CC BY
142
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.354.2
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПНЕВМОТРАНСПОРТЕРА ЗЕРНА СОРГОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА
А.И. Ряднов, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Волгоградский государственный аграрный университет
На основании анализа существующих схем транспортировки зерна предложено использовать в соргоуборочном комбайне для подачи обмолоченной массы из прямоточной выносной молотильной камеры с молотильно-сепарирующим устройством инерционно-очесного типа в бункер систему пневматическую, всасывающего типа с циклоном для предварительной очистки зерна. Представлена методика расчета основных элементов конструктивно-технологической схемы пневмотранспортера зерна соргоуборочного комбайна.
Ключевые слова: соргоуборочный комбайн, конструктивно-технологическая схема, пневмотранспортер зерна, циклон.
Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ по проекту «Разработка и исследование инерционно-очесного способа обмолота зерновых колосовых и метелочных культур на корню и технологии для его реализации», договор № НК 13-08-01085\14
В современных зерноуборочных комбайнах для транспортировки зерна используют винтовые конвейеры, в том числе и вертикальные. Такие конвейеры имеют ряд недостатков, в частности: снижение производительности при увеличении угла наклона [2], рост энергоемкости при увеличении частоты вращения шнека [5], они разрабатываются и конструируются без учета травмируемости транспортируемого зерна.
При транспортировке сельскохозяйственных грузов широко применяются пневматические транспортеры, которые, по сравнению с винтовыми конвейерами, имеют ряд преимуществ: возможность транспортировки груза в горизонтальном, вертикальном и наклонном направлениях, простота прокладки труб, малые габариты, высокая надежность при эксплуатации, изоляция груза от окружающей среды, возможность автоматизации и другие.
По способу воздействия воздуха на транспортируемый материал пневмотранспортные установки разделяют на установки, в которых воздушный поток воздействует непосредственно на каждую частицу перемещаемого материала (под действием аэродинамических сил) и установки, в которых воздух используется только для снижения коэффициента внутреннего трения транспортируемого материала (аэрация), а перемещение частиц осуществляется за счет собственного веса (гравитационных сил) [3].
По способу создания воздушного потока и условиям движения его в трубопроводе вместе с материалом пневмотранспортные установки подразделяют на всасывающие, работающие при разряжении, нагнетательные, работающие при давлении, и комбинированные, совмещающие первые два типа установок.
Во всасывающих транспортерах перемещаемый груз подается, как правило, во всасывающий трубопровод и ускоряется вместе с воздухом. В таких устройствах движение воздушного потока осуществляется за счет перепада давления, создаваемого воздуходувной машиной. В большинстве случаев установки такого типа применяют для перемещения материала на небольшие расстояния. Основным преимуществом всасывающей пневмотранспортной установки является возможность транспортирования сыпучих материалов из нескольких точек в одну.
В нагнетательных пневмотранспортных устройствах энергия давления или скорости воздуха повышается статически или динамически. Такие устройства подразделяются на устройства, в которых транспортируемый материал перемещается в потоке сжатого воздуха (по принципу эжекции) по трубопроводам с прямолинейной и произвольной конфигурациями [1]. Достоинством нагнетательных пневмотранспортных установок является возможность перемещать сыпучие материалы по разветвленной системе трубопроводов.
Установки всасывающе-нагнетающего действия в качестве воздуходувных машин применяют вентиляторы высокого давления, трубовоздуходувку, или вакуум -насос - компрессор [1]. Такие установки сочетают в себе преимущества рассмотренных выше установок. Самыми эффективными являются установки, в которых для создания перепада давления как на всасывающей, так и на нагнетающей ветви используется одна воздуходувная машина [1].
Все вышеперечисленные виды установок имеют недостатки, среди которых важнейший - низкий коэффициент полезного действия (КПД не превышает 0,5).
Более высоким КПД обладают метатели вентиляторного типа, которые широко используются при транспортировке влажных и слипающихся сельскохозяйственных грузов. Транспортируемый груз ускоряется рабочим колесом метателя, после чего выбрасывается в трубопровод. Порция воздуха, которая всосана вместе с транспортируемым грузом, имеет меньшую скорость движения, чем груз, так как происходит преобразование энергии скорости в энергию давления. В этот период времени воздух оказывает на груз тормозящее действие. Это происходит до тех пор, пока в результате трения скорость перемещения груза не сравняется со скоростью воздуха. Далее воздух способствует перемещению груза, но из-за малого расхода не может быть несущим элементом. Однако использовать метатели вентиляторного типа при транспортировке зерна высокой влажности, обмолоченного комбайном, оборудованным молотильно-сепарирующим устройством инерционно-очесного типа, недопустимо из-за высокого травмирования зерна.
Основное требование, предъявляемое к системам пневматического транспортирования зерна в комбайне, - обеспечение требуемой производительности при допустимом уровне травмирования зерна с предварительной очисткой его от пыли и легких примесей.
На основании анализа исследований многих ученых и с учетом перечисленных выше преимуществ и недостатков различных типов транспортирующих средств, на кафедре «Эксплуатация машинно-тракторного парка» Волгоградского ГАУ в разработанном соргоуборочном комбайне [8, 6] использована система пневматического транспортирования зерна всасывающего типа с циклоном для предварительной очистки зерна, поступающего из прямоточной выносной молотильной камеры в бункер.
Схема системы транспортировки зерна из прямоточной выносной молотильной камеры в бункер комбайна показана на рисунке.
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (35)), 2014
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА
А
Рисунок - Схема системы транспортировки зерна из прямоточной выносной молотильной камеры в бункер комбайна: 1 - прямоточная выносная молотильная камера; 2 - зерносборник; 3 - трубопровод;
4 - циклон; 5 - заслонка; 6 - бункер; 7 - трубопровод; 8 - вентилятор
Данная система работает следующим образом. Обмолоченное прямоточной выносной молотильной камерой зерно поступает в зерносборник 2, откуда засасывается вентилятором 8 по трубопроводу 3 в циклон 4. В циклоне 4 происходит отделение пыли и легких примесей от зерна, в основном, за счет центробежных сил, действующих на зерно.
Местные сопротивления трению обеспечивают отделение зерна от пыли. Зерно падает из циклона 4 вниз на заслонку 5 зерносборника циклона. В случае открытия заслонки зерно поступает в бункер 6 комбайна. Следует отметить, что при открытии заслонки 5 автоматически должен отключаться вентилятор 8. В этом случае будут исключены потери зерна из-за его выноса воздушным потоком из комбайна.
Отделенные от зерна пыль и легкие примеси перемещаются по трубопроводу 7 в вентилятор 8 и выбрасываются наружу.
Чтобы обеспечить максимальное отделение пыли и легких примесей от зерна рекомендуется при выборе конструктивных параметров циклона следующее соотношение диаметра циклона dцикл. к диаметру трубопровода dтрyбы :
При указанном соотношении диаметров циклона и трубопровода разделение пыли и легких примесей от зерна достигает 90 %.
В научной и учебной литературе представлено достаточно много методов расчета пневматических транспортеров и циклонов, используемых соответственно для транспортировки и очистки различных грузов, в том числе и зерна. Однако эти методы сложны в практическом применении. В связи с этим, предлагается упрощенная методика расчета основных элементов конструктивно-технологической схемы пневмотранспортера зерна соргоуборочного комбайна.
На движущиеся по вертикальной части трубопровода 3 частицы в общем случае действуют три силы: тяжести - G, центробежная - F, аэродинамическая - Q
(1)
Проекции этих сил на оси координат:
Х: F sina = 0, (2)
У Q - G + F cosa = 0 ^
где a - угол отклонения центробежной силы от аэродинамической, град.
При расчете силы тяжести G принимается масса одного зерна как веничного, так и зернового сорго в пределах 0,018.. .0,024 г.
Из выражений (2) и (3) получим движущую (аэродинамическую) силу зерна:
Q = G - F cos a ^
В связи с тем, что с увеличением диаметра трубопровода угол a растет, то из формулы (4) следует, что с увеличением диаметра трубопровода требуется большая аэродинамическая сила для перемещения зерна. Скорость зерна v (м/с) в вертикальном транспортере равна [3]:
Vp =v-vKP , (5)
где v - скорость воздуха, м/с; vKP - критическая скорость (витания), м/с.
При расчете скорости зерна Vp необходимо учитывать, что скорость в выхлопной трубе циклона не должна превышать 4 м/с. Это позволит исключить вынос зерна вентилятором наружу.
Полный напор р H вертикального пневмотранспортера равен сумме
динамического или скоростного напора р, необходимого для преодоления инерции
воздуха и груза, и статического [3]:
Рн = РД + Pc . (6)
Динамический напор определим из условия равенства кинетической энергии смеси зерна, примесей и воздуха:
Е = тг + те_-и
2 2 (7)
и работы воздушного потока:
W = РД ■S (8)
где тг'тв - масса груза (смеси зерна и примесей) и воздуха, кг, S - площадь сечения трубопровода, м2.
Учитывая, что
тг =рУ и тв =ру, (9)
Р Р V зз
где г' е' - соответственно плотность груза, кг/м , воздуха, кг/м и объем одного
погонного метра трубопровода, м3,
а также коэффициент массовой концентрации смеси
к = т
кт =
тв , (10)
получим выражение для оценки динамического напора:
V 2 р
Рд = 0,5 рВ (V + кт)
v . (11)
Статический напор рс равен сумме потерь давления на трение зерна и
примесей при движении в трубопроводе Рт , местных сопротивлений Рм и потерь
давления при подъеме груза на высоту h - Рп :
Рс = Рт + Рм + Рп , (12)
Рт = р'т (1 + ккт )
где Т ,
(13)
р 1 к здесь "т - потери давления на трение при движении воздуха по трубам, Па, с -
коэффициент, зависящий от концентрации смеси, скорости и физико-механических свойств
груза;
;2
к* / , , кп к.
Рм = 0,щ'рв
(14)
здесь ' % - коэффициент местного сопротивления (значения коэффициентов с, % даны в соответствующих справочниках);
Рп = кт ■ £-Рв ■ код,
(15)
здесь £ - ускорение свободного падения, м/с2. Тогда, полный напор равен:
Рн = Рд + Рт + Рм + Рп (16)
Определив полный напор рН , скорость зерна °р в вертикальном транспортере
с
по формуле (5) и площадь сечения трубопровода с для принятого диаметра сначала
рассчитываем объемный расход воздуха уОРВ (м3/с):
%рв = урс, (17)
а затем и мощность двигателя ^П, (Вт) для привода вентилятора:
д г _ чорв ' р н ^ п ~
V , (18)
где ^ - КПД пневмотранспортера (в расчетах принимаем 0,5).
Применительно к транспортировке зерна веничного и зернового сорго из прямоточной выносной молотильной камеры в бункер соргоуборочного комбайна с одновременной очисткой в циклоне в расчетах необходимо учитывать: влажность зерна (может быть 8-25 %), высота подъема зерна (до 4 м), диаметр воздуховода (0,1 -0,15 м), подача зерна (до 10 кг/с).
Оценка различных схем транспортировки зерна из прямоточной выносной молотильной камеры в бункер соргоуборочного комбайна по комплексному критерию эффективности, разработанному по методике, представленной в работе [7], показала, что использование выбранной схемы предпочтительнее других пневматических систем.
Таким образом, для транспортировки зерна из прямоточной выносной молотильной камеры с молотильно-сепарирующим устройством инерционно-очесного типа в бункер соргоуборочного комбайна с одновременной предварительной его очисткой рекомендуется использовать пневмотранспортер всасывающего типа с циклоном, рассчитанный по представленной методике.
Библиографический список
1. Богданов, И.Н. Пневматический транспорт в сельском хозяйстве [Текст] / И.Н. Богданов - М.: Росагропромиздат, 1991. - 128 с.
2. Григорьев, А.М. Винтовые конвейеры [Текст]/ А.М. Григорьев. - М.: Издательство «Машиностроение», 1972. - 184 с.
3. Красников, В.В. Подъёмно-транспортные машины [Текст] / В.В. Красников. - М., 1987. - 270 с.
4. Калинушкин. М.П. Вентиляторные установки [Текст] / М.П. Калинушкин. - М., 1967. - 300 с.
5. Криловецкий, В.В. Исследование способов эффективности вертикальных винтовых транспортеров, применяемых при приготовлении и раздаче кормов в животноводстве [Текст]/ дисс....канд. техн. наук:05.20.01.: защищена 197/ Криловецкий Владимир Васильевич. - СПб., 1977. - 163 с.
6. Комбайн для уборки технических культур [Текст] : пат.2421974 Российская Федерация A01D 41/08. / Ряднов А.И., Шарипов Р.В., Семченко А.В.; заявитель и патентообладатель - ФГОУ ВПО Волгоградская ГСХА - №2010100341/21; заявл. 11.01.10; опубл. 27.06.11, Бюл.№18.
7. Ряднов, А.И. Методы оценки эффективности уборки сельскохозяйственных культур [Текст] : монография /А.И. Ряднов. - Волгоград: Волгоградская ГСХА, 2008. - 108 с.
8. Универсальный агрегат для уборки сорго [Текст]/А.И. Ряднов, Р.В. Шарипов, А.В. Семченко, К.А. Матвеева//Сельский механизатор. - 2010. - №4. - С. 6.
E-mail: alex.rjadnov@mail.ru
