CC BY
1Н.А. Урханов, д-р техн. наук, проф., академик МАН ВШ, e-mail: urhanov@ mail.ru Л.А. Мантуров, аспирант, e-mail: [email protected] А.А. Абидуев, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 631.662.34
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
РАБОТЫ ЗЕРНОМЕТАТЕЛЯ С ПРИЕМНО-ПИТАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ
В работе представлены результаты обоснования параметров повышения эффективности работы зернометателя с приемно-питающим устройством, обеспечивающим безударную центробежную подачу материала в лопастной барабан, расширение зоны подачи, улучшение условий заполнения ячеек зерном, формирования порции, метания, разделения и очистки зерна в воздухе.
Ключевые слова: зерно, метатель, зона, подача, траектория, очистка.
N.A. Urkhanov, Dr. Sc. Engineering, Prof., Academic L.A. Manturov, P.G.
A.A. Abiduev, Cand. Sc. Engineering
THE EFFICIENCY INCREASE PARAMETERS OF GRAIN THROWER WORK
The article presents the results ofjustification of efficiency increase parameters of a grainthrower work with the device providing unaccented centrifugal supply of material, expansion of giving zone, improvement offilling conditions of cells with grain, formation of a portion, a throwing, division and purification of grain in air.
Key words: grainthrower, giving zone, trajectory, cleaning.
Введение
Анализ обзора конструкции и материалов исследований зернометателей показывает, что они как наиболее простые и надежные в работе машины нашли широкое применение для послеуборочной обработки и очистки зерна на предприятиях и хозяйствах агропромышленного комплекса. В результате исследования в ВСГУТУ разработаны конструкции лопастных метателей зерна, которые защищены свидетельствами и патентами на изобретения и обеспечивают снижение травмирования и повышение эффективности обработки, фракционного разделения и очистки зерна в сравнении с производственным зернометателем ЗМ-60 [1]. Однако общим существенным недостатком зернометателей является подача исходного зерна в метатель самотеком в поле гравитационных сил, что создает условие удара на зерно вращающимися частями барабана и не обеспечивает достаточную зону поступления зерна в метатель и ограничивает дальнейшее повышение производительности и эффективности фракционного разделения и очистки зерна.
Целью работы является обоснование параметров повышения эффективности работы лопастного безременного зернометателя с приемно-питающим устройством при вертикальном расположении корпуса.
Результаты разработки и повышения эффективности работы зернометателя
Совершенствование безременного лопастного метателя начато с разработки конического приемно-питающего устройства при наклонном расположении корпуса. Подача исходного материала из бункера производилась на вершину вращающегося питающего конического диска для подачи по его поверхности к лопастям барабана [2]. Исследованием определены зоны подачи, движения материала к лопастям и заполнения ячеек, формирования порции и метания
зерна в воздух под углом ао=45°, обеспечивающего его разделение на фракции и очистку от примесей [3].
На основе анализа материалов исследования разработана конструкция безременного лопастного метателя с вертикальным расположением корпуса и шнеково-лопастным приемно-питающим устройством [4]. Метатель обеспечивает технологический процесс приема и центробежной подачи исходного материала в лопастной барабан, заполнение ячеек нужным количеством зерна, необходимой ориентации подвижной лопасти в процессе вращения, условий формирования порции материала в ячейке и его выгрузки в направлении метания зерна в воздух под углом ао=45° к горизонту (рис. 1 а). Реализация технологического процесса обеспечивает одинаковую начальную скорость Уо=14,4 м/с метания частиц порции материала при диаметре Дн=0,8 м и угловой скорости ю=36 с-1 вращения барабана. Каждая лопасть барабана состоит из неподвижной 1 и подвижной 2 частей, соединенных с помощью упругого шарнира под углом ^=30°. Подвижная лопасть 2 имеет на конце наклонную часть, образующую угол ^=150 к ней. Направляющая поверхность 4 метателя образует с торцом неподвижной лопасти зазор Н для прохода зерна в ячейки и на участке дуги АВ=45° расширяется. Это вызывает поворот подвижной лопасти на угол ^=30° к неподвижной и увеличение длины лопасти барабана на величину 5=0,029 м и Янл=0,429 м, что способствует увеличению скорости метания. Кроме того, поворот подвижной лопасти на участке АВ вызывает увеличение угловой скорости вращения лопасти до ю=40 с-1 и способствует ускорению формирования порции зерна в ячейке. В результате улучшается процесс заполнения и формирования порции материала в ячейке к моменту начала его выгрузки и метания зерна в воздух. При этом обеспечивается четкость выгрузки зерна в направлении метания при угле у=60° наклонной части подвижной лопасти к направляющей поверхности выпускного патрубка метателя. Начальная скорость Уо=14,4 м/с метания обеспечивает необходимую дальность отлета и фракционное разделение и очистку зерна от примесей.
а б
Рисунок 1 - Схема технологического процесса работы метателя и подачи зерна в метатель: а - схема технологического процесса работы метателя; б - схема действия сил на зерно
и его движения при подаче
После выгрузки зерна торец подвижной лопасти вращается по линии 5 между точками В и В' кромок отверстия выпускного патрубка. В кромке В' подвижная лопасть попадает на направляющую поверхность и отклоняется от неподвижной лопасти, заходит в зону приема исходного материала, поступающего из выпускного окна приемного цилиндра 6. После приема исходного зерна из бункера шнеком 7 его подача происходит радиальными лопастями 8 из цилиндра через выпускное окно. Верхняя кромка окна обозначена точкой С, а нижняя - Д. Они расположены соответственно в верхней и нижней части окружности цилиндра на 5° до и
79
после вертикального диаметра. Такая схема обеспечивает увеличение зоны подачи и поступления исходного материала на направляющую поверхность, улучшение условий заполнения ячеек зерном, формирования порции и метания зерна в воздух.
Для установки шнеково-лопастного питающего устройства в центральной части барабана конструктивно установлена величина его внутреннего диаметра Двн =0,44 м или радиус Rвн =0,22 м. При этом скорость вращения лопасти барабана по внутренней кромке Vвн =юх Rвн =36^0,22=7,92 м/с. При диаметре шнека Дш=0,2 м приняты значения внутреннего Двнп =0,22 м и наружнего Днп =0,36 м питающей лопасти и ее длина Lm=0,07 м. Частота вращения шнека и питающей лопасти составляет 96 об./мин, обеспечивает условия приема и центробежной подачи зерна в лопастной барабан. Скорость вращения питающей лопасти по наружней кромке V™ =1,98 м/с при скорости лопастного барабана по внутреннему диаметру V =7,92 м/с. При этом скорость удара по зерну при подаче составляет Vy =5,94 м/с и меньше почти в 2,0 и 1,5 раза, чем при подаче зерна самотеком, соответственно в барабаны ЗМ-60 и лопастного метателя, и обеспечивает устранение травмирования зерна.
Для определения зоны подачи и поступления исходного материала к лопастям лопастного барабана проведено исследование движения зерна по поверхности питающей лопасти. Верхняя граница зоны подачи определяется верхней крайней траекторией Тв движение зерна после схода с поверхности питающей лопасти при максимальной скорости Vx, определяемой по схеме действия сил (рис. 1 б). Максимальное значение скорости Vx будет в случае, если зерно начало движение по поверхности и закончило его в момент схода с лопасти в точке С верхней кромки выпускного окна приемного цилиндра. Уравнение движения зерна по лопасти имеет вид
тх = тш2 R(mgsiny + fmgcosy) , (1)
где m - масса зерна, кг; ю - угловая скорость вращения лопасти, с-1; f - коэффициент трения зерна о лопасти; у - угол расположения лопасти к вертикальному диаметру. После преобразований и интегрирования получено
vx = [w2R — g(siny + fcosy)]t + Сг. (2)
Принимая среднее значение радиуса лопасти R=0,15 м и при t0=0, C1=0, определено
х = [ш2 R— g(siny + fcosy)]0.5t2 + С2. (3)
При t0=0, x0=0 и С2=0. В момент подхода зерна движением по лопасти к кромке окна С приемного цилиндра или у=85°, подставив x=Lm=0,07 м, определяем время движения зерна по лопасти t=0,16 с. Определены Vx=0,745 м/с и у=54° поворота лопасти за время движения зерна по лопасти. Начальный угол у0=35°, при котором зерно начало движение по лопасти. Зерна, которые начнут движение по поверхности лопасти при у0>35°, будут остановлены стенкой приемного цилиндра или при у0<35° имеют меньшее значение максимальной скорости Vx. Их траектории в пространстве лопастного барабана будут проходить ниже крайней верхней траектории Tв движения или границы подачи зерна. Окружная скорость зерна в момент схода с
питающей лопасти Vк=ЮпRнп=1,98~2 м/с, а суммарная скорость Vc = + v^ = 2,2 м/с определяет направление начала траектории Тв. Закономерность изменения траектории движения зерна в лопастной барабан определяется в системе осей координат ОХУ уравнением:
С х = vtcos(d — v¡)
\у = vtsin(d — v¡)0,5gt где 0 - угол, отсчитываемый от вертикального диаметра, град.; х, у - текущие координаты; n=arctgP; P=Vx/Vk .
Нижняя граница зоны подачи определяется траекторией Тн. Она определена по схеме действия сил на зерно, в IV четверти окружности барабана (см. рис. 1 б). Уравнение движения зерна имеет вид
тх = mg. (5)
2 (4)
После преобразований и интегрирования определены скорость схода зерна с питающей лопасти рх = 4,93 м/с и направление траектории Тн, показывающей нижнюю границу зоны подачи зерна в нижней части окружности цилиндра. При этом промежуточные траектории Т; движения зерна в лопастной барабан метателя рассмотрены по схемам и расположены в пространстве, ограниченном крайними траекториями движения зерна Тв и Тн. В результате обоснования определена зона подачи материала через окно СД питающего цилиндра длиной дуги 3,3161 рад (190°) на участок МК направляющей поверхности длиной 2,3 рад (140°), этот участок обеспечивает заполнение ячеек зерном и формирование порций материала в них на участке КВ-2,2689 рад (130°), включающем участок АВ - 0,7854 рад (45°) для ускорения и завершения этого процесса к моменту начала метания зерна в воздух под углом ао=45° к горизонту.
Результаты исследования движения фракционного разделения и очистки зерна при метании в воздух метателем приведены в работе [5]. В данной работе рассмотрены изменения угла а между составляющими действующих сил в направлении осей ОХ и ОУ. Уравнение движения зерна по траектории (рис. 2) имеет вид
т^ = РИсоза — Исо5(а0 — а ) — Сз1п(а0 — а ), (6)
где Ри - центробежная сила метания, Н; К=<^р0,5У2 - аэродинамическая сила сопротивления движения зерна, Н; - коэффициент аэродинамического сопротивления; Б - площадь миде-лево сечения, м2; р - плотность воздуха, кг/м3; V - относительная скорость движения зерна в воздухе, м/с; О=ш§ - сила тяжести, Н; т - масса зерна, кг; а' - угол касательной и к траектории движения в точке расположения зерна.
Рисунок 2 - Схема действия сил на зерно при движении по траектории
Из уравнения (6) видно, что в точках А1, А2, Ап на восходящей траектории угол а;=ао-а' между составляющими сил уменьшается от 45° до 0, а на нисходящей а1=а+а1 увеличивается от 45° приблизительно до 83°. В соответствии с изменением угла а происходит изменение действующих сил и параметров движения, фракционного разделения и очистки зерна. При а =ао взаимодействие сил Ри и Я происходит в горизонтальном направлении, в котором действие силы О равно 0, прекращает сопротивление подъему зерна и на нисходящем участке траектории направлено в сторону действия силы Ри и опускания зерна. При этом большее значение коэффициента парусности при меньшей массе и прочих равных условиях влияет на уменьшение скорости движения и дальности отлета зерновок (татарская гречиха, овсюг). Зерна добротные, имеющие меньшее значение коэффициента аэродинамического сопротивле-
ния и большую индивидуальную массу, отлетают дальше, тем самым обеспечивается повышение эффективности фракционного разделения и очистки зерна от примесей на безременном метателе с приемно-питающим устройством [5].
Заключение
В результате обоснования параметров технологического процесса работы зернометателя с приемно-питающим устройством обеспечивается устранение травмирования, повышение эффективности фракционного разделения и очистки зерна от примесей, применение энергосберегающей технологии обработки и подготовки зернового материала продовольственного и семенного назначений.
Библиография
1. Урханов Н.А. Интенсификация послеуборочной обработки и очистки зерна от примесей по длине. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 1999. - 319 с.
2. Пат. 2250144 (РФ)/ МКИ, B071306, B65G31. Метатель сыпучих материалов / Урханов Н.А., Урханов В.Н., Озонов Г.Р., Абидуев А.А., Бужгеев А.С., Мотошкин М.М. // Заявители и патентообладатели ВСГУТУ и Н.А. Урханов. Заяв. 2003105450/03, 25.02.2003; опубл. 27.03.2004. - Бюл. № 11.
3. Абидуев А.А. Повышение эффективности фракционного разделения и очистки зерна на порционном метателе: автореф. дис. ... канд. тех. наук. - Улан-Удэ, 2004. - 22 с.
4. Пат. № 2555001 (РФ)/ МКИ, В07В06, B65G3 Метатель сыпучих материалов / Урханов Н.А., Урханов В.Н., Абидуев А.А., Мантуров Л.А. Заяв. 2014123848/03, 10.06.2014; опубл. 10.07.2015. - Бюл. № 19.
5. Урханов Н.А., Абидуев А.А., Мантуров Л.А. Результаты исследования зернометателя и повышение эффективности разделения и очистки зерна // Вестник ВСГУТУ. - Улан-Удэ, 2014. - № 3 (48). -С.43-47.
Bibliography
1. Urkhanov N.A. Intensification of post-harvest handling and cleaning of grain from impurities in length. - Ulan-Ude: ESSUTM Publ., 1999. - 319 p.
2. Pat. №2250144 (RF) / ICI, V071306, V65G31. Thrower of bulk materials / Urkhanov N.A., Urkhanov V.N., Ozonov G.R., Abiduev A.A., Buzhgeev A.S., Motoshkin M.M. // ESSUTM applicants and patentees and N.A.Urkhanov. Appl.: 2003105450/03, 25.02.2003. Publ. 27.03.2004. - Bull. N 11.
3. Abiduev A.A. The efficiency improvement of the fractional separation and purification of grain. Author's abstract of dis. ... cand. Tech. Sc. - Ulan-Ude, 2004. - 22 p.
4. Pat. №2555001 (RF) / ICI, V07V06, V65G3 / Thrower of bulk materials / Urkhanov N.A., Urkhanov V.N., Abiduev A.A., Manturov L A. Appl.: 2014123848/03, 06.10.2014. Publ. 07.10.2015. - Bull. N 19.
5. Urkhanov N.A., Abiduev A.A., Manturov L.A. The results of a grainthrower research and improving grain separation and purification efficiency // ESSUTM Publ. - Ulan-Ude, 2014. - N 3 (48). - P. 43-47.
