CC BY
0Н.А. Урханов, д-р техн. наук, проф, академик МАН ВШ, e-mail: urhanov@ mail.ru Г.Р. Цыдендоржиева, канд. техн. наук, доц., e-mail: galrom048@mail.ru А.С. Бужгеев, канд. техн. наук Л.А. Мантуров, аспирант, е-mail:2147@/mail.щ А.А. Абидуев, канд. техн. наук, e-mail: abiduev2011@yandex.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 67.726.2
РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА И РАБОЧИХ ОРГАНОВ СЕПАРАТОРОВ
Представлены результаты исследования и выявления технологических особенностей очистки зерна пшеницы местных сортов, обоснования условий послеуборочной обработки и технологий разделения зернового материала в Забайкалье; разработки аэродинамических устройств и лопастных зер-нометателей, обеспечивающих эффективную послеуборочную обработку, фракционное разделение и очистку зерна от примесей легких, по длине и плотности для улучшения качества продовольственного зерна и семян. На основе результатов исследования и закономерностей движения зерна по поверхности и в рабочих пространствах машин разработаны конструкции основного рабочего элемента -ячейки и высокопроизводительных триеров, дискового и цилиндрического сепараторов, обеспечивающих изменение технологического процесса и повышение производительности очистки зерна от куколя и овсюга до 4 раз.
Ключевые слова: зерно, разделение, очистка, качество, разработка, эффективность.
N.A. Urkhanov, Dr. Sc. Engineering, Prof.
G.R. Tsydendorzhieva, Cand. Sc. Engineering A.S. Buzhgeev, Cand. Sc. Engineering
L.A. Manturov, P.G. A.A. Abiduev, Cand. Sc. Engineering
THE RESULTS OF DEVELOPMENT AND DEPLOYMENT OF TECHNOLOGIES
OF PROCESSING OF GRAIN AND WORKING BODIES OF SEPARATORS
The article presents results of the research and identification of technological features of clearing wheat grains of local varieties, justification of conditions ofpostharvest processing and technologies of division ofgrain material in Transbaikalia; the development of aerodynamic devices and impeller grain throwers, providing efficient handling of, fractional separation and the purification of grain from light impurities, on length and densities to enhance the quality offood grains and seeds. On the basis of research results and laws of motion of the grain over the surface and in working spaces of machines basic designs of the working element have been developed - cells and high-performance grain-cleaning machines, disk and cylindrical separators providing change of technological process and productivity increase of corn cockle and wild oats purification to 4 times.
Key words: grain, separation, purification, quality, development, efficiency
Введение
В условиях дальнейшего повышения урожайности зерновых культур относительно короткого безморозного вегетационного периода роста растений и большого количества осадков в период уборки урожая является актуальным совершенствование технологии послеуборочной обработки зерна (ПОЗ) и средств механизации фракционного разделения и очистки зернового материала с учетом условий Забайкалья.
Условия и методика исследований
Условия производства зерна и ПОЗ исследованы определением значений соответственно гидротермических коэффициентов Кс (ГТК) Г.Т. Селянина и К (КWt) М.Г. Голика. В зависимости от величины коэффициента К с в сельскохозяйственных зонах районированы местные сорта пшеницы и других зерновых культур, Забайкалье разделено на две подзоны: влажная,
где Кс =1,5.....2,0 и выход зерна крупной фракции составляет 57... 79%, и засушливая, где Кс=
1,0.. .1,5 и выход 37.53%. Величина коэффициента К зависит от естественно-климатических условий зоны и влияет на влажность свежеубранного зерна и характеризует объем ПОЗ. Изменение значений коэффициента определено по данным метеоусловий во время уборки каждого года за период 11 лет, и установлена его связь с влажностью зерна. По значениям коэффициента К и условиям ПОЗ зона Забайкалья разделена на две подзоны: влажная, где К=5,36... 8,01, и относительно сухая К = 3,06.4,97, а их связь с влажностью и объемом ПОЗ определена уравнением связи [1, 2].
Методами статистического, механико-математического и экспериментального исследований свойств зерна пшеницы местных сортов, его движения по поверхности и в рабочих пространствах машин установлены технологические особенности, закономерности разделения и очистки зернового материала. Обоснованы параметры совершенствования технологии обработки и очистки зерна, конструкции рабочих органов сепараторов и устройств [1, 2, 3, 4, 5].
Результаты исследования и их обсуждение
Достоверность разделения территории Забайкалья на две подзоны по условиям ПОЗ проверена исследованием по F-распределению и гипотезе о равенстве дисперсии [1]. Зависимость между общим объемом Y влажного и сырого зерна с сорной примесью выше базисной кондиции (в %) и коэффициентом K в период массовой уборки и заготовки зерна установлена математической обработкой данных по программе построения связи на вычислительной машине. В результате получено уравнение связи:
Y=49,87+22,59K1/3 (гк.у=0,716). (1)
Результаты исследования показывают, что в первой подзоне объем зерна влажностью W=16.. .20% составляет 85,6%, а во второй - 99,87% от валового сбора. При этом засоренность зерна составляет 14.16%, и все убранное зерно подлежит послеуборочной обработке. Из 99,87 % влажного зерна во второй подзоне около 38% составляет зерно сырое - W > 20%, оно требует сушки на зерносушилках и КЗС. Поэтому во 2-й подзоне потребность в КЗС больше, чем в 1-й, на 38% с учетом, что для увеличения сроков временного хранения зерна в каждой подзоне на пунктах ПОЗ применяются ворохоочистители, зернометатели, установки для активного вентилирования и аэродинамической обработки, охлаждения, подсушки и перемещения зерна [3].
Обработка зернового вороха на разработанных пневматических устройствах и лопастных зернометателях совмещается с перемещением зерна до 10 м на пунктах ПОЗ, обеспечивает снижение его влажности на 2-3 0С, в зависимости от его начальной влажности, и увеличение срока временного хранения в 1,5.2 раза.
Интенсификация обработки зерна на пневматических устройствах: установка для тепловой обработки (АС №552486, СССР опубл. 1977, бюл. № 12) обеспечивает сушку и очистку зерна в импульсном режиме в вертикальных каналах при чередовании горячего и холодного воздуха и значение аэродинамической силы R>1,8G; установка для сушки (Патент СССР, № 879220, опубл. 1981, бюл. № 41) производит подсушку и очистку зерна при чередовании циклов его подъема в режиме аэрофонтирования при R>1,8G и перемещении материала в продольном направлении по наклонным направляющим пластинам при R<G; установка для тепловой обработки зерна в псевдоожиженном слое (Патент СССР №1267143, опубл. 1986, бюл. № 40) обеспечивает сушку и очистку зерна во взвешенном слое при R=G в процессе транспортирования между перегородками транспортера в продольном направлении (рис. 1 а). Кроме
того, обработка способствует повышению эффективности последующих технологических операции на воздушно-ситовых сепараторах. На ситовом рабочем органе обеспечиваются разделение и очистка материала с получением 36-40% зерна крупной фракции (КФ), 38-45% средней (СФ) и выделением около 70% овсюга от его исходного содержания в крупные примеси сходом с сортировочного сита. При этом происходит полная очистка материала от мелких примесей на подсевном сите сепаратора. Такая технология очистки обеспечивает получение семенного материала и снижения общих затрат на очистку зерна. Разработка технологии обработки и выявления технологических особенностей очистки зерна пшеницы местных сортов от сопутствующих сорняков и их внедрение в хозяйствах выполнены по хоздоговорным работам с хозяйствами РБ.
Рис. 1. Схемы обработки и разделения зерна на пневматических устройствах и зернометателе: а - подсушка и очистка зерна воздухом на установках: для тепловой обработки в вертикальных каналах в импульсном режиме на транспортерной ленте (Т) при Я>1,80; для сушки в режиме аэфонтирования с воздухораспределительной сетки (В) и перемещения материала в продольном направлении при ЖО; для тепловой обработки зерна в псевдоожиженом слое при Я=О; б - схема очистки зерна в пневмосепарационном канале пневматического сепаратора: I - зерно очищенное: II - относы тяжелые; III - воздух с легкими относами; в - вариационные кривые по дальности отлета; 1 - зерно пшеницы; 2 - зерновки овсюга; 3 - частицы гальки; 4 - куколя; КФ - крупная фракция зерна; СФ - средняя фракция зерна; ОЗ - фракция зерна с овсюгом; ПЗ - потери мелких зерен в отходы с овсюгом
Фракционное разделение и очистку зерна обеспечивают центрифуги, которые разработаны и защищены патентами РФ. Центрифуга обеспечивает выделение овсюга с легкими примесями в зерне СФ, составляющей 30% от его исходного количества, уменьшает объем триерной очистки на 70% и очищает зерно от минеральной примеси (гальки), как показывает исследование на лабораторных установках [1].
Результаты исследования действия воздушного потока на зерно использованы для разработки конструкции пневмасепарационного канала с кольцевым сечением и устройства для центробежно-гравитационной подачи расслоенного исходного материала тонким слоем в канал и обработки слоя потоком воздуха в поперечном направлении (рис. 1 б). Условия очисти от примесей предусматривают движение зерна от поверхности воздухораспределительной сетки при КУ2>ю2г, где К - коэффициент парусности; V - скорость воздуха в канале, м/с; г -радиус окружности канала, м; ю - угловая скорость вращения зерна по поверхности сетки, с-1. При этом частицы легких примесей уносятся воздухом в сторону их расположения в слое, в направлении к приемнику легких примесей. При этом крайняя верхняя траектория зоны движения зерна должна проходить ниже точки С кромки отверстия приемного патрубка для тяжелых относов II и определяется по зависимости:
У=
(2)
(^2-т2г)'
где У и X - координаты движения зерна по осям системы OXY.
Результаты исследования показывают, что конструкция пневмосепарирующего канала обеспечивает повышение эффективности очистки зерна на 6% в сравнении с сепаратором Р3-БСД. Разработанные конструкции воздушных сепараторов защищены патентами РФ, а их эффективность работы проверена исследованием на лабораторных установках и производственном оборудовании при реконструкции пневмотранспортной системы Иркутского мельзавода по хоздоговорной работе [3].
Лопастные зернометатели разработаны на основе результатов исследования метания зерна в воздух, защищены патентами на изобретения, устраняют недостатки и совершенствуют конструкцию существующего метателя ЗМ-60, нашедшего широкое применение для обработки зерна на пунктах ПОЗ хозяйств. Лопастные метатели обеспечивают порционное метание зерна в воздух и улучшают процессы его разделения и очистки по аэродинамическим свойствам. Установлена закономерность разделения зерна в воздухе при метании под углом 450 к горизонту и начальной скорости Уо. Получены уравнения скорости и пути движения, которые использованы для расчетного и экспериментального определения дальности отлета зерна, примесей легких, по длине и гальки (рис. 1 в). Дифференцируя Ух и Уу скорости движения зерна в направлении полета и по высоте полета, по углу а и исключая время & делением почленно друг на друга, после преобразований получили уравнение:
где Ух=У^соБа - скорость движения зерна; У^ - дифференциал пути в направлении метания.
После преобразований уравнения (3) получено уравнение пути движения для определения дальности отлета зерна [1, 4]. Анализ вариационных кривых по дальности отлета показывает, что лопастной безременный зернометатель обеспечивает разделение исходного зернового материала на зерно КФ-50% и СФ-40% с полным выделением куколя и 60% овсюга, от его исходного количества, в отходы (ФО). В условиях Забайкалья на лопастном метателе обеспечиваются отбор зерна КФ для семян, полная очистка материала от гальки и куколя, а часть овсюга остается в зерне СФ. В результате уменьшается объем очистки зерна на триере в два и более раза. Опытные образцы ременного и безременного лопастных метателей внедрены и испытаны на пунктах ПОЗ хозяйств РБ по хоздоговорным работам.
В результате исследования движения зерна по рабочей поверхности триера получена математическая модель, описывающая закономерность ориентации продолговатого зерна длинной осью в сторону вращения поверхности. При этом угол 0 ориентации между длинной осью и направлением движения зерна изменяется по синусоидальному закону:
где А - амплитуда колебаний; 8 - начальная фаза; ]А - момент инерции зерна относительно оси, проходящей через точку опоры А перпендикулярно оси ОХ в плоскости движения; М=m•smа+tgф[cosа+Юa2R/g]+smycosy; х - величина несовпадения точек приложения равнодействующих сил тяжести mg и инерции (Яа) и сил сопротивления (Яс) в проекции на касательную плоскость; а - угол расположения зерна поверхности от горизонтального диаметра; Юа2Я - центростремительное ускорение от абсолютного движения зерна [1, 5, 6]. В соответствии с ориентацией и размерами зерна обоснованы новые конструкции продолговатой ячейки и рабочих органов триеров, которые защищены патентами и авторскими свидетельствами. Новые конструкции ячеек и рабочих органов рекомендованы для замены существующих стандартных ячеек, формы которых были установлены за рубежом в середине XIX в. Создание новых ячеистых поверхностей цилиндрических и дисковых триеров выполнены по планам г/б НИР ВСТИ-ВСГУТУ, по х/д работам с машиностроительными заводами «Продмаш» (г. Одесса) и «Воронежзерномаш». Исследованы технологические процессы очистки зернового материала от примесей по длине, и выявлены закономерности процессов западания зерна
ёУ= - к-У-сова-Уё!,
(3)
(4)
в ячейку и его выпадения из нее. Определены зоны западаний и выпадений зерен и возможности повышения качества очистки зерна и производительности триеров путем применения продолговатой ячейки и увеличения коэффициента использования ячеистой поверхности в 1,42,4 раза и скорости вращения рабочего органа в 1,5-2,6 раза в сравнении с существующими триерами [1, 5, 6]. Продолговатые ячейки и рабочие органы обеспечивают повышение производительности дисковых триеров в 1,4-1,6 и цилиндрических - в 1,8-2,4 раза в сравнении с существующими [1, 5]. Новые рабочие органы приняты к внедрению на заводе «Продмаш» и изготовлены на кафедре, а ячеистые поверхности для цилиндрических триеров изготовлены на экспериментальном заводе ВИМ, кафедре и заводе им. Фрунзе (г. Харьков). Экспериментальное исследование подтверждает результаты теоретического по повышению производительности триеров при существующем технологическом процессе очистки зерна.
Технологический процесс очистки зерна в существующих овсюжных триерах происходит нерационально из-за выноса зерен пшеницы, содержание которой в исходном материале составляет обычно около 97% при содержании овсюга 3%, ячейками из слоя обрабатываемого материала в приемно выпускное устройство (ПВУ). При этом по длине триера происходит процесс обеднения слоя зерном и обогащения зерновками овсюга и снижается коэффициент Е использования ячеистой поверхности до Е=0,3 (рис. 2).
Рис. 2. Схемы очистки зерна в ячеистых сепараторах: 1 - в цилиндрическом триере;
2 - в дисковом триере; 3, 4 - в овсюгоотборниках; 5 - в цилиндрическом сепараторе;
6 - в дисковом сепараторе
С целью увеличения производительности и уменьшения энергоемкости очистки зерна в овсюгоотборнике разработана конструкция ячейки в соответствии с ориентацией и размерами зерновки овсюга. Применение такой ячейки для овсюга обеспечивает изменение технологического процесса очистки зерна по рациональной схеме путем выноса зерновок овсюга, содержание которого в исходном зерне составляет не более 3% ячейками из слоя в ПВУ. Это обеспечивает уменьшение потери мощности на вынос зерновок овсюга. Основной материал при этом перемещается, обрабатывается ячеистой поверхностью и выходит в конце цилиндра. Конструкция цилиндрического овсюгоотборника защищена патентом РФ, и его рабочие параметры обоснованы в работе [1, 5, 7]. Аналогичным исследованием обоснованы параметры рабочего органа и технологического процесса очистки зерна в дисковом овсюгоотборнике в диссертационной работе с защитой [8].
Анализ выполненных работ показывает, что технологический процесс очистки зерна от овсюга в овсюгоотборнике происходит одинаково с процессом очистки в куколеотборнике при 3%-ном содержании куколя в исходной зерновой смеси и коэффициенте Е=0,03. Поэтому процессы очистки зерна от овсюга и куколя можно, как показывают результаты исследования, совместить в одной машине. При этом новый технологический процесс обеспечивает совмещение процессов очистки зерна от 3% куколя и 3% овсюга выносом ячеистой поверхностью в ПВУ сепаратора. Результаты исследования и разработки дискового и цилиндрического сепараторов показывают, что совмещение очистки зерна от куколя и овсюга в одной машине обеспечивает замену работы двух отдельных кукольного и овсюжного триеров работой одного ци-
линдрического сепаратора на пунктах ПОЗ или дискового на зерноперерабатывающих предприятиях. Кроме того, обработка материала ячеистой поверхностью дискового ротора по всей длине сепаратора обеспечивает очистку поверхности зерна от связанной пыли и выполняет дополнительно работу обоечной машины. В результате обеспечиваются повышение производительности очистки зерна до 4 раз и значительное уменьшение расходов энергии и материалов [9, 10]. Работа по исследованию и обоснованию параметров цилиндрического и дискового сепараторов продолжается.
Заключение
С учетом условий производства обоснованы технологии, объем и средства механизации ПОЗ в Забайкалье. Разработаны конструкции пневматических устройств и лопастные зерно-метатели, обеспечивающие повышение эффективности обработки, фракционного разделения и очистки зернового материала. В результате исследования движения зерна по поверхностям и в рабочих пространствах машин установлены закономерности ориентации и разделения зерна, разработаны конструкции воздушных сепараторов, продолговатой ячейки и рабочих органов высокопроизводительных цилиндрических и дисковых триеров-овсюгоотборников. На основе исследования созданы конструкции цилиндрического и дискового сепараторов, обеспечивающих совмещение технологических процессов очистки зерна от куколя и овсюга в одной машине. В результате работы двух отдельных кукольного и овсюжного триеров выполняются в одном сепараторе, повышается производительность очистки зерна от примесей по длине до 4 раз в сравнении с существующими триерами при существенном уменьшении расхода мощности и средств на очистку зерна от куколя и овсюга.
Библиография
1. Урханов Н.А. Интенсификация послеуборочной обработки и очистки зерна от примесей по длине. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 1999. - 319 с.
2. Урханов Н.А., Цыдендоржиев Б.Д., Абидуев и др. Условия, технологии и средства механизации послеуборочной обработки зерна в Забайкалье // Вестник ВСГУТУ. - Улан-Удэ, 2013 - № 4 (42).
- С. 47-52.
3. Урханов Н.А., Цыдендоржиев Б.Д., Цыдендоржиева Г.Р. и др. Совершенствование конструкции и технического процесса работы пневматических устройств и сепараторов для зерна // Вестник ВСГТУ. - Улан-Удэ, 2011. - № 3. - С. 62-69.
4. Урханов Н.А., Абидуев А.А., Мантуров Л.А. Результаты исследования зернометателя и повышение эффективности разделения и очистки зерна // Вестник ВСГУТУ. - Улан-Удэ, 2014. - № 3 (47).
- С. 43-47.
5. Урханов Н.А. Исследование движения зерна в сепараторах и повышение эффективности их работы // Вестник ВСГТУ. - Улан-Удэ, 2005. - № 2. - С. 12-20.
6. Урханов Н.А. Использование закономерностей движения зерна для совершенствования конструкции и повышения производительности ячеистых сепараторов // Вестник ВСГТУ. - Улан-Удэ, 2009. - № 1. - С. 31-37.
7. Козлов Д.А. Интенсификация технологического процесса очистки зерна в цилиндрическом овсюжном триере: автореф. ... дис. канд. техн. наук. - Новосибирск, 2002. - 32 с.
8. Бужгеев А.С. Совершенствование технологического процесса и повышение производительности очистки зерна в дисковом триере-овсюгоотборнике: автореф. ... дис. канд. техн. наук. - Улан-Удэ, 2006. - 24 с.
9. УрхановН.А., Бужгеев А.С., Горев А.О. Совмещение в дисковом сепараторе технологических процессов кукольного и овсюжного триеров и обоечной машины // Вестник ВСГТУ. - Улан-Удэ, 2011.
- № 4. - С. 79-85.
10. Урханов Н.А., Серых Д.Ф., Урханов Н.Э. Обоснование технологического процесса очистки зерна от куколя и овсюга в цилиндрическом сепараторе // Вестник ВСГТУ. -Улан-Удэ, 2012. - № 1. -С. 78-83.
Bibliography
1. Urkhanov N.A. The intensification of postharvest processing and purification of grain of impurity along the length // Scientific publication. - Ulan-Ude: ESSUTM Publishing house, 1999. - 319 p.
2. Urkhanov N.A., Tsydendorzhieva G.R., Abiduev A.A. et al. The conditions, technologies and means of mechanization of postharvest grain processing in Transbaikalia // Vestnik of ESSUTM. - Ulan-Ude, 2013. -N 4. - P. 47-52.
3. Urkhanov N.A., Tsydendorzhieva G.R., Tsydendorzhiev B.D. et al. The improvement of a design and technical process of operation of pneumatic devices and separators for grain // Vestnik of ESSUTM. - Ulan-Ude, 2011. - N 3. - P. 62-69.
4. Urkhanov N.A., Abiduev A.A., Manturov L.A. The study results of grain thrower and increase of efficiency of separation and purification of grain // Vestnik of ESSUTM. - Ulan-Ude, 2014. - N 3. - P. 43-47.
5. Urkhanov N.A. Investigation of grain movement in separators and increasing of their effectiveness // Vestnik of ESSUTM. - Ulan-Ude, 2005. - N 2. - P. 12-20.
6. Urkhanov N.A. The use of regularities of the grain movement for improvement of a design and increase of cellular separators productivity // Vestnik of ESSUTM. - Ulan-Ude, 2009. - N 1. - P. 31-37.
7. Kozlov D.A. The intensification of technological process of a grain clearing in a cylindrical grain-cleaning machine // Author's Dis. Cand. Sc.Engineering. - Novosibirsk, 2002. - 32 p.
8. Buzhgeev A.S. The improvement of technological process and increase of purification productivity of grain in the disk grain-cleaning machine: Author's Dis. ... Cand. Sc.Engineering. - Ulan-Ude, 2006. - 24 p.
9. Urkhanov N.A., Buzhgeev A.S., Gorev A.O. The combination in the disk separator of technological processes of corn cockle and wild oats in triers and scouring machines // Vestnik of ESSUTM. - Ulan-Ude, 2011. - N 4. - P. 79-85.
10. Urkhanov N.A., Grey D.F., Urkhanov N.E. The substantiation of technological process of grain clearing from corn cockles and wild oats in a cylindrical separator // Vestnik of ESSUTM. - Ulan-Ude, 2012. - N 1. - P. 78-83.
