывается на устойчивой работе устройства, увеличиваются сектор выброса зерна и ширина движения зерна в воздушной среде.
При увеличении производительности устройства уменьшается эффективность очистки зерна, зерновой материал движется по сепарирующему устройству многослойно, и примеси в верхних слоях не просеиваются через отверстия решет.
При увеличении содержания примесей в зерновом материале, подлежащем обработке, эффективность очистки уменьшается.
Заключение
После анализа аналитических и экспериментальных данных определили оптимальные основные параметры сепарирующего зернометателя. Приемлемая производительность составила 19 т/ч. Угол наклона сепарирующих устройств - 20°. Ширина сепарирующих устройств - 12 см, длина - 18 см. Количество сепарирующих устройств, установленных в барабан, составляет 6 шт. При содержании примесей 12 % эффективность очистки составила 73-76 %.
Библиография
1. Патент RU 2578918 С1. Сепарирующий метатель сыпучих материалов // Цыбенов Ж.Б., Ям-пилов С.С., Матуев А.А., Цыбенова Л.Г., Хандакова Г.Ж. Патентообладатели: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления». - Заявка №2015100908/11, заявл. 12.01.2015., опубл. 27.03.2016.
2. Цыбенов Ж.Б., Ямпилов С.С., Балданов В.Б. и др. Дифференциальное уравнение движения частицы зернового материала в сепарирующем зернометателе // Вестник ВСГУТУ. - 2022. - № 2(85).
- С. 56-61.
3. Цыбенов Ж.Б., Ямпилов С.С., Балданов В.Б. и др. Аналитическое описание движения зернового материала по очистительному устройству сепарирующего зернометателя // Вестник ВСГУТУ. -2020. - № 2(77). - С. 31-35.
4. Цыбенов Ж.Б. Обоснование основных параметров энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2005. - 21 с.
5. Цыбенов Ж.Б. Обоснование основных параметров энергосберегающего сепаратора для очистки зерна с использованием сил гравитации: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01. - Улан-Удэ, 2005.
- 152 с.
6. Патент RU 2121878 С1. Сепаратор сыпучих материалов / Зюлин А.Н. Патентообладатели: Зюлин Алексей Никифорович. - Заявка № 97107738/03, заявл. 08.05.1997., опубл. 20.11.1998.
7. Патент RU 2237526 С1. Сепаратор сыпучих материалов / Ямпилов С.С., Цыбенов Ж.Б., Зюлин А.Н., Гыпылов М.С. Патентообладатели: Восточно-Сибирский государственный технологический университет. - Заявка № 2003117810/03, заявл. 16.06.2003., опубл. 10.10.2004.
8. Ямпилов С.С. Сепараторы для предварительной очистки зерна // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1999. - № 12. - С. 17.
9. Абидуев А.А., Петунов С.В., Иванов Н.М. и др. Математическая модель технологического процесса фракционной очистки зерна // Вестник ВСГУТУ. - 2018. - № 2. - С. 27-30.
10. УрхановН.А., АбидуевА.А., ЦыдендоржиевБ.Д. Улучшение конструкции и эффективности работы лопастного ременного зернометателя // Вестник ВСГУТУ. - 2018. - № 3. - С. 55-57.
11. Ямпилов С.С., Бадмаева А.С., Тумурхонов В.В. и др. Математическая модель процесса сепарации компонентов зернового материала через каскадный решетный сепаратор со сплошными накопителями, установленными между блоками решет // Вестник ВСГУТУ. - 2018. - № 4. - С. 70-73.
12. Ямпилов С.С., Балданов В.Б., Цыбенов Ж.Б. и др. Разработка признака разделения частиц зернового материала сепарирующим устройством // Вестник ВСГУТУ. - 2019. - № 2. - С. 58-59.
13. Раднаев Д.Н., Зимина О.Г., Бадмацыренов Д.-Ц.Б. Анализ и выбор объекта исследования при решении научно-технических проблем // Вестник ВСГУТУ. - 2019. - № 2. - С. 63-66.
14. Yampilov S.S., Tsybenov Zh.B., Gylykova S.Zh. at el. Grain Separating and Throwing Machine in inline Grain Processing ETESD-2022 IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 1112 (2022) 012071 IOP Publishing - DOI 10.1088/1755-1315/1112/1/012071
15. Tsydypov Ts.Ts., Yampilov S.S., Tsybenov Zh.B. at el. To the question of creating a device for cleaning and sorting of grain. AGRITECH-III-2020 IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 548 (2020) 062020 IOP Publishing. - DOI 10.1088/1755-1315/548/6/062020 P.1-6.
Bibliography
1. Patent RU 2578918 C1. Separating thrower of loose materials // Tsybenov Zh.B., Yampilov S.S., Matuev A.A., Tsybenova L.G., Khandakova G.Zh. Patent holders: Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education "East Siberian State University of Technology and Management". -Application N 2015100908/11, Appl. 01/12/2015., publ. 03/27/2016.
2. Tsybenov Zh.B., Yampilov S.S., Baldanov V.B. et al. Differential equation of motion of a particle of grain material in a separating grain thrower // Bulletin of ESSTUM. - 2022. - N 2(85). - P. 56-61.
3. Tsybenov Zh.B., Yampilov S.S., Baldanov V.B. et al. Analytical description ofthe movement of grain material on the cleaning device of the separating grain thrower // Bulletin of ESSTUM. - 2020. - N 2(77). -P.31-35.
4. Tsybenov Zh.B. Substantiation of the main parameters of an energy-saving separator for grain cleaning using gravitational forces: author. diss. ... Cand. Sc. Engeneering. - Ulan-Ude: Publishing house of ESSUTU, 2005. - 21 p.
5. Tsybenov Zh.B. Substantiation of the main parameters of an energy-saving separator for grain cleaning using gravitational forces: diss. ... Cand. Sc. Engeneering: 05.20.01. - Ulan-Ude: 2005. - 152 p.
6. Patent RU 2121878 C1. Separator of bulk materials / Zyulin A.N. Patent holders: Zyulin Alexey Nikiforovich. - Application N 97107738/03, Appl. 05/08/1997., publ. 11/20/1998.
7. Patent RU 2237526 C1. Separator of loose materials / Yampilov S.S., Tsybenov Zh.B., Zyulin A.N., Gypylov M.S. Patent holders: East Siberian State Technological University. - Application N 2003117810/03, Appl. 06/16/2003., publ. 10.10.2004.
8. Yampilov S.S. Separators for preliminary cleaning of grain // Mechanization and electrification of agriculture. - 1999. - N 12. - P. 17.
9. Abiduev A.A., Petunov S.V., IvanovN.M. etal. Mathematical model of the technological process of fractional cleaning of grain // Bulletin of the ESSUTUM. - 2018. - N 2. - P. 27-30.
10. Urkhanov N.A., Abiduev A.A., Tsydendorzhiev B.D. Improving the design and efficiency of the paddle belt grain thrower. - 2018. - N 3. - P. 55-57.
11. Yampilov S.S., Badmaeva A.S., Tumurkhonov V.V. et al. Mathematical model of the process of separating grain material components through a cascade sieve separator with solid accumulators installed between sieve blocks // Bulletin of the ESSTUM. - 2018. - N 4. - P. 70-73.
12. Yampilov S.S., Baldanov V.B., Tsybenov Zh.B. et al. Development of a feature for separating particles of grain material by a separating device // Bulletin of the ESSTUM. - 2019. - N 2. - P. 58-59.
13. RadnaevD.N., Zimina O.G., BadmatsyrenovD.-Ts.B. Analysis and selection ofthe object of study in solving scientific and technical problems // Bulletin of the ESSUTUM. - 2019. - N 2. - P. 63-66.
14. Yampilov1 S.S., Tsybenov Zh. B., Gylykova S.Zh. at el. Grain separating and throwing machine in inline grain processing // ETESD-2022 IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 1112 (2022) 012071 IOP Publishing. - DOI 10.1088/1755-1315/1112/1/012071.
15. Tsydypov Ts.Ts., Yampilov S.S., Tsybenov Zh.B. at el. To the question of creating a device for cleaning and sorting of grain // AGRITECH-III-2020 IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 548 (2020) 062020 IOP Publishing. - DOI 10.1088/1755-1315/548/6/062020 P.1-6.
