Параметрическая оптимизация отделения зерноочистительных универсальных агрегатов с использованием трехрешетных модулей очистки Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

г

(14)

(15)

^щающего

грический

скорости

Нной САР (проводом fb к внеш-утренним ІЄМ вели-противле-іриведен-ханизма, ^ктора и

Полиин-іания угло-, Пищевая

шнеков на я техноло-

.П. Интен-[)узионных

ззация по фуг с уче-н-та, 1975.

шривод / зов, С.Ю. 09.09.87;

гропривод

5аба, С.В. 14686/07;

•во управ-іруго святом инер-ров, А.Й. 05.07.89;

ропривод ■ров, С.В. 07; Заяв.

ропривод ров, С.В. 07. Заяв.

631.362.001.573

ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ОТДЕЛЕНИЯ ОЧИСТКИ ЗЕРНООЧИСТИТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ТРЕХРЕШЕТНЫХ МОДУЛЕЙ

Ю.И. ЕРМОЛЬЕВ, И.Ю. ЕРМОЛЬЕВА

Донской государственный технический университет

Для проведения многомерного анализа и параметрического синтеза на ЭВМ функциональных схем зерноочистительных агрегатов для очистки зерна продовольственного назначения были использованы методы математического моделирования и результаты исследований [1-3].

Основываясь на обобщенной математической модели системы частных технологических операций, выполняемых в отделении очистки, формирующих в общем виде матрицу А = j | Qic, bic | | независимых путей графовой модели G(x, k)), запишем модель функционирования в общем виде с частичным раскрытием аналитических конструкций ее функционалов.

Входное воздействие на систему операций в разных структурах определялось вектором ?, независимые аргументы которого в вероятностно-статистическом смысле случайные величины:

Г = {Q, a, W, у, Mbj, Gbj, fQ (В), О)

Функционирование системы обеспечивается вектором А управляющих факторов:

* - <Ва1, hTd, VH, blt hin), ap Bit n, R, T„

и в, C, K(x), Тші, Troi, nTi, T6(x)}.

(2)

Q, W, y, a.j — подача зернового материала, его влажность, объемная плотность и содержание в нем ;-х компонентов;

Мь„ Gbj — математическое ожидание и среднее квадратичное отклонение размера признака отделения /-го компонента;

fq(B) — плотность распределения подачи зернового материала по ширине В г-го решета; f(Lt )— закономерности поступления зернового материала на г-е решето;

Bjи . К — ширина и глубина г-го пневмоканала сепаратора;

Vbi , /у(Вш.)-средняя скорость воздушного потока и плотность его распределения по ширине Bai г-х пневмоканалов; fin) — способ ввода зернового материала в 2-й пневмоканал;

Ттк1, Тп1 — рабочая площадь кукольных и ов-сюжных триерных цилиндров;

пи — частота вращения /-го триерного цилиндра;

Т6(х) — функциональная схема триерных блоков.

Плотность распределения /0(В;) случайной величины (} по ширине В( г'-го сепаратора зависит от большого числа факторов [4-6]. Согласно гипотезе [4-6] об аддитивности процесса сепарации на р-х (по ширине сепаратора) участках (р = 1, 2, 3, ..., е), подача (Эр зернового материала на р-й участок

Qr-B.lpar,

(3)

где К = В/е;

Рдр — вероятность попадания случайной величины 0 на р-й участок.

Установлено [7], что для существующих конструкций приемных отделений зерноочистительных машин

ф*

(mQ+P)-m

2 Qp Ф (mQ+e)~m0 + Ф (mQ+d)-mQ\

(1) Gq &Q

-Ф

где Ф*(@)

-2 Ф(0)

(4)

функция распределения для нормально распределенной непрерывной случайной величины 0 с параметрами лід = 0, = 1;

0(2 — среднее квадратичное отклонение случайной величины, распределенной по закону [д(В).

Выходные характеристики рассматриваемой системы определяются вектором В:

2 = {£, Е,£а/, апс, Ь,, 6с, Ьш, а,, а4, <?ф, Оон, <?„}, (5)

где Е, Е —- критерии эффективности выполнения процесса очистки зерна и сепарации [8];

ек. — полнота выхода /-го компонента зернового материала в очищенное зерно;

а| — массовая доля выхода семян зерна в отходы и во второй сорт;

ач — массовая доля выхода очищенного в агрегате зерна; йпо, Ь,, 6с, Ью —чистота очищенного зерна, содержание в нем 1-х компонентов, сорных и зерновых примесей;

(?ф! Я , — фуражные и неиспользованные отходы;

Ос — производительность агрегата.

Математическая модель процесса функционирования отделения очистки зерноочистительного агрегата в общем виде:

Е = {Р0, А0, <36[Кь(х):, Т6(х); М6(х)]}, (6)

Е -* тах;

А0 С Ра С ~Р\ х 6 С(х, к). Ограничения:

Ь<[Ь,\; Ьв^[Ьт]; апо>[апо]; 1 - е*/ зерна<[бз;].

Здесь С}6[К6(х); Тб(х); М6(х) — функционал, определяющий полноту реализации задаваемого технологического процесса Т6(х) в зависимости от применения К6(х) функциональной схемы в отделении очистки агрегата и функциональной схемы МЛх) машины предварительной очистки зерна

МПО.

При описании функционала Об[К6(х); Тб(х); Мб{х)], используя методы декомпозиции, выделили модель подсистем: решетных модулей, МПО зерна

и триерного блока.

Входное воздействие на рассматриваемые подсистемы решетных модулей определялось вектором г, независимые аргументы которого в вероятностно-статистическом смысле случайные величины:

? = Ш, а,, Г, у, Мщ, сьг ЦВ), /(/,)}. (7)

Активные средства выражались вектором X.

1 - {а,, р., И,, пг 7\, I, Вг, Ъ„ с, К^х)), (8)

ГДе Д;)

п1 ■— углы наклона г-х решет к горизонту, направленность амплитуды и частоты их колебаний;

Т. — тип /-го решетного сепаратора;

В;, Ъ1 — длина, ширина и рабочий размер /-го решета; с —- количество решет в модуле;

МЬ/., Сщ — статистические характеристики размера / признака разделения /-го компонента на решете.

Для этих условий функциональная математическая модель решетного модуля

Еи - {^, А, Кц(х), ещ]} ■* тах, (9)

Р С Р, А С х Е С(х, к).

Ограничения:

Ь<[Ье]; Ьт<[Ьт]; ап>{ат\, 1 - ещ й/бз;] ,

где Ер — полнота выделения из зернового материала всех отделяемых компонентов;

— функционал, показывающий полноту выхода /-го компонента в очищенное зерно Ек) и в зависимости от К^(х).

Показатели функционирования К^-х систем определились вектором Вр аргументы которого в вероятностно-статистическом смысле случайные величины:

§={£, Е,екг V?, Ьр Ьвз, Ьс, б31, <?ф, 0ОН, £0, ец(1), ёгц/(И, УпЦ(1), уП[(0, уц{1), Ьы.{1), апо;, Ьц, У, V(10) где б3<- — потери зерна сходом или проходом на /-м решете;

Фф, $он, <30 — выходы фуражных фракций, неиспользуемых отходов и очищенного зерна;

йе,../(11 — полнота и интенсивность просеивания /-го компонента по длине г-го решета;

уп11(1) — проход под г'-е решето по длине I /-го компонента и всей фракции с г-го решета длиной I;

Уц{1), уп/%0 — сход /то компонента и всей фракции с !-го решета длиной /;

Ьп^(1), &,//) — содержание /-го компонента в зерновом материале, просеявшемся или сошедшем с г-го решета длиной I;

аш, Ь.. — чистота и содержание /-го компонента в зерновой фракции, очищенной 2-м решетом;

Уц — относительная скорость движения центра масс /-х компонентов зернового материала по /-му решету.

При моделировании приняты допущения: частные операции, выполняемые в решетных модулях, квазистатичны, исходный зерновой материал рассматривается как ансамбль /-х компонентов а„ равномерно распределенных в зерновом материале с усредненными дискретными значениями его влажности V? и плотности у, постоянными оценочными величинами матожидания размерных показателей Ьп Сь/ /-х компонентов зернового материала, плотностью [д(В) подачи Ц по ширине В сепараторов.

Для описания процессов сепарации зерновых материалов на отдельных решетах (базовых сепараторах) использованы статистические уравнения регрессии вида

Ч = ^ а.., Мы/, Сьр /(В), ащ,

Т, I, Ь{, В., (11)

описывающие полноту просеивания ег. /-го компонента зернового материала через 2-й базовый сепаратор решетного модуля [7].

Для описания функционала (X при рассмотрении подсистемы МПО по типу МПО-100 построена математическая модель с входными воздействиями, описываемыми вектором К2, независимые аргументы которого в вероятностно-статистическом смысле случайные величины:

?2 = ш2, Яу2, р, /, М,,г ЦВ), ЦВ)}. (12)

Управляющие факторы определены вектором А2:

12 = К, к, л, «л, й6, Ув, 1/, в, Рк, [Зщ, с}, (13) где Аь, /гл, Л,

ад — внутренний диаметр битера, количество и высота его лопаток, угол наклона их к радиальной линии; п6 — частота вращения битера;

/?щ — угол установки направляющего щитка к продольной оси пневмоканала;

Ув — средняя скорость воздушного потока в зоне ввода зернового материала в пневмоканал;

— форма пневмоканала;

Л1У/ — математическое ожидание скоростей витания /-го компонента зернового материала;

ПР1

гичеср

пневм

НОГО 1

ансам ретны ными Пр1 тельн] зерно: ров в чить ]

Н0В0Г'

териз; подач измер плотн фуни веннс ях по возду Дя извес параи выxo^ фрак! опред

где V

Дл

т

пото^

ЦИИ ^ щени вели' ра, в< на уч т + выра:

ть просеи-| длине г'-го

ю длине I фракции с

1сей фрак-

I /;

нта в зер-еявшемся

|та длиной

[ГО компании, очи-

движения ТОВ зерно-гшету. шя: част-модулях, риал рас-ентов а., итериале яями его и оценочных пока-материа-ирине В

зерновых зых сепа-)авнения

К

(И)

'О компонуй сепа-

.ссмотре-зстроена ействия-шые ар-■ическом

I)}. (12) ектором

(13)

а, коли-

ж, угол инии;

яющего

евмока-

го гтото-:атериа-

скоро-[та зер-

С — минимальный выходной зазор между внешними концами лопаток и направляющим щитком;

V —- средняя скорость подачи зернового материала на лопастной битер.

При моделировании рассматриваемой технологической операции приняты допущения: операция пневмосепарации рассмотрена как статика сложного процесса, исходный зерновой материал как ансамбль /-х компонентов с усредненными дискретными значениями /, их содержания и постоянными оценочными значениями влажности Ш.

Приемные камеры современных зерноочистительных машин с активными распределителями зернового материала по ширине пневмосепараторов в виде шнековых конвейеров не могут обеспечить высокого уровня равномерности подачи зернового материала по ширине пневмоканала, характеризуемого плотностью распределения ](В) его подачи О по ширине В пневмоканала. С учетом измерений неравномерности воздушного потока с плотностью его распределения [¥(В) показатели функционирования пневмоканала могут существенно меняться при одинаковых средних значениях подачи О зернового материала и скорости Ув воздушного потока в канале.

Для учета этих неравномерностей использована известная гипотеза об аддитивности процесса сепарации на р-х участках (р = 1,2, ..., г), полнота выхода /-го компонента Ец в очищенную зерновую фракцию при известных ПЛОТНОСТЯХ [д(В) и определится из выражения:

е*Г~

0—1

(14)

где Ур —

средняя скорость воздушного потока на к-й ширине р-то участка пневмосепаратора;

| Д, (В)сN />=1______

и дав

(15)

Рур — вероятность попадания скорости воздушного потока величиной V на р-й участок ширины пневмосепаратора.

Для условий плотностей распределения подач /д(В) зернового материала и скорости воздушного потока /у(В) по ширине сепараторов в виде функции нормального распределения, при условии смещения математических ожидании тд и ту на величину С по ширине В пневхмоканала сепаратора, вероятность попадания случайной величины V на участок ширины пневмоканала от т + (/— 1) до т + I (1 ~ 1, 2, 3, ..., е, .... й) определится из выражения:

(ту+1-с)~

ф'

руг-

Ф

-т.

С,

'гПу+(е-с)]-~ту

-ф

+ Ф

[ту+{й+с^-ту

(16)

-2Ф(0)

Знак величины С определится расположением матожидания т на оси В по отношению к ту: вправо от Шу — знак +, влево — знак —, Бу — среднее квадратичное отклонение случайной величины V с плотностью вероятности ?у(в).

Построена математическая модель подсистемы — триерный блок по типу ЗАВ-10.90000А:

?3 = {С}, ар №}, (17)

X = {О, Р, я„ й),

где О — диаметр триерных цилиндров с площадью рабочей поверхности; 11. — диаметры ячеек овсюжных и кукольных триерных цилиндров; п1 — частота вращения триерных цилиндров.

Разработанные математические модели процессов сепарации зернового материала в рассматриваемых структурах отделений очистки позволили построить алгоритмы и программы для ЭВМ, дающие возможность проводить многомерный анализ, параметрический синтез базовых сепараторов и оценку основных показателей функционирования отделений очистки агрегатов при задаваемых уровнях варьирования аргументов входных и управляющих векторов.

Учитывая нелинейность математических моделей, наличие ограничений, описываемых нелинейными функциями, а также отсутствие уверенности в наличии унимодальности функций, входящих в модели, в качестве метода нелинейного программирования использован метод сканирования с ограничениями [9].

Используя разработанную математическую модель процессов функционирования отделений очи-

Рис. 1

Рис. 2

стки зерноочистительных агрегатов для найденных схем (рис. 1, 2) и известные методы многомерного анализа и синтеза, ставили задачу провести синтез параметров основных сепараторов, входящих в рассматриваемые отделения очистки агрегатов.

С учетом потребности в современных зерноочистительных агрегатах производительностью 50 и 100 т/ч и необходимости наличия отделения приема временного хранения зерна в качестве машины предварительной очистки зерна использовали МПО-ЮО, прошедшую государственные испытания и рекомендованную к производству. МПО-ЮО оснащена рабочими сепараторами, способными качественно выполнять две частные технологические операции: пневмосепарацию зернового материала с битерным устройством для ввода зернового материала [10] и скельператор для выделения грубых примесей.

В качестве сепараторов, выполняющих частные технологические операции, использованы решетные сепараторы, триерные цилиндры современного триерного блока ЗАВ-10.90000А.

Универсальные трехрешетные модули при различном соединении своих поддонов внутри решетных станов с триерными цилиндрами и секциями отходов и очищенного зерна могут образовывать различные функциональные схемы очистки зернового материала, представленные на рис. 1,2:/ — приемное отделение МПО; 2 — транспортер-сепаратор; 3 — устройство для активного ввода зернового материала в пневмоканал; 4, 5 — отстойная камера; 6 — шнек вывода легкой фракции в МПО; 7, 8, 9 — подсевное, фракционное решето для выделения крупных примесей; 10, 11, 12 — бункера сорных фуражных отходов и очищенного зерна; 13, 14 — овсюжные и кукольные триерные цилиндры; 15 — исходный зерновой материал; 16, 19 -— грубые и легкие примеси; 18 — очищенное в МПО зерно; 20 — подсевная фракция; 21, 26 — промежуточные фракции; 22 — сходная с решетных модулей фракция; 23 — зерно, очищенное в решетных модулях; 25, 27 — зерновые отходы; 28

— зерно, очищенное в триерном блоке.

Использование высокопроизводительной машины МПО-100 в отделении очистки агрегата производительностью 50 т/ч предусматривало возможность совмещения одной машиной двух функций: нормализацию зернового материала, выделение из него легкой и грубой сорной примесей и подачу очищенного зерна (фракция 18) на решетные модули, а другой части — в бункера временного хранения отделения приема.

Для агрегатов производительностью 100 т/ч МПО-100 обеспечивает подготовку зернового материала для последующей доочистки на четырехярус-ных трехрешетных модулях и триерных блоках, при этом отделение приема снабжено другой машиной МПО-100.

На основе разработанных нами микромоделей, описывающих пневмосепарацию, исследовали процессы сепарации зернового материала на подсевных и зерновых решетах и проводили анализ показателей функционирования отделения очист-

ки зерна продовольственного назначения производительностью 50 (100) т/ч.

Полнота выделения отдельных компонентов из исходного зернового материала следующая: мелкие сорные примеси — 52,603; полова — 92,541; дробленая солома — 32,84; крупные сорные примеси — 33,801; овсюг — 11,044%.

Изменение влажности зернового исходного материала влечет за собой изменение параметров аргументов вектора А управляющих воздействий, но почти не отражается на основных показателях функционирования МПО-ЮО. Например, при влажности исходного зернового материала 26% и подаче 27 кг/с (97,2 т/ч) очищенное зерно имеет чистоту 93,016%, содержит сорных примесей 3,303%, полнота выделения последних — 33,048%, потери зерна в неиспользованные отходы

— 0,0086% (< 0,05 по агротребованиям). При этом полнота выделения из зернового материала мелких сорных примесей — 28,603, половы — 88,362, крупных сорных примесей — 26,685, овсюга — 7,864%.

Полученные результаты указывают на достаточную устойчивость функционирования пневмосепаратора МПО-100 при широкой вариации подач и влажности исходного зернового материала. Используя методы имитационного моделирования на ЭВМ ЕС 1045, определили основные показатели функционирования отделений очистки агрегатов, работающих по различным фракционным схемам (рис. 1, 2), для выбранных технологических характеристик исходного зернового материала.

Зависимости полноты выделения компонентов ев/. в отделение очистки агрегата чистоты зерна апо, содержания в нем сорных и зерновых Ьт приме-

Рис. 3

к

и

П

%

сей от ления 2-т Вы агрош ствен его П1 выход тельн го по (81 т, зерна Огра? служ! При выде; очист сорнь 79,14 леног 24,79 сорнь нота ных соотв работ № 2 агроп Неск» риал! то ре

I произво-

нентов из щая: мел-- 92,541; шые при-

дного ма-фаметров действий, казателях лер, при 1а 26% и «о имеет тримесей цних — 1е отходы ш). При атериала шовы — ,685, ов-

^остаточ-вмосепа-подач и ала, Истин на казатели регатов,

: схемам :х харак-

онентов

:Рна «ПС 5 приме-

ч

15:

I

I

Я /ё 31 » Л '4,0

Рис. 4

сей от подачи С) и схемы функционирования отделения очистки (1 — воздушнорешетная машина,

2 — триерный блок) представлены на рис. 3-5.

Выявлено, что для условий ограничений на агропоказатели процесса очистки зерна продовольственного назначения Ьсо < 1,0%, Ьпзо < 2,0%, его потери в неиспользованные отходы д3, £ 0,5, выход в фуражные отходы < 2,0%. Производительность отделения очистки агрегата, работающего по фракционной схеме № 1 (рис. 1), 22,5 кг/с (81 т/ч), потери зерна в отходы 0,666% (проход зерна через первое решето решетного модуля). Ограничением на увеличение производительности служит выполнение агропоказателя Ьто < 2,0%. При этой производительности агрегата полнота выделения из зернового материала в его отделение очистки соломистых примесей — 84,893, крупных сорных примесей — 94,260, зерновых примесей — 79,149, мелких сорных примесей — 94,114, дробленого зерна пшеницы — 10,497, овсюга — 24,797% (рис. 4). В очищенном зерне содержится сорных примесей 0,384, зерновых — 1,399%. Полнота выделения из зернового материала всех сорных и зерновых примесей — 92,009 и 71,521% соответственно. Производительность агрегата при работе отделения очистки по фракционной схеме № 2 (рис. 2) также определялась выполнением агропоказателя Ьвзо < 2% — 22,5 кг/с (81,0 т/ч). Несколько лучше выделяются из зернового материала примеси, проход которых через третье решето решетного модуля засоряет очищенное зерно:

дробленая солома 98,468, крупные сорные примеси 93,015, овсюг 26,713%. Чистота очищенного зерна ■— 98,243, содержание в нем сорных и зерновых примесей — 0,377 и 1,380% соответственно.

Анализ графиков (рис. 3-5) показывает устойчивое функционирование отделения очистки агрегата по схеме № 2 при подаче зернового материала до 29 кг/с (104,4 т/ч). Дальнейший рост подачи перегружает триерные блоки, увеличивая потери зерна в фуражные отходы.Вместе с тем, компоновка в агрегате ЗАВ-40 схемы из одной машины типа МПО-ЮО, одного четырехярусного трехрешетного модуля и одного триерного блока ЗАВ-!0.90000А обеспечит устойчивое функционирование отделения очистки с производительностью 40,5 т/ч. При этом использование схемы № 1 (рис. 1) рационально при содержании в исходном зерновом материале крупных примесей, попадание которых в фуражные отходы нежелательно. Отсутствие последних в исходном зерновом материале, а также содержание в нем дробленой соломы или овсюга свидетельствует о целесообразности использования фракционной схемы № 2 (рис. 2).

ЛИТЕРАТУРА

1. Ермольев Ю.И. Синтез функциональных схем технологических отделений зерноочистительных агрегатов / Проектирование рабочих органов почвообрабатывающих, уборочных сельскохозяйственных машин и агрегатов для кормопроизводства: Межвуз. сб. тр. — Ростов н/Д, 1986. — С. 87-101.

2. Ермольев Ю.И., Дау Чунг Киен. Параметрический синтез трехрешетного яруса предварительной очистки зерна. Ростов н/Д, 1988. — Юс,— Деп. в ВНИИТЭИгосагроп-ром, № 472 ВС-88.

3. Ермольев Ю.И, Синтез функциональных отделений первичной очистки зерноочистительных агрегатов для кормопроизводства: Межвуз. сб. тр. — Ростов н/Д, 1987. — С. 46-55.

4. Кацева Р.З. Влияние неравномерностей распределения нагрузки по ширине на просеиваемость решет / То. ЧИМЭСХ. — Вып. 52. — Челябинск, 1971. — С. 202-21*1.

5. Кацева Р.З. Распределение зернового материала по ширине сепарирующих органов / Тр. ЧИМЭСХ. — Вып. 62.

— Челябинск, 197-3. — С. 192-202.

6. Кубышев В.А., Кацева Р.З. Технология процесса питания зерноочистительных машин в поточной линии / Уборка и послеуборочная обработка зерна / Тр. ЧИМЭСХ. — Вып. 62. — Челябинск, 1973. — С. 108-114.

7. Ермольев Ю.И. Проектирование рабочих органов сельскохозяйственных машин с элементами САПР: Учебн. пособие / Под ред. И.А. Долгова. — Ростов н/Д, 1389.

— 116 с.

8. Выбор критерия оптимизации зерновых материалов на решетных поверхностях / Ю.И. Ермольев, С.И, Василенко, Э.Г. Шелякин и др. / Комплексная механизация и автоматизация сельскохозяйственного производства / Тр. РИСХМ. — Ростов н/Д, 1978. — С. 145-153.

9. Чуев Ю .В», Сиехова Г.Т. Технические задачи исследования операций. — М.: Сов. радио, 1971. — 244 с.

10. Ермольев Ю.И., Донцов ИХ. Результаты имитационного моделирования процесса сепарации зернового вороха в пневмоканале машины предварительной очистки зерна / Проектирование сельскохозяйственных машин с элементами САПР: Межвуз. сб, тр. — Ростов н/Д, 1989. — С. 98-103.

Кафедра СХМП

Поступила 04.05.94