Исследование процессов движения и разделения компонентов семенной смеси в вибропневмоожиженном слое

УДК 631.362

В.Д. Г алкин, д-р техн. наук, профессор; А.А. Хавыев, канд. техн. наук, доцент;

В.А. Хандриков, канд. техн. наук, доцент; К.А. Грубов, ст. преподаватель;

И.П. Менгалиев, К.С. Килин, И.Ю. Козловский, аспиранты, ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДВИЖЕНИЯ И РАЗДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ СЕМЕННОЙ СМЕСИ В ВИБРОПНЕВМООЖИЖЕННОМ СЛОЕ

Введение. Конкурентоспособность зернового производства обусловлена многими факторами. Однако, к главным и наименее низкозатратным из них, относится применение семян с высокими посевными качествами. Для повышения посевных качеств семян используют различные методы, в том числе, разделение их в вибропневмоожиженном слое по комплексу физико-механических свойств, в том числе, по плотности. Кроме этого, разделение по плотности используют для выделения биологически ценной части семян, так как между посевными качествами семян и их плотностью существует тесная взаимная корреляция.

Техническими средствами, применяемыми в настоящее время для разделения семян по плотности, служат вибропневмосепараторы с трапециевидными деками. Однако эти сепараторы имеют низкую удельную нагрузку и, как следствие, - высокие энергетические затраты. В этой связи исследования, направленные на повышение эффективности разделения семян в вибропневмоожиженом слое, являются важными и актуальными, результаты которых приведут к созданию конкурентоспособных вибропневмосепараторов семян.

Теоретическое исследование и результаты. С учетом исследований, проведенных В.В. Гортинским, И.И. Блехманом, В.Я. Хай-нманом, применительно к виброожиженному слою сыпучего материала [1,2] получено уравнение относительного перемещения частицы в вибропневмоожиженном слое:

т1  z =

где m0 - эффективная масса частицы, складывающаяся из массы частицы и массы среды в половине её объема;

Z - проекция относительного ускорения частицы;

g - ускорение свободного падения;

А - отношение плотности рассматриваемой частицы к плотности частиц, образующих слой;

RB - сила воздушного потока;

uz - проекция ускорения решета на ось z;

Fd - сила сопротивления относительному перемещению.

Сила воздушного потока RB включает статическую Rcm и динамическую Rd составляющие.

Статическая составляющая воздействия воздушного потока определяется по известному выражению:

Rcm = V • gradP >

где V - объем, занимаемый частицей в монослое;

gradP - градиент напора.

Градиент напора представляет собой:

gradP = ДР,

H

где АР - перепад давления воздуха в слое семян высотой Н.

Перепад давления по уравнению Эргана составит:

др = 150• ЬЛ..E1L• H +1.75• • H >

Л d3 Л d3

где п - порозность вибропневмоожижен-ного слоя;

рв - плотность воздуха;

f - динамическая вязкость газа;

d3 - эквивалентный диаметр частиц.

Объем частиц, форма которых аппроксимирована трехосным эллипсоидом, определен по формуле:

V =

n •a^b •l б

где а, Ь, I - соответственно, толщина, ширина и длина частиц.

Эквивалентный диаметр частиц определяется по формуле:

d = з

б • V

n

Rd =PиC• F 'V

F =

n •b •l 4

Количество монослоев над рассматриваемой частицей можно выразить через её координату г:

H - а/2 - z

Динамическая составляющая Яд зависит от скорости воздушного потока. В диапазоне скоростей до 2,0 м/с, сила действия его на частицу сыпучего материала определяется по формуле Ньютона:

где с - коэффициент, учитывающий свойства поверхности частицы (с =0,184-0,265 );

Рч - площадь Миделева сечения частицы. Площадь Миделева сечения частиц, при условии, что их продольная ось располагается параллельно колеблющейся поверхности, и их размер а будет определять толщину монослоя (как наиболее устойчивое положение), можно определить как площадь эллипса:

По методике анализа процесса виброперемещения слоя семян, предложенной профессором В.С. Быковым, но с учетом воздействия воздушного потока, сила сопротивления поперечному перемещению частицы Fd определится по выражению:

F _т0 -

F 1 + feu •tg

где Р - насыпной угол, характеризующий расположение

семян в насыпи;

m0 - масса частиц, образующих слой;

n' - число вышерасположенных монослоев;

feu= tgpeH - коэффициент внутреннего трения;

Проекция ускорения рабочей поверхности определится по формуле:

U = а • r • cosat •sine.

Величины ускорения деки и скорости воздушного потока ограничены условием безотрывного движения плотных частиц.

Решением дифференциального уравнения (1) численным методом при т0=32мг, а=2,65мм, е=2,8мм, 1=6,5мм, ш=52 с-1,

г=2,5мм, ß=5°, ß-180, рвн=16°, рсл=0,780г/см3, е=22° определены время и скорость перемещения частицы из нижнего слоя на его поверхность. При этом должно соблюдаться условие:

(l A) • [мо •(g^ cos ß + U ) + Re

^ M0 •

l + їен •tg

Скорость относительного перемещения низконатурных частиц в вибропневмоожи-женном слое зависит от соотношения плотности рассматриваемой частицы к плотности частиц, образующих слой. От этой величины также зависит скорость воздушного потока, при которой начинаются внутрислоевые перемещения (рис.1).

При одинаковой скорости воздушного потока перемещение частицы с малой глубины происходит интенсивнее.

Результаты, полученные путем расчета, достаточно хорошо согласуются с данными экспериментальных исследований В.Д Бабченко, В.М. Дринчи, Л.М. Суконкина и В.А. Веденеева [3].

Методика и результаты экспериментальных исследований.

Исследования проведены на кафедре сельскохозяйственных машин Пермской ГСХА с использованием разработанного, с учетом проведенных теоретических исследований, вибропневмосепаратора [4], конструкция которого позволяет повысить удельную нагрузку, а, следовательно, снизить энергоёмкость очистки семян.

Целью исследования явилась проверка результатов теоретических исследований вли-

n =

a

2

яния скорости воздушного потока на степень верхность движущегося вибропневмоожи-выделения низконатурных примесей как женного слоя и оценка потерь семян в отхо-следствие степени интенсивности перемеще- ды при конкретной нагрузке на деку виброп-ния компонентов с малой плотностью на по- невмосепаратора.

Рис. 1 Зависимость скорости перемещения низконатурных компонентов в вибропневмоожиженном слое от скорости воздушного потока

Опыты на очистке семян пшеницы от овсюга проводили при настроечном значении подачи 1000 кг/ч. Среднее значение объёмной массы семян пшеницы составило 0,733 кг/дм3, а семян овсюга - 0,41 кг/дм3. Среднее значение засоренности овсюгом - 100 шт./кг. Вибропневмосепаратор имел продольный угол деки 3°, поперечный - 0°, угол направленности колебаний - 30°, амплитуду колебаний деки -15 мм, частоту колебания деки - 490 1/мин. Экспериментальные исследования проведены по методике [5] при изменении скорости воздушного потока: 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4 м/с. Пробы отбирали на установившемся режиме работы ВПС. После опыта определяли массу каждой из пяти фракций и число сорных семян. Вычисляли среднее число семян сорняков в килограмме пшеницы. Расчётом определяли полноту выделения овсюга и потери се-

мян основной культуры в отходы. По полученным данным были построены графические зависимости (рис.2).

Выводы. Получены математические модели, позволяющие прогнозировать скорости перемещения компонентов с малой плотностью в вибропневмоожиженном слое в зависимости от различных факторов.

С учетом результатов исследований разработан и изготовлен вибропневмосепаратор усовершенствованной конструкции, позволяющий повысить удельную нагрузку на деку и снизить затраты энергии на очистку семян.

Экспериментальные исследования показали, что при увеличении скорости воздушного потока от 0,6 до 1,4 м/с степень отделения семян овсюга из пшеницы увеличивается и достигает 70% при потерях семян в отходы, не превышающих 3% (при допускаемых - 10%).

Потери, %

0.4

у- 18.4; 9*** 73.0171 ♦ 3,6837 .

1  і

♦ V * 4. ИО?**- 8,6!>€ < 4*. 6,1769,/  *

< 5 г— 1 ♦

0.6

0.8

Полнота выделения, К

80

70

60

Б0

40

30

20

10

1.0 1.2 1,4 1.6

Скорость аоідушного потока, м/с

- степень выделения примесей ♦ - потери семян в отходы

Рис. 2. Закономерности изменения показателей качества разделения компонентов семенной смеси в вибропневмоожиженном слое в зависимости от скорости воздушного потока

Литература

1.Гортинский В.В., Демский А.Б., Борискин М.А. Процессы сепарирования на зерноперерабатывающих предприятиях. М.: Колос, 1980. 303 с.

2.Блехман И.И., Хайнман В.Я. К теории разделения сыпучих смесей под действием колебаний // Механика твердого тела. 1968. № 6. С. 5-13.

3. Дринча В.М. Исследование сепарации семян и разработка машинных технологий их подготовки. Воронеж: Изд-во НПО «МОДЭК», 2006. 384с.

4.Галкин В. Д., Грубов К. А. Вибропневмосепаратор семян с усовершенствонной декой. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2011. № 4, С. 12-13.

5.Галкин В.Д., Кошурников А.Ф. Научно-исследовательская работа студентов: система мероприятий, методика выполнения, оценка и конкурсы. Пермь: Изд-во Пермская ГСХА, 2005. 38 с.