Grain loss sensor for pneumatic separation systems of grain-cleaning machines

Full Text

Введение Технологические возможности машин послеуборочной обработки зерна в условиях реального функционирования используются на 30-60% [1, 2]. Одна из причин их неэффективного использования - сложность настройки машин на оптимальные режимы работы при постоянно изменяющихся входных воздействиях: подаче, влажности, засоренности и физико-механических свойствах. Проблема усугубляется отсутствием необходимых устройств текущего контроля технологического процесса зерноочистки и низким уровнем квалификации операторов. Особенно это касается настройки и поддержания оптимального режима работы пневмосепарирующих систем. При этом не менее половины всех примесей в процессе послеуборочной обработки зерна может быть выделено именно воздушными потоками [3]. Исключение ручной корректировки режима работы пневмосистем зерноочистительных машин с заменой на аппаратный контроль и управление технологическим процессом позволит улучшить качество обработки зернового материала и сократить затраты на послеуборочную обработку зерна. Для этого необходимы простые и надежные устройства, контролирующие параметры технологического процесса очистки зерна. Одно из таких устройств - датчик потерь зерна в отходы. Существующие тензометрические датчики расхода зерна [4, 5] громоздки, поэтому будут воздействовать на структуру воздушного потока и нарушать технологический процесс. Оптические [6] и мембранные [7] датчики используются преимущественно в зерновых элеваторах зерноуборочных комбайнов для определения урожайности. Приспособить их для работы в воздушной системе зерноочистительной машины весьма затруднительно. Микроволновые [8] расходомеры зерна представляют собой дорогие и довольно сложные системы, а радиоизотопные [9] могут представлять опасность для здоровья обслуживающего персонала в связи с использованием источников гамма-излучения. Кроме того, при применении перечисленных датчиков сложно выделить зерновую составляющую в потоке примесей. Пьезоэлектрические датчики расхода и потерь зерна [10, 11] широко используются в зерноуборочных комбайнах. Однако при размещении этих датчиков в воздушном потоке, насыщенном пылью и примесями, возможны как нарушение структуры воздушного потока, так и выход из строя самих датчиков. Цель исследования Цель исследования - разработка простого, надежного и недорогого датчика потерь зерна в отходы для воздушных систем зерноочистительных машин. При движении по проточной части пневмосепаратора полноценные зерна, вынесенные вместе с легкими примесями, контактируют со стенками. Удар зерновок о стальные стенки осадочной камеры или воздуховода происходит на достаточно высокой скорости, в результате чего возникают звуковые импульсы (звонкие щелчки). Определять значение потерь зерна в отходы предлагается на основе анализа параметров данного звукового сигнала [12, 13]. К преимуществам предлагаемого метода относится возможность размещения акустических детекторов (конденсаторного или электретного микрофона, пьезометрического датчика и др.) за пределами воздушного потока с примесями и зерном. Материалы и методы При проведении экспериментальных исследований датчика потерь зерна в отходы использован пневмосепаратор (рис. 1), разработанный в Вятской ГСХА [14]. Для записи параметров звукового сигнала, возникающего при ударе зерновок о стенку осадочной камеры, использован измеритель уровня шума ВШВ-003. Потери зерна в процессе пневмосепарации оценивались по стандартной методике с разбором проб отходов на пневмоклассификаторе К-293. При ударе отдельной зерновки о стенку осадочной камеры возникает четко фиксируемый импульс звукового давления (рис. 2, а), анализируя характеристики которого, можно оценить потери полноценного зерна в отходы. В момент удара амплитуда сигнала звукового давления резко возрастает, а затем затухает, возвращаясь к прежнему уровню за время t = (0,5…0,6)·10-3 с. Величина потерь зерна эквивалентна числу ударов зерновок о стенку осадочной камеры. При этом с увеличением потерь зерна в отходы возрастает количество ударов и, соответственно, уровень звукового давления (рис. 2, б). Необходимо отметить, что работа воздушной системы зерноочистительной машины помимо ударов зерновок о стенки осадочной камеры сопровождается посторонними шумами, возникающими при работе электродвигателя, вентилятора, скольжении очищаемого зернового материала по металлическим поверхностям и т.д. Влияние посторонних шумов на показания датчика потерь зерна необходимо свести к минимуму. Для этого проведен спектральный анализ параметров сигнала звукового давления, возникающего при ударе зерновки о стенку осадочной камеры. Анализ амплитудно-частотной характеристики (рис. 3) показал, что максимальное значение уровня L амплитуды звукового давления, возникающего при ударе зерновки о стальную стенку толщиной 1,5 мм, сосредоточено на частоте ν = 7…9 кГц. Остальные шумы лежат в основном в области как меньших, так и больших частот. Для минимизации влияния посторонних шумов при проведении дальнейших исследований сигнал звукового давления, возникающий при ударе зерновки о стенку осадочной камеры, обрабатывался с использованием октавного фильтра на 8 кГц. Поскольку использование шумомера в качестве датчика потерь зерна значительно повышает стоимость устройства контроля и управления технологическим процессом, была рассмотрена возможность использования для записи параметров звукового сигнала пьезометрического трансдьюсера Soho Т-1, который дешевле шумомера на два порядка. Трансдьюсер закрепляется с наружной стороны стенки осадочной камеры, о которую ударяются зерновки, и воспринимает звуковые импульсы непосредственно от стенки. При этом параметры сигнала, поступающего от трансдьюсера Soho Т-1, оказались идентичны характеристикам звука, зафиксированным при использовании шумомера ВШВ-3. Поэтому дальнейшие исследования по разработке датчика потерь зерна проводились с использованием трансдьюсера Soho Т-1. Результаты и их обсуждение В ходе исследований установлено, что при очистке в пневмосепарирующей системе семян пшеницы влажностью 12,6% потери зерна с коэффициентом корреляции 0,99 могут быть рассчитаны по выражению: , где Пз - потери зерна в отходы, г/с; р - уровень мощности звука удара зерновок о стенку осадочной камеры, дБ. Аналогичные эксперименты проведены при очистке в воздушной системе семян ржи, ячменя и овса. В общем виде потери зерна с легкими примесями для указанных культур могут быть определены как: , где а, b - коэффициенты регрессии, зависящие от вида зерна и его влажности. Выявлено значительное влияние на параметры сигнала звука удара зерновки о стенку как вида семян очищаемой культуры, так и их влажности. Для обеспечения надежного функционирования датчика потерь зерна в широком диапазоне возможных условий эксплуатации выявлены закономерности изменения коэффициентов регрессии a и b в зависимости от вида и влажности обрабатываемой культуры. С целью экономии ресурсов и исключения влияния посторонних факторов изготовлена экспериментальная установка, которая состоит из бункера с вибродозатором, подающим зерно в вертикальный канал. Под выходным отверстием канала расположена стальная пластина толщиной 1,5 мм с закрепленным на ее нижней стороне трансдьюсером Soho Т-1. Высота канала выбирается такой, чтобы зерно в момент удара о пластину, имитирующую стенку осадочной камеры, достигло скорости, равной скорости зерновки в момент удара о стенку в машине. Пластина установлена под углом к горизонту, соответствующим углу между вектором скорости зерновки и плоскостью стенки осадочной камеры в момент удара. Исследования проводились в диапазоне влажности зерна пшеницы ω = 12,9…34%, ячменя ω = 12,4…36,1%, ржи ω = 13,3…35,6%, овса ω = 12,7…34,7%. Результаты экспериментальных исследований, полученные для пшеницы, представлены на рис. 4. Закономерности влияния влажности семян других зерновых культур на параметры звукового сигнала удара зерновок о стенку осадочной камеры имеют аналогичный характер. Уровень звукового давления р, возникающего в результате удара зерновок о стенку, с увеличением влажности семян ω снижается (см. рис. 4, а). Это объясняется снижением твердости зерновок с увеличением их влажности. В целом же закономерность изменения уровня звукового давления в зависимости от величины потерь зерна в отходы, полученная ранее для одной влажности, сохраняет свой общий характер и при других значениях влажности. Значения коэффициентов регрессии а и b корректируются с изменением влажности ω: ; , где c, d, e, f - корректирующие коэффициенты. Значения корректирующих коэффициентов, полученные в результате экспериментальных исследований, приведены в таблице. Значения корректирующих коэффициентов Культура c d e f Пшеница 0,028 -0,258 -0,001 0,236 Рожь 0,026 -0,07 -0,001 0,225 Ячмень 0,003 0,618 0,001 0,176 Овес 0,041 -0,028 -0,001 0,199 Выводы Получена модель, позволяющая определить потери зерна в отходы по анализу параметров сигнала звукового давления, возникающего при ударе зерновок о стенку осадочной камеры. Разработан датчик потерь зерна в отходы на основе недорогого пьезометрического трансдьюсера Soho Т-1. Работа датчика основана на анализе параметров сигнала звукового давления, возникающего при ударе зерновок, вынесенных вместе с примесями, о стенку осадочной камеры. Датчик может быть использован в устройствах контроля и управления технологическим процессом воздушных систем зерноочистительных машин. Работоспособность датчика подтверждена испытаниями на пневмосепараторе в линии послеуборочной обработки зерна. Он может быть адаптирован для работы в воздушных системах других зерноочистительных машин.

About the authors

N. V Zholobov

Vyatka State Agricultural Academy

Email: zholobovnv@gmail.com
Kirov, Russia

K. V Maishev

Vyatka State Agricultural Academy

Kirov, Russia

References

Supplementary files