CC BY
133
УДК [631.365]
ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ЗЕРНООЧИСТИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ
В.П. ЧЕБОТАРЕВ
УО «Белорусский государственный аграрный технический университет» г. Минск, Беларусь, 220023, e-mail: [email protected]
(Поступила в редакцию 28.06.2017)
Универсальная зерноочистительная машина предназначена для предварительной, первичной или вторичной очистки -сепарирования всех видов зерновых, зернобобовых культур и трав. Предложен расчет технологических параметров и эффективности сепарирования универсальной зерноочистительной машины который проводится путем поэтапного определения нагрузок, времени, концентраций, интенсивности разделения при заданных значениях скоростей погружения и транспортирования зернового вороха. На основе разработанных моделей проведены расчеты технологических параметров универсальной зерноочистительной машины для режимов работы на предварительной, первичной и вторичной очистке зерна. В составах технологических линий они могут выполнять все виды очистки. Так, например, благодаря оптимальным конструктивным и технологическим решениям универсальная зерноочистительная машина, занимающая небольшую площадь, может быть использована для выполнения многочисленных задач по очистке зерна, обеспечивая высокое качество работы. В соответствии с требованиями сельскохозяйственного производства Республики Беларусь производительность такой машины должна составлять на предварительной очистке 40, на первичной 20, и на вторичной 4 т/ч.
Ключевые слова: воздушно-решетный сепаратор, пневматический сепарирующий канал, универсальная зерноочистительная машина.
Universal grain cleaner is designed for preliminary, primary or secondary cleaning - separation of all types of cereals, legumes and herbs. We have presented calculation of technological parameters and efficiency of separation of universal grain cleaning machine. It is carried out by gradual determination of loads, time, concentrations, intensity of separation for given values of speeds of immersion and transportation of grain heap. Based on the developed models, calculations were made of technological parameters of a universal grain cleaning machine for operating modes during preliminary, primary and secondary grain cleaning. In technological lines, they can perform all types of cleaning. So, for example, thanks to optimal design and technological solutions, a universal grain cleaning machine that occupies a small area can be used to perform numerous tasks for cleaning grain, providing high quality work. In accordance with the requirements of agricultural production of the Republic of Belarus, the productivity of such a machine should be 40 tons / hour during preliminary cleaning, 20 t/h during primary cleaning, and 4 t/h during secondary cleaning.
Key words: air-grating separator, pneumatic separation duct, universal grain cleaner.
Введение
Универсальная зерноочистительная машина это, как правило, воздушно-решетный сепаратор с одной или двумя решетными блоками, а также с одним или двумя пневматическими сепарационными каналами, предназначенный для предварительной, первичной или вторичной очистки - сепарирования всех видов зерновых, зернобобовых культур и трав [1].
Расчет технологических параметров и эффективности сепарирования универсальной зерноочистительной машины должен проводиться путем поэтапного определения нагрузок, времени, концентраций, интенсивности разделения при заданных значениях скоростей погружения и транспортирования зернового вороха. Воздушные системы являются составной частью зерноочистительной машин. Они выделяют из зерна минеральные и органические примеси, а также щуплое зерно. Кроме того, эти системы позволяют сортировать зерна или семена.
Основная часть
Универсальная зерноочистительная машина должна быть оснащена пневматической системой всасывающего действия, так как она меньше выделяет пыли в окружающее пространство и лучше приспособлена для эксплуатации в закрытых помещениях. Пневматическая система такой машины должна иметь два пневматических сепарирующих канала для обеспечения высокой эффективности сепарации зернового вороха при вторичной очистке. Расчет параметров вентилятора основывается на определении величины требуемого воздушного напора и расхода воздуха. Расход воздуха QL определяется согласно следующей зависимости:
Ql = 3600VLBKlK, (1)
где иL - скорость воздушного потока, м/с; Вк - ширина пневмосепарирующего канала, м; lK -длина пневмосепарирующего канала, м.
Скорость воздушного потока в канале должна быть меньше скорости витания очищаемого зерна иL < 8 м/с. Длина пневматического сепарирующего канала обычно приравнивается к ширине решетного стана Врс = 1к =1,2 м. Глубина пневматического сепарирующего канала выбирается в зависимости от загрузки сепарирующего канала и требуемой эффективности сепарации и принимается равной Вк = 0,2 м [2, 3]. Тогда вентилятор должен обеспечивать расход воздуха согласно выражению (1) не менее 6912 м3/ч. Требуемый воздушный напор рассчитывается по потерям давления потока воздуха в сис-
теме с учетом установки двух пневматических аспирационных каналов [4]. Потери давления в системе состоят из потерь давления на трение, потерь давления на местные сопротивления, а также вида обрабатываемого материала. Потери давления на трение рассчитываются согласно следующей зависимости:
Н тр = Х тр • ~ — рь , (2)
^Бэк
где Вэк - эквивалентный диаметр канала, м; ^ - коэффициент аэродинамического сопротивления движению воздушного потока от трения воздуха о стенки воздуховода; g - ускорение свободного падения, м/с2; рь - плотность воздуха, кг/м3.
Для определения значения ^ с достаточной для практических целей точностью используется упрощенная формула Блесса:
0,0011 /оч
X Тр = 0,0125 + --, (3)
Б
Эквивалентный диаметр вычисляется по формуле:
Б эк = 1,27.
Б\13 (4)
. + -) 2
Тогда Бэкв =0,41м, а ^тр = 0,0152. Таким образом, при общей длине необходимых двух каналов
1к =3 м потери давления на трение составят Нтр = 4,22 Па. Потери давления на преодоление местных
сопротивлений определяются в зависимости от величины динамического давления по формуле
2 „
Н =тг ^ (5)
Н мс АЬмс , >
2Я
где с;мс - коэффициент местного сопротивления в воздуховоде.
Коэффициент местного сопротивления определяется по данным [3] и его величина будет равна Нмс = 127,73 Па. Суммарные потери давления на трение и местные сопротивления будут равны:
Н спд = Н тр+Н мс = 4,22 +127,73 = 131,95 Па. (6)
С учетом влияния концентрации материала на потери давления воздушного потока определятся общие потери давления в каналах:
Н возд Н спд (1+ МК о), (7)
где Цо - коэффициент концентрации смеси, ц0 = 1,0; к0 - безразмерный эмпирический коэффициент, к0 = 0,30.
После подстановки в (7) значений составляющих величин общие потери давления в каналах будут равны Нвозд = 171,54 Па. Потери давления на преодоление сопротивления зернового слоя у большинства зерноочистительных машин составляют Н3 = 50-150 Па. Большие значения относятся к высокопроизводительным машинам с высокими удельными нагрузками. Поэтому принимается Н3= 150 Па. Потери давления на подъем частиц в вертикальных воздуховодах определяются по формуле:
Нверт = РА М0 = 1,2 • 3 • 1,0 = 35,32 Па. (8)
Общие потери давления в воздушных каналах составят:
Нкан = Нверт + Нз + Нверт = 171,54 +150 + 35,32 = 356,86 Па. (9)
Потери давления в осадочной камере ориентировочно принимаются равными динамическому давлению в рабочей зоне пневматического сепарирующего канала:
2
Н ок = (10)
2Я
Тогда Нок = 38,4 Па. Расчет сопротивления пылеуловителя производится для циклона, который
оказывает наибольшее сопротивление. Сопротивление циклона определится по формуле:
2
Н РьРцик (11)
Н цик ь цик 4 '
2£
где ^цик - скорость входа воздуха в циклон = 18 м/с; ^цик - коэффициент сопротивления циклона. Согласно [5] коэффициент сопротивления циклона принимается £,цик = 6. Тогда Нцик = 1166,4 Па. Таким образом, общее сопротивление всех элементов пневматической системы определяет необходимый напор, который должен создавать вентилятор:
Н пн = Н кан + 2Н ок + Н цик. (12)
По рассчитанным параметрам пневматической системы: общему сопротивлению Нпн = 1600 Па и расходу воздуха V ~ 6912 м3/ч осуществляется подбор вентилятора. Поскольку выделение легких и пылевидных примесей будет осуществляться в пневматической системе, то обоснование и расчет решетных станов ограничивается лишь определением параметров колосового и подсевного решет согласно следующей расчетной схеме [3, 6]. Зерно на верхнее решето подается из пневматического сепарирующего канала под действием силы тяжести. Необходимо определить основные конструктивно-технологические параметры подсевного блока и выяснить, будут ли эти параметры обеспечивать требуемые показатели качества очистки. Первоначально определяется в зависимости от требуемой производительности необходимая длина решетного стана [6]. Ширина принимается равной Вр=1,2 м. Расчет параметров решетного стана проводится для обработки эталонной культуры - пшеницы. Размеры зерен пшеницы принимаются согласно данным [7]. Колосовое решето должно отсеять максимальное количество семян основной культуры, а крупные примеси выделить сходом. Поэтому рабочие размеры отверстий данного вида решет должны быть несколько больше максимального размера признака делимости культурных семян согласно следующих условий: при применении решет с продолговатыми отверстиями Ьр > Ьзтах, при применении решет с круглыми отверстиями Бкр > 5зтах [8]. Согласно нормативным требованиям, выбираются решета с ближайшими стандартными рабочими размерами продолговатых отверстий 3,25 мм и круглых 4,0 мм [9]. Удельные решетные нагрузки для этих видов решет определяются по формулам:
- для решет с продолговатыми отверстиями:
дРп = 543с, - 600 ; (13)
- для решет с круглыми отверстиями:
цРр = 325ак - 400. (14)
Безразмерный коэффициент ск определяется согласно следующей зависимости:
для решет с продолговатыми отверстиями:
Ск = Ър/Ь зт ах ? (15)
- для решет с круглыми отверстиями:
Ск = Бкр / 5 зт ах • (16)
Удельная решетная зерновая нагрузка будет равна: на решета с продолговатыми отверстиями дРп = 0-238 кг/(дм2ч), с к следующей формуле:
220-238 кг/(дм2ч), с круглыми отверстиями дРкр = 150-158 кг/(дм2 ч). Длина решета определяется по
1р = (17)
В р • Чрн
где Qзв - производительность машины по зерновому вороху, т/ч.
Так как по расчетам длина решета с круглыми отверстиями оказалась неприемлемой 1р = 2,11 м, то на машину необходимо устанавливать колосовое решето с продолговатыми отверстиями длинной 1п = 1,4 м.
Подсевные решета для обработки пшеницы применяются обычно с продолговатыми отверстиями. Рабочие размеры отверстий этих решет определяются согласно следующего условия: Ьр > Ьзт1п. В соответствии с нормативными требованиями принимается Ьр = 2 мм. Искомая длина определяется по эмпирической формуле [3, 9]:
_ КЕК эдш (18)
I р 1 ,
(^""
где КЕ - безразмерный коэффициент разделения, пропорциональный содержанию мелких примесей в исходном материале, кЕ = 0,042; ^мр - удельная зерновая нагрузка, кг/(см-ч); Ер - полнота выделения мелких примесей, равная весовому отношению прохода сквозь решето к содержанию примесей в исходном материале; КЭ - эмпирический коэффициент, характеризующий активность процесса сепарации, зависимый от КЭ и qMF, (см2-ч)/кг.
Качество работы подсевных решет, определяемое полнотой выделения мелких примесей, подразделяется на следующие категории: 8=0,8 и больше - высокое (задается для получения семян), 8=0,6-0,72 - среднее (для получения товарного зерна), 8=0,59 и менее - низкое (для фуражного зерна). Основной применяемый ряд значений 8=0,6-0,85. Значения меньше 0,6 считаются браком, больше 0,85 - труднодостижимыми. При производительности Qзв=40 т/ч и 8=0,6 (предварительная очистка) удельная зерновая нагрузка равна qMF = 222,2 кг/(см ч) и согласно рекомендациям [2, 3] кэ =0,12
(дм2-ч)/кг. Тогда /р =1,45 м. Длина подсевного решета принимается равной 1р=1,7 м. Начальное удельное количество смеси q0 (г/(см2с)), поступающее на элементарную сепарирующую площадку в зависимости от задаваемой производительности Qзв, определяется по формуле:
= (19)
40 3600 В р1 р
а начальное qnрo количество мелких примесей (г/(см с)), при соответствующей засоренности Фщ, = Qпр0 / Qзв исходной смеси будет равно:
Ч про = ФпрЧ 0- (20) Начальная Нсл0 толщина слоя исходной смеси определяется по формуле:
Нло (21)
§ нп
где gнп - начальная плотность вороха, кг/м3.
Время XI погружения примесей от верхнего до нижнего слоя будет равно:
^ _ Н сл0 ~ НслН (22)
^погр
где ипогр - средняя скорость погружения примесей из верхнего слоя в нижний, м/с; НслН - толщина нижнего слоя, равная средней ширине зерен, м.
Интенсивность qc поступления примесей в нижний слой определится согласно выражения:
Чс = Ч прО^погр, (23) а начальная qu0 интенсивность просеивания будет равна:
Чи 0 = ЕРЯС. (24) Интенсивность просеивания qu1 (г/(см2-с)) за время т будет равна:
Чи 1 = Чи0 е~К~> (25)
где Кип - коэффициент интенсивности просеивания, с 1.
Концентрация примесей Кн1 (г/см3) в нижнем слое в момент т1 определится согласно выражения:
К„1 (26)
К ип
Количество примесей Qnl (г/см2), извлеченное за время Т] будет равно:
Р„1 = (Чс - Чи>1. (27)
Время тп перемещения порции смеси по длине решетного канала:
Тп = , (28)
Удвр
Время Т2, в течение которого после окончания самосортирования продолжает осуществляться просеивание:
Т2 = Тп -Т1. (29)
Количество примесей Qn2 (г/см2), которое извлекается проходом за это время:
Рп2 = Кн2 (1 - еК Т2). (30)
Так как процесс разделения установившийся и непрерывный Кн2=Кн1 то общее количество извлеченных мелких примесей будет равно:
Рп = Рп1 + Рп2 . (31)
Тогда полнота извлечения примесей на решете будет равна:
рИр0
По результатам теоретических исследований для выбранных значений следующих показателей: пшеница влажностью 14-16 %; начальная засоренность исходной смеси ф0 = 4,2 %; насыпная плотность рнп
=0,7129 г/см3; толщина нижнего слоя НслН =0,283 см; средняя скорость погружения примесей от верхнего до нижнего слоя ипогр = 0,45 см/с; коэффициент интенсивности просеивания Кип=0,8 с1; средняя скорость перемещения материала по решету идв = 0,18 м/с; ширина решета В=1,2 м проведены расчеты технологических параметров работы универсальной зерноочистительной машины для режимов работы на предварительной, первичной и вторичной очистке зерна. Результаты расчетов представлены в таблице.
Ер = -
(32)
Расчетные параметры работы универсальной зерноочистительной машины на предварительной, первичной и вторичной очистке зерна
Наименование параметра Значение параметра
Режим работы по очистке зерна предварительная первичная вторичная
Производительность, т/ч 40 20 4
Длина рабочей поверхности решетного стана, дм 12,6 16,8 18,36
Начальное количество исходной смеси, приходящееся на элементарную площадку, г/см2 3,52 1,7147 0,3429
Количество мелких примесей в исходной смеси, г/см3 0,974 0,0720 0,0144
Начальная толщина слоя исходной смеси, см 6,568 2,4052 0,2445
Начальная концентрация примесей в объеме смеси, г/см3 2,237 0,1299 0,0589
Начальная концентрация примесей в нижнем слое, г/см3 0,328 0,0167 0,0085
Время погружения примесей от верхнего до нижнего слоев, с 9,21 4,716 1,5
Интенсивность поступления примесей в нижний слой, г/(см2с) 0,0198 0,0135 0,0265
Начальная интенсивность просеивания, г/(см2с) 0,842 0,068 0,0134
Интенсивность просеивания при ть (г/см2с) 0,462 0,0133 0,0265
Концентрация примесей в нижнем слое при ть г/см3 0,0758 0,0166 0,0331
Количество примесей, извлеченное за время ть г/см3 0,186 0,0555 0,015
Время перемещения порции смеси по длине решетного канала, с 12,251 9,3333 1,8667
Время, в течении которого продолжается просеивание после окончания самосортирования, с 9,432 4,6173 1,8667
Количество примесей, извлеченное за время т2, г/см3 0,446 0,0362 0,0257
Общее количество извлеченных мелких примесей, г/см3 0,512 0,0717 0,0257
Степень извлечения мелких примесей 0, 4597 0,9958 0,9997
Остаточная засоренность обработанного материала,% 0,399 0,017 0
Таким образом, рассчитанные параметры, будучи реализованными в конструкции универсальной зерноочистительной машины, обеспечат требуемые производительность и качество сепарирования на предварительной, первичной и вторичной очистке зерна.
Заключение
Для выбранной схемы универсальной зерноочистительной машины, на основе проведенных теоретических исследований, определены основные параметры: для производительности соответственно на предварительной очистке 40 т/ч, первичной — 20 т/ч и вторичной - 4 т/ч: решето колосовое: ширина 1,14 м, длина 1,35 м; решето подсевное: ширина 1,14 м, длина 1,55 м; расход воздуха на пневмосе-парацию 7000 м3/ч.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чеботарев, В. П. Технологические основы и характеристика процессов сепарирования / В.П. Чеботарев, И.В. Барановский, А.В. Новиков // Механизация и электрификация сельского хозяйства: межвед. тематич. сб.: в 2 т. / РУП «НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства». - Минск, 2013. - Вып. 47. - Т. 1. - С. 123-132.
2. Гладков, Н.Г. Зерноочистительные машины. Конструкция, расчет, проектирование и эксплуатация / Н.Г. Гладков. -М.: Машгиз, 1961. - 388 с.
3. Кожуховский, И.Е. Конструкции, проектирование и расчет зерноочистительных машин / И.Е. Кожуховский. - М., 1963. - 55 с.
4. Бурков, А.И. Замкнуто - разомкнутая пневмосистема зерно- и семяочистительных машин/ А.И. Бурков, В.Л. Андреев// Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1995. - №5. - С. 18-21.
5. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик; под ред. М.О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1975. - 560 с.
6. Суконкин, Л.М. Разделение зерновых материалов на решетных сепараторах / Л.М. Суконкин, В.М. Дринча //Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1997. - №1. - С. 28-33.
7. Чеботарев В.П. Сушка зерна. Теория, расчет, эксперимент / В.П. Чеботарев, И.В. Чеботарев. - Минск: РУП «НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства», 2012. - 520 с.
8. Дашевский, В.И. К расчету параметров ситовых устройств для сортирования зерна по крупности /В.И. Дашевский, Е.А. Непомнящий // Сб. науч. тр. / ВНИИЗ. - М., 1975. - С. 131-140.
9. Корн, А.М. О признаках делимости зернового материала на сепараторах / А.М. Корн [и др.] // Тр. ВИМ. - М., 1974. -Т. 65, ч.11. - С. 25-33.
