СЕПАРАТОР ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ЗЕРНА ОТ ТРУДНООТДЕЛИМЫХ ПРИМЕСЕЙ
DEVICE TO SEPARATE CEREALS FROM DIFFICULT-TO-SEPARATE IMPURITIES

Изобретение относится к технике для разделения зерна и других сыпучих материалов воздушным потоком и может найти применение при очистке зерна и семян в сельском хозяйстве и продуктов переработки зерна в мукомольно-крупяной и комбикормовой промышленности, других отраслях.
Из уровня техники известен пневмосепарирующий канал для сепарации зерна восходящим воздушным потоком, образованный передней, задней и боковыми стенками. Для ввода исходного материала в канал в передней стенке имеется загрузочное окно, а для вывода из канала тяжелой фракции используется открытая нижняя часть самого канала (Семеочиститель СВУ-5 в книге: М.С.Кулагин и др. Механизация послеуборочной обработки и хранения зерна и семян. М.: Колос, 1979, с.35).
Недостатком такого канала является невысокая эффективность разделения зернового материала - доля легкого компонента, выделяемого воздушным потоком, обычно не превышает 70-80% при допустимом выносе полноценного зерна в отход.
Исследования работы такого канала показали, что эффективность разделения зернового материала не удается повысить увеличением площади сечения канала за счет его глубины (т.е. расстояния между передней и задней стенками), поскольку при этом возрастает неравномерность распределения скорости воздушного потока по глубине канала. Скорость воздуха в канале вблизи передней стенки, где вводится зерновой материал, недостаточно высока для эффективного выноса легких частиц из-за большого сопротивления сравнительно плотного зернового потока, в то время как у противоположной стенки, где зерновая струя уже распределилась по высоте в легко продуваемый поток, скорость воздуха слишком высока, что приводит к выносу повышенного количества полноценного зерна вместе с легким компонентом (А.Я.Малис и А.Р.Демидов. Машины для очистки зерна воздушным потоком. М.: Машгиз, 1962, с.30-56, фиг.17, 29-30).
В связи с этим производительность пневмосепарирующего канала увеличивают в основном за счет ширины канала, чем обуславливаются большие габариты машин, сложность равномерной загрузки по ширине канала и снижение эффективности разделения зернового материала в сравнении с машинами меньшей производительности.
В применяемых до настоящего времени производственных пневмосепарирующих машинах ширина канала, как правило, многократно превосходит его глубину.
Известен пневмосепаратор, содержащий корпус с поддерживающей сеткой, загрузочное и разгрузочное окна и расположенные в корпусе сепарационные каналы, образованные вертикальными перегородками с пересыпными элементами (SU 1407588, 07.07.1988).
В известном устройстве сепарационные каналы выполнены зигзагообразными, что приводит к излишнему накоплению материала в сепарационных каналах, затрудняет вывод из сепаратора крупнодисперсной фракции, снижает эффективность сепарации.
Известен сепаратор зернового материала, включающий корпус, поддерживающую сетку, окна для приема исходного и вывода обработанного зернового материала и перегородки, разделяющие внутреннее пространство корпуса на сепарирующие каналы (SU 507371, 25.03.1976).
Недостатком известного устройства является недостаточно высокое качество разделения. Скорость воздушного потока в сепарирующих каналах меньше скорости воздушного потока в межзерновом пространстве "кипящего" слоя материала, движущегося от загрузочного окна к разгрузочному окну по поддерживающей сетке. Поэтому не все легкие частицы, всплывшие на поверхность "кипящего" слоя, могут быть вынесены воздушным потоком вверх по сепарирующим каналам (выносятся только наиболее легкие).
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является выбранный в качестве прототипа пневмосепаратор зернового материала, включающий корпус пневмоканала, поддерживающую сетку, окна для приема исходного и вывода обработанного зернового материала и перегородки, разделяющие внутреннее пространство корпуса на сепарирующие каналы. Толщина перегородок S связана с глубиной корпуса пневмоканала d и количеством перегородок n. Перегородки выполнены с возможностью регулировки их толщины S. Пневмосепаратор снабжен устройством регулировки зазора h между поддерживающей сеткой канала (RU 2365431, 27.08.2009).
Требуемая степень равномерности распределения скорости воздушного потока по глубине канала и соответствующая ей повышенная эффективность разделения зернового материала в канале, обеспечиваются путем стабилизации плотности обрабатываемого зернового потока по глубине канала применением перегородок.
Применение сетки в канале улучшает процесс сепарации, обеспечивает некоторое повышение эффективности разделения зернового материала за счет того, что сетка, обладая сопротивлением воздушному потоку, способствует определенному выравниванию его скорости по глубине канала.
Анализ работы такой сепарации зерна показал, что существующий способ разделения зерен не способен обеспечить сохранность зерна.
Основной причиной снижения всхожести и сохранности семян являются их микротравмы, нарушающие целостность поверхностных оболочек семян. Это позволяет воздуху, влаге и микроорганизмам свободно проникать во внутренние клетки семени.
Повреждение семян вызывает снижение их продуктивных и урожайных свойств.
Незначительное снижение всхожести семян ведет к большим потерям, так как требует увеличения нормы высева на гектар и часто отражается на урожайности. Поэтому посев семенами невысокого качества приводит к неэффективной потере значительного количества органических веществ, которые могли быть рационально использованы на пищевые и фуражные цели.
Щуплые, биологически неполноценные с низкими посевными качествами семена более склонны к поражению микроорганизмами, чем полноценные.
Недостатком такого сепаратора является снижение прочности зерна различных культур после их удара о перегородку со скоростью выше критической.
Исследования работы такого канала показали, повреждение поверхности зерна, его зародыша, образование внутренних и внешних трещин в теле зерновых произошло за счет ударного воздействия зерна с прямой перегородкой.
Процесс разрушения зерна ударом, скорость отскока частиц после их удара о перегородки, существенное влияние оказывает образование в них трещин, то есть по величине коэффициента восстановления.
Установлено, что при эффективном разделении зернового материала, средняя скорость частиц к началу удара о барьер составила 12,6 м/с.
Коэффициент восстановления для пшеницы при возрастании скорости удара сначала увеличивается и при скорости 10 м/с достигает максимального значения (критическая скорость). Дальнейшее повышение скорости удара зерновки о барьер приводит к уменьшению коэффициента восстановления.
Снижение коэффициента восстановления при дальнейшем повышении критической скорости вызывается образованием внутренних и внешних трещин в зерне и их разрушением.
Аналогичная зависимость наблюдается и для других видов зерна.
Полученные данные по величине критической скорости удара, при которой начинаются структурные изменения в зерне, позволяют более правильно подобрать режим работы сепаратора для разделения зерна от трудноотделимых примесей восходящим воздушным потоком.
Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании такого сепаратора для отделения зерна от трудноотделимых примесей, который исключал бы указанные выше недостатки.
Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в снижении травмирования семян путем уменьшения критической скорости начала разрушения семян при сохранении эффективности разделения зернового материала за счет стабилизации скорости воздушного потока по глубине канала.
Указанный технический результат в сепараторе для отделения зерна от трудноотделимых примесей восходящим воздушным потоком, образованным передней, задней и боковыми стенками, содержащим сетку, установленную с наклоном от передней стенки к задней, окно для приема исходного зернового материала и окно для вывода обработанного зернового материала, достигается тем, что поперек боковых стенок над сеткой с изменяющимся зазором установлены, по крайней мере, две регулируемые ромбовые перегородки с регулируемой толщиной. При этом толщина S регулируемой ромбовой перегородки, а также угол наклона φ регулируемой ромбовой перегородки связаны с критической скоростью начала разрушения семян, со средней толщиной d частиц обрабатываемого материала, высотой h ромба регулируемой ромбовой перегородки, n-ым количеством регулируемых ромбовых перегородок, и глубиной ℓ канала соотношением 3d<n·S·h·sinφ<ℓ, причем зазор Ω между сеткой и нижним краем регулируемой ромбовой перегородки, а также угол φ наклона перегородки связан с критической скоростью начала разрушения семян, со средней толщиной d частиц обрабатываемого материала, высотой h ромба перегородки, n-ым количеством регулируемых ромбовых перегородок и глубиной ℓ канала соотношением 3d<(Ω+h·sinφ)·n<0,25·ℓ.
Сепаратор дополнительно снабжен устройством синхронного регулирования толщины ромбовой перегородки S, высоты h и зазора Ω, между сеткой и нижним краем регулируемой ромбовой перегородки.
Расстояние f от передней стенки до первой регулируемой ромбовой перегородки и между соседними регулируемыми ромбовыми перегородками удовлетворяет соотношению Ω<(f-S)·n<0,75ℓ.
Высота h ромба регулируемой ромбовой перегородки связана с зазором Ω между сеткой и нижним краем регулируемой ромбовой перегородки соотношением ℓ<(h/[Ω(f+h·sinφ])·S·n<10.
Регулируемые ромбовые перегородки выполнены из четырех отдельных металлических листов, закрепленных между собой шарнирным элементом и прикрепленных осью к боковым стенкам при помощи стержня, проходящего по центру регулируемой ромбовой перегородки.
Регулируемые ромбовые перегородки соединены между собой общей тягой, имеющей рукоятку.
Рукоятка выполнена с возможностью синхронного регулирования толщины S регулируемых ромбовых перегородок, высоты h и зазора Ω между сеткой и нижним краем регулируемой ромбовой перегородки.
Предельное напряжение, при котором происходит разрушение деформируемого тела, характеризует периметр площади контакта "зерно-перегородка".
Снизить повреждения семян удалось путем изменения толщины ромбовой перегородки, соответственно угол наклона φ перегородки. Скорость элемента зернового материала перед ударом направлена под углом к 90° к общей касательной, проведенный к ударяющимся телам в точке удара. Как следствие, нормальная составляющая скорости окажется меньше скорости при прямом ударе. Соответственно, уменьшится связанная с ударным импульсом динамическая нагрузка. Это позволяет обеспечить "мягкий" режим движения, в первую очередь, необходимый для обработки таких легко травмируемых культур, зернобобовые и крупяные.
Толщина регулируемой ромбовой перегородки выбрана из условия снижения повреждения поверхности зерна, его зародыша и выравнивания скорости воздушного потока в каналах, образованных перегородками, со скоростью воздушного потока в межзерновом пространстве «кипящего» слоя обрабатываемого материала в зазоре Ω между поддерживающей сеткой и регулируемыми ромбовыми перегородками, тем самым, создавая условия, способствующие выносу легких частиц, всплывающих на поверхность «кипящего» зернового слоя.
Регулируемые ромбовые перегородки (две или три и более, расположенные друг за другом) размещены над сеткой с зазором Ω и на определенном расстоянии от передней стенки и друг от друга.
Скорость элемента зернового материала перед ударом направлена под углом 90° к общей касательной, проведенным к ударяющимся телам в точке удара. Как следствие, нормальная составляющая скорости окажется меньше скорости при прямом ударе. Соответственно, уменьшится связанная с ударным импульсом динамическая нагрузка.
Стабилизация плотности обрабатываемого в канале зернового потока, входящего в канал через приемное окно и взвешенного восходящим воздушным потоком, достигается тем, что при встрече зернового потока с регулируемой ромбовой перегородкой, основная часть зерна без повреждения зернового материала задерживается его лобовой поверхностью и опускается на сетку, распределяясь слоем, близким по плотности поступающему из окна на участок сетки до регулируемой ромбовой перегородки. Поэтому зерновой поток, выходящий из-под регулируемой ромбовой перегородки на следующем за ним участке канала, обладает примерно таким же сопротивлением воздушному потоку, как и на предыдущем участке. Установкой достаточного количества регулируемых ромбовых перегородок, определяемого в зависимости от глубины используемого канала, обеспечивается требуемая стабильность плотности обрабатываемого зернового потока по всей глубине канала, что является главным условием равномерного поля скоростей воздушного потока и, следовательно, высокой эффективности процесса разделения зернового материала, но при этом надо учитывать, что многократные ударные воздействия на зерно различных культур приведут к их структурным изменениям при более низких скоростях удара.
Эффективность работы сепаратора для отделения зерна от трудноотделимых примесей, устойчивость показателей качества процесса сепарации, надежность технологического процесса и получения биологически ценных, сведением механических повреждений к достижимому минимуму, с другой - морфологической и физиологической зрелостью семян при обработке зерновых материалов различных культур обеспечиваются рациональными соотношениями, связывающими основные параметры регулируемых барьеров и их размещения в канале.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен вертикальный разрез канала вдоль направления движения обрабатываемого материала; на фиг.2 - вертикальный разрез канала, перпендикулярный плоскости фиг.1.
Сепаратор для отделения зерна от трудноотделимых примесей восходящим воздушным потоком в канале, образованный передней 1, задней 2 и боковыми 3 и 4 стенками, содержит сетку 5 для поддерживания сепарируемого материала, окно 6 для ввода исходного материала в канал, выполненное в передней стенке 1 над сеткой 5, и окно 7 для вывода обработанного зернового материала (вывода тяжелой фракции) из канала у противоположной стенки 2. Над сеткой 5 поперек боковых стенок 3 и 4 установлены регулируемые ромбовые перегородки 8.
Регулируемые ромбовые перегородки 8 выполнены в виде ромба (ромбовой формы), из четырех отдельных металлических листов закрепленные между собой шарнирным элементом (не показано) и прикрепленных осью к боковым стенкам 3 и 4 канала при помощи стержня 9, проходящего по центру регулируемой ромбовой перегородки 8. Регулируемые ромбовые перегородки 8 соединены между собой общей тягой 10. Синхронное регулирование толщины S регулируемых ромбовых перегородок 8, высоты h и зазора Ω между сеткой и нижним краем регулируемой ромбовой перегородки 8 осуществляется рукояткой 11.
Регулируемые ромбовые перегородки 8 устанавливаются над сеткой 5 с зазором Ω, достаточным для прохода по наклонной сетке 5 обрабатываемого зернового материала.
Величина, на которую необходимо уменьшить свободное сечение сепаратора, чтобы выравнять скорость воздушного потока в этом сечении со скоростью воздушного потока в межзерновом пространстве "кипящего слоя", зависит от порозности слоя, размеров и шероховатости зерновок, физических параметров воздушного потока, от критической скорости начала разрушения семян, от отношения размера сепаратора к размерам частиц. Поэтому толщина S регулируемой ромбовой перегородки, а также угол наклона φ перегородки связан с критической скоростью начала разрушения семян, со средней толщиной d частиц обрабатываемого материала, высотой ромба перегородки h, количеством ромбовых перегородок n, и глубиной ℓ канала соотношением 3d<n·S·h·sinφ<ℓ.
Зазор Ω между сеткой и нижним краем регулируемой ромбовой перегородки, а также угол наклона φ регулируемой ромбовой перегородки связаны с критической скоростью начала разрушения семян, соотношением 3d<(Ω+h·sinφ)·n<0,25·ℓ, расстояние f от передней стенки до первой регулируемой ромбовой перегородки и между соседними регулируемыми ромбовыми перегородками удовлетворяет соотношению Ω<(f-S)·n<0,75ℓ, высота h ромба регулируемой ромбовой перегородки связана с зазором и между сеткой и нижним краем регулируемой ромбовой перегородки и зависит от толщины "кипящего" слоя обрабатываемого материала соотношением ℓ<(h/[Ω(f+h·sinφ])·S·n<10.
Рабочий процесс осуществляется следующим образом.
Исходный зерновой материал, состоящий из зерна и подлежащий выделению более легкой, чем зерно, примеси, через загрузочное окно 6 подается в канал, где подвергается воздействию восходящего воздушного потока, нагнетаемого снизу канала или отсасываемого сверху его каким-либо генератором воздушного потока (не показан). В результате воздействия восходящего воздушного потока зерновой материала приобретает состояние кипящего слоя, в котором движется от передней стенки 1 к задней 2, расслаиваясь на фракции. Частицы легкой фракции (примесь) всплывают в верхние слои зернового потока, а более тяжелые частицы (основное зерно) остаются в нижних слоях потока обрабатываемого материала над поддерживающей сеткой 5, касаясь ее в той или иной степени, в зависимости от скорости воздушного потока.
При встрече такого веерообразного потока зернового материала с первой регулируемой ромбовой перегородкой 8 его нижние слои, состоящие преимущественно из зерна, прекращают движение к задней стенке 2, опускаются вниз слоем на сетку 5, где возобновляется процесс дальнейшего выделения легких частиц. Верхний слой, состоящий из 35% зерна, перед ударом направлен под углом 90° к общей касательной, проведенной к ударяющимся телам в точке удара. Этот зерновой поток, опустившись на сетку 5, создает более высокое, чем веерообразный, сопротивление воздушному потоку, проходящему через него на участке между первым и вторым ромбовой перегородкой 8, тем самым снижая скорость воздушного потока, приближая ее к уровню как на участке сетки 5 между передней стенкой и первой ромбовой перегородкой 8.
Другая часть зернового материала, расположенная в более высоких и менее плотных уровнях зернового потока и содержащая большее количество легких частиц, плавно без травмирований отражается от поверхности регулируемой ромбовой перегородки, после чего зерновки опускаются на зерновой поток, а легкие частицы примеси поднимаются воздушным потоком и выносятся из канала через верхний выход.
Еще одна часть потока обрабатываемого материала, движущаяся выше ромбовой перегородки 8, продолжает движение в воздушном потоке вверх к выходу и к задней 2 стенке канала. В этой части потока содержатся преимущественно легкие частицы.
На участке канала между первой и второй ромбовыми перегородками 8 процесс сепарации материала, поступившего на сетку в зазор между сеткой и регулируемой ромбовой перегородкой, осуществляется аналогично тому, как на участке между передней 1 стенкой и указанной регулируемой ромбовой перегородкой 8.
Вторая регулируемая ромбовая перегородка 8, так же как и первая, осаживает на сетку 5 основную часть зернового потока слоем, повышая его сопротивление воздушному потоку и стабилизируя его скорость на конечном участке канала между второй регулируемой ромбовой перегородкой 8 и задней стенкой 2.
Скорость воздушного потока над "кипящим" слоем недостаточна для того, чтобы частицы легкой фракции были вынесены из сепаратора. Для этого предназначены регулируемые ромбовые перегородки 8, которые уменьшают площадь поперечного сечения пневмоканала, увеличивая скорость воздушного потока над "кипящим" слоем, создаются благоприятные условия для сохранности целостной структуры семян (без травмирования) и создавая условия для выноса частиц легкой фракции по каналам между регулируемыми ромбовыми перегородками 8.
min
max
Толщина S регулируемых ромбовых перегородок 8 может регулироваться путем поворота соединительных пластин по часовой или против часовой стрелки согласно изобретению от S=3d/(nh·sinφ) до S=ℓ/(n·h·sinφ) за счет перемещения рукояткой 11 регулируемой ромбовой перегородки.
В результате создания благоприятных условий по скорости воздушного потока по всей глубине канала с регулируемой ромбовой перегородкой осуществляется более качественный и без травмирований, чем при неравномерном воздушном потоке и без ромбовой перегородки, процесс разделения зернового материала - очищенное зерно выходит через окно 7, а легкий компонент (примесь) выносится воздушным потоком из канала через верхний выход.
Оптимальные условия работы сепаратора для отделения зерна от трудноотделимых примесей, восходящим воздушным потоком, обеспечивающие максимальную сохранность биологической ценности семян и эффективность разделения зернового материала при обработке различных культур, определяются вышеприведенными соотношениями основных параметров размещения и размеров регулируемых ромбовых перегородок и глубины канала.
Предлагаемое устройство позволяет значительно повысить получение биологически ценных семян сельскохозяйственных культур с эффективным разделением зернового материала.