Оценка основных закономерностей функционирования подсистемы «Решетный ярус - пневмосепаратор воздушно-решетной зерноочистительной машины»

УДК 631.362.001.573

ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОДСИСТЕМЫ «РЕШЕТНЫЙ ЯРУС - ПНЕВМОСЕПАРАТОР ВОЗДУШНО-РЕШЕТНОЙ ЗЕРНООЧИСТИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ»

Ю.И. ЕРМОЛЬЕВ

(Донской государственный технический университет),

В.Д. ШАФОРОСТОВ

(Всероссийский научно-исследовательский институт масличных культур им. В.С. Пустовойта),

А.В. БУТОВЧЕНКО

(Донской государственный технический университет),

И.Е. ПРИПОРОВ

Приведен многомерный анализ процесса сепарации семян подсолнечника в подсистеме «решетный ярус -пневмосепаратор воздушно-решетной зерноочистительной машины», выявлены пути роста эффективности пневмосепарации.

Ключевые слова: решетный модуль, вертикальный пневмоканал, семена подсолнечника, скорость перемещения в пневмоканале, многомерный анализ.

Введение. Существующие воздушно-решетные зерноочистительные машины не обеспечивают высокое качество очистки семян подсолнечника, так как недостаточно эффективно функционирует подсистема «решетный ярус - второй пневмосепаратор». Эффективность пневмосепаратора зависит от направления и скорости ввода компонентов вороха семян подсолнечника, определяемых условиями функционирования решетного яруса.

Постановка задачи: провести многомерную оценку процесса функционирования решетного модуля, величины и направления ввода компонентов вороха семян подсолнечника в пневосепаратор с решетного яруса подсистемы и определить возможные пути повышения эффективности пневмосепарации.

Методы исследования: стендовые испытания решетного модуля, моделирование процессов перемещения компонентов семян подсолнечника на решетном модуле и в пневмосепараторе. Многомерный анализ процесса сепарации семян подсолнечника на решетном ярусе.

Стендовые испытания функционирования нижнего яруса решет (рис. 1) проведены для условий: угол наклона яруса решет к горизонту - 6°, амплитуда колебаний решет - 15 мм, частота колебаний - 329 мин-1, подвески решет вертикальные, первое решето в ярусе с отверстиями -  4 мм, второе - 0 8 мм.

Технологические свойства вороха семян подсолнечника: влажность семян подсолнечника

- 8%, содержание примесей (обрушенные семена подсолнечника) - 2,747%, палочки - 1,717%, мелкие семена (проход решета с отверстиями 3,2 мм) - 0,439, семена, не прошедшие решето с отверстиями 3,2 мм - 11,396%; семена, не прошедшие отверстия 3,6 мм - 37,069%; семена, не прошедшие отверстия 4,0 мм - 46,578%.

Были проведены стендовые испытания решетного яруса с использованием известных методик [1, 2, 3] и определены основные показатели сепарации вороха семян подсолнечника (рис. 2).

Для условий ширины решет, равных единице, плотности — компонентов вороха семян подсолнечника, постоянной по длине каждого решета в ярусе решет, и коэффициента сепарации д1т/, постоянного по длине Ь1т решета (рис. 2), использованы выражения (1)-(4) для оценки величины средней скорости перемещения >го компонента по 1т-му решету решетного яруса при установившемся процессе сепарации Vх1mJ [1].

поток обрабатываемой культуры

—//— воздушный поток с легкими примесями —/ — примеси, осаждаемые в камере воздушный поток с пылью отходы решетной очистки

1 - верхний и нижний решетные станы;

2 - пневмоканал предварительной сепарации;

3 - валик питающий;

4 - шибер;

5 - шнеки отвода легких воздушных примесей;

6 - заслонка тонкой регулировки пневмоканала предварительной аспирации;

7 - заслонка грубой регулировки подачи воздуха;

8 - заслонка тонкой регулировки пневмоканала окончательной аспирации;

9 - шнек вывода тяжелых воздушных примесей (легкое зерно);

10 - второй пневмоканал окончательной аспирации

---я----

Рис. 1. Схема функциональная зерноочистительной машины МВУ-1500

У

4— Крупные примеси (палочки) •—Оголенные семена

Н еп роход >4.0

*^Неп роход 4.0-3.6

Н еп роход 3.6-3.2

♦—Проход 3.2

I У

а) б)

Рис. 2. Полнота просеивания /го компонента через решета яруса: а) первое; б) второе

V =

х\т]

У

1(т-1) У

м

П1туАї

1 + Ат (1 - Е1Ы

(

1ту

Ат +'

1

V

Для случая у1т] = 0, величина Vx1mJ определяется из выражения (1) при условии Е]1т = 1 и замене Цт на Цт. Для определения величины д1т из выражения (2) необходимо выбрать длину Цт < Цт, при которой Е]1т < 1.

^1т, = Т^ІП

1т

1 - Е

Vі ]1т у

Значение путей Lim] перемещения ]-го компонента на рабочей поверхности 1т-го решета

определены из выражения

Н^,.%

к^,.%

1

Т — X

1т] ЦМ1 ту

' + Т1т (1 - Е,1т ) - Є

М'1туТ1т

1ту

Т1т +'

1т] у

Время пребывания центра инерции тел /-го компонента на решете из выражения

Ґср.цці1т ^^п1т] Аґ / У1(т-1)у

где У1(т-1)у - масса у-го компонента, поступившего на 1т-ое решето с предыдущего 1(т-1)-го за время Аґ; Мп1т] - масса тел у-го компонента на рабочей поверхности решета при установившемся процессе сепарации; Т1т - длина 1т-го решета в ярусе решет; Е]1т - полнота посева У-го компонента через 1т-ое решето в ярусе решет.

ЕхІтіМІЄ

а)

б)

Рис. 3. Средние скорости перемещений /х компонентов по решетам яруса: а) первому; б) второму

Использовав выражение (1) и результаты стендовых исследований решетного яруса, установили (табл. 1), что с 95-процентной доверительной вероятностью величины средних скоростей перемещения С0] = Vxl2] для ]-х компонентов на втором решете яруса решет (скорость ввода в

1

1

пневмоканал) (рис. 4) принадлежат одной выборке случайных величин С0] и не имеют статистически значимых различий со скоростью перемещений основной фракции вороха - крупных семян подсолнечника толщиной > 4,0.

Таблица 1

Средние скорости перемещения центров масс компонентов семян подсолнечника по второму решету решетного яруса

Подача семян подсолнечника на ярус решет, кг/(м-с) Средние скорости со перемещения масс компонентов по поверхностям решет, м/с Расчетные величины ^-критерия Стьюдента для сравниваемых ]-х скоростей с и с для семян подсолнечника толщиной >4,0 мм

Стебли Оголенные семена Семена подсолнечника, толщина, мм Стебли Оголен- ные семена Семена подсолнечника

3,2-3,6 3,6-4,0 >4,0 3,2-3,6 3,6-4,0

С ] а2 . СО] С ] а2 . СО] с,. а2 . СО] С0 ] а2  СО] С0 ] а2  СО] С ] а2  С ] с,, а2  С ]

0,08886 0,05184 0,00025 0,04155 0,00044 - - 0,03868 0,00004 0,04242 0,00026 0,835 0,066 - 0,427

0,09441 0,05179 0,0001 0,03809 0,000012 0,08353 0,00228 0,04529 0,00004 0,041 0,000014 1,393 0,361 1,728 0,192

0,11930 0,05089 0,0036 0,05123 0,0009 - - 0,03484 0,000008 0,04642 0,000004 0,148 0,313 - 2,114

0,11781 0,05079 0,00073 0,03531 0,00003 0,03504 0,00005 0,04954 0,000005 0,04827 0,0001 0,175 2,28 2,16 0,207

Моделирование процесса сепарирования семян подсолнечника в вертикальном пневмоканале. Установлено, что на исследуемом интервале скоростей V воздушного потока и задаваемых величин координат И, в первом приближении

можно принять Р0 = 0, т. е. отклонение вектора V

от вертикали незначительно (рис. 4).

В вертикальный аспирационный пневмоканал компонент семян подсолнечника (компонент) поступает с конца подающей скатной поверхности (рис. 4), расположенного на расстоянии h от передней стенки

пневмоканала, под углом к горизонту а 0 со скоростью С0. Экспериментально доказано, что в первом приближении для рассматриваемой вариации скоростей V воздушного потока в пневмоканале Р0 = 0 .

Величина и направление скорости и компонента в относительном движении [4]:

и0 =^1 V2 + С02 + 2VC0sin а .

Направление скорости и, определенное углом р к направлению воздушного потока, определяется из выражения:

Р = агс sin

С0

и

Л

-со8 а

/

В воздушном потоке на компонент массой т (рис. 4, А) действует сила тяжести G = mg и сила сопротивления воздушного потока R, направленная в сторону, противоположную скорости и относительного движения компонента

Я = тКи2,

где К - коэффициент пропорциональности силы аэродинамического сопротивления:

К = 4,

К

где V - критическая скорость (скорость витания компонента).

Дифференциальные уравнения движения компонента в координатах Х0У (рис. 5) можно

записать:

тх = mg - R cos Р] тх = -R sin Р I

Величину относительной скорости и2 для оценки Я определим из выражения [4]

и2 = V2

* VI •( УI

С учетом допущения [4]

у = .

*

V

= уср = const = 1,06.

У

Дифференциальные уравнения (9) представим как

х = g - КУ 2у- КУ ух ] У = -КУ уу I

Интегрируя уравнения (12) при начальных условиях ^ = 0; х = 0; у = 0; х = х0; у = у0,

определим [4] аналитические зависимости для составляющих скорости и перемещения компонента в вертикальном пневмоканале

х =

К- {(g - КУ 2у) - [(g - КУ 2у) - КУ 2у*о

е~КУу

у =

Уо

К у?

g - КУ 2у

х = ------------ ?--

КУ у

[( g - КУ 2у)-КУ у^„ ](1 - еКУ у) ;

У =

.Уо

КУ у

(1 - еКУ у ).

Траектории перемещения компонентов семян подсолнечника в вертикальном пневмоканале глубиной 5 при задаваемом изменении величины h смещения конца 0-скатной доски получены расчетным путем (рис. 4, 5).

Величины скорости с0] ввода ]-х компонентов в пневмоканал определены (табл. 1). Глубина пневмоканала 5 - 0,142 м, угол ввода компонентов в пневмоканал а0 - 6° (по типу зерноочистительной машины МВУ-1500).

Для оценки величины рабочей скорости V воздушного потока в пневмоканале примем условие - допустимая вероятность Р выделена воздушным потоком в отходы (агротребование для отстойной камеры второго пневмосепаратора семян подсолнечника Р < 2 % (рис. 1). Определим вероятность Р] выделения легких]-х фракций семян подсолнечника.

1

] V] г

где Р] - вероятностная доля выноса ]-го компонента воздушным потоком со скоростью V; а] - доля (безразмерная) ]-го компонента во фракции семян подсолнечника поступающей

в пневмоканал; У]ш1п - минимальная критическая скорость]-го компонента.

Приняв гипотезу о нормальном законе распределения плотностей вероятностей Л

р, =2

1

^2ло

V

Г * 2а]

(IV

а.

Для решения выражения (18) используем функцию Лапласа [5]:

ф„

’]V

-ф

0]

.V

а. = 0.02

Используя метод интераций, задаваясь пошагово различными величинами рабочей скорости воздушного потока в пневмоканале V > V ]шт, из выражения (19) считаем, используя статистические таблицы [5], величины Фо] (г1), Фо] (z2), при известных долях а. ]-х семян подсолнечника, подаваемого в пневмоканал, определяем величину V, обеспечивающую условие (19).

Установлено, что расчетная допустимая рабочая скорость воздушного потока во втором пневмоканале V - 4,8 м/с.

С учетом небольших подач семян подсолнечника в вертикальный пневмоканал на этом этапе исследований не рассматривалось изменение скорости воздушного потока в межсеменном пространстве (формула Дюпуи) [4].

Исходные данные для расчета траекторий движения компонентов и результаты расчетов на ЭВМ сведены в табл. 2 и приведены на рис. 5, 7.

Рис. 5. Траектории перемещения _/-ых компонентов в воздушном потоке пневмоканала при их сходе с решета: 1, 2 - стебли, V = 4,43-7,23 м/с; 3, 4 - корзинки, 1/к = 3,61-7,23 м/с; 5, 6 - оголенные семена, V = 4,43-9,56 м/с; 7, 8 - семена подсолнечника толщиной < 3,2 мм, V = 4,26-9,14 м/с; 9, 10 - семена подсолнечника толщиной 3,2-3,6 мм, V = 4,56-9,28 м/с; 11, 12- семена подсолнечника толщиной 3,6-4,0 мм, V = 4,7-9,35 м/с; 13, 14- семена подсолнечника толщиной > 4.0 мм, V = 4,04-10,14 м/с

Таблица 2

Исходные данные и показатели перемещения компонентов семян подсолнечника в воздушном потоке пневмоканала при их сходе с решета

№ п/п Время перемещения компонентов в пневмоканале, с Компоненты, критические скорости, м/с

Стебли Корзинки Оголенные семена

4,43 7,23 3,61 3 7, 4,43 6 9,

Коэффициенты, м-1

0,49936 0,18748 0,75190 0,18748 0,49936 0,10723

Скорости ввода компонентов в пневмоканал, м/с

0,05179 0,03730 0,03809 0,03809

Величины перемещения компонентов в воздушном потоке, м

x У x У x У x У x У x У

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

2 0,025 0,1816 0,0012 0,2627 0,0013 0,9171 0,0009 0,2627 0,0009 0,1814 0,0009 0,4277 0,0009

3 0,050 -0,3736 0,0024 0,5284 0,0025 -1,9208 0,0017 0,5285 0,0018 -0,3732 0,0018 0,8568 0,0019

4 0,075 -0,5767 0,0035 0,7972 0,0037 -3,0195 0,0024 0,7974 0,0027 -0,5759 0,0026 1,2873 0,0028

5 0,10 -0,7915 0,0045 1,0693 0,0049 -4,2290 0,0031 1,0694 0,0035 -0,7905 0,0033 1,7192 0,0037

6 0,125 -1,0189 0,0055 1,3446 0,0061 -5,5415 0,0037 1,3447 0,0044 -1,0175 0,0041 2,1524 0,0046

7 0,150 -1,2596 0,0064 1,6232 0,0072 -6,9867 0,0042 1,6234 0,0052 -1,2579 0,0047 2,5871 0,0055

8 0,175 -1,5146 0,0073 1,9052 0,0083 -8,5715 0,0047 1,9055 0,0060 -1,5125 0,0054 3,0233 0,0063

9 0,20 -1,7847 0,0081 2,1908 0,0094 -10,3096 0,0052 2,1911 0,0068 -1,7823 0,0059 3,4609 0,0072

10 0,225 -2,0710 0,0088 2,4799 0,0104 -12,2166 0,0056 2,4803 0,0075 -2,0682 0,0065 3,9000 0,0080

11 0,250 -2,3746 0,0095 2,7728 0,0114 -14,3094 0,0060 2,7732 0,0082 -2,3713 0,0070 4,3406 0,0088

12 0,275 -2,6964 0,0102 3,0694 0,0124 -16,6066 0,0063 3,0698 0,0090 -2,6928 0,0075 4,7828 0,0097

13 0,30 -3,0379 0,0108 3,3698 0,0134 -19,1288 0,0066 3,3703 0,0097 -3,0338 0,0079 5,2260 0,0105

Траектории компонентов, подлежащих частичному выделению в пневмоканале (стебли, корзинки, оголенные семена, семена подсолнечника с малыми критическими скоростями) пересекают линию 0 - Y и выносятся вверх (см. табл. 2 и рис. 5) на малом участке 0-3 мм. Траектории этих компонентов пересекаются в рабочей зоне пневмоканала под различными углами 8 . При

величине 8> 90° с высокой вероятностью можно считать, что эти компоненты, сталкиваясь с противоположной от точки ввода в пневмоканал его стенкой, перемещаются вверх (л) и «улетают» в отстойную камеру машины. Расчетным путем установлено, что в этом случае в пневмоканале выделяются компоненты, траектории которых совпадают с линией 0 - Y с критическими скоростями до 4,94 м/с. Компоненты с большими критическими скоростями перемещаются в пневмоканале вниз (+л).

Анализ показывает, что с учетом малых углов а и скоростей 00j (см. рис. 4) процесс разделения компонентов в воздушном потоке не рационален.

Одним из возможных вариантов изменения направления и увеличения скорости С0j ввода j-ых компонентов в

пневмоканал можно считать установку неподвижной скатной доски у торца подающего устройства (решета) (рис. 6) с

рекомендуемым углом aj = 40° [4].

Дифференциальное уравнение движения j-го компонента по скатной доске имеет вид

mx = G

Рис. 6. Схема подач у-го компонента в пневмоканал по скатной доске

Проинтегрировав дважды первое уравнение из системы (20), получим для начальных условий при t=0, х0 =0 м, х0

х - С

-0 0у

я? / \

х - Н-~^{^па1 -/соэа1) + 2 ,

х - (эт а1 - f соэ а1) + С

0у

Задаваясь длиной Н и углом а1 скатной доски, зная величину средней скорости выхода

у-го компонента с торца решет, из выражения (21) определим время перемещения у-го компонента по скатной доске

4

^,2

& (эт а1 - f соэ а1) \

+ 4

2Н

&

а из выражения (22) скорость ввода у-го компонента в пневмоканал.

Расчетные величины скоростей С^, для рассматриваемых условий определены. Установлено, что для условий ввода компонентов с «гладкой» (/ = 0) скатной доской длина участка разделения компонентов в пневмоканале выросла до 11 мм, при этом доля выделяемых в отстойную камеру компонентов возросла до величины их критических скоростей 4,96 м/с (рис. 7).

Рис. 7. Траектории перемещения >ых компонентов в воздушном потоке пневмоканала при их сходе со скатной доски (а1 = 40°, Н = 0,10 м, f = 0): 1, 2 - стебли, /к = 4,43-7,23 м/с; 3, 4 - корзинки,

1/к = 3,61-7,23 м/с; 5, 6 - оголенные семена, / = 4,43-9,56 м/с; 7, 8 - семена подсолнечника толщиной менее 3,2 мм, /к= 4,26-9,14 м/с; 9, 10 - семена подсолнечника толщиной 3,2-3,6 мм,

/к = 4,56-9,28 м/с; 11, 12- семена подсолнечника толщиной 3,6-4,0 мм, / = 4,7-9,35 м/с;

13, 14- семена подсолнечника толщиной боле 4,0 мм, / = 4,04-10,14 м/с

Результаты исследований. Используя теорию потока тел на колеблющемся плоском сепараторе и результаты специальных стендовых экспериментов оценены величины средних скоростей С0у - У0у вводау-ых компонентов в вертикальный пневмоканал.

Можно принять величину С0у для стеблей - 0,0518 м/с; корзинок - 0,0373 м/с; оголенных

семян - 0,0381 м/с; семян подсолнечника толщиной < 3,2 мм - 0,0835 м/с, 3,2-3,6 мм - 0,0835 м/с, 3,6-4,0 мм - 0,0453 м/с, > 4,0 мм - 0,0410 м/с.

Установлено, что из-за малого угла ввода а0 и малых скоростей С0 ввода компонентов с

решета процесс их разделения в пневмоканале происходит на коротком участке 0-3 мм, при этом выделяются компоненты с критической скоростью до 4,94 м/с. Короткий участок глубины пневмоканала, на котором происходит процесс сепарации гетерогенных компонентов, приводит к их стохастическим столкновениям, ухудшает сепарацию, следовательно, не рационален.

Установлено, что один из возможных вариантов изменения направления и увеличения скорости ввода у-ых компонентов в пневмоканал - установка неподвижной скатной доски у торца падающего устройства (решета) с рекомендуемым углом а1 - 40°.

Выявлено, что при длине скатной доски Н = 0,07 и а1 - 40° величины скоростей ввода компонентов в пневмоканал возросли, по сравнению с эталоном, в 2,43-4,21 раз. При Н = 0,10 м

и «гладкой» (f = 0) поверхности скатной доски скорости ввода компонентов в пневмоканал увеличиваются в 4,77-9,44 раз, при этом увеличивается длина участка глубины пневмоканала, на котором происходит процесс их пневмосепарации, соответственно 0-3 мм, 0-5,5 мм, 0-6,9 мм и 0-11 мм, доля выделяемых в пневмоканале компонентов возрастает до величин их критических скоростей 4,94 м/с, 4,95 м/с, 4,96 м/с соответственно.

Выводы. Математическое моделирование процессов перемещения различных компонентов гетерогенной сыпучей среды (семян подсолнечника) по решетному ярусу и их ввод в пневмосепаратор воздушно-решетной зерноочистительной машины показали неэффективность процесса их пневмосепарации. Определено, что повышение эффективности пневмосепарации этих компонентов, а, следовательно, рост эффективности процесса очистки семян подсолнечника всей воздушно-решетной зерноочистительной машиной возможен при их рациональном вводе в пневмоканал.

Библиографический список

1. Ермольев Ю.И. Интенсификация технологических операций в воздушно-решетных зерноочистительных машинах / Ю.И. Ермольев. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 1998. - 496 с.

2. Ермольев Ю.И. Проектирование технологических процессов воздушно-решетных и решетных зерноочистительных машин / Ю.И. Ермольев, А.В. Бутовченко. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2010. - 638 с.

3. Литвинов А.И. Основные принципы теории движения потока тел и решение на их основе различных задач земледельческой механики: дис. ... д-ра техн. наук: 05.20.01 / А.И. Литвинов.

- Ростов н/Д, 1979. - 365 с.

4. Матвеев А.С. Теоретический анализ разделения зерновой смеси восходящим воздушным потоком воздуха / А.С. Матвеев // Труды ВИМ. - 1964. - Т. 36. - С. 286-295.

5. Корн Г. Справочник по математике для научных сотрудников и инженеров // Г. Корн, Т. Корн. - М.: Наука, 1973.

Материал поступил в редакцию 26.01.11.

References

1. Ermol'ev Y.I. Intensifikaciya tehnologicheskih operacii v vozdushno-reshetnyh zernoochisti-tel'nyh mashinah / Y.I. Ermol'ev. - Rostov n/D: Izdatel'skii centr DGTU, 1998. - 496 s. - In Russian.

2. Ermol'ev Y.I. Proektirovanie tehnologicheskih processov vozdushno-reshetnyh i reshetnyh zernoochistitel'nyh mashin / Y.I. Ermol'ev, A.V. Butovchenko. - Rostov n/D: Izdatel'skii centr DGTU, 2010. - 638 s. - In Russian.

3. Litvinov A.I. Osnovnye principy teorii dvijeniya potoka tel i reshenie na ih osnove razlichnyh zadach zemledel'cheskoi mehaniki: dis. ... d-ra tehn. nauk: 05.20.01 / A.I. Litvinov. - Rostov n/D, 1979.

- 365 s. - In Russian.

4. Matveev A.S. Teoreticheskii analiz razdeleniya zernovoi smesi voshodyaschim vozdushnym potokom vozduha / A.S. Matveev // Trudy VIM. - 1964. - T. 36. - S. 286-295. - In Russian.

5. Korn G. Spravochnik po matematike dlya nauchnyh sotrudnikov i injenerov // G. Korn, T. Korn. - M.: Nauka, 1973. - In Russian.

ASSESSMENT OF OPERATION BASIC TRENDS

OF SCREEN TIER-PNEUMOSEPARATOR OF AIR-AND-SCREEN CLEANER SUBSYSTEMS

Y.I. ERMOLYEV

(Don State Technical University),

V.D. SHAFOROSTOV

(V.S. Pustovoit All-Russian Research Institute for Oil Plants),

A.V. BUTOVCHENKO (Don State Technical University),

I.E. PRIPOROV

A multivariate analysis of the sunflower seeds separation in the screen tier-pneumoseparator air-and-screen cleaner subsystems is offered. Growth paths of the air separation efficiency are revealed.

Keywords: screen module, vertical pneumatic duct, sunflower seeds, displacement velocity in pneumatic duct, multivariate analysis.