CC BY
15
ИЗВЕСТИЯ ОРЕНБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АГРАРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
2020 • № 4 (84)
Пирогов Сергей Петрович, доктор технических наук, профессор Чуба Александр Юрьевич, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья» Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7 E-mail: [email protected]; [email protected]
Investigation of natural vibration frequencies of flexible tubular elements of cultivators
Pirogov Sergey Petrovich, Doctor of Technical Sciences, Professor
Chuba Alexander Yurievich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Northern Trans-Ural State Agricultural University
7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia
E-mail: [email protected]; [email protected]
Methods for calculating the characteristics of oscillatory motion are needed. One of the important characteristics of oscillatory motion is the natural frequency of vibrations. Therefore, the study of the natural frequencies of oscillations of flexible tubular elements of cultivators depending on their geometric parameters is an urgent task. As a mechanical model of the tubular element of the cultivator, a hollow core is selected, which is bent along a certain radius. It vibrates in the plane of curvature of the longitudinal axis. An infinitesimal element is cut from this rod. For the element, equations of motion are compiled using the d'Alembert principle. As a result of solving these equations, an expression was obtained for calculating the natural frequencies of vibrations of the flexible tubular element of the cultivator. For use in calculating this expression, the geometric parameters of the tubular stand, the physicomechanical properties of the tube material, and a parameter depending on the magnitude of the central angle of the tubular element are necessary. The values of this parameter were determined for the range of central angles from 150° to 270°. In MATHLAB, numerical experiments were conducted to determine the frequencies of natural vibrations. For this, the possible geometric parameters of the tubular elements of the cultivators were set. Based on these data, we plotted the dependences of the frequencies of the natural vibrations of the tubular elements depending on the geometric parameters of the elastic tubular elements. These parameters are: the wall thickness of the tubular element, the radius of curvature of the longitudinal axis and the central angle of the elastic tubular element.
Key words: cultivator, a flexible tubular member; frequency of free oscillations.
-Ф-
УДК 664.71.05
Результаты экспериментального определения физико-механических свойств материалов, обрабатываемых в шелушильной машине*
А.В. Анисимов, канд. техн. наук
ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ
Цель исследования - экспериментальное определение физико-механических свойств предварительно увлажнённого зерна пшеницы и его оболочек: скорости витания; коэффициента трения по поверхности цилиндра; угла естественного откоса и коэффициента внутреннего трения, влияющих на конструктивные и режимные параметры машины. Работа выполнена по результатам экспериментальных исследований по определению основных физико-механических свойств зерна пшеницы и его оболочек. Приведены структурно-функциональная схема и описание разрабатываемой шелушильно-сушильной машины, отмечены физико-механические свойства, влияющие на траектории движения зерновок и кинематические параметры их движения внутри машины, а следовательно, и на её конструктивные и режимные параметры, которые можно определить только экспериментальным путём. Представлена методика определения исследуемых физико-механических свойств зерна пшеницы и условия экспериментов. По результатам экспериментов выявлены значения исследуемых физико-механических свойств материала при различной влажности. Анализ полученных результатов показал, что с увеличением влажности материала растут и значения исследуемых факторов: скорость витания, коэффициент трения по поверхности цилиндра, угол естественного откоса и коэффициент внутреннего трения. В интервале влажности 15 - 17 % рост значений всех факторов (кроме скорости витания) практически отсутствует и возобновляется после дальнейшего повышения влажности. Полученные значения могут быть использованы для теоретического определения конструктивных параметров
* Исследования проведены по договору с Фондом содействия инновациям (№ 180ГС1/6784 от 25.12.2014) по программе «СТАРТ», на лабораторной базе ООО «Старый мельник» (г. Энгельс) и ФГБОУ ВО «Саратовский ГАУ».
рабочих поверхностей шелушильно-сушильной машины, определения кинематических элементов движения этих поверхностей и движущегося по ним обрабатываемого материала, при различной влажности зерна, поступающего на обработку.
Ключевые слова: шелушение зерна, коэффициент трения, влажность, скорость витания.
Эффективная подготовка зерна к помолу позволяет значительно упростить технологию сортового помола, что очень важно в условиях сокращённого и низкоэффективного технологического процесса малых предприятий. Шелушение предварительно увлажнённого зерна позволяет очистить поверхность зерна от значительной части внешних оболочек вместе с минеральными загрязнениями и микрофлорой. В настоящее время наиболее распространены машины для шелушения, работающие по принципу сжатия и трения. Эти устройства просты и эффективны, а невысокая стоимость позволяет применять их на малых предприятиях. Обрабатываемый материал (зерно) в таких машинах движется по фрикционным (шероховатым) поверхностям рабочих органов - абразивным дискам и ситовому цилиндру [1, 2]. На конструктивные и режимные параметры машины, кинематические параметры движения зерновок и их траекторию значительно влияют физико-механические свойства обрабатываемого материала и удаляемых оболочек, которые в свою очередь зависят от их влажности. Очевидно, что изучение процесса шелушения предварительно увлажнённого зерна невозможно без знания зависимости его физико-механических свойств от влажности.
Целью исследования является экспериментальное определение зависимости физико-механических свойств зерна пшеницы и его оболочек от влажности: скорости витания, коэффициента трения по поверхности перфори-
Воздух
рованного цилиндра, угла естественного откоса и коэффициента внутреннего трения.
Материал и методы исследования. В разработанной шелушильно-сушильной машине (рис. 1) обработка зерна происходит в рабочем кольцевом зазоре, образованном абразивными дисками 8 и ситовым цилиндром 5, в результате трения зерна о рабочие органы машины и между собой [3].
Траектории движения зерновок и кинематические параметры их движения внутри машины в значительной степени определяются физико-механическими свойствами обрабатываемого материала: скоростью витания, коэффициентом трения по поверхности цилиндра, коэффициентом внутреннего трения, углом естественного откоса, значения которых (при фиксированном значении других факторов) в свою очередь зависят от влажности. Определить эти зависимости можно только экспериментальным путём.
Исследования включали в себя определение следующих физико-механических свойств зернового материала: влажность материала Ж; скорость витания Св, коэффициент трения по стальной перфорированной поверхности f; угол естественного откоса е.
Влажность зерна и продуктов шелушения определяли при помощи диэлькометрического измерителя влажности «Фауна». Контроль влажности проводился по ГОСТу 13586.5 - 2015 с использованием сушильного шкафа СЭШ-3М и электронных весов ВЛК-500 (рис. 2) [4].
Для определения аэродинамических свойств исследуемых материалов, которые оцениваются скоростью витания, определяли средние размеры частиц материала и рассчитывали плотность частицы [5, 6]:
Рч =
V
т„
пгч2/ч
(1)
где рч - плотность частицы материала, кг/м3; Уч - объём частицы материала, м3; тч - масса частицы материала, кг; гч - радиус поперечного сечения частицы,
м
.2.
1ч - длина частицы, мм.
\
Выход продукта
Г
о _
1
Рис. 1 - Шелушильно-сушильная машина:
1 - корпус; 2,3 - входной и выходной патрубки; 4 - привод; 5 -ситовый цилиндр; 6 - полый вал с отверстиями; 7 - ИК - излучатели; 8 - абразивные цилиндры; 9 -обечайки; 10 - вентилятор
Скорость витания определяли по формуле
[5, 6]:
Рч (2)
С = —
0,02 +
к
возд
где a - коэффициент, зависящий от формы частиц материала;
к - толщина частиц материала, м; рвозд - плотность воздуха, кг/м3.
Полученные данные отдельных опытов проверяли контрольными измерениями на парусном классификаторе ПК (лаборатория сельскохозяйственных машин, Саратовский ГАУ) (рис. 2), согласно известной методике [5].
Среднюю скорость витания частиц материала определяли как среднее значение:
С = Е ™гС (3)
Е ^
где - масса фракции, кг;
С - скорость витания соответствующей фракции, м/с.
Определение коэффициента трения по стальной перфорированной поверхности производили по стандартной методике, с помощью наклонной плоскости с установленной на ней шкале [5, 6]. Там фиксировался угол ф, при котором начинается сползание вниз образца, лежащего на рабочей поверхности наклонной плоскости, при постепенном отклонении её от горизонтального
положения вверх. Этот угол является граничным между состоянием покоя и движения образца по наклонной поверхности и определяет собой коэффициент трения покоя:
/= 18 Ф. (4)
Угол естественного откоса, характеризующий взаимную подвижность частиц материала, определяли по ГОСТу 28254 - 89 методом истечения из воронки (рис. 3) [5].
Коэффициент внутреннего трения Е для легкосыпучих материалов, к которым относится зерно, определяли по выражению [6, 7]:
Е = V, (5)
где у - угол естественного откоса.
Зерно пшеницы и продукты шелушения за сутки до экспериментов увлажняли в целлофановых мешках: к зерну, в зависимости от исходной влажности, добавляли табличное расчётное количество воды [8], закрывали его и оставляли на сутки. В экспериментах использовали зерно мягкой пшеницы сорта Саратовская 29.
Результаты эксперимента определяли при различных значениях одного фактора и постоянном значении остальных (однофакторный эксперимент) [9]. Доверительная вероятность опытов 95%-ная. Повторность опытов трёхкратная [2, 10].
Статистическую обработку полученных экспериментальных данных проводили посредством компьютерной программы Statistica 10.0.
Рис. 2 - Проведение контроля влажности зерна:
А - электронные весы ВЛК-500; Б - сушильный шкаф СВШ-3м; В - парусный классификатор
15 - 17 % наблюдается замедление роста угла естественного откоса, возобновляющегося при дальнейшем увеличении влажности.
Рис. 3 - К определению угла естественного откоса
Результаты исследования. Проведённые эксперименты показали, что влажность оказывает значительное влияние на скорость витания частиц материала фиксированного размера. На рисунке 4 представлены зависимости, показывающие, что с ростом влажности Ж скорость витания Св, или критическая скорость, при которой частицы находятся во взвешенном состоянии, увеличивается.
Зерно пшеницы
Продукты шелушения О /
о ^^
О о___
о
13.0 13,5 14,0 14,5
15,0 15.5 16,0 16,5 Влажность, %
17,0 17,5 16,0 18,5
Рис. 5 - Влияние влажности обрабатываемого материала Ж на коэффициент трения движения /по стальной перфорированной поверхности
"О. Зерно пшеницы
о ^ Д.-""" □
о ... о
Рис. 4 - Зависимость скорости витания обрабатываемого материала Св от влажности
Изменение коэффициента трения зерна и продуктов его шелушения о стальную перфорированную поверхность представлены на рисунке 5. Наблюдается увеличение коэффициента трения с увеличением его влажности. В диапазоне влажности 15 - 16,5 % рост значения коэффициента трения практически не наблюдается, а при дальнейшем повышении влажности его рост возобновляется.
Представленные на рисунке 6 зависимости позволяют проследить изменение угла естественного откоса для зерна и продуктов шелушения с повышением влажности. Исследование показало, что с увеличением влажности уменьшается подвижность, а следовательно, и способность к перераспределению. При этом, так же как и с коэффициентом трения, при влажности материала
12,0 12,5 14,0 14,5 15,0 15,5 10,0 10,5 17.0 17.5 10,0 10,5 Влажность. %
Рис. 6 - Зависимость угла естественного откоса е от влажности Ж материала
Значения коэффициента внутреннего трения рассчитаны по формуле (4) и представлены в таблице 1.
1. Физико-механические свойства зерна пшеницы и отшелушенных оболочек
Свойства Зерно пшеницы Отшелушенные оболочки
Влажность, % 13,5 - 18,0 13,5 - 18,0
Средневзвешенный размер частиц (диаметр), мм 3,5 - 5,5 0,1 - 0,5
Коэффициент внутреннего трения 0,75 - 0,97 0,9 - 1,15
Коэффициент трения по перфорированной стальной поверхности 0,35 - 0,80 0,30 - 0,65
Скорость витания, м/с 8 -12,5 1,8 - 3,6
Угол естественного 37 - 44 42 -49
откоса, град.
Выводы. В результате проведённого исследования экспериментально были получены зависимости основных физико-механических свойств обрабатываемого материала от его влажности: скорости витания; коэффициента трения по перфорированной стальной поверхности цилиндра; коэффициента внутреннего трения; угла естественного откоса.
Полученные значения могут быть использованы для теоретического определения конструктивных параметров рабочих поверхностей шелушильно-сушильной машины, кинематических элементов движения этих поверхностей и движущегося по ним обрабатываемого материала при различной влажности зерна, поступающего на обработку.
Литература
1. Галимзянов Д.А. Интенсификация подготовки зерна для мельниц малой производительности: дис. ... канд. техн. наук. М., 2010. 146 с.
2. Анисимов А.В., Рудик Ф.Я., Загородских Б.П. Совершенствование технологии подготовки зерна к помолу на малых
предприятиях // Вестник Мордовского университета. 2018. Т. 28, № 4. С. 603 - 623.
3. Пат. 2491124, Российская Федерация, МПКВ02В3/02. Шелушильно-сушильная машина / А.В. Анисимов, М.С. Богданова; заявит. и патентооблад. Саратовский гос. аграрный ун-т имени Н. И. Вавилова. № 2012104970; заявл. 13.02.2012; опубл. 27.08.2013, бюл. № 24. URL: http:// www.freepatent.ru/ patents/2491124
4. ГОСТ 13586.5 - 2015. Зерно. Метод определения влажности. М.: Изд-во стандартов, 2016. 11 с.
5. Мельников С.В. Методика изучения физико-механических свойств сельскохозяйственных растений. М.: ВИСХОМ, 1960. 278 с.
6. Анисимов А. В. Повышение эффективности процесса загрузки транспортных средств комбинированными кормами путём обоснования конструктивно-режимных параметров загрузочного распределяющего устройства: дис. ... канд. техн. наук. Саратов, 2006. 165 с.
7. Голик М.Г., Делидович В.Н, Мельник Б.Е. Научные основы обработки зерна. М.: Колос, 1978. 250 с.
8. Казаков Е. Д. Влага в зерне : учебник. М.: Стандарт, 2004. 132 с.
9. Радченко Г. Е. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий протекания процесса. Горки: Белорусская СХА, 1978. 69 с
10. Разработка и создание экспериментального образца энергосберегающего оборудования для подготовки зерна к помолу / А.В. Анисимов [и др.]. Отчёт о НИОКР, рег. № НИОКР 115082610022, 14.12.2015. 65 с.
Анисимов Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»
Россия, 410012, г. Саратов, Театральная площадь, 1
E-mail: [email protected]
The results of experimental determination of physical and mechanical properties of materials processed in a peeling machine
Anisimov Alexander Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Saratov State Agrarian University named after N.I. Vavilov 1, Teatralnaya square, Saratov, 410012, Russia E-mail: [email protected]
The purpose of the study is experimental determination of physical and mechanical properties of pre-moistened wheat grain and its shells: winding speed; friction coefficient along cylinder surface; angle of natural slope and coefficient of internal friction affecting design and mode parameters of the machine. The work was carried out on the basis of the results of experimental studies, on determination of basic physical and mechanical properties of wheat grain and its shells. Structural and functional diagram and description of the developed peeling-drying machine are given, physical and mechanical factors affecting the grain movement paths and kinematic parameters of their movement inside the machine, and therefore its structural and mode parameters, which can be determined only experimentally, are noted. The method of determination of analysed physical and mechanical properties of wheat grain and conditions of experiments is presented. Based on the results of the experiments, the values of the analysed physical and mechanical properties of the material at different humidity were determined. The analysis of the obtained results showed that with the increase in the moisture content of the material, the values of the studied factors also grow: the speed of winding, the coefficient of friction on the surface of the cylinder, the angle of natural slope and the coefficient of internal friction. And in the moisture range of 15 - 17 % there is practically no increase in values of all factors (except for the turn rate), and resumes after further increase of humidity. Obtained values can be used for theoretical determination of design parameters of working surfaces of peeling-drying machine, determination of kinematic elements of motion of these surfaces and material moving along them, at different humidity of grain supplied for processing.
Key words: grain peeling, coefficient of friction, humidity, winding speed.
-♦-
