Increase in performance of air-sieve grain-cleaning machines in separating heap of sunflower seeds

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

К питающим устройствам зерноочистительных машин предъявляются требования по обеспечению равномерной загрузки решетного стана для исключения повреждения зерна. Их равномерная загрузка актуальна на высокопроизводительных машинах, которые имеют большую ширину [1].

В настоящее время валовый сбор зерновых культур в РФ увеличивается с каждым годом за счет использования современных технологий. Поэтому для обработки больших объёмов зерновых культур все чаще используют зерноочистительные машины высокой производительности [2]. В большинстве случаев, высокая производительность зерноочистительных машин достигается за счет увеличения ее рабочей ширины, что приводит к существенному недостатку, нарушается равномерность распределения зерна по ширине решетного стана [3]. Неравномерное распределение зернового материала по ее ширине сопровождается ухудшением качества и снижением производительности очистки. Для решения данной проблемы применяют приёмно-распределительные устройства принудительного действия. Однако, они травмируют семена за счёт применения активных рабочих органов [4].

Приёмно-распределительные устройства (ПРУ) позволяют распределить ворох на движущихся рабочих органах (питающие валики, вибролотки), которые достигают высокой степени равномерности распределения при ограниченном интервале параметров обрабатываемого материала. Данные устройства считаются наиболее опасными с точки зрения травмирования зерна. В основном, они применяются на машинах с загрузкой из бурта питателем, который является скребковым, а пульсация потока отсутствует [5].

В РФ и зарубежных странах для очистки семенного и продовольственного зерна применяют зерноочистительные машины (ЗОМ) [6-8]. В их конструкциях присутствуют элементы, которые подают зерновой ворох на их рабочие органы. Наиболее распространены устройства гравитационного типа, которые не обеспечивают равномерность подачи семян по ширине рабочих органов ЗОМ.

Повышение эффективности процесса распределения материала по ширине рабочих органов машин воздушно-решетного типа невозможно без знаний закономерности его распределения в ПРУ, которые обеспечивают рациональную загрузку ЗОМ, обрабатываемым материалом, для поддержания требуемого количества, т.е. должно обеспечиваться непрерывное и равномерное поступление зернового материала по времени в ЗОМ [9].

Производительность ЗОМ и качество очистки зернового материала зависит от равномерности загрузки решет, которая определяется конструкцией питающее-распределительного устройства. Для подачи и распределения зерна по ширине решетных станов ЗОМ широко используются распределительные устройства механического и гравитационного действия. В механических устройствах для распределения зерна по ширине решетного стана в большинстве случаев используют шнеки, которые обеспечивают удовлетворительную равномерность, но повреждают зерно, что недопустимо при обработке семенного материала. Устройства гравитационного действия практически не повреждают зерно, однако известные конструкции имеют значительные габаритные размеры. Кроме того, многоступенчатые распределительные устройства делительного типа могут обеспечить равномерное распределение сыпучего материала при условии равного деления его на две равные части в каждой ступени [10].

Уменьшение угла наклона поверхности подающего устройства снижает интенсивность подачи семян ближе к оси ЗОМ и приводит к остановке вороха в этой зоне. Однако, торможение компонентов массы по краям происходит менее интенсивно. Поэтому, уменьшение угла наклона подающего устройства ниже коэффициента трения приводит к снижению равномерности распределения [11].

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основной целью настоящей работы является определение зависимости параметра процесса сортирования вороха семян подсолнечника от его материала для воздушно-решетной ЗОМ типа МВУ-1500.

Задачи исследования:

• выявить теоретическую взаимосвязь скорости перемещения подающего устройства и угла его наклона;
• провести экспериментальные исследования по определению рационального материала и угла наклона подающего устройства к пневматическому каналу окончательной аспирации в воздушно-решетной ЗОМ типа МВУ-1500.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования С.С. Ямпилова и Ж.Б. Цыбенова [12] позволили установить, что частицы зернового материала начинают движение по поверхности подающего устройства при угле его наклона $\alpha =20°$. Для практического использования подающего устройства представляет интерес движение частиц зернового материала при углах его наклона $\alpha =35°...65°$.

Поэтому, для определения угла наклона подающего устройства в процессе сортирования семян подсолнечника сорта Лакомка, влияющего на параметры воздушной системы ЗОМ типа МВУ-1500 была изготовлена экспериментальная установка (см. рис. 1).

Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки для определения скорости их ввода в вертикальный воздушный поток: 1 – бункер для семян; 2 – заслонка бункер семян; 3 – направитель из металла; 4 – приводное устройство; 5 – заслонка; 6 – пневматический канал; 7 – осадочная камера для семян; 8 – вентилятор; 9 – осадочная камера для примесей.

Fig. 1. The main view of the experimental installation for determining the input velocity of the heap into a vertical airflow: 1 – a seed tank; 2 – a seed tank flap; 3 – a metal guide; 4 – a drive device; 5 – a damper; 6 – a pneumatic channel; 7 – a sedimentation chamber for seeds; 8 – a fan; 9 – a sedimentation chamber for impurities.

Эксперименты проводились по частной разработанной методике. На экспериментальной установке (см. рис. 1) было установлено подающее устройство 1, изготовленное из металла под углом 6°, как на серийной воздушно-решетной ЗОМ типа МВУ-1500 и фторопласта – 40° к пневматическому каналу окончательной аспирации, привод которой осуществлялся приводным механизмом 2. Производилась видеосъемка движущегося вороха семян подсолнечника (рис. 2) сорта Лакомка на поверхности подающего устройства из металла и фторопласта в 1/25 кадра. Полученные кадры просматривали на компьютере в программе Picasa-3 и определяли перемещение компонентов. При известных перемещениях и времени, пройденное ими, определяли скорость перемещения вороха семян на поверхности подающего устройства [13].

Рис. 2. Движение семян подсолнечника по поверхности подающего устройства: 1 – вертикальный пневматический канал; 2 – бункер; 3 и 4 – подающие устройства (направитель) из фторопласта и металла соответственно.

Fig. 2. Movement of the sunflower seeds on the feeding device surface: 1 – a vertical pneumatic channel; 2 – a tank; 3, 4 – feeding devices (guides) made of fluoropolymer and metal respectively.

Эксперименты проводились в трехкратной повторности. Статистический анализ проводился с использованием программы Mathcad 15.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Результаты статистического анализа экспериментальной скорости перемещения вороха семян подсолнечника на поверхности подающего устройства приведены в таблице.

Значение экспериментальной скорости перемещения вороха семян подсолнечника на поверхности подающего устройства в зависимости от материала его изготовления изменяется незначительно, что подтверждает коэффициент вариации (таблица 1).

Таблица 1. Результаты статистического анализа в программе Mathcad 15

Table 1. Results of statistical analysis performed in the Mathcad 15 software

При движении вороха семян подсолнечника сорта Лакомка на поверхности подающего устройства действуют силы (рис. 3), которые описываются дифференциальным уравнением его движения [14].

Рис. 3. Расчетная схема для определения скорости перемещения вороха семян подсолнечника на поверхности подающего устройства.

Fig. 3. Analytical model for determining the movement velocity of the heap of sunflower seeds on the feeding device surface.

$\frac{d^{2}x}{d{t}^2}=mg\cos \alpha$, (1)

$\frac{d^{2}y}{d{t}^2}=mg\sin \alpha -mgf\cos \alpha$, (2)

где f – коэффициент трения.

Проинтегрируем уравнения (1) и (2) при начальных условиях $\vartheta ={\vartheta }_0$, $s=0$ получим

${\vartheta }_x={\vartheta }_0+gt\cos \alpha$, (3)

${\vartheta }_y={\vartheta }_0+gt\frac{\sin (\alpha -\varphi )}{\cos \varphi }$, (4)

где $\phi$ – угол трения, образованный между силами равнодействующей и реакции опоры.

Абсолютная скорость перемещения вороха семян подсолнечника на поверхности подающего устройства будет

$\vartheta =\sqrt{{\vartheta }_x^2+{\vartheta }_y^2}$, (5)

подставим выражения (3) и (4) в (5). Произведя математические преобразования, получим

$\vartheta =\sqrt{2{\vartheta }_0^2+2{\vartheta }_{0}gt\cos \alpha +g^2{t}^2{\cos }^2\alpha +2{\vartheta }_{0}gt\frac{\sin (\alpha -\varphi )}{\cos \varphi }+g^2{t}^2\frac{{\sin }^2(\alpha -\varphi )}{{\cos }^2\varphi }}$, (6)

Возможны два случая движения вороха семян подсолнечника сорта Лакомка на поверхности подающего устройства:

1. $\alpha >\varphi$, ворох семян под действием собственной силы тяжести равномерно скользит на поверхности подающего устройства, уравне- ние (6);
2. $\alpha =\varphi$, ворох семян на поверхности подающего устройства под действием собственной силы тяжести или равномерно скользит, или находится в покое.

Уравнение (6) с учетом условия (2) примет следующий вид

$\vartheta =\sqrt{2{\vartheta }_0^2+2{\vartheta }_{0}gt\cos \alpha +g^2{t}^2{\cos }^2\alpha }$. (7)

Анализ уравнения (7) показывает, что скорость перемещения вороха семян подсолнечника на поверхности подающего устройства зависит от угла его наклона.

Для определения теоретической скорости перемещения вороха семян подсолнечника воспользуемся выражением (7) с учетом, когда $\alpha =\varphi$.

Результаты по определению экспериментальной и теоретической (7) скорости перемещения вороха семян подсолнечника на поверхности подающего устройства, изготовленного из металла и фторопласта в серийной и усовершенствованной воздушно-решетной ЗОМ типа МВУ-1500 представлены на рис. 4.

Рис. 4. Результаты определения скорости перемещения компонентов вороха семян подсолнечника с подающего устройства, изготовленного из: a – металла; b – фторопласта.

Fig. 4. Results of determining the movement velocity of components of the heap from the feeding device made of: a – metal; b – fluoropolymer.

Подающее устройство из фторопласта позволяет повысить экспериментальную скорость перемещения вороха семян подсолнечника с 5 до 10 раз по сравнению с ПРУ из металла. Расхождение между экспериментальной и теоретической скоростью перемещения вороха семян подсолнечника на поверхности подающего устройства, изготовленного из металла и из фторопласта, не превышает 5% (см. рис. 4).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Теоретическая скорость перемещения вороха семян подсолнечника на поверхности подающего устройства зависит от угла его наклона.
2. Оптимальным материалом подающего устройства является фторопласт, который имеет низкий коэффициент трения и будет расположен под углом наклона $\alpha =40°$ к пневматическому каналу окончательной аспирации в модернизированной воздушно-решетной ЗОМ типа МВУ-1500.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Конфликт интересов. Автор декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Автор заявляет об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Competing of interests. The author declares the absence of obvious and potential conflicts of interest.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Igor E. Priporov

Author for correspondence.
Email: i.priporov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8201-2819
SPIN-code: 4330-0224

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Tractors, Automobiles and Technical Mechanics Department

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. The main view of the experimental installation for determining the input velocity of the heap into a vertical airflow: 1 – a seed tank; 2 – a seed tank flap; 3 – a metal guide; 4 – a drive device; 5 – a damper; 6 – a pneumatic channel; 7 – a sedimentation chamber for seeds; 8 – a fan; 9 – a sedimentation chamber for impurities.

Download (150KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Movement of the sunflower seeds on the feeding device surface: 1 – a vertical pneumatic channel; 2 – a tank; 3, 4 – feeding devices (guides) made of fluoropolymer and metal respectively.

Download (104KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Analytical model for determining the movement velocity of the heap of sunflower seeds on the feeding device surface.

Download (41KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Results of determining the movement velocity of components of the heap from the feeding device made of: a – metal; b – fluoropolymer.

Download (192KB)

Indexing metadata