CC BY
25
УДК 631.362
А.В. Фоминых, Ю.Н. Мекшун, Д.В. Лопарев, Н.А. Ковшова
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЗЕРНА ПО РЕШЕТУ, СОВЕРШАЮЩЕМУ КОЛЕБАНИЯ В СВОЕЙ ПЛОСКОСТИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Т.С. МАЛЬЦЕВА», КУРГАН, РОССИЯ
A.V. Fominykh, Yu.N. Mekshun, D.V. Loparev, N.A. Kovshova THEORETICAL RESEARCHES OF GRAIN MOTION ACCORDING TO THE GRILLE COMMITTING OSCILLATIONS IN ITS PLANE FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «KURGAN STATE AGRICULTURAL ACADEMY BYT.S. MALTSEV», KURGAN,RUSSIA
Александр Васильевич Фоминых
А1ехапс1г \ZasNyevich РоггппукИ доктор технических наук, профессор prof_fav@mail.ru
Юрий Николаевич Мекшун
Mekshun Yury Nikolaevich кандидат технических наук, доцент mekshun.63@mail.ru
Дмитрий Владимирович Лопарев
Dmitry Vladimirovich Loparev
Аннотация. Пройдут зёрна в отверстие решета или нет, зависит от направления вектора и величины скорости, с которой зёрна подходят к отверстию при движении относительно решета. От этой скорости существенно зависит и продолжительность процессов просеивания. Поэтому при расчёте просеваемости решёт необходимо знать скорость зерна на различных участках по длине решета. Для теоретических исследований представим зерно материальной точкой. В неподвижной системе прямоугольных осей координат находится решето. С решетом жёстко связана подвижная система координат. По мере уменьшения толщины слоя зерна на решете уменьшается динамическое воздействие на зерно уменьшением амплитуды поперечных колебаний решета по линейному закону. Для теоретических исследований используем систему нелинейных дифференциальных уравнений относительного движения частицы по шероховатой наклонной плоскости, совершающей колебания в той же плоскости с уменьшающейся амплитудой поперечных колебаний по длине. Для решения дифференциальных уравнений движения частицы по колеблющейся поверхности используется численный метод Рунге-Кутта. Исследования проведены при движении решета по круговым, эллиптическим и прямолинейным траекториям. Во всех трёх случаях частица перемещается по решету по криволинейным, спиралевидным траекториям. Поэтому пройденный сходовой частицей, путь больше длины решета. Путь, пройденный проходовой частицей больше расстояния от точки подачи на решето до отверстия, в которое частица просеялась. Следовательно, и скорость движения больше средней скорости, полученной, например, делением длины решета на время нахоледения частицы на решете. Значения скорости, с которой частица движется по решету и подходит к краю отверстия, используются в дальнейших исследованиях просеваемости. На основе теоретических исследований разработан решетный стан, который позволяет изменять степень механического воздействия на сепарируемый материал по длине решета в соответствии с толщиной слоя, сообщать решету колебательное движение в своей плоскости по эллиптическим траекториям, обеспечивающее ему высокую ориентирующую способность при безотрывном перемещении зерна.
Ключевые слова: зерно, слой, частица, решето, колебания, дифференциальные уравнения, траектория, скорость.
Надежда Александровна Ковшова
Nadezhda Aleksandrovna Kovshova crassula@yandex.ru
Abstract. Whether the grains pass into the sieve hole or not depends on the direction of the vector and the magnitude of the speed with which the grains approach the hole when moving relative to the sieve. The duration of the sieving processes also substantially depends on this speed. Therefore, when calculating the screening sieve, it is necessary to know the speed of grain in various sections along the length of the sieve. For theoretical research, imagine the grain as a material point. A sieve is located in a fixed system of rectangular coordinate axes. A movable coordinate system is rigidly connected to the sieve. As the thickness of the grain layer on the sieve decreases, the dynamic effect on the grain decreases by decreasing the amplitude of the transverse vibrations of the sieve according to a linear law. For theoretical studies, we use a system of nonlinear differential equations for the relative motion of a particle along a rough inclined plane oscillating in the same plane with a decreasing amplitude of transverse vibrations along the length. To solve the differential equations of particle motion on an oscillating surface, the numerical Runge-Kutta method is used. The studies were carried out during the movement of the sieve along circular, elliptical and rectilinear trajectories. In all three cases, the particle moves along the sieve along curved, spiral-shaped trajectories. Therefore, the path traveled by the descending particle is greater than the sieve length. The path covered by the passage particle is greater than the distance from the feed point on the sieve to the hole into which the particle is sifted. Consequently, the speed of movement is greater than the average speed obtained, for example, by dividing the length of the sieve by the time the particles are on the sieve. The speed at which the particle moves along the sieve and approaches the edge of the hole is used in further studies of sifting. Based on theoretical studies, a sieve mill was developed that allows you to change the degree of mechanical impact on the separated material along the length of the sieve in accordance with the thickness of the layer, to inform the sieve of the oscillatory movement in its plane along elliptical trajectories, providing it with a high orienting ability during continuous grain movement.
Keywords: corn, layer, particle, sieve, fluctuations, differential equations, trajectory, speed.
Введение. Несмотря на расширяющийся диапазон машин для послеуборочной обработки зерна, предлагаемый отечественными и зарубежными производителями, основная нагрузка по очистке и сортировке приходится на зерноочистительные агрегаты и комплексы. Однако зерноочистительные машины, агрегаты и комплексы имеют
существенные недостатки. К ним относятся, в первую очередь, низкая пропускная способность решёт.
Выделение из обрабатываемого зернового материала проходовых частиц на решетах является сложным событием, положительный результат которого зависит от многих факторов. Влиянию различных факторов на эффектив-
Вестник Курганской ГСХА №3,2019 Технические науки 73
ность процесса сепарирования на плоском решете посвящены работы многих ученых [1-5].
Основная суть большинства научных исследований направлена на повышение делительной способности решета, которая в количественном выражении характеризуется технологической эффективностью процесса сепарирования и удельной производительностью рабочего органа. Анализ проведенных исследований выявил, что особое влияние на делительную способность решета оказывают его кинематический режим работы решета [6-10]. Пройдут зёрна в отверстие решета или нет, зависит от направления вектора и величины скорости, с которой зёрна подходят к отверстию при движении относительно решета. От этой скорости существенно зависит и продолжительность процессов просеивания. Поэтому при расчёте просеваемости решёт необходимо знать скорость зерна на различных участках по длине решета [11-14].
Методика. Для теоретических исследований представим зерно материальной точкой (рисунок 1) [15-20].
г,
Рисунок 1 - Расчетная схема движения частицы по поверхности решета, совершающего колебания в своей плоскости с уменьшающейся амплитудой
На рисунке 1: ХОУ - неподвижная система прямоугольных осей координат, в которой находится решето; хо о1 уо - система осей, жестко связанных с вибрирующей плоскостью и лежащей в этой плоскости. Ось хо направлена вдоль, а ось уо - поперёк решета по его поверхности. По мере уменьшения толщины слоя зерна на решете необходимо уменьшить динамическое воздействие на зерно, например, уменьшением амплитуды поперечных колебаний решета по линейному закону (рисунок 2).
сайленблок
Рисунок 2 - Расчетная схема амплитуды поперечных колебаний решета
Из подобия треугольников определяем амплитуду поперечных колебаний решета:
т. ^рам Х
Ь = а—-,
^рам
(1)
где Ь - амплитуда поперечных колебаний решета, м;
а - величина эксцентриситета и продольных колебаний, величина постоянная, м;
1-рии - Длина рамки крепления решета, м; х - координата частицы по оси х, м.
При движении частицы по плоской поверхности, её ско-
рость ич зависит от коэффициента трения /, угла наклона а, амплитуды А и частоты колебаний со. Для расчётов используем дифференциальные уравнения относительного движения частицы по шероховатой наклонной плоскости, совершающей колебания в той же плоскости с уменьшающейся амплитудой поперечных колебаний по длине в виде [21-25]:
тх = пгаЖ мх\( со1) - пщ вт а + /•'.; ту = тЬ(х)со2 + 3) +1<у,
(2)
где а и Ь(х) - амплитуда колебаний вдоль осей х и у, м; ш - масса частицы, кг; со-частота колебаний решета, с1; а-угол наклона решета, град; 6- сдвиг фаз между составляющими колебаний решета вдоль осей х и у, рад.
Изменяя эти параметры, можно получить различные решения системы (2), которая представляет собой математическую модель движения материальной точки по решётной поверхности. Для решения дифференциальных уравнений движения частицы по колеблющейся поверхности используется численный метод Рунге-Кутта.
Результаты. Исследования проведены в диапазоне параметров: коэффициент трения /=0,32...0,45; угол наклона решета а = 11... 19°; амплитуда колебаний А=1...4мм; частота колебаний со = 70... 110 с-1. Шаг интегрирования - 1/20 периода колебаний. Решето наклонено вдоль оси х (рисунок 3).
И'Ь/ЧМ
иГ-70
Ж
иГ=Ю
д е
Ы---70
20
ЬО
60
80
... <23Г
Ч
5
О
<..19Г
<гО яо " '••■. ¿а
«о ьо '••■ 6Яг
60 сг /пи £ -0,265 е=56мм
ио.гььс в- 68 ми1
у бЯ
1= 0,265 с
е-9в т
а - по круговым траекториям; б - по эллиптическим траекториям; в - поперечные колебания решета
Рисунок 3 - Траектории движения частицы по решету при колебаниях решета в своей плоскости с постоянной амплитудой по длине
Во всех трёх расчетах частота колебаний равна 70 радиан в секунду, амплитуда колебаний по длине решета постоянная и равна 4,0 мм. При круговых колебаниях (рисунок За) за три оборота приводного вала, время составляет 0.265 с, частица проходит расстояние вдоль решета 98,0 мм. При эллиптических колебаниях (рисунок 36) - 68,0 мм и при поперечных колебаниях (рисунок Зв) - 56,0 мм. Траектории движения частицы по решету показаны двадцатью точками на каждый период колебаний в соответствии с двадцатью шагами численного интегрирования дифференциальных уравнений.
Во всех трёх случаях частица перемещается по реше-
ту по криволинейным, спиралевидным траекториям. Поэтому пройденный сходовой частицей путь больше длины решета. Путь, пройденный проходовой частицей больше расстояния от точки подачи на решето до отверстия, в которое частица просеялась. Следовательно, и скорость движения больше средней скорости, полученной, например, делением длины решета на время нахождения частицы на решете. В расчётах определяем скорость движения частицы по криволинейным траекториям.
Скорость движения частицы вдоль решета возрастает. В конце ворохового решета, когда частиц основной культуры остается один слой и менее, под динамическим воздействием, оптимальным в начале решета, материал будет быстро перемещаться, что приведет к потерям частиц основной культуры в сход с крупными примесями. Значения скорости, с которой частица подходит к краю отверстия, используемые в дальнейших расчетах, показаны на рисунке 4.
и,м/с 0,24 0,23 0,22 0.21
3
_______________ —
2
1
0,2'
0,2 0,4 0,6 0,8 L,M
Рисунок 4 - Скорость движения частицы по спиралевидным траекториям по длине решета при /=0,40, величина эксцентриситета А=2,0 мм
На рисунках показана скорость движения частицы по спиралевидным траекториям, средняя на отрезках решета длиной 0,2 метра.
Выводы. 1. Скорость движения при всех вариантах расчёта уменьшается к концу решета, потому что уменьшается амплитуда поперечных колебаний. При коэффициенте трения 0,4 и частоте колебаний 105 с-1 средняя на отрезке решета длиной 0,2 м скорость изменяется от 0,235 м/с до 0,220 м/с.
2. По схеме (рисунок 1) разработан решетный стан, который позволяет изменять степень механического воздействия на материал по длине решета в соответствии с толщиной слоя, сообщать решету колебательное движение в своей плоскости по эллиптическим траекториям, обеспечивающее ему высокую ориентирующую способность при безотрывном перемещении зерна.
Список литературы
1 Кубышев A.B. Совершенствование технологии предварительной обработки зерна в хозяйствах // Науч.-техн. бюл. ВАСХНИЛ. Вып. 36. Новосибирск: Сиб. отд. ВАСХНИЛ, 1981. С. 3-7.
2 Кубышев В.А., Лапшин П.Н., КлимокА.И. Исследование ориентирующей способности плоского решета с продолговатыми отверстиями // Научн.-техн. бюл. СибНИИ мех. и электриф. с.х-ва. Вып. 4. 1978. С. 3-12.
3 КлимокА.И., Иванов Н.И. Экспериментальное исследование процесса движения частицы на решете // Тр. ВАСХНИЛ. Вып. 2 Совершенствование технологии и организации уборки и послеуборочной обработки зерна. Новосибирск: Сиб. отд. ВАСХНИЛ, 1983. С. 71-77.
4 Косилов Н.И. Пути совершенствования технологии и технических средств для предварительной очистки зерна в хозяйствах: Рекомендации / Н.И. Косилов. Челябинск, 1985. С. 55-65.
5 Косилов Н.И. Технологические принципы повышения производительности сепаратора зернового вороха // Совершенствование технологий и технических средств для уборки урожая и послеуборочной обработки зерна: сб. науч. тр. ЧИМЭСХ. Челябинск, 1987. С. 6-13.
6 Лопан А.А. Исследование процесса разделения смеси на фракции решетами с круглыми отверстиями // Тр. ЧИМЭСХ. Вып. 117. Интенсификация процессов послеуборочной обработки зерна. Челябинск, 1976. С. 58-63.
7 Лопан А.А., Фоминых А.В., Чумаков В.Г. Методика расчета траектории движения частицы в свободно затопленной струе // Через опыт - в науку: сборник науч. трудов. Курган: ИПП «Зауралье», 1995. - С. 25.
8 Лопан А.А., Фоминых А.В. Обоснование и методика расчета системы пневморешётного сепаратора // Совершенствование технологий и технических средств для уборки урожая и послеуборочной обработки зерновых культур. Челябинск. 1990, С. 72-76.
9 Лопарев Д.В. Применение конвейера в качестве сепарирующего устройства машин для предварительной очистки зернового вороха / Д.В. Лопарев, Ю.Н Мек-шун, С.Г. Лопарева, Д.Н. Овчинников // Методы механики в решении инженерных задач: материалы II Всероссийской науч.-практ. конф. Курган: Изд-во Курганской ГСХА, 2018. С. 28-32.
10 Заика П.М., Мазнев Г.Е. Сепарация семян по комплексу физико-механических свойств. М.: Колос, 1978. 120 с.
List of references
1 Kubyshev A.V. Improving the technology of grain pre-treatment in farms // Scientific-technical, bull. UPPER. Vol. 36. Novosibirsk: Sib. Dep. VASKHNIL, 1981. Pp. 3-7.
2 Kubyshev V.A., Lapshin P.N., Klimok A.I. The study of the orienting ability of a flat sieve with oblong holes // Scientific-technical. bull. SibNII fur. and an electrif. s.kh-va. Vol. 4. 1978. Pp. 3-12.
3 Klimok A.I., Ivanov N.I. An experimental study of the process of particle motion on a sieve // Tr. UPPER. Vol. 2 Improving the technology and organization of harvesting and post-harvest grain processing. Novosibirsk: Sib. Dep. VASKHNIL, 1983. Pp. 71-77.
4 Kosilov N.I. Ways to improve technology and technical means for preliminary cleaning of grain in farms: Recommendations/N.I. Kosilov. Chelyabinsk, 1985. Pp. 55-65.
5 Kosilov N.I. Technological principles for increasing the productivity of the grain heap separator // Improving the technologies and technical means for harvesting and post-harvest grain processing: Collection of scientific chimerskh. Chelyabinsk, 1987. Pp. 6-13.
6 Lopan A.A. Investigation of the process of separation of a mixture into fractions by sieves with round holes // Tr. CHIMESKH. Vol. 117. Intensification of post-harvest grain processing. Chelyabinsk, 1976. Pp. 58-63.
7 Lopan A.A., Fominykh A.V., Chumakov V.G. The methodology for calculating the particle trajectory in a freely flooded stream // Through experience - into science: Collection of scientific. labor. Kurgan: IPP Zauralie, 1995. Pp. 55-65.
8 Lopan A.A., 8.Fominykh A.V. Justification and calculation method of pneumatic sieve separator system // Improving technologies and technical means for harvesting and post-harvest processing of grain crops. Chelyabinsk. 1990. Pp. 72-76.
9 Loparev D.V. The use of the conveyor as a separating device for machines for preliminary cleaning of grain heap / D.V. Loparev, Yu.N. Mekshun, S.G. Lopareva, D.N. Ovchin-nikov// Methods of mechanics in solving engineering problems: materials of the II All-Russian scientific-practical, conf. Kurgan: Publishing House of the Kurgan State Agricultural Academy, 2018. Pp. 28-32.
10 Zaika P.M., Maznev G.E. Separation of seeds by a set of physical and mechanical properties. M.: Kolos, 1978. 120 p.
