Обоснование технологической надежности охладителей зерна аэродинамического типа Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

УДК 664.723.047

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ОХЛАДИТЕЛЕЙ ЗЕРНА АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ТИПА

Михаил Станиславович Волхонов1, д. техн. н., профессор Игорь Борисович Зимин , к. техн. н., доцент Дмитрий Михайлович Кузнецов2, магистрант

1 ФГБОУ ВО «Костромская государственная сельскохозяйственная академия», Россия, Костромская область, п. Караваево

ФГБОУ ВО «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия», Россия, г. Великие Луки

Надежность - свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Выполнение требуемых функций применительно к аэродинамическим устройствам - их способность сохранять входные характеристики вентилятора и, соответственно, воздухораспределительного и транспортного каналов на установленном режиме в течение определенного времени.

В настоящее время перспективным направлением применения аэродинамических устройств в системе линий по послеуборочной обработке зерна является использование аэродинамических транспортеров в качестве охладительных устройств, работающих совместно с зерносушильными агрегатами. Определяющим положительным фактором в этом отношении является многофункциональность аэродинамических транспортеров, то есть их способность совмещать сразу несколько операций на одном рабочем органе (например, охлаждение зерна одновременно с его транспортированием).

С целью совершенствования рабочего процесса охладителя зерна аэродинамического типа предлагается использовать криволинейную форму грузонесущей поверхности транспортного канала. Криволинейная форма достигается путем применения газораспределительной решетки, собранной не из плоских, а из изогнутых по окружности лопаток-жалюзи. При этом форма поперечного профиля лопатки-жалюзи решетки должна быть такой, чтобы все участки криволинейной поверхности лопатки-жалюзи при удержании зернового материала были равноценны. В этих условиях радиус изгиба лопатки-жалюзи должен иметь не постоянную, а переменную величину.

Теоретические исследования по определению рациональной формы грузонесущей поверхности газораспределительной решетки показали, что форма криволинейной поверхности лопатки-жалюзи газораспределительной решетки может быть описана уравнением логарифмической спирали. Это позволит в конечном итоге обеспечить: исключение застойных зон и сведение к минимуму вредных сопротивлений у боковин транспортного канала при транспортировании и охлаждении зерна; интенсификацию тепло-массообменных процессов при охлаждении зерна за счет воздействия воздушного потока на зерновую массу не только снизу, но и с боковых сторон, что способствует наилучшему перемешиванию охлаждаемого зернового слоя.

Ключевые слова: надежность, аэродинамический охладитель, зерно, газораспределительная решетка, криволинейная поверхность лопатки-жалюзи.

Согласно ГОСТ 27.002-2015, надежность - это свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования [2]. Выполнение требуемых функций применительно к аэродинамическим устройствам - это их способность сохранять входные характеристики вентилятора и, соответственно, воздухораспределительного и транспортного каналов на установленном режиме в течение определенного времени. Исследованиями профессора Е.М. Зимина доказано, что, например, при оголении грузонесу-щей перегородки на 25-35% стабильность подачи материала падает на 50-70% [3].

В настоящее время перспективным направлением применения аэродинамических устройств в системе линий по послеуборочной обработке зерна является использование аэродинамических транспортеров в качестве охладительных устройств, работающих совместно с зерносушильными агрегатами. Определяющим положительным фактором в этом отношении является многофункциональность аэродинамических транспортеров, т.е. их способность совмещать сразу несколько операций на одном рабочем органе [1, 4-6].

Принцип действия аэродинамического охладителя просушенного зерна довольно прост. Воздушный поток, создаваемый вентилятором, подается в нагнетательный канал 1, а затем в щели газораспределительной решетки 3. Одновременно с этим зерновая масса из накопи-

тельного бункера поступает через загрузочную горловину 2 и под действием воздушного потока транспортируется по пластинам газораспределительной решетки 3 транспортного канала 4 на дальнейшую обработку. В едином технологическом процессе одновременно с транспортированием зерна осуществляется и его охлаждение.

Одним из наиболее ответственных узлов охладителя зерна аэродинамического типа является газораспределительная решетка, которая состоит из отдельных пластин (лопаток-жалюзи), уложенных под определенным углом к горизонту. Наши наблюдения за работой плоских жалюзийных газораспределительных решеток показали, что при определенных режимах работы аэродинамического охладителя в непосредственной близости от стенок транспортного канала образуются застойные зоны, которые способствуют забиванию рабочих участков аэродинамического транспортера и препятствуют перемещению зерновок по поверхности газораспределительной решетки.

На основании анализа различных конструктивных решений гру-зонесущих перегородок [3], а также с целью предотвращения отмеченных недостатков и совершенствования рабочего процесса охладителя зерна аэродинамического типа нами предлагается использовать криволинейную форму грузонесущей поверхности транспортного канала. Криволинейная форма достигается путем применения газораспределительной решетки, собранной не из плоских, а из изогнутых по окружности лопаток-жалюзи.

а - с плоской грузонесущей поверхностью; б - с вогнутой (криволинейной) грузонесущей поверхностью Рисунок 1 - Варианты конструктивного исполнения транспортного канала аэродинамического охладителя зерна после сушки

Как видно из рисунка 1б, в транспортном канале с изогнутыми лопатками-жалюзи роль боковых стенок выполняет непосредственно сама газораспределительная решетка. При этом принципиальное отличие заключается в том, что вся контактная поверхность транспортного канала с материалом является активной, поскольку воздушный поток выходит из криволинейной щели, охватывая перемещаемый материал с боковых сторон и снизу. Боковые изогнутые стенки транспортного канала с одновременным воздействием воздушного потока способствуют смещению материала к центральной части транспортного канала.

Принимая во внимание отмеченные преимущества, на этапе дальнейших исследований представляет интерес создание теоретических предпосылок, позволяющих обоснованно подойти к определению геометрических параметров усовершен-

ствованной грузонесущей поверхности транспортного канала, с учетом конструктивных особенностей охладителя зерна аэродинамического типа и свойств перемещаемой и охлаждаемой зерновой массы.

Подача (О, кг/с) зернового материала вдоль выпрямленной лопатки длиной 7гЯ0 может быть определена по формуле [7]:

G = З^Р

м' м

(1)

где Б - площадь поперечного сечения щели газораспределительной решетки, м2;

vм - скорость смещения зернового материала вдоль грузонесущей поверхности газораспределительной решетки, м/с;

рм - плотность зернового материала, кг/м3.

Для достижения наилучшего технологического эффекта, в случае

изготовления лопаток-жалюзи криволинейной формы, необходимо, чтобы каждая воздухоподводящая щель газораспределительной решетки имела высоту (Ищ), изменяющуюся в пределах от Ьщ=0 у верхних кромок транспортного канала до Ищ= Ищтах в нижней части транспортного канала (например, для пшеницы Ищтах=3 мм).

Площадь поперечного сечения (Б, м2), с точки зрения технологических параметров, можно выразить из формулы (1):

а

-, (2)

»мРм

5 =

С другой стороны, принимая во внимание конструктивные параметры газораспределительной решетки, величину Б можно определить по формуле:

лКК

о щ

2

(3)

где Я0 - радиус изгиба лопатки-жалюзи газораспределительной решетки, м;

- высота щели газораспределительной решетки, м.

При минимальной высоте слоя зернового материала, равной = ^ • Ща (где \ - шаг щелей газораспределительной решетки, м; а - угол наклона лопатки-жалюзи к горизонту, град.), заданная подача (О) аэродинамического охладителя зерна после сушки обеспечивается возрастанием скорости смещения (им) зернового материала.

Таким образом, приравнивая правые части выражений (2) и (3),

после преобразований получим формулу для определения радиуса изгиба лопатки-жалюзи газораспределительной решетки:

2С

--(4)

л»м*Рм*8а

=

Для исключения прорывов воздуха через щели газораспределительной решетки и наиболее полного взаимодействия зерновой массы необходимо, чтобы зерновой материал, расположенный по ширине криволинейной (вогнутой) поверхности лопатки-жалюзи, не соскальзывал к центральной осевой линии транспортного канала аэродинамического охладителя зерна после сушки. Для выполнения отмеченного условия весьма важно, чтобы угол между касательной к окружности радиуса изгиба лопаток-жалюзи и горизонталью находился в пределах угла (ф) трения скольжения зернового материала (рисунок 2). Таким образом, делаем вывод, что форма поперечного профиля лопатки-жалюзи решетки должна быть такой, чтобы все участки криволинейной поверхности лопатки-жалюзи при удержании зернового материала были равноценны. В этих условиях радиус изгиба лопатки-жалюзи должен иметь не постоянную, а переменную величину, изменяющуюся от Я0 до

Rmax [3]-

На основании изложенного, представляет интерес получение зависимости, описывающей форму криволинейной поверхности, в случае изготовления лопатки-жалюзи с переменным радиусом изгиба.

_

Примем Ro за начальный радиус изгиба лопатки-жалюзи. Предположим, что в полярных координатах угол в (рисунок 2) изменяется в пределах 80<8 < ^, а радиус R изменяется в диапазоне от Ro до Rmax. Пусть положение частицы зернового материала, находящейся в точке А, определяется координатами R и в. Другая частица, весьма близкая к первой, лежит в точке В и имеет координаты R1 и в 1 (в1=в+Ав). Очевидно, чтобы частица из точки B сдвинулась в точку А, ей необходимо преодолеть силу сопротивления, при этом, если она находилась бы в точке С, то вероятность скатывания была бы увеличена. Таким образом, угол между нормалью пп и радиусом R1=R+АR должен находиться в пределах угла трения.

Принимая во внимание указанные выше допущения, в беско-

нечно малом треугольнике ВАС (рисунок 2) угол ф будет соответствовать углу трения скольжения зернового материала по стали.

Пренебрегая малыми величинами высших порядков, из треугольника АВС определяем катет:

ВС = АС ■ Щф

(5)

На основании рисунка 2: ВС=АR, АС=RАв. В этом случае выражение (5) можно преобразовать в виде:

АЯ = ЯАВщф (6)

Запишем выражение (6) в дифференциальной форме: (Я = Ж&щф (7)

(Я (в

= ЯЩф

(8)

Рисунок 2 - К определению формы криволинейной поверхности лопаток-жалюзи газораспределительной решетки (грузонесущей перегородки)

Проинтегрируем выражение

R

J ^ = Jtgçds

ln R

Rmax

R„

= tgçs

n/ 2

ln| Rmaxl - ln| Rj = tgÇ

С TT \

n

n -£o

(9)

(10)

(11)

Принимая во внимание свойство логарифмов, получим:

ln

R

R„

tgV

i TT Л

n 2-S'

V

R Щ --£„

max _ £ V 2

R ~

Отсюда:

(12)

(13)

Rmax = R-*

, n

tgV\ ~-£o

(14)

Выражение (14) позволяет сделать вывод, что форма криволинейной поверхности лопатки-жалюзи может быть описана уравнением логарифмической спирали.

С учетом формулы (4) получим выражение для определения формы грузонесущей поверхности транспортного канала аэродинамического охладителя зерна после сушки:

=

2Gi

, n

KPutvJga

(15)

Теоретическое обоснование рациональной формы поверхности грузонесущего органа аэродинамического охладителя зерна после сушки позволило обеспечить обоснованный подход к разработке этого ответственного узла с позиции технологической надежности рассматриваемого нами агрегата (рисунок 3).

R

£

o

o

£

o

Рисунок 3 - Секция грузонесущей перегородки аэродинамического охладителя зерновой массы, собранная из лопаток-жалюзи точечной сваркой по кромкам

и выступам

В результате монтажа грузо-несущей перегородки с криволинейной грузонесущей поверхностью в конструктивную схему аэродинамического охладителя зерна после сушки появляется возможность реализовать следующие очевидные преимущества предлагаемого нами технического решения: - исключение застойных зон и сведение к минимуму вредных со-

противлений у боковин транспортного канала при транспортировании и охлаждении зерна; - интенсификация тепло -

массообменных процессов при охлаждении зерна за счет воздействия воздушного потока на зерновую массу не только снизу, но и с боковых сторон, что способствует наилучшему перемешиванию охлаждаемого зернового слоя.

Библиографический список

1. Волхонов М.С. Повышение эффективности сушки и охлаждения зерна на базе установок активного вентилирования: монография / М.С. Волхонов, И.Б. Зимин. - Караваево: Костромская ГСХА, 2014. - 164 с.

2. ГОСТ 27.002-2015 Надежность в технике. Термины и определения. - Введ. 2017-03-01.- М.: Стандартинформ, 2016. - 28 c.

3. Зимин Е.М. Пневмотранспортные установки для вентилирования, транспортирования и сушки зерна (конструкция, теория и расчет) / Е.М. Зимин. - Кострома: КГСХА, 2000. -215 с.

4. Зимин Е.М. Повышение эффективности функционирования охладителей зерна аэродинамического типа путем совершенствования конструктивных параметров грузонесущей поверхности транспортного канала / Е.М. Зимин, М.С. Волхонов, И.Б. Зимин // Роль молодых ученых в развитии науки: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Великие Луки, 2007. - С.212-214.

5. Зимин И.Б. Перспективы развития и применения установок аэрожелобного типа в системе линий по послеуборочной обработке зерна / И.Б. Зимин, Н.М. Зимина // Проблемы инновационного развития АПК: материалы Междунар. науч.-практ. экологической конф. - Великие Луки: РИО ВГСХА, 2017. - С.124-128.

6. Зимин И.Б. Повышение эффективности охлаждения фуражного зерна после сушки / И.Б. Зимин, М.Б. Тельпук // Вклад молодых ученых в развитие науки: сб. материалов V Междунар. науч.-практ. конф. - Великие Луки: РИО ВГСХА, 2010. - С.184-187.

7. Зимин И.Б. Теоретическое и экспериментальное обоснование рациональной формы грузонесущей поверхности транспортного канала аэродинамического выгрузного рабочего органа-охладителя зерна после сушки / И.Б. Зимин // Роль шститутш освгги та науки у фор-муванш iнновацiйноi культури сусптьства / зб. наук. пращь / наук. ред. В.С. Лукач. - Нжин: ПП Лисенко М.М., 2013. - С.20-25.

E-mail: [email protected]

182112 Псковская область, г. Великие Луки, пр. Ленина д. 2, ФГБОУ ВО Великолукская ГСХА

Тел.: +7 (81153) 7-16-22