CC BY
11
МЕХАНИЗАЦИЯ
УДК 631.361.4; 631.361.6
Результаты исследований вытирающе-скарифицирующего устройства при вытирании семян из пыжины клевера
Александр Иванович Бурков, доктор техн. наук, профессор, зав. лабораторией, Максим Васильевич Симонов, кандидат техн. наук, доцент, ст. научный сотрудник, Валентин Юрьевич Мокиев, инженер
ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии, г. Киров, Россия
E-mail: [email protected] Показано влияние на показатели качества выполнения технологического процесса вытирания семян клевера параметров и режимов работы вытирающе-скарифицирующего устройства. Определены их рациональные значения.
Ключевые слова: семена клевера, вытирающе-скарифицирующее устройство, пыжина клевера
Актуальной задачей, стоящей перед современным сельским хозяйством Российской Федерации, является увеличение производства белковых кормов. В связи с этим все больше площадей отдается под посев кормовых трав (клевера, люцерны, лядвенца рогатого, козлятника восточного и др.), и возрастает потребность в качественном семенном материале [1].
Послеуборочная обработка семян бобовых трав включает обязательную технологическую операцию - вытирание семян из оболочек, для выполнения которой используются специальные машины - клеверо-терки. В настоящее время в основном применяются клеверотерки КС-1,0 (Россия), К-310А (Германия), К-0,5 (Польша), К-0,3 (Россия) производительностью 0,3.. .1,0 т/ч. Эти машины целесообразно использовать на крупных семенных станциях, имеющих набор высокопроизводительного оборудования для послеуборочной обработки семян трав.
Семеноводческими хозяйствами, занимающимися производством семян трав в небольших объемах, использование дорогостоящих высокопроизводительных клеверо-терок неоправданно. Для удовлетворения их потребностей необходима недорогая, простая в изготовлении и обслуживании машина для вытирания семян трав невысокой производительности.
Еще одной важной особенностью семян многолетних бобовых трав является
наличие у некоторых из них непроницаемой для воды и воздуха твердой семенной оболочки. Поэтому перед посевом необходимо эту твердую оболочку нарушить. Данная операция называется скарификацией и выполняется специальными машинами-скарификаторами. В результате царапания оболочки или создания трещин твердые семена пропускают влагу и воздух, быстро набухают и прорастают. Всхожесть семян при этом значительно увеличивается. В настоящее время для выполнения данной технологической операции применяются скарификаторы СВВ-0,2; СС-0,5; СКС-1; СТС-2; СКС-30; СК-300.
Однако применение машин специального назначения как для вытирания, так и для скарификации требуется в году лишь в короткий период, остальное время они простаивают. Для увеличения периода использования вытирающих и скарифицирующих устройств целесообразно найти техническое решение, позволяющее за счет применения сменных, либо дополнительных рабочих органов совместить в конструкции одного устройства две функции - вытирания и скарификации.
Поэтому в НИИСХ Северо-Востока разработана схема (рис. 1), изготовлена экспериментальная установка, и проводятся исследования вытирающе-скарифицирующего устройства производительностью на вытирании до 0,175 т/ч.
Устройство содержит корпус 11, цилиндрический барабан 4 диаметром 0,2 м с горизонтально установленным валом 10 и с глухой терочной поверхностью, образованной шестигранным прокатом 5, неподвижную деку 7 с глухой терочной поверхно-
стью, состоящую из круглого проката 6, тангенциально установленную загрузочную горловину 3, над которой расположен загрузочный бункер 1 с питающим валиком 2, выходной патрубок 9 и надставку 8. Ширина рабочей части устройства составляет 0,1 м.
-- движение обрабатываемого материала
-ф--движение перетертого материала
Рис.1. Схема вытирающе-скарифицирующего устройства:
I - загрузочный бункер; 2 - питающий валик; 3 - загрузочная горловина; 4 - барабан; 5 - прокат шестигранный; 6 - прокат круглый; 7 - дека; 8 - надставка;
9 - выходной патрубок; 10 - вал;
II - корпус
Конструкция устройства позволяет изменять зазоры между декой и рифом терочной поверхности барабана на входе в устройство (двх), в средней части деки (рабочий зазор драб) и выходе из него без надставки (двых) и с надставкой (д 'вых). Для регулирования частоты пб вращения барабана электродвигатель его привода подключен через частотный преобразователь. В качестве устройства ввода пыжины применяется дозатор, выполненный в виде лопастного валика, помещенного в нижней части корпуса бункера. Подачу q исходного материала регулировали путем изменения частоты вращения валика. Устройство работает следующим образом. Обрабатываемый материал засыпают в загрузочный бункер 1, откуда он при вращении питающего валика 2 попадает в загрузочную горловину 3. Из загрузочной горловины под действием силы тяжести материал падает в пространство между вращающимся барабаном 4 и декой 7. Материал захватывается терочной поверхностью барабана и протаскивается по терочной поверхности деки. При этом в сжатом слое материала при возникающем нормальном давлении и силе трения происходит его перетирание. Затем
перетертый материал за счет силы инерции движется вверх в выходной патрубок 9, ударяется об ее верхнюю стенку, скользит по ней и выходит наружу.
Цель исследований - определение области рациональных значений параметров вытирающе-скарифицирующего устройства при его работе в режиме вытирания семян.
По данным ряда литературных источников [2, 3, 4] наиболее значимыми факторами, влияющими на качество работы вытирающего устройства барабанного типа с тангенциальной подачей, являются подача q исходного материала в терочное устройство и частота пб вращения барабана. Поэтому на первом этапе исследований при помощи од-нофакторных экспериментов было изучено влияние на степень вытирания е семян подачи q исходного материала в вытирающее устройство и частоты пб вращения барабана, изготовленного из шестигранного профиля А = 8 мм (к = 2,3 мм). Эксперименты проводили при зазорах между декой и барабаном: на входе двх = 6 мм; в средней части деки драб = 6 мм; на выходе д 'вых = 2 мм. В качестве исходного материала использовали пыжину клевера Кировский 159 влажностью
7,5.8,0%. Границы и интервалы варьирования факторов выбраны исходя из анализа литературных источников. Опыты проводили в пятикратной повторности. Показатели качества работы устройства опреде-
ляли по методике [5]. Зависимости степени вытирания семян е от подачи q исходного материала при частоте вращения барабана пб = 1300; 1500; 1800 мин-1 представлены на рисунке 2.
80
70
50
40
г---; иб=1800 мин1
X
\ N ) ^ \ие=1500 мин-1
\ \ ^я6=1800 мин-1
м6=1300 мин< 3- ^^^
0,050
1,0
0,075
0,100
<7, т/ч
0,150
ОД
Рис. 2. Зависимости степени вытирания е (-) и дробления й (---) семян от подачи q
исходного материала при различных значениях частоты пб вращения барабана из шестигранного профиля А = 8 мм (двх = 6 мм; дра6 = 6 мм; д'вых = 2 мм)
Представленные результаты позволяют сделать вывод, что увеличение подачи q от 0,05 до 0,15 т/ч приводит к уменьшению степени вытирания семян е при всех исследуемых частотах пб вращения барабана на 4.9 %. Это вызвано тем, что с увеличением подачи возрастает количество обрабатываемого материала в рабочем пространстве терочного устройства. Вследствие этого снижается вероятность воздействия рабочими органами устройства по невытертым бобам клевера.
Увеличение частоты пб вращения барабана оказывает существенное влияние на степень е вытирания семян. Так, при увеличении частоты вращения барабана с 1300 до 1800 мин-1 (при q = 0,1 т/ч) степень вытирания е возрастает с 46,3 до 91,7%. Такое существенное изменение степени вытирания объясняется как увеличением интенсивности воздействия шестигранным профилем барабана по обрабатываемому материалу, так и скорости его движения по деке терочного устройства. Вследствие этого увеличивается вероятность взаимодействия частиц обраба-
тываемого материала с рабочими органами терочного устройства и величина сил удара и сжатия.
Зависимость дробления й семян от подачи q исходного материала при максимальной в изученной области варьирования факторов частоте вращения барабана (пб = 1800 мин-1) представлена на рисунке 2 пунктирной линией. Увеличение подачи q материала от 0,05 до 0,10 т/ч снижает дробление й семян на 0,8 % (от 1,3 до 0,5 %). Дальнейшее увеличение q до 0,15 т/ч приводит к незначительному (на 0,1%) снижению й. Снижение дробления й семян при увеличении подачи q исходного материала обусловлено уменьшением вероятности удара рифами терочной поверхности барабана вытертых семян вследствие снижения степени вытирания е и увеличения количества материала.
Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что дробление й семян невысокое и не превышает 1,3% во всей изученной области исследования, а максимальная степень вытирания семян (е = 92.95%) обеспечивается при пб = 1800 мин-1.
В качестве исходного материала для проведения последующих экспериментов использовали пыжину клевера Мартум влажностью 11... 12%. В связи с тем, что семена клевера Мартум труднее вытираются из бобов, чем семена клевера Кировский 159 и влажность пыжины клевера Кировский 159 была меньше на 3,0.4,5%, абсолютные значения степени вытирания е семян во всех последующих экспериментах снизились [6].
С целью изучения влияния на степень вытирания семян е рабочего зазора ёраб между барабаном и декой реализован однофак-торный эксперимент при пб = 1800 мин-1, дх = 6 мм, д'вых = 2 мм и q = 0,1 т/ч. Результаты эксперимента представлены в таблице 1.
Таблица 1
Значения степени вытирания е при различных рабочих зазорах драб
Рабочий зазор Зраб Степень е
между барабаном вытирания
и декой, мм семян, %
6 50,6
5 55,6
4 63,5
Из таблицы 1 видно, что уменьшение зазора драб от 6 до 4 мм приводит к значительному повышению степени е вытирания семян (на 12,9%). Дробление ё семян во всех опытах не превышало 1%. Поэтому все последующие эксперименты проводили при драб = 4 мм.
На следующем этапе исследований выдвинута гипотеза, что дальнейшее повышение степени е вытирания семян возможно путем внесения конструктивных изменений в элементы устройства, обеспечивающие перетирание семян, - барабан и деку.
В деке устройства, с целью увеличения времени пребывания обрабатываемого материала в терочном пространстве, предложено установить (рис. 3) между круглым прокатом 3 стальные вытирающие пластины 2 толщиной Б „л = 1,5 мм.
Для изучения влияния количества к вытирающих пластин на качество вытирания семян проведен однофакторный эксперимент. Количество к вытирающих пластин увеличивали постепенно (с 4 до 17 шт.)
исходя из конструктивных особенностей, равномерно распределяя их по всей длине деки. Высота к„л вытирающих пластин над круглым профилем на основании результатов поисковых экспериментов была установлена равной 1 мм. Эксперимент проводили при пб = 1800 мин- ; ёвх = 6мм; драб = 4мм; ё'вых = 2мм; q = 0,1 т/ч. Результаты эксперимента представлены в таблице 2.
Рис. 3. Схема деки: 1 - корпус деки; 2 - вытирающие пластины; 3 - прокат круглый
Таблица 2
Значения степени вытирания е при различном количестве к пластин
Количество вытираю- Степень
щих пластин к, шт. вытирания е, %
0 63,5
4 72,8
7 79,0
17 78,4
Увеличение е можно объяснить тем, что с установкой пластин увеличивается время пребывания материала в терочном пространстве и количество воздействий на него вытирающими элементами барабана, а также за счёт острых кромок вытирающих пластин, способствующих более интенсивному разрушению оболочки бобика.
Для изучения влияния высоты к (рис. 1) рифов вытирающей поверхности барабана на показатели качества работы вытирающего устройства изготовлены три барабана с к = 2,3; 2,9; 3,5 мм (А = 8; 10; 12 мм). С целью более полного изучения совместного влияния факторов к, пб и q на процессы
вытирания и дробления семян, а также описания их математическими моделями был принят и реализован план эксперимента
Таблица 3
Факторы, интервалы и шаги их варьирования
Бокса-Бенкена второго порядка (табл. 3). Эксперименты проводили при двх = 6мм, ёраб = 4мм, д'вых = 2 мм и к = 17.
Кодированное обозначение факторов Название факторов, их обозначение и единица измерения Уровни факторов Шаг варьирования
-1 0 +1
Х\ Высота И рифов, мм 2,3 2,9 3,5 0,6
Х2 Частота пб вращения барабана, мин-1 1500 1750 2000 250
Х3 Подача q исходного материала, т/ч 0,075 0,125 0,175 0,050
После реализации плана и обработки результатов эксперимента получены адекватные с вероятностью 95% математические модели процессов вытирания и дробления семян (%):
е = 89,0 + 9,4x1 + 5,6x2 + 0,1хэ - 11,4х12 - 3,5X1X2 - 1,4х1хэ - 1,2х22 + 0,4х2хэ + 1,4хз2; (1)
й = 1,52 + 0,44х1 + 0,77х2 - 0,34х3 - 0,95х12 + 0,43х1х2 - 0,14х1х3 + 0,22х22- 0,13х2х3 + 0,04х32 (2)
После исключения из уравнений (1) и (2) незначимых коэффициентов регрессии и пересчета оставшихся коэффициентов модели принимают вид:
е = 89,2 + 9,4х1 + 5,6х2 - 11,6х12 - 3,5х1х2; (3)
й = 1,62 + 0,44х1 + 0,77х2 - 0,34х3 + + 0,43х1х2 - х12.
(4)
Анализ математических моделей (3) и (4) проводили с помощью двумерных сечений (рис. 4).
2000
На степень вытирания е оказывают влияние два фактора - высота И рифов и частота пб вращения барабана. Наиболее существенно на е влияет высота И рифов. Причем функция е = /(И) имеет перегиб в области И = 3,0.3,3 мм. Увеличение частоты пб вращения барабана приводит к повышению е при любых в изученной области значениях И. Так, увеличение пб от 1500 до 2000 мин-1 при И = 3,0 мм приводит к повышению!е от 85,9 до 95,8%.
Рис. 4. Двумерные сечения поверхностей отклика, характеризующих степень
вытирания е (-) и дробление й (----) семян при х3 = 1 ^ = 0,175 т/ч)
и 8вх = 6мм, дра6 = 4мм, д'вых = 2 мм, к = 17
В отличие от степени вытирания е на дробление ё семян существенное влияние оказывают все три фактора, наиболее значимый из них - частота пб вращения барабана. Изменение ё = /(пб) носит вполне закономерный характер - с повышением пб дробление ё семян увеличивается. Так, например, увеличение пб от 1500 до 2000 мин-1 (при q = 0,175 т/ч и к = 3,0 мм) ведет к повышению дробления на 1,69% (от 0,48 до 2,17%).
Функция ё = /(к) имеет максимум в области к = 2,9.3,3 мм. Увеличение к от 2,3 до 3,1 мм при пб = 2000 мин-1 и q = 0,175 т/ч приводит к увеличению ё на 2,06% (от 0,18 до 2,24%). Дальнейшее увеличение к до 3,5 мм приводит к снижению ё до 1,92%.
Наименьшее влияние на ё оказывает подача q исходного материала. Увеличение q приводит к снижению ё во всей области исследования. Так, например, увеличение q от 0,075 до 0,175 т/ч при пб = 2000 мин-1 и к = 3,0 мм приводит к снижению ё на 0,68% (от 2,85 до 2,17%). Снижение дробления ё семян при увеличении подачи q исходного материала обусловлено уменьшением вероятности удара рифами терочной поверхности барабана вытертых семян вследствие увеличения количества обрабатываемого материала.
Проведенный анализ позволяет сказать, что степень вытирания семян е не менее 90% при дроблении ё семян не более 1,5 % достигается при следующем сочетании изучаемых факторов: к = 3,0.3,3 мм; пб = 1725.1800 мин-1 и q = 0,150.175 т/ч.
Выводы. В результате проведенных экспериментальных исследований определена область рациональных значений конструктивно-технологических параметров вытирающе-скарифицирующего устройства, при которых обеспечивается степень вытирания семян е не менее 90%, при
дроблении d семян не более 1,5%: высота рифов терочной поверхности барабана h = 3,0.3,3 мм; частота вращения барабана пб = 1725. 1800 мин-1; подача исходного материала в вытирающее устройство q = 0,150.0,175 т/ч; зазоры между рифом терочной поверхности барабана и декой двх = 6 мм, драб = 4 мм, д'вых = 2 мм, количество вытирающих пластин к = 7.17 шт.
Список литературы
1. Фигурин В.А., Кислицина А.П., Сун-цова Н.П., Вяткина А.А. Создание продуктивных агрофитоценозов на сенокосах // Достижения науки и техники в АПК. 2010. №3. С. 42-44.
2. Анеляк М.М. Экспериментальное исследование аксиально-тангенциального терочного устройства бильного типа //Механизация и электрификация сельского хозяйства. Киев. 1986. Вып.64. С. 29-31.
3. Ех Ян. Влияние параметров молотильного аппарата на качественные показатели семян при вымолоте многолетних трав // Земледельческая механика: Сб. науч. тр. М.: МИИСП, 1979. Т.14. Вып.1. С. 113-115.
4. Симонов М.В. Обоснование параметров и режимов работы барабанной клеверо-терки-сепаратора с тангенциальной подачей: Дис. . канд. техн. наук. Киров, 2005, 170 с.
5. Бурков А.И., Симонов М.В., Маш-ковцев М.Ф. Определение показателей качества работы устройства для вытирания семян трав // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. № 8. С. 18-19.
6. Симонов М.В., Мокиев В.Ю. Влияние влажности пыжины клевера на степень вытирания // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: Материалы V Междун. научн.-практ. конф. «Наука-Технология-Ресурсосбережение». Киров: Вятская ГСХА, 2012. Вып. 13. С. 142-144.
Results of researches of the device for extraction and scarification
of seeds from clover wad
Burkov A., Simonov M., Mokiev V.
The influence of parameters of the device for extraction and scarification of seeds of grass on quality of performance of technological process of extraction of clover seeds has been shown. The best values of these parameters are determined.
Key words: clover seeds, device for extraction and scarification, clover wad
