CC BY
15
УДК 631.17:631.353.6
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОЧИСТКИ ЗЕРНА ПЕРЕД ПЛЮЩЕНИЕМ
В.А. Сысуев В.А.Казаков А.Ю.Исупов
Представлены результаты теоретических и практических исследований, с применением методов планирования эксперимента, разработанной конструктивно-технологической схемы устройства для очистки зерна перед плющением, обеспечивающего выделение крупных и мелких примесей из поступающего на измельчение (плющение) зернового материала.
Ключевые слова: исследование, очистка, плющение, технологическая линия.
Одним из основных резервов уменьшения стоимости кормов является снижение затрат на их производство, что достигается, например, внедрением новых машин и технологий для переработки зернового вороха и получения из него конечного продукта - готового корма. В последнее время все большее распространение находит технология плющения фуражного зерна - способ получения высококачественного концентрированного корма для различных групп животных, - из зерна, в том числе поступающего непосредственно после ком-байнирования, более дешевого за счёт того, что не требуется предварительной сушки зерна. Данный способ позволяет на 2.. .3 недели раньше убирать урожай, что очень важно для Северо-Восточного региона России. Кроме того, зерно, убранное в фазе молочно-восковой спелости (а именно такое зерно, возможно, убирать для плющения), по сравнению с сухим обладает более высокой питательностью и усвояемостью.
Качество готового продукта во многом определяется качеством сырья -зерна, которое в свою очередь зависит от множества факторов: применяемой технологии уборки, уровня агротехники, почвенно-климатических условий, спелости хлебов, длительности работы комбайнов за сутки, тщательности их регулировок и др. Зерновой материал, поступающий от комбайна, содержит семян основной культуры - 85.98 % при этом влажность зерна озимых культур может достигать 25.30 %, яровых культур - 30.40 %, органических примесей -40.70 %, а засоренность увеличивается с ростом влажности зернового вороха, что создает дополнительные трудности при очистке - ухудшает процесс сепарирования [1, 4, 5,10, 11].Таким образом, динамика поступления и некоторые входные параметры зернового вороха (такие как засоренность и влажность) имеют случайно-вероятностную природу, причем диапазон их варьирования достаточно широк. Для зерна, используемого для приготовления комбикормов, рекомендуется использовать следующие показатели качества, приведенные в таблице 1 [1].
Таблица 1. Ограничительные показатели качества зерна, применяемого для приготовления комбикормов, % не более
Показатели Рожь Пшеница Ячмень Овес Горох
Влажность 16,0 16,0 15,5 16,0 16,0
Содержание сорных
примесеи 5 5 8 5 5
В том числе вредных
примесей:
горчяка и вязеля; 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
спорыньи и головни 0,1 0,1 0,1 0,1 -
куколя 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
Содержание зерновых
примесей 15 15 15 15 15
В НИИСХ Северо-Востока разработана конструктивно-технологическая схема линии, представляющая собой устройство для очистки от примесей зернового материала, поступающего на переработку (плющение), и двухступенчатую плющилку зерна (рис.1) [6].
Рис.1. Схема технологической линии )чистки и плющения фуражного зерна: 1 - камера для плющения; 2 - вальцы; 3 - загрузочный бункер;
4 - регулировочная заслонка;
5 - скребковый транспортер; 6 - обрезиненные скребки; 7 - корпус;
8- питательный бункер (течка);
9 - нижняя стенка корпуса транспортера, состоящая из трех соединенных между собой участков: цельнометаллической пластины (участок АВ), решета с мелкими отверстиями (подсевного решета) (участок BC) и решета с крупными отверстиями (колосового решета) (участок CD); 10, 11, 12 -приемник мелких примесей, фуража и крупных примесей соответственно; 13 - зерновой материал
Технологическая линия работает следующим образом. Зерновой материал 13 загружают в бункер 3, откуда через заслонку 4 он подается в питающее устройство - скребковый транспортер 5. Затем зерновой материал обрезиненны-ми скребками 6 перемещается по нижней стенке 9 корпуса транспортера 7 (участок АВ) и поступает на подсевное решето (участок ВС). По мере прохождения материала 13 по решету мелкие примеси, содержащиеся в нем, просеиваются через отверстия данного решета, попадают в приемник 10 мелких отходов и через
9 10 1
- короткие примеси
- подлежащее измельчению зерно
- поступивший на измельчение зерновой материал
- длинные примеси
него отправляются на утилизацию, затем зерновой материал перемещается скребками 6 на колосовое решето CD, на котором фуражная фракция просеивается через отверстия и попадает в приемник 11 зерна, а далее в питательный бункер 8, откуда поступает в камеру 1 для измельчения (плющения) вальцами 2. Крупные примеси по решету CD перемещаются обрезиненными скребками 6 до точки D нижней стенки корпуса транспортера 9, откуда попадают в приемник крупных примесей 12 и затем направляются на утилизацию.
Разработанная технологическая линия обеспечивает стабильность подачи зерна в зону плющения, что приведет к повышению производительности, а также позволит выделить крупные и мелкие примеси, содержащиеся в поступившем на плющение зерновом материале, тем самым повышая качество готового корма [9].
Из исследований М.Н. Летошнева, С.С. Ямпилова и других установлено, что факторами, влияющим на эффективность работы решет и сит, а также полноту разделения очищаемого материала являются [5, 12]:
• рабочие размеры отверстий решет;
• размеры решет;
• удельные зерновые нагрузки на решета;
• кинематические факторы (скорость, угол наклона решет и т.д.).
Для определения влияния этих факторов на процесс разделения зернового
материала устройством для очистки зерна перед плющением были проведены исследования, результаты которых представлены ниже.
Прохождение частицы через отверстие рассматривается как геометрическая вероятность - отношение площади отверстия, в зоне которого она может пройти, к площади всего отверстия (рис.2).
Рис.2. Схема возможных расположений частицы длиной 1 относительно отверстия решета и вероятность ее прохождения Р: через прямоугольное отверстие со сторонами а и Ь под углом а (а); через круглое отверстие с диаметром d (б)
Величина максимально допустимой (критической) скорости частицы зернового материала с эквивалентным радиусом Я, необходимой для прохождения через решето, определялась из расчетной схемы, представленной на рисунке 3,а. При этом для процесса приняли ряд допущений [3]:
- движение центра масс частицы осуществляется по параболической траектории;
- частица принимается прошедшей через отверстие при пересечении центром масс плоскости решета;
- форма частицы представляет собой однородный шар;
- сопротивлением воздуха и трением о поверхность скребка при движении частицы пренебрегаем;
- взаимодействие с другими частицами не учитывается.
а) б)
Рис.3. Схема траектории центра масс частицы над отверстием (а); критическая скорость частицы зернового материала (б) v тр при длине отверстия L=35 мм в зависимости от угла наклона решета а и эквивалентного радиуса частицы R
Движение по криволинейной траектории в расчетной схеме (рис. 3,а) описывается уравнениями:
а=сош1;,
Щ=у(0)+а(±\
Ц (1)
8= |
«1
Решив уравнения (1), было получено выражение (2), из которого следует, что значение максимально допустимой (критической) скорости частицы у/тр, а также скребка транспортёра, зависит от длины отверстия Ьи эквивалентного радиуса частицы Я определяется выражением:
у:
4,43 x^L х sina-Rx (sina+cosa)
тр
(2)
sina
Для определения технологических режимов работы и конструктивных параметров устройства для очистки зерна перед плющением в зависимости от влажности и угла естественного откоса зернового материала проведено моделирование движения частиц вороха на решете под действием планок транспортёра
[7].
Процесс движения частиц зернового материала описывается следующим образом: частицы зернового материала, поступившие на планку транспортера, образуют слой в виде треугольника, ограниченный двумя жесткими кинематическими связями и углом естественного откоса ф, который двигается со скоростью Утр. При этом частицы зернового материала, находящиеся на поверхности слоя, скатываются по нему, а связанные кинематическими связями с планкой и поверхностью решета взаимно перемещаются и выдавливаются наружу. Организованное таким образом движение частиц с эквивалентным диаметром dэ по периметру треугольника образует неразрывный контур (рис. 4).
Рис.4. Схемы: движения частиц вороха под действием планок транспортера (а): 1-решето; 2-планка транспортера; 3-слой зернового материала; сил, действующих на частицу при скатывании по склону слоя материалов (б)
Время, затрачиваемое на скатывание частицы с вершины порции материала (треугольника) определится из уравнения:
ma=mg+N+FTP, (3)
где F-ip - сила трения, Н; N - нормальная реакция опоры, Н; m- масса зернового материала на скребке, кг.
В результате проекции сил на оси OXY, интегрирования и упрощения выражения (3) получаем, что время, затрачиваемое для скатывания частицы, определится из уравнения:
Утр хсоБ(а+^)х11 +с=0, (4)
где c - гипотенуза треугольника, м.
Скорость частиц по поверхности решета равна скорости транспортирования а также, исходя из условия неразрывности между частицами, следует, что время движения частицы
4 = =(5)
У
тр
1о=11+12+1з . (6)
где ^ - время цикла частицы по внешнему контуру; ^ - время движения частицы по скребку (планке).
Задавшись условием, что частицы зернового материала хотя бы раз с вероятностью Р соприкоснутся с поверхностью решета, определим необходимое число циклов в наружном контуре п.
Вероятность попадания частиц из одного слоя в другой рассматриваем как геометрическую вероятность, то есть как соотношение площадей контуров:
§ =§ (п\
полн нар внутр' (7)
Тогда вероятность нахождения частицы в наружном слое P, а значит соприкосновения с поверхностью решета:
Р=1-Рвнутр, (8)
где pвнyтp - вероятность непопадания в наружный слой или вероятность нахождения во внутреннем контуре.
_ (§полн §нар ) _ §внутр Р внутр ^ ^ ; (9)
ттгмти ТТГМТЦ ^ '
п
1 пхр р
а г внутр ^ _ г внутр
Р рп пхр (10)
внутр внутр
где п - число циклов.
Зная скорость перемещения порции зернового материала планкой у^, время ^ и число циклов п, необходимых для того, чтобы частицы попали в наружный контур и соприкоснулись с решетом, определиться потребная для этого длина решета Ь:
Ь=пЧЮ Чур (11)
Задавшись расчетными значениями насыпной плотности зернового мате-
3 3
риала р=730 кг/м , шагом установки планок (скребков) Т=76-10" м, шириной планки (скребка) а=57-10" м и вероятностью нахождения частицы в наружном слое Р=0,95 построены зависимости. Анализ показал (рис. 5,а, б), что с увеличением угла естественного откоса ф (влажности и наклона установки а значительно возрастает требуемая длина решета Ь, то есть в процессе транспортирования влажного зернового материала при больших углах наклона установки
(более 35°) перемещение слоев относительно друг друга почти не происходит. С уменьшением подачи Р и увеличением скорости транспортирования у^ снижается порция перемещаемого материала и соответственно потребная длина решета Ь.
Практические исследования [8] устройства для очистки зерна перед плю-
-5
щением (Ь= 0,6 м; Утр=0,5 м/с; а=57-10" м), результаты которых представлены на рисунке 5,в, г, подтвердили характер полученных теоретических зависимостей (рис. 5, а, б).
Рис.5. Графики зависимости: длины решетки от подачи материалов О и скорости транспортирования утр (при углах наклона установки а и естественного откоса ф -35°) с вероятностью соприкосновения р=0,95(а); длины решетки от углов наклона установки а и естественного откоса ф (скорость транспортирования утр=°,35 м/с, подача материала О=6 т/ч) с вероятностью соприкосновения р=0,95 (б); потери
ячменя влажностью W=9,8% от угла наклона а и подачи материалов О (в); потери ячменя влажностью W=38% от угла наклона а и подачи материала О (г)
Конструктивно-технологическая схема очистки зерна перед плющением на основании проведённых расчетов и экспериментов [2, 7, 8], а также с целью повышения эффективности работы была усовершенствована, установкой до-
полнительного решета. В результате из зернового материала выделяются фракции продовольственного зерна, фуража крупных и мелких примесей (рис. 6).
а) б)
Рис. 6. Модернизированная технологическая схема (а) устройства для очистки зерна перед плющением: 1-бункер с зерновым ворохом;
2-скребки (планки) транспортера; 3-решето для выделения подсева с отверстиями ^ и длиной 11; 4-решето для фуража с отверстиями d2 и длиной 12; 5- решето для выделения продовольственной фракции с отверстиями dз и длиной 13; общий вид опытной установки устройства для очистки зерна перед плющением (б)
Для определения влияния факторов и их взаимодействия на рабочий процесс разделения материала на фракции был применен метод активно-пассивного эксперимента. Факторы, критерии оптимизации, а также значения уровней варьирования факторов приведены в таблице 2. В качестве исходной базы взята матрица плана 24, в шестом и седьмом столбцах которой представлены значения неуправляемых (пассивных) факторов - влажности W (Х5(норм)), засоренности А (Х6(норм)) в нормализованном виде [9].
Таблица 2. Факторы, уровни варьирования и критерии оптимизации матрицы плана активно-пассивного эксперимента
Факторы Критерии
Пара- длина длина скорость угол влаж- засо- про- про- удель-
реше- реше- транс- на- ность, рен- изво- изво- ные
метры та 12, та 1з, порти- клона W % ность ди- ди- энерго-
м м рования, м/с а, град А, % тель-ность т/ч тель-ность д3 т/ч затраты Э, кВт.ч/т
Х1 Х2 Хз Х4 Х5(норм) Х6(норм) У1 У2 У3
Верхний уровень (+) 0,6 15 0,6 15 0,52 58 38,7 17,27
Нижний
уровень 0,423 0,423 0,2 27 9,3 0
Исследуемый материал - ячмень. Диаметры отверстий определились на основе предварительных исследований и принимались равными d2=8 мм для фуража и dз=12 мм для продовольственного зерна.
После обработки экспериментальных данных и исключения менее значимых факторов получены математические модели рабочего процесса: У! =3,42+0,47Х1+1,03Хз -1,53Х5(Норм) -0,5Х^ -0,41X^3 -
-0,79Х1Х5(Норм) +0,61X2 Хз(норм) -0,36Хз Х5(норМ) -0,45Хз Х6(норм); у =3,29+0,6Х2 +0,48Х3 +0,43Х +0,43Х5(норм) -0,6Хб -1,15ХХ --1,09Х1Хб(норм)-1,42ХзХ5(норм)-1,33ХзХб(норм)-1,97Х4Х5(норм)-
1,11 Хб(норм) 1,86Х~5(норм) Х6(норм)
У =0,08+0,02Х2 -0,016Х3 -0,01Х4 +0,017Х5(норм) +0,03 8Хх Х2 +
+0,032Х1Х5(норм) --0,032Х2Х5(норм) +0,026Х3Хб(норм) + +0,04Х4Х5(ноРм) + 0,053Х3 Х5(ноРм).
(12)
(13)
(14)
Анализ математической модели (12) показывает, что с уменьшением влажности W материала (Ь5=-1,53), увеличением длины решета 12 (Ь1=0,47) и скорости транспортирования V (Ь3=1,03) возрастает выход фракции (У1).
Повышение выхода фракции продовольственного зерна q3(13) зависит от увеличения длины решета 13(Ь2=0,6), скорости транспортирования V (Ь3=0,48), угла наклона а (Ь4=0,43),влажности материалаW(b5=0,43) и уменьшения засоренности А (Ьб=0,6).
На снижение удельных энергозатрат Э(14) наибольшее влияние оказывают увеличение угла наклона установки а (Ь4=-0,01) и скорости транспортирования V (Ь3=-0,016), а также уменьшение длины решета 13 (Ь2=0,02) и влажности W материала (Ь3=0,017).
38,7
Угол наклона а, град.
а)
-
га с; т
9,3
■ г * \ % * N \ \ ч 1 1 т I ч, *0,25 Ч. .
\ \ ч\ ч- > ч ' 0,2 ч.
; 4 * Ч>0,15
ч Ч. "-1,0
"| 1 1 1 ■--■3,0 ... ,0," *---
0,2
Скорость V, м/с б)
0,52
в) г)
Рис.7. Двумерные сечения поверхностей отклика:
--выход фракции фуража q2 (У1), т/ч;
----- - выход фракции продовольственного зерна q3 (У2), т/ч;
_ . _ . _ - удельные энергозатраты Э (У3), кВт^ч/т.
В результате анализа математических моделей и двумерных сечений (рис. 7) установлено: наибольший выход фракций фуража и продовольственного зерна возможен при использовании чистого и сухого зернового материала; удельные энергозатраты Э не превысят 0,1 кВт-ч/т с увеличением угла наклона аменее 48° и скорости транспортирования V менее 0,52 м/с.
Таким образом, по результатам проведенных исследований определены оптимальные конструктивно-технологические параметры и режимы работы устройства для очистки зерна перед плющением.
Литература:
1. Бурков, А.И. Зерноочистительные машины. Конструкция, исследование, расчет и испытание / А.И.Бурков, Н.П.Сычугов. - Киров, 2000. - 261 с.
2. Исупов, А.Ю. Исследование процесса фракционирования при работе загрузочного решетно-планчатого транспортера // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: Материалы IV Междунар. науч.- практ. конф. Вып. 12. - Киров, 2011. - С. 39-43.
3. Казаков, В.А. Исследования технологической линии очистки и плющения фуражного зерна / В.А.Казаков, А.Ю.Исупов // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Материалы Междунар. науч.- практ. конф. Вып. XII. - Йошкар-Ола, 2010. - С. 168-173.
4. Карпов, Б.А. Технология послеуборочной обработки и хранения зерна / Б.А.Карпов. - М.: Агропромиздат, 1987. - 284 с.
5. Летошнев, М.Н. Сельскохозяйственные машины: теория, расчет проектирование и испытание. - Л: Сельхозгиз, 1954. - 766 с.
6. Пат. 2399421 РФ. Вальцовая плющилка для зерна. - № 2009101533/03; Заявлено 19.01.2009; Опубл. 20.09.2010. - 5 с.
7. Сысуев, В.А. Моделирование движения частиц вороха на решете под действием планок транспортера / В.А.Сысуев, А.В.Алешкин, А.Ю.Исупов // Доклады РАСХН. - 2011. - №5. - С. 5457.
8. Сысуев, В.А. Исследование загрузочного решетно-планчатого транспортера при фракционировании влажного зернового материала / В.А.Сысуев, А.Ю.Исупов // PROBLEMY INTEN-SYFIKACJI PRODUKCJI ZWIERZ^CEJ Z UWZGL^DNIENIEM POPRAWY STRUKTURY OBSZAROWEJ GOSPODARSTW RODZINNYCH, OCHRONY SRODOWISKA I STANDAR-DOW UE: XVII MI^DZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOVA. - Варшава, 2011. - С. 318 - 322.
9. Сысуев, В.А. Исследование рабочего процесса загрузочного решетно-планчатого транспортера для фракционирования от примесей зернового материала / В.А.Сысуев, А.Ю.Исупов // Аграрная наука Евро-Северо Востока. - 2011. - №1(20). - С. 70-73.
10. Сысуев, В.А. Технология и машина для плющения зерна / В.А.Сысуев, В.А.Казаков, А.Ю. Исупов // PROBLEMY INTENSYFIKACJI PRODUKCJI ZWIERZ^EJ Z UWZGL^DNIENIEM OCHRONY SRODOWISKA I STANDARDOW UE: Materialy мко^егепде. - Варшава, 2009. -С. 83-86.
11. Сычугов, Н.П. Механизация послеуборочной обработки зерна и семян трав / Н.П.Сычугов, Ю.В.Сычугов, В.И.Исупов. - Киров: ФГУИПП «Вятка», 2003. - 368 с.
12. Ямпилов, С.С. Технологические и технические решения проблемы очистки зерна решетами / С.С.Ямпилов. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2004. - 165 с.
Сысуев Василий Алексеевич, академик Россельхозакадемии, заведующий отделом Казаков Владимир Аркадьевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Исупов Алексей Юрьевич, инженер, младший научный сотрудник
ГНУ Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока им.
Н. В. Рудницкого
Тел. (8332) 33-1003
E-mail: isupoff.aleks@yandex.ru
Is presented results theoretical and practical studies, with using the methods of the planning the experiment, designed constructive-technological scheme device for peelings grain before плющением, providing separation large and small admixtures from enterring on pulverizing by pressureof the corn material. Keywords: study, clear, pulverizing by pressure, technological line.
