CC BY
1Н.А. Урханов, д-р техн. наук, проф, академик МАН ВШ, e-mail: [email protected]
А.А. Абидуев, канд. техн. наук, ст. преподаватель Л.А. Мантуров, аспирант Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 631.662.34
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕРНОМЕТАТЕЛЯ
И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ ЗЕРНА
В статье представлены результаты исследования разработки зернометателя, повышения эффективности фракционного разделения и очистки зерна при метании в воздух.
Ключевые слова: зерно, метатель, разделения фракции, эффективность очистки.
N.A. Urhanov, Dr. Sc. Engineering, Prof.
A.A. Abiduev, Cand. Sc. Engineering L.A. Manturov, P.G.
RESEARCH RESULTS OF A GRAIN THROWER AND EFFICIENCY IMPROVEMENT OF GRAIN SEPARATION AND CLEANING
The article presents the research results of the grain thrower design and efficiency improvement of fractional separation and grain cleaning when thrown into the air.
Key words: grain, thrower, fraction separation, cleaning efficiency.
Состояние
Зернометательные машины - зернометатели (зернопульты), появившиеся в 1930-е гг., широко применяются для механизации очистки, проветривания и подсушки зерна методом метания в воздух на предприятиях и хозяйствах АПК страны. Их конструктивные недостатки, допускающие травмирование зерна, привели к тому, что метатели конструкции ВИС-ХОМ и ВИМ были сняты с производства в 1961 г. и начаты выпуск и эксплуатация зерноме-тателей ЗМ-30 и ЗМ-60. Однако изменение конструкции их прижимного барабана не устраняет травмированные зерна и создает износ ремня на кромках его канала. При этом зерноме-татель, производя метание зерна в воздух сплошным непрерывным потоком, не обеспечивает достаточное качество его разделения и очистки: легкие зерна и частицы увлекаются основным потоком. Очистка слоя зерна воздухом в пневмасепарационном канале сепаратора также происходит неэффективно из-за изменений поля рабочей скорости Vp и условия разделения материала по поперечному сечению канала: величина Vp изменяется по кривой от минимальной Vpmin у стенок до максимальной Vp max в средней части воздушного потока. Кроме того, на низкую эффективность очистки зерна потоком воздуха в канале влияет выбор рабочей скорости Vp из условия, чтобы скорость витания зерна VB 3 была меньше V p max и скорость витания легких примесей меньше Vp , а также скачкообразное движение частиц обрабатываемого материала в поперечном направлении и их попадание в зоны минимальных и максимальных скоростей потока воздуха. При метании зерна в воздух траектория его движения определяется сопротивлением воздуха в зависимости от аэродинамических свойств и индивидуальной массы частицы. При этом математические характеристики зерна каждого сорта в отдельности не обладают большой изменчивостью. Среднеквадратичное отклонение в пределе доходит до 0,2 и коэффициент вариации - 0,15 % для 500 шт. зерен, выделенных из среднего образца. Анализ составленных корреляционных таблиц свидетельствует о достаточно устойчивой связи между отдельными размерами зерна, его массы с размерами и скоростью витания. При этом коффициент корреляции между шириной и толщиной, толщиной и массой зерна пшеницы сорта Онохойская-4 составляет соответственно 0,6599 и 0,7314, а
между массой и скоростью витания - достаточно высокий и изменяется от 0,9455 до 0,9602, что показывает на возможность повышения эффективности фракционного разделения зерна и его очистки от примесей при метании в воздух лопастным метателем [1].
Целью работы является исследование зернометателя и технологии разделения и очистки зерна для применения и их дальнейшего совершенствования.
Результаты исследования, их обсуждение
Исследования, выполненные в ВСГУТУ с 1970 г. по настоящее время, показывают, что при штучном и порционном метании зерна во встречный или неподвижный поток воздуха обеспечивается его разделение на фракции по дальности отлета. При этом фракционное разделение и очистка зерна от примесей при порционном метании лопастным метателем происходят по аэродинамическим свойствам при более благоприятных условиях, чем при его обработке существующим метателем или воздушным сепаратором. Лопастной метатель обеспечивает порционное метание материала, при этом на дальность отлета зерна влияет в основном индивидуальная масса при принятом постоянном коэффициенте аэродинамического сопротивления и одинаковой начальной скорости его метания в воздух [1, 2, 3]. Схема действия сил на зерно и траектория его движения и примесей при метании в горизонтальном направлении во встречный поток воздуха при скорости Vn и начальной скорости зерна Vo показаны на рисунке 1 а. Уравнение движения зерна в проекциях на оси ОХ и ОУ имеет вид:
Г my = R sin а - G
в > (1)
[тх = -к cos а
где R = k mVo2 и G=mg - силы аэродинамического сопротивления и тяжести зерна; К = ^ Fg/
1 3
2m - коэффициент парусности, м" ; m - масса зерна, кг; р - плотность воздуха, кг/м ; Vo -скорость обтекания воздуха, м/с; F - миделево сечение частицы, м2; а - угол действия силы R к горизонтали. После преобразования с учетом R и G уравнение (1) приведено к виду
\y = KV02sma-g
[х = ~VnV0 cosa
(2)
Учитывая незначительное изменение угла a от времени, функции sin a и cos a приняты постоянными, что подтверждено расчетом [2]. Результаты расчета представлены в виде графика зависимости угла a от времени t движения зерна при различных значениях коэффициента К и траектории движения компонентов зернового вороха [1, 2].
В результате решения (2) получено уравнение
„ TZ sin a, I kdt I kdt
Y = Y0--—4 0,5(e --+e --)]
a V sin a V sin a ^
x = S^.4K(yn+Vo)t + GO& a]-Vj
для определения траектории движения зерна и примесей во встречном потоке воздуха.
Максимальная дальность отлета зерна пшеницы при коэффициенте парусности К = 0,072 составляет 1240 мм, а минимальная - 900 мм, максимальная дальность отлета овсюга меньше минимальной дальности отлета пшеницы и равна 800 мм при одинаковой высоте Уо = 45 мм и начальной скорости V0 = 20 м/с метания и Vn = 30 м/с. При этом легкие примеси отделяются полностью, а часть овсюга выделяется в отходы, уменьшается длина участка обработки зерна и затруднено его фракционное разделение. В зерне остается около 50 % овсюга от его содержания в исходном материале. Результаты исследования использованы для разработки ременного лопастного зернометателя, обоснования конструктивных параметров лопастей его прижимного барабана, загрузочного и питающего устройств, обеспечивающих порционное метание зерна в воздух для эффективной очистки, проветривания и транспортирования, подсушки зернового материала в процессах послеуборочной обработки зернового вороха. Разработанные конструкции метателей исследованы в лабораторных и производст-
венных условиях, защищены авторскими свидетельствами № 735709, 776962, 876865 (СССР) и патентами 865433, 1006337 (СССР). Опытные образцы ременных лопастных метателей использованы в технологических линиях приема и обработки зерна в хозяйствах [1]. Их испытание показало, что ременный лопастной метатель при метании зерна в неподвижный поток воздуха не обеспечивает достаточную четкость его разделения из-за вибраций ремня на участке подьема после лопастного барабана, а встречный поток при этом, уменьшая зону сепарации, снижает эффективность фракционного разделения зерна. Поэтому разработаны безременные метатели, которые защищены патентами № 20214227, 2250144, 22408559. Исследовано движение зерна при метании под углом ао и скорости Vo, которое описывается уравнением (рис. 1 б).
тх = -0,5¿FpV2 coso:
" 2 (4)
[ту = -0,5gFpV sin а - mg
С учетом коффициента К уравнение (4) приведено к виду
dV0 „т.2 0 = -KV cosa
% ■ <5>
dV ,
—- = -KV sin а - g dt 5
где а- угол между силой R аэродинамического сопротивления зерна и горизонталью.
Подставляя значения Vx=Vcosa и Vy=Vsina в уравнение (5), дифференцируя Vx и Vy по углу a и исключая dt делением уравнений почленно друг на друга, после замены dVx и dVy их значениями и преобразований получено уравнение
-J— - Vtga - к = 0. (6)
da g cos
Интегрированием уравнения (6) получена формула для определения скорости полета зерна в воздухе по траектории как функции от угла а, которая преобразована с учетом (5) и получено уравнение
dV = -K-Vcosa-Vdt, (7)
где Vx= Vcosa; Vdt=ds - дифференциал пути.
После преобразования уравнение (7) записано в виде [3]
^ = -Kds, (8)
К
интегрированием которого получено
V = V0^^e-b. (9)
cosa
Решая уравнение (9) относительно пути S, получили уравнение пути движения зерна в воздухе при метании под углом ао к горизонту:
S = ^ Ч1 ■-- К + In ig(45 + (10)
2к g cos а 2
где А=2,3026 - модуль перевода десятичных логарифмов в натуральные.
Уравнение (8) использовано для определения дальности отлета, разделения зерна и его очистки от примесей в зависимости от коэффициента К и изменения угла a от ао до а=0 на участке пути S восходящей ветви и от а=0 до а=а1 - пути S2 нисходящей.
Анализ изменений величины и направлений составляющих скоростей и пути движения на основе установленных закономерностей показывает, что изменения угла a и составляющих скорости движения зерна на начальном участке восходящей ветви траектории незначительные и определяют устойчивое движение на пути, равном примерно 0,73, и отделение зерна от частиц примесей, которые по своим аэродинамическим свойствам отстают от основного материала по дальности отлета. При этом четкость разделения зерна и его очистки
от примесей обеспечивается не только расслоением зерна в воздухе, но и его предварительным расслоением при подаче и заполнении ячеек в барабане.
На основе результатов исследования установлено, что безременный лопастной порционный метатель, защищенный патентом [4], обеспечивает эффективность фракционного разделения и очистки зерна от примесей при метании в воздух под углом а.
и неподвижном потоке воздуха (б)
На рисунке 2 представлены вариационные кривые дальности отлета зерна пшеницы Онохойская - кривая 1, трудноотделимого овсюга - 2, гальки - 3, легких примесей - 4, которые использованы для обоснования технологии фракционного разделения и очистки зерна. Изменение дальности отлета зерна пшеницы влажностью 14% происходит в пределах от Х1=5 до х2=13,4 м при максимальной частоте Р=37% повторений величины 9,8 м, зерновок овсюга - от х3=2,5 до х4=7 м. При этом частицы гальки отлетают дальше х5=12,6 м и отделяются от зерна. Легкие примеси (Бд) полностью выделяются из зерна.
Фракционное разделение зерна пшеницы можно производить по критерию разделения хр3= 9,9 м на крупную Бт и среднюю Бс фракции. При этом средняя фракция Бс отделяется от овсюга по критерию хр0, допускающему незначительные потери неполноценного (мелкого) зерна Пзо в отходы и попадание «тяжелых» зерновок овсюга Поз в среднюю фракцию зерна Бс. Большая часть овсюга Б0 попадает в отходы, что очень важно для снижения трудоемкости очистки зерна Бс на триере. При очистке семенного материала крупную фракцию зерна отбирают по критерию дальности отлета х2, а продовольственного зерна по х5, допуская незначительные потери (около 0,05%) зерна в отходы с галькой, что позволяет уменьшить объем его очистки от гальки почти на 80% в сравнении с существующей технологией очистки на кам-неотделительной машине РЗ-БКТ на зерноперерабатывающих предприятиях.
Рис. 2. Вариационные кривые дальности отлета зерна (1), овсюга (2), легких примесей
Анализ зерен, отлетающих на участке в пределах 6-8, 6-10,10-12 и 12-14 м, показывает, что среднее значение их индивидуальной массы увеличивается и составляет соответственно 0,025; 0,033; 0,038 и 0,041 г. Это подтверждает предположение, что дальность отлета зерна увеличивается в зависимости от увеличения его массы и исходное зерно на порционом метателе можно разделить на среднюю Fc и тяжелую Rr фракции. При этом обеспечивается применение материало- и энергосберегающей технологии очистки зерна от овсюга и гальки.
Заключение
Таким образом, результаты исследования показывают, что ременные лопастные метатели обеспечивают порционное метание зерна в воздух и повышение эффективности его очистки в сравнении с существующими воздушными сепараторами и ременными метателями. Порционное метание зерна во встречный поток воздуха в горизонтальном направлении производит полную очистку зернового материала от легких примесей и значительно уменьшает зону его сепарации, но не обеспечивает фракционное разделение зернового материала и затруднено созданием равномерного поля скоростей Vn. Безременный лопастной метатель при метании зерна под углом 45 обеспечивает полную очистку зернового материала от легких примесей и его разделение на фракции среднего и крупного зерна. При этом большая часть овсюга от его исходного содержания выделяется в отходы и уменьшается объем очистки зерна средней фракции на триере в два и более раза, а крупная фракция получается без овсюга и используется для семян.
Библиография
1. Урханов Н.А. Интенсификация послеуборочной обработки и очистки зерна от примесей по длине. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 1999. - 319 с.
2. Урханов Н.А., Ханхасаев Г.Ф. Теоретические основы сепарирования зернового вороха способом метания во встречный воздушный поток // Технология и оборудования пищевой промышленности и пищевое машиностроение: межвуз. сб. науч. тр. - Краснодар: Изд-во КПИ, 1983. - С. 69-75.
3. Абидуев А.А. Повышение эффективности фракционного разделения и очистки зерна на порционном метателе: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Улан-Удэ, 2004. - 22 с.
4. Пат. № 2250144 (РФ) / МКИ, В07 В 06, В 65 G31/ 04 Метатель сыпучих материалов / Н.А. Урханов, В.Н. Урханов, Г.Р. Озонов, А.А. Абидуев, А.С. Бужгеев, М.М. Мотошкин // Заявители и патентообладатели ВСГТУ и Н.А. Урханов. Заяв.: 2003105450/03, 25.02.2003. Опубл. 27.03.2004. Бюл.№ 11.
Bibliography
1. Urkhanov N.A. Intensification of post-harvest handling and cleaning of grain from impurities in length. - Ulan-Ude: ESSUT Press, 1999. - 319 p.
2. Urkhanov N.A., Khankhasaev G.F. Theoretical foundations of grain separation by throwing it into the oncoming air flow // Technology and food processing equipment and food machinery: collection of scientific articles. - Krasnodar: KPI, 1983. - P. 69-75.
3. Abiduev A.A. Improving the efficiency of fractional grain separation and purification on a batch thrower: Abstract of the Diss. ... Cand. Sc. Eng. - Ulan-Ude, 2004. - 22 p.
4. Patent № 2250144 (RF) / ICI, V07 In 06, 65 G31 / 04 Thrower of bulky materials / Urhanov N.A., Urhanov V.N., Ozonov G.R., Abiduev A.A., Buzhgeev A.S., Motoshkin M.M. // Applicants and patentees and ESSTU and Urhanov N.A. Application: 2003105450 /03, 25.02.2003 . Publ. 27.03.2004 . Bull. N 11.
