CC BY
1
УДК 631.362 DOI 10.24412/2311-6447-2024-2-205-210
Обоснование материала лопасти сепарирующего метателя зерна
Justification of the material of the blade of the separating grain thrower
Профессор С.С. Ямпилов (ORCID 0000-0001-7279-9083), доцент Ж.Б. Цыбенов, (ORCID 0000-0003-2276-2070), преподаватель С.Ж. Гылыкова (ORCID 0009-00051093-9008),
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, кафедра кафедра «Биомедицинская техника. Процессы и аппараты пищевых производств» yampilovss@ mail.ru
доцент С.Н. Шуханов (ORCID 0000-0003-2134-6871), доцент А.В. Кузьмин (ORCID 0000-0002-5669-2232)
Иркутский государственный аграрный университет, кафедра «Технический сервис и общеинженерные дисциплины», тел. 237-429 [email protected]
Professor S.S. Yampilov (ORCID 0000-0001-7279-9083), Associate Professor Z.B. Tsybenov (ORCID 0000-0003-2276-2070), Lecturer S.Zh. Gylykova (ORCID 00090005-1093-9008),
Eastern-Siberian State University of Technology and Management, chair, «Biomedical technology. Processes and apparatus of food production» yampilovss@ mail.ru
Associate Professor S.N. Shukhanov (ORCID 0000-0003-2134-6871), Associate Professor A.V. Kuzmin (ORCID 0000-0002-5669-2232)
Irkutsk State Agrarian University, chair, «Technical service and general engineering disciplines» tel. 237-429 shuhanov56@mail. ru
Аннотация. Одним из главных недостатков зернометательных машин является дробление и повреждение частиц зерна. Дробление частиц зерна зависит от мгновенной силы удара лопасти зернометательных машин о зерновку. Отмечается, что показатель «мгновенная сила удара» имеет зависимость от таких коэффициентов, как k и а, которые, в свою очередь, имеют взаимосвязь с показателями кривизны и материала, а также от упругой деформации зерновки. Коэффициент k зависит от материала поверхности лопасти и кривизны поверхностей тел в точке контакта. При покрытии лопасти резиновыми покрытиями он в 2,7 раза меньше, чем при покрытии лопасти полимерными покрытиями (капро-лоном). Таким образом, выбираем резиновые покрытия на лопастях сепарирующего метателя зерна.
Abstract. One of the main disadvantages of grain throwing machines is crushing and damage to grain particles. The crushing of grain particles depends on the instantaneous impact force of the blade of grain throwing machines on the grain. It is noted that the indicator "instantaneous impact force" depends on coefficients such as k and a, which in turn have a relationship with the indicators of curvature and material, as well as on the elastic deformation of the grain. Thus, an assessment of the degree of study of the coefficient k, which depends on the material of the surface of the blade and the curvature of the surfaces of bodies at the point of contact, showed that the coefficient k when covering the blade with rubber coatings is 2,7 times less than when covering the blade with polymer coatings (caprolon). Thus, we select rubber coatings on the blades of the separating grain thrower.
Ключевые слова: зерновка, лопасть метателя зерна, сила удара, упругая деформация
Keywords: grain, grain thrower blade, impact force, elastic deformation
© С.С. Ямпилов, Ж.Б. Цыбенов, С.Ж. Гылыкова, С.Н. Шуханов, А.В. Кузьмин, 2024
Устройства для метания зернового материала используются в сельском хозяйстве для очистки зерна, охлаждения и снятия влажности зерна, то есть в качестве универсальных машин. В основном они применяются для механизации погрузочно-разгрузочных работ на открытых токах и зерноскладах. По конструкции они подразделяются на ленточные, лопастные, вентиляторные и др. В настоящее время хозяйства, занимающиеся производством зерна, испытывают нехватку в универсальных машинах, которые выполняют не только погрузочно-разгрузочные работы, но и очищают исходный зерновой материал от примесей, одновременно охлаждая. Их применение ограничено из-за главного недостатка - повреждения частиц зерна [1, 2]. Как показывает анализ исследований, повреждение частиц зерна зависит от мгновенной силы удара лопасти о частицу зерна [3, 4]. Необходимо разработать такую зернометательную машину, которая позволяет одновременно очищать зерновой материал от различных примесей, снижать влажность поступающего исходного зерна, повреждаемость частиц зернового материала и одновременно его охлаждать. Следует отметить, что ключевым недостатком зернометательных машин на сегодняшний день можно считать дробление и повреждение частиц зерна. Дробление частиц зерна зависит от мгновенной силы удара лопасти зернометательных машин о зерновку.
Цель исследования - разработать рабочий орган, который позволяет очищать исходный зерновой материал от различных примесей, снимать влажность, но главное снизить повреждение частиц зернового материала. В ВСГУТУ разработан сепарирующий метатель зерна, который имеет значительные отличия в структуре строения лопасти барабана. Другими словами, данная часть зернометателя имеет две составные части - приемную и серповидную [5, 6] (рис.1, 2).
Хн А-А
Рис.1. Схема сепарирующего метателя зерна: 1 - лопастной барабан; 2 - приемный кольцевой диск; 3 - несущий кольцевой диск; 4 - конусообразный обод; 5,6 - выпускной патрубок; 7 -конусообразный участок кольцевого диска; 8 - цилиндрический кожух; 9 - привод с электродвигателем; 10 - питающий патрубок; 11 - бункер - питатель
Рис. 2. Лопасть сепарирующего метателя зерна: 1 - серповидная часть лопасти; 2 -приемная часть лопасти; 3 - обрезиненная рабочая поверхность
Анализ процесса работы этого органа показывает, что в сравнении с другими зернометательными машинами удар со стороны лопасти сепарирующего зерномета-теля о частицу зерна значительно уменьшается за счет установки на лопастях резиновых покрытий. При контакте частицы зерна с лопастью степень взаимодействия характеризуется мгновенной силой удара.
Многочисленные исследования позволяют определить мгновенную силу удара лопасти зернометательной машины о частицу зерна. В зависимости от силы удара лопасти зернометательной машины о частицу зерна она сталкивается с разнообразными изменениями структуры, что приводит их к системным деформациям. Таким образом, при повышении мощности удара лопасти о единицу зерна происходят более сильные повреждения. В рамках данного анализа наиболее актуальной является теория Герца [4], который предложил исследовать упругую деформацию. И.Я. Штаерман, используя гипотезу Герца [4], решил задачу взаимодействия лопасти в случае ее удара о частицу зерна. Оценивается мощность удара лопасти о частицу зерна в одной точке в момент удара по формуле
3
Р = к • а2,
где к - коэффициент, зависящий от кривизны поверхностей частицы зерна в точке контакта и свойств материала лопасти; а - упругая деформация частицы зерна в точке контакта [3].
Коэффициент к рассчитаем минимальной погрешностью по формуле
к = 23
Е^Е?
1 1
217
(1)
где Е\, Е2 - модули Юнга частицы зерна и материала лопасти; щ, щ - коэффициенты Пуассона частицы зерна и материала лопасти; Ег - сумма главных кривизны в точке контакта частицы зерна о лопасть.
Используя данное выражение, определяли коэффициент к при установке на лопасти резиновых и полимерных покрытий, считая, что данные покрытия сепарирующего метателя зерна уменьшат коэффициент и тем самым силу удара лопасти о частицу зерна. При этом уменьшится количество дробленного, поврежденного зерна.
При определении кривизны частицы зерна [3] принимали допущение, что форма частицы зерна представляет эллипсоид вращения с полуосями а и с и шириной Ь (рис. 3); что при контакте лопасти о частицу зерна поверхность лопасти с плотным резиновым покрытием не деформируется, так как вес одной частицы зерна очень мал (вес средней пшеницы составляет всего 0,04 г).
Рис. 3. Схема удара частицы зерна об обрезиненную поверхность лопасти зернометателя Следует отметить, что для выстраивания используют радиусы кривизны:
Гц =2 = с;
Г12 = -
и тогда с учётом формул (1) и (2) выражение (1) принимает вид [3]:
к = 2
3 (1-я
у2) \Е1+Е2/ 42 а2+с2)
(2)
(3)
Анализ выражения (3), когда на лопасти установлено резиновое покрытие, показывает, что модуль Юнга для резины Ерез = Е2 = 2-18 МПа, а модуль Юнга для зерна - Езер
= Е\ = 10-40 МП, поэтому выражение в скобках ) составит 0,265.
Также известно, что коэффициент Пуассона для резины составляет //2 = 0,5. При этом коэффициент к, зависящий от кривизны поверхностей тел в точке контакта и от свойств материала, составит к рез = 5,95. Применительно к стальным лопастям модуль Юнга для стали Естали = Е2 = 2-105 МПа. Известно, что коэффициент Пуассона для стали - 0,25-0,33. Принимая /2 = 0,3, рассчитали к для стальных лопастей при контакте зерновки с лопастью при ударе среднего зерна (к = 18,48).
Рассчитали коэффициент к, зависящий от материала поверхности лопасти и кривизны поверхностей тел в точке контакта, при установке на лопастях резиновых покрытий для крупного, среднего и мелкого зерна (пшеница) (рис. 3). Коэффициент к изменялся от 1 до 6 в зависимости от модуля Юнга от 2 до 18. Среднее значение коэффициента к составило 3,71 для среднего зерна при Е = 10 МПа. Коэффициент к в 4,7 раз меньше, чем при ударе зерновки о стальную лопасть (рис. 4).
Аналогично рассчитали коэффициент к при покрытии лопасти полимерными покрытиями (капролоном) (£Капролон = Е2 = 80-100 МПа) (рис. 5). Коэффициент Пуассона для капролона составляет ^2 = 0,43. Средний коэффициент к, зависящий от материала поверхности лопасти и кривизны поверхностей тел в точке контакта при покрытии лопасти полимерными покрытиями (капролоном) при £Капролон = 90 МПа для среднего зерна составляет 10,2. Это в 2,7 раза больше, чем при покрытии лопасти резиновыми покрытиями. Таким образом, выбираем резиновые покрытия на лопастях сепарирующего метателя зерна, так как коэффициент к, зависящий от материала поверхности лопасти и кривизны поверхностей тел в точке контакта, намного меньше, чем при покрытии лопасти полимерными покрытиями.
2
1
Рис. 4. Зависимость коэффициента к от модуля Юнга резины для фракций единичных зерен
14
12
10
0
£
(U
& а
m
■крупное зерно (>4,0 мм) среднее зерно (2,7-4,0 мм)
о
80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100 Е, МПа Рис. 5. Взаимозависимость коэффициента к и модуля Юнга полимера (капролона) для фракций единичных зерен
Мгновенная сила в момент удара зерновки о лопасти зернометателя с резиновыми покрытиями будет намного меньше, при этом дробление частиц зерна уменьшится.
ЛИТЕРАТУРА
8
6
4
2
1. Шуханов, С.Н. Совершенствование рабочего процесса зернометателей и зернопогрузчиков : дис. ... докт. техн. наук / С.Н. Шуханов. - Улан-Удэ, 2012. - 285 с. - Текст: непосредственный.
2. Абидуев, А.А. Повышение эффективности фракционного разделения и очистки зерна на порционном метателе : дис. ... канд. техн. наук : 05.20.01 / А.А. Абидуев. - Улан-Удэ, 2004. - 166 с. - Текст: непосредственный.
3. Асатурян, А.В. Обоснование технологического процесса работы и параметров усовершенствованного ленточного метателя зерна: автореф. дис. канд. техн. наук / А.В. Асатурян. - Зерноград, 2016. - 21 с. - Текст: непосредственный.
4. Шабанов, Н.И. Теоретические исследования процесса взаимодействия зерновки с лопаткой ротора / Н.И. Шабанов, А.Ф. Бутенко. - Текст: непосредственный // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2004. - № 3. - С. 108-111.
5. Патент RU 2578918 B65G 31/04 Сепарирующий метатель сыпучих материалов / Цыбенов Ж.Б., Ямпилов С.С., Матуев А.А., Цыбенова Л.Г., Хандакова Г.Ж.:
патентообладатели: ФГОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологии и управлении»; заявка № 2015100908, заявл. 12.01.2015, опубл. 01.03.2016. - Текст: непосредственный.
6. Ямпилов, С.С. Исследование процесса разделения зернового материала в сепарирующем зернометателе / С.С. Ямпилов, Ж.Б. Цыбенов, А.О. Жигжитов [и др.]. - Текст: непосредственный // Вестник ВСГУТУ. - 2023. - № 2. - С. 57-64.
REFERENCES
1. Shukhanov, S.N. Improving the work process of grain throwers and grain loaders: Dis... doc. tech. Science. - Ulan-Ude, 2012. - 285 p.
2. Abiduev A.A. Increasing the efficiency of fractional separation and purification of grain on a portion thrower: Dis. ...cand. tech. Sciences: 05.20.01. - Ulan-Ude, 2004. -166 c.
3. Asaturyan A.V. Justification of the technological process of operation and parameters of an improved belt grain thrower. Abstract of dissertation. Ph.D. Sciences. - Zernograd, 2016. - 21 p.
4. Shabanov N.I., Butenko A.F. Theoretical studies of the process of interaction of the grain with the rotor blade. News from universities. - 2004. - No. 3. - pp. 108-111.
5. Patent RU 2578918 B65G 31/04 Separating thrower of bulk materials / Tsybenov Zh.B., Yampilov S.S., Matuev A.A., Tsybenova L.G., Khandakova G.Zh. Patent holders: Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "East Siberian State University of Technology and Management" - Application No. 2015100908, appl. 01/12/2015, publ. 03/01/2016.
6. Yampilov, S.S., Tsybenov Zh.B., Zhigzhitov A.O., Pashinova I.V., Gylykova S.Zh. Study of the process of separating grain material in a separating grain thrower // Bulletin of VSGUTU. - 2023. - No. 2. - pp. 57-64.
