Совершенствование процесса очистки семян от трудновыделяемых засорителей на фрикционных колеблющихся плоскостях

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ СЕМЯН ОТ ТРУДНОВЫДЕЛЯЕМЫХ ЗАСОРИТЕЛЕЙ

НА ФРИКЦИОННЫХ КОЛЕБЛЮЩИХСЯ ПЛОСКОСТЯХ

В.А.Семыкин, И.В. Андреев

Аннотация. Приведены результаты исследований процессов очистки семян сельскохозяйственных культур от трудновыделяемых засорителей с использованием фрикционной колеблющейся плоскости и блока последовательно установленных плоскостей при различных вариантах подачи обрабатываемого материала.

Ключевые слова: очистка семян, засорители, фрикционная плоскость, полнота выделения, эффективность разделения, производительность.

Задача очистки семян сельскохозяйственных культур от трудновыделяемых засорителей, не отличающихся существенно от семян основной культуры размерами и аэродинамическими свойствами, в настоящее время полностью не решена. Используемые для этого специальные семеочистительные машины малопроизводительны и не обеспечивают высокой степени выделения засорителей. Это делает целесообразным поиск и исследование новых рабочих органов, обеспечивающих высокое качество подготовки семян.

В течение длительного времени на кафедре «Сельскохозяйственные машины» Курской ГСХА, ныне переименованной в кафедру «Процессы и машины в аг-роинженерии», проводятся исследования рабочего процесса фрикционной плоскости, совершающей прямолинейные гармонические колебания под углом к горизонту, при очистке семян сельскохозяйственных культур от тудновыделяемых засорителей. В результате защищено две кандидатские диссертации, получено несколько авторских свидетельств и патентов, опубликовано большое количество статей по результатам исследований [1,2,3]. Проведенные исследования процессов очистки семян льна от плевела, моркови от проса куриного, сахарной и столовой свеклы от стебельков, гречихи от дикой редьки, проса от проса куриного на одиночной колеблющейся плоскости и блоке последовательно установленных плоскостей в общем колеблющемся стане показывают высокую эффективность предлагаемых рабочих органов.

Исследования проводились на специальной лабораторной установке (рисунок 1), включающей раму 1, колеблющейся стан 2 с установленными на нем одной фрикционной плоскостью 3 или блоком таких плоскостей, работающих последовательно в общем колеблющемся стане (рисунок 2), бункер-питатель 8, привод 6 и механизм 9 регулирования угла направленности колебаний. Рама 1 смонтирована на массивном фундаменте. Привод 6 состоит из электродвигателя постоянного тока с пусковой и регулирующей аппаратурой, клино-ременной передачи и кривошипно-кулисного механизма, связанного со станом 3.

Колеблющийся стан 3 с помощью закрепленных на нем четырех цилиндрических ползунов 5, входящих в направляющие 4, соединен с рамой 1 так, что посредством механизма 9, включающего систему рычагов, позволяет плавно изменить угол £ направленности колебаний в пределах от -п/2 до +п/2. При этом линия направления колебаний стана всегда остается перпендикулярной направляющей кулис кривошипно-кулисного механизма привода, что обеспечивает строго гармонические прямолинейные колебания стана.

Конструкция кривошипно-кулисного механизма 7 привода 6 дает возможность взаимным поворотам эксцентриков изменять амплитуду колебаний стана от 1 до

20 мм. Частота ш колебаний стана изменяется от 3 до 155 рад/с путем регулирования частоты вращения ротора электродвигателя.

1 - рама; 2 - колеблющийся стан; 3 - фрикционная плоскость; 4 - направляющая; 5 - ползун; 6 - вибропривод; 7 - кривошипно-кулисный механизм; 8 - бункер-питатель;

9 - система тяг; 10 - регулировочная тяга.

Рисунок 1 - Схема лабораторной установки

Угол а наклона плоскости к горизонту на стане регулируется от 0 до 0,4 рад. Бункер-питатель 4 имеет подвижное днище с электромагнитным вибратором и позволяет изменять удельную нагрузку на рабочую плоскость в пределах от 40 до 500 кг/(м2 ч).

Рамка с одиночной плоскостью на лабораторной установке заменялась блоком последовательно установленных плоскостей, жестко закрепленном на колеблющемся стане. При этом использовались два варианта работы блока, схемы которых представлены на рисунке 2.

1 - фрикционные плоскости; 2 - бункер-питатель;

3 - блок; 4 - приемники фракций

Рисунок 2 - Схемы работы блока последовательно установленных плоскостей при очистке семян от засорителей, имеющих по сравнению с семенами основной культуры: а) большую шероховатость; б) меньшую шероховатость.

Вариант 1. При очистке семенных смесей, имеющих более шероховатые засорители по сравнению с семенами основной культуры, к которым относятся семена льна, засоренные плевелом, проса, засоренные просом куриным, повторным обработкам подвергается верхний сход с предыдущих плоскостей (рисунок 2,а). Блок состоит из двух боковин 3, выполненных прозрачными из органического стекла с целью обеспечения возможности наблюдения за прохождением процесса. Между боковинами блока 3 закрепляются пять фрикционных плоскостей 1 длиной 0,5 м. эта длина обоснована экспериментальными исследованиями. Фиксация плоскостей производится в двух точках за счет шпилек с гайками-барашками, прижимающими боковины блока к плоскостям снаружи. Для исключения деформации блока на шпильки внутри боковин надеты упорные трубки, обеспечивающие жесткость стана. Шпильки для крепления нижних частей плоскостей могут быть установлены только в одном положении. Шпильки для крепления верхних частей плоскостей имеют возможность перемещаться по дугообразным прорезям с целью изменения угла наклона плоскостей. Значения угла наклона первой плоскости блока выбирались близкими к оптимальным, полученным при исследовании работы одиночной плоскости, при которых вниз с плоскости сходят чистые семена основной культуры. Поскольку это наиболее полноценные округлые семена с наименьшим коэффициентом трения, то угол наклона каждой последующей плоскости увеличивается, то есть

а1 <а2 <а3 <а4 <а5, что позволяет на этих плоскостях получать сходом вниз очищенные семена, снизив таким образом потери их в отходы. Сходы вниз с каждой плоскости и верхний сход с последней плоскости, в котором находилась большая часть семян плевела, а также некондиционные семена льна, собирались в приемники фракций 4. Подача обрабатываемой смеси на первую плоскость блока осуществлялась из бункера 2 лабораторной установки.

Вариант 2. При очистке семенных смесей, имеющих менее шероховатые засорители по сравнению с семенами основной культуры, к которым относятся семена моркови, засоренные просом куриным, и гречихи - дикой редькой, повторным обработкам подвергается нижний сход с предыдущих плоскостей (рисунок 2,б). Устройство и рабочий процесс аналогичны рассмотренному выше в варианте 1 с той разницей, что

а1>а2>а3>а4>а5.

В качестве фрикционного материала рабочей поверхности плоскости использовались байка, листовая резина разных марок, абразивная бумага разных марок, «бархатная» бумага, полотно американской горки «Dodder-Mill».

Качество разделения оценивали показателями полноты п выделения засорителей, потерь i семян основной культуры и эффективности Э процесса разделения:

где ^-число засорителей, выделившихся в отходы;

К2-число засорителей в навеске до разделения;

М1-масса чистых семян, выделившихся в отходы, г;

М2-масса чистых семян в навеске до разделения, г.

Результаты исследований работы одиночной плоскости приведены в таблице 1.

Результаты, приведенные в таблице 1, показывают, что только при очистке семян столовой свеклы получена высокая эффективность разделения. При этом вместе со стебельками в отходы уходят мелкие плоские семена, не представляющие ценности как посевной материал. При очистке семян других культур удается получать полное выделение засорителей при больших потерях семян.

Приведенные в таблице 2 результаты показывают эффективность использования блока последовательно установленных плоскостей за счет снижения потерь семян. При этом основным критерием оценки эффективности работы блока было соответствие получаемого материала требованиям стандартов на качественный посевной материал.

Установочные параметры первой плоскости и кинематические параметры блока совпадают с параметрами работы одиночной плоскости.

Исследования работы блока при очистке семян льна от плевела проводились на листовой резине, хотя байка показала себя более эффективным материалом (таблица 1). Дело в том, что ворс байки под действием направленных потоков материала ориентируется в одном направлении и процесс разделения нарушается.

Установка блока плоскостей при очистке семян столовой свеклы от стебельков не приводит к повышению эффективности разделения, но допускает увеличение подачи обрабатываемого материала, то есть производительности машины.

Экспериментальные данные, приведенные в таблице 2, показывают, что установка в блоке трех плоскостей позволяет получить семена льна класса ОС, моркови и проса - класса ЭС, гречихи - класса РС по ГОСТ 52325 - 2005 [4]. Получение семян моркови класса ОС возможно при использовании двух плоскостей.

Таблица 1 - Оптимальные параметры работы фрикционной колеблющейся плоскости при очистке семян различных культур ____

Вид семян и засорителей Материал рабочей поверхности Подача кг/м2-ч Кинематические параметры плоскости Показатели качества

а, рад е, рад r, м -1 ю, с п i Э

Лен - плевел Байка 60 0,24 -0,45 0,007 66,5 1,0 0,34 0,66

Листовая резина марки 1847 60 0,21 -0,51 0,007 62,8 1,0 0,41 0,59

Морковь - просо куриное Листовая резина марки 1847 36 0,33 -0,64 0,007 62,8 0,99 0,7 0,29

Столовая свекла -стельки Абразивная бумага 120 0,27 -0,65 0,012 55,0 1,0 0,04 0,96

Просо - просо куриное Листовая резина марки 1847 180 0,14 -0,40 0,006 76,0 1,0 0,76 0,24

Гречиха - дикая редька «Бархатная» бумага 180 0,17 -0,58 0,007 58,0 1,0 0,75 0,25

Таблица 2 - Результаты исследований процесса очистки семян на блоке последовательно установленных плоскостей

Вид семян и засорителей Постоянные кинематические параметры Потребное количество плоскостей в блоке Угол наклона первой плоскости а, рад Изменение угла наклона последующих плоскостей Да, рад Выход чистых семян, % Содержание засорителей, шт./кг

рад г, м ш, с-1

Лен - плевел -0,51 0,007 62,8 3 0,21 0,009 92 23

Морковь - просо куриное -0,64 0,007 62,8 3 0,33 -0,018 91 1810

-0,64 0,007 62,8 2 0,33 -0,018 62 717

Просо -просо куриное -0,40 0,006 76,0 3 0,14 0,009 89 69

Гречиха - редька дикая -0,58 0,007 58,0 3 0,17 -0,009 68 62

Таблица 3 - Установочные параметры выходного лотка бункера-питателя относительно рабочей поверхности колеблющейся плоскости_

Вид семян и засорителей Материал рабочей поверхности Высота установки лотка йл, мм Расстояние от места подачи до краев плоскости, мм Необходимая длина плоскости Ь, мм

верхнего Ь1 нижнего Ь2

Лен-плевел Листовая резина 60 200 300 500

Морковь-просо куриное Листовая резина 60 300 200 500

Столовая свекла - стебельки Абразивная бумага 80 300 450 750

Гречиха- редька дикая «Бархатная» бумага 75 350 300 650

Просо-просо куриное Листовая резина 50 200 300 500

Результаты исследований места подачи показывают, что уменьшение расстояния по сравнению с указанными в таблице 1 приводит к увеличению потерь семян льна, столовой свеклы и проса и уменьшению полноты выделения проса куриного из моркови и дикой редьки из гречихи, уменьшение расстояния Ьг - к уменьшению полноты выделения плевела из льна, стебельков из столовой свеклы, проса куриного из проса и увеличению потерь семян моркови и гречихи. Дальнейшее увеличение параметров и Ь2 не влияет на качество разделения.

При указанной в таблице 3 высоте достигается достаточно быстрый переход частиц обрабатываемой смеси в установившийся режим движения.

Все исследования, результаты которых изложены выше, проведены при расположении бункера-питателя в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 3. Обрабатываемый материал плотным равномерным потоком сходит с лотка и попадает на колеблющуюся плоскость в узкой зоне, ширина которой примерно равна амплитуде колебаний плоскости. В связи с этим многие засорители увлекаются потоком семян и не получают возможности выделиться в отходы. Это снижает полноту их выделения, вынуждает повышать интенсивность колебаний, что приводит к увеличению потерь семян и ограничивает производительность рабочего органа.

Как показывают проводимые в настоящее время исследования, повысить эффективность работы колеблющейся плоскости можно расположением бункера-питателя относительно рабочей поверхности плоскости в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 4.

Угол наклона выходного лотка бункера-питателя выбирается таким, чтобы компонент смеси с меньшим коэффициентом трения двигался по нему ускоренно и падал на колеблющуюся плоскость, пролетев некоторое

Кроме исследованных установочных и кинематических параметров колеблющейся плоскости влияние на качество разделения, хотя и менее заметное, оказывают длина плоскости, место подачи обрабатываемого материала на плоскость и высота установки выходного лотка бункера-питателя. Схема установки лотка относительно рабочей поверхности плоскости приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема установки лотка бункера-питателя относительно рабочей поверхности колеблющейся плоскости

Полученные результаты по определению высоты установки лотка бункера-питателя над рабочей плоскостью и расстояние от места подачи до верхнего и нижнего Ь2 краев плоскости, а также необходимой для качественной работы длины плоскости приведены в таблице 3.

время в свободном полете над нею по параболе, в точке А, а компонент с большим коэффициентом трения сползал по лотку и падал на плоскость вертикально в точке Б. Таким образом производится предварительное разделение обрабатываемого материала, а на плоскости образуется граничная зона АБ, в пределах которой оказывается небольшое количество частиц, получающих возможность быть сориентированными на движение в нужном направлении: более шероховатые - вверх, менее шероховатые - вниз.

«»-шь-гладкие

1 - фрикционная колеблющаяся плоскость;

2 - бункер-питатель

Рисунок 4 - Предлагаемая схема установки бункера-питателя

Достаточная для эффективной работы величина зоны АБ зависит от высоты установки лотка и угла его наклона. Лоток может быть плоским или криволинейным, металлическим или покрытым фрикционным материалом. Все эти параметры зависят от вида семян и засорителей, имеющих разные шероховатость, форму, коэффициент восстановления при ударе.

Проведенные экспериментальные исследования показывают, что при установке бункера-питателя по предлагаемой схеме на одиночной плоскости возрастает полнота выделения плевела из льна на 8-10%, проса куриного из моркови - на 10-12%, дикой редьки из гре-

чихи - на 7-8%, проса куриного из проса - на 11-12%. Во всех случаях наблюдается снижение потерь семян основной культуры.

При очистке семян сахарной и столовой свеклы от стебельков при установке бункера-питателя по старой схеме получена высокая эффективность разделения, однако установка его по предлагаемой схеме позволяет повысить производительность на 20-25%.

Проведенные экспериментальные исследования показывают, что предлагаемый способ подачи обрабатываемого материала на фрикционную колеблющуюся плоскость позволяет увеличить полноту выделения засорителей, снизить потери семян основной культуры и в ряде случаев повысить производительность одиночной колеблющейся плоскости. Это позволяет предположить, что будет получен положительный эффект и при работе блока последовательно установленных плоскостей.

Список использованных источников

1 Таран А.И., Андреев В.В. О разделении семян льна и плевела на наклонной колеблющейся плоскости // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1981. - №12.

2 Андреев В.В., Андреев И.В. Совершенствование технологического процесса очистки семян моркови // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. -2009. - №4.

3 Андреев В.В., Андреев И.В. Интенсификация процесса разделения семян и засорителей на фрикционных колеблющихся плоскостях // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем (Сборник научных трудов, посвященный 60-летию ФГОУ ВПО «Курская ГСХА» и 50-летию инженерного факультета). - Курск: Изд-во Курск. гос. с.-х. ак., 2011.

4 Семена сельскохозяйственных растений. Сортовые и посевные качества. Общие технические условия - ГОСТ Р 52325 - 2005 - М.: Стандартинформ, 2005.

Информация об авторах

Семыкин Владимир Анатольевич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ректор ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Андреев Игорь Витальевич, аспирант ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».