Размещено на http://www.allbest.ru/

Кіровоградський національний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.05.11 - Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Обґрунтування параметрів пневмоімпульсної машини для сепарації насіння за густиною

Богатирьов Дмитро Володимирович

Кіровоград 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі сільськогосподарського машинобудування Кіровоградського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Петренко Микола Миколайович, Кіровоградський національний технічний університет, перший проректор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Котов Борис Іванович, “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук, смт. Глеваха Київської обл., завідувач лабораторії післязбиральної обробки зерна;

кандидат технічних наук, професор Шмат Костянтин Іванович, Херсонський національний технічний університет, завідувач кафедри сільськогосподарського машинобудування, директор проблемної лабораторії з зернозбиральної і переробної техніки.

Провідна установа: Національний аграрний університет Кабінету Міністрів України, м. Київ, кафедра сільськогосподарського машинобудування.

Захист відбудеться 9 вересня 2005 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 23.073.01 у Кіровоградському національному технічному університеті за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кіровоградського національного технічного університету за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.

Автореферат розісланий серпня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.М. Каліч

1. Загальна характеристика роботи

зерновий насіння сепарація пульсатор

Актуальність теми. Врожайність зернових культур в багатьох випадках обумовлена технологіями їх посіву, реалізація яких суттєво залежить, як від якості виконання робіт, так і від якості посівного матеріалу. Разом з повним очищенням насіння від домішок одними з найважливіших ознак якості насіннєвого матеріалу є його густина та крупність. Доведено, що відбір насінин з найбільшою густиною є відбором найбільш фізіологічно зрілих. Густина впливає на схожість, силу росту, енергію проростання та життєздатність насінини, а також на кількість стебел та якість отриманих з них рослин. З насінин високої густини отримують більшу кількість рослин і вони швидше розвиваються, тобто дають кращі врожаї. Якщо проаналізувати біологічні та фізико-механічні властивості насінини, то густина є одним з пріоритетних показників за яким доцільно проводити сепарацію.

На сьогодні запропоновано багато технічних рішень устаткування для сепарації насіння за фізико-механічними властивостями, які корелюють з густиною. Але слід відмітити, що більшість з них не забезпечують агротехнічні вимоги або економічно не ефективні.

Одним з перспективних напрямків зниження трудомісткості, енергоємності, підвищення якості та стійкості процесу сепарації насіння за густиною є переведення його в псевдозріджений стан, дослідження якого на сьогодні є назрілою проблемою.

Зв`язок з науковими програмами. Тема роботи пов`язана з "Державною програмою виробництва технологічних комплексів машин і устаткування для сільського господарства, харчової і переробної промисловості на 1998-2005рр." (п.3.1.12), затвердженою на засіданні Кабінету Міністрів України 09.02.1998 року, протокол №5 та з тематичним планом НДДКР Кіровоградського національного технічного університету на 2000-2005 роки.

Мета та задачі дослідження. На основі аналізу стану механізації процесу сепарації насіння за густиною сформульована наступна мета роботи: підвищення ефективності та продуктивності процесу сепарації насіння за густиною в стані псевдозрідженя, при зниженні енергоємності за рахунок використання пульсуючого потоку повітря.

Для досягнення вказаної мети необхідно розв'язати наступні задачі досліджень:

1. Визначити основні закономірності роботи пневмоімпульсної машини на основі математичного моделювання процесу сепарації.

2. Обґрунтувати раціональні параметри і режими процесу сепарації.

3. Встановити область раціональних значень конструктивних параметрів і режимів ефективної роботи пневмоімпульсної установки.

4. Провести виробничу перевірку, оцінити техніко-економічну ефективність і розробити рекомендації для промислового використання запропонованого сепаратора насіння.

Об'єктом дослідження є процес пневмоімпульсної сепарації насіння за густиною в стані псевдозрідженя.

Предмет дослідження - вплив параметрів машини на ефективність пневмоімпульсної сепарації насіння за густиною.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проведені з використанням методів теоретичної механіки, математичного аналізу, теорії імовірності і математичного моделювання. Результати експериментальних досліджень оброблено методами математичної статистики з використанням ПЕОМ.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

за допомогою розробленої детермінованої математичної моделі процесу з використанням прикладних програм для ПЕОМ описано кінематику руху частки в псевдозрідженому шарі насіння;

встановлено взаємозв'язок властивостей псевдозрідженого шару і окремої частки з конструктивними, кінематичними та аеродинамічними параметрами машини, при наявності факторів: випадкової дії сили лобового тиску; наявності пульсації повітряного потоку; ексцесу та асиметрії епюр тисків, відповідно, в поперечному та повздовжньому перетині пневматичного каналу; висот встановлення дільників шару;

на рівні новизни обґрунтовано граничні режими роботи пневмоімпульсної машини та верхню межу її продуктивності за умови досягнення максимального технологічного ефекту сепарації;

виявлені експериментальні закономірності впливу основних геометричних та кінематичних параметрів запропонованої пневмоімпульсної установки на технологічні показники її роботи.

Практичне значення одержаних результатів. На основі результатів досліджень створено пневмоімпульсну машину, яка забезпечує сепарацію насіння за густиною під впливом пульсуючого потоку повітря, що призводить до псевдозрідженя шару зерна і розділення його на три фракції (з низьким, середнім та великим значенням густини насіння). Розроблено технічну документацію і виготовлено експериментальний зразок пневмоімпульсної машини, який пройшов випробування у ТОВ “Кіровоградський комбікормовий завод”, на приватному сільськогосподарському підприємстві “Влад”, с.Могутнє Кіровоградської області.

Особистий внесок здобувача. У роботах, написаних у співавторстві, здобувачу належить: аналіз перспективних напрямків сепарації насіння за густиною; аналітичне визначення закономірності процесу сепарації на пневмоімпульсній машині, що пов`язує її основні параметри з якісними показниками роботи; експериментальні дослідження, обробка результатів за допомогою ПЕОМ, узагальнення і видача рекомендацій.

Апробація результатів досліджень. Результати проведених досліджень апробовано на 4-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки” (Кіровоградський державний технічний університет, 2003р.), на ІХ-ій науковій конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (2005р.), на Міжнародній науково-практичній конференції “Стан і перспективи розвитку переробної галузі АПК” (Таврійська державна агротехнічна академія, Мелітополь 2005р.), на науково-практичних конференціях викладачів Кіровоградського національного технічного університету (2002-2005р.р.).

Публікації. Результати досліджень викладені у 5 статтях, які опубліковано у збірниках наукових праць. Отримано патент України на винахід.

Структура та об'єм дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури та додатків. Роботу викладено на 175 сторінках, з них 150 сторінок основного тексту, на яких розміщено 15 таблиць, 48 ілюстрацій та 5 додатків. Список використаної літератури складається з 145 найменувань.

2. Основний зміст роботи

Вступ. В даному розділі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовані мета, дана загальна характеристика роботи, де приведені задачі досліджень та основні положення, що виносяться на захист.

В першому розділі “Аналітичний огляд результатів досліджень сепарації насіння за густиною” представлений аналіз конструктивних рішень і напрямків розвитку способів і механічних засобів для сепарації насіння за густиною.

Визначається вклад вчених В.П.Горячкіна, М.Н.Лєтошнєва, Н.А.Майсуряна, В.П.Бутко, які довели, що густина є одним з пріоритетних показників за яким доцільно проводити сепарацію.

Процес вібраційної сепарації представлено в працях В.П.Горячкіна, А.І.Берга, М.Н.Лєтошнєва, І.І.Блєхмана, Є.С.Гончарова, П.М.Заїки. Також вирішенню питань сепарації зернових сумішей присвячено роботи М.Є.Авдєєва, І.Ф.Василенка, М.І.Волошина, І.Є.Кожуховського, Б.І.Котова, Ю.О.Манчинського, М.Г.Гладкова, М.В.Кирєєва, М.М.Петренка, Р.А.Кіма, Є.А.Нєпомнящєго, В.Я.Коваля, Л.М.Тищенка, К.І.Шмата, П.А.Шабанова, Г.Є.Листопада, І.М.Лаврова, А.І.Лєйкіна, М.І.Васильковського, Г.Д.Терского, В.П.Єрмака, В.В.Бредихіна та ін. Процес псевдозрідження шару насіння представлено в наукових працях вчених Л.Макса, С.С.Забродского, П.В.Блохіна, О.М.Тодеса, В.А.Рєзчікова та ін. Рух часток в пульсуючому повітряному потоці під час очищення матеріалу від домішок представлено в працях А.І.Нелюбова та Є.Ф.Вєтрова. Отримані результати експериментальних та теоретичних досліджень мають велике значення при вивченні і дослідженні процесу сепарації насіння за густиною.

Аналіз конструкцій машин для сепарації за густиною показав, що найбільш пріоритетним напрямком щодо покращення якісних показників роботи є розділення в стані псевдозрідженя шару насіння з використанням пульсуючого потоку повітря. Таким чином постає необхідність в проведенні досліджень для визначення технологічних параметрів для ефективного розділення насіння по густині.

На основі проведеного аналітичного огляду сформовані задачі дослідження.

В другому розділі “Теоретичні дослідження пневмоімпульсної сепарації насіння за густиною” проведені наступні дослідження стосовно визначення: частоти пульсації повітряного потоку; опору пульсатора; швидкості фільтрації в залежності від фізико-механічних властивостей шару насіння і параметрів машини; розроблено детерміновану математичну модель руху часток під час процесу сепарації; розглянуто пневмоімпульсну сепарацію насіння за густиною, як випадковий марківський процес і розроблено відповідну стохастичну математичну модель.

Частота пульсації повітряного потоку є одним з основних параметрів, що істотно впливає на якісні показники роботи сепаратора. Для аналітичного дослідження її впливу зроблені наступні допущення:

- швидкість фільтрації представляємо як хвилю, що змінюється в часі, за аналогією з дослідженнями М.А.Лаврентьєва згідно рівняння

- для запобігання виникнення сплесків повітря по робочій довжині каналу L приймається умова L=л, де - довжина хвилі.

Виходячи з прийнятих допущень при нескладних алгебраїчних перетвореннях отримано аналітичну формулу для визначення частоти пульсації повітряного потоку в пневматичному каналі в залежності від його довжини L, густини зерна і середовища с:

, (1)

де ф -швидкість фільтрації; z - кількість лопатей пульсатора (z=1-3).

Пульсація потоку формується спеціальним пульсатором, що під час роботи створює опір, який дорівнює тиску повітря в каналі, що приходиться на площу заслінки Sп.

Опір пульсатора в горизонтальному положенні не рівний нулю, бо заслінка має свою товщину і форму, а тому чинить опір (коефіцієнт о опору пульсатора в горизонтальному положенні за Ідєльчиком І.Є). Загальний опір пульсатора можна визначити згідно формули

, (2)

де Р2, Р3 - відповідно опір шару насіння та перегородки, кПа;

k - коефіцієнт пропорційності

.

Формула (2) після підстановки значення коефіцієнта k описує зміну опору пульсатора за часом, а також в подальшому дає можливість визначити швидкість фільтрації, яка впливає на рух часток в каналі під час сепарації.

Для уточнення значення швидкості фільтрації в залежності від параметрів машини (тиск в каналі, частота пульсації, параметри пульсатора) отримано формулу:

, (3)

де kт - коефіцієнт тертя повітря в каналі; Рв - тиск в каналі, кПа;

- порозність шару.

З отриманої формули (3) видно, що на процес псевдозрідженя шару суттєво впливають такі параметри, як ширина та довжина каналу, розміри пульсатора, частота пульсації повітряного потоку, тиск в каналі та опори (шару насіння, пульсатора та перегородки).

Дослідження пневмоімпульсної сепарації насіння за густиною проводилось моделюванням руху сипучого тіла (шару насіння, що піддається псевдозрідженю на поверхні пористої перегородки). В основу розробленої детермінованої математичної моделі покладена модель сипучого тіла Л.В.Гячєва та В.А.Богомягкіх, що доповнена повітряним потоком, який пульсує в площині, перпендикулярній до поверхні перегородки пневматичного каналу.

Вивчаючи рух часток під час сепарації вирішена наступна задача. Частка 3 має найбільше значення густини (3) і є “ведучою”, а частки 1, 2, 4 та 5 є проміжним шаром. Під час переміщення псевдозрідженого сипкого матеріалу по поверхні пористої перегородки, яку пронизує пульсуючий потік повітря, частки проміжного шару “вклинюються” між “ведучим” та “веденим” шарами і розсовують їх

- нормального тиску ;

- тангенціальна ,

де V` - об'єм частки, м3; k - коефіцієнт опору;

fm - міделевий перетин частки, м2.

- взаємодії між частками (сили реакцій):

Рівняння рівноваги частки 3 під дією прикладених до неї сил:

(4)

Підставивши значення сил (реакцій) та зробивши необхідні математичні перетворення, отримаємо прискорення по осях:

. (5)

Складові початкової швидкості руху частки в пульсуючому потоці повітря визначаються за формулами:

,

де - початкова швидкість руху в пульсуючому середовищі, згідно досліджень А.І.Нєлюбова та Є.Ф.Вєтрова.

Тоді підставивши значення прискорень та початкової швидкості отримаємо рівняння руху частки:

(6)

Після підстановки значень параметрів у вищенаведені формули та обробки їх на ПЕОМ, були теоретично отримані графіки руху частки. Залежності (6) дозволяють визначити шлях L який проходить частка за певний проміжок часу та найбільшу допустиму висоту шару h насіння в залежності від його параметрів (значення густини часток) та технологічних параметрів (тиск в каналі, частота пульсації).

Для визначення технологічного ефекту сепарації (ТЕС) розроблено стохастичну математичну модель, де пневмоімпульсну сепарацію розглянуто як випадковий марківський процес. Місцезнаходження частки в шарі визначається координатою z(t). В умовах стиснутого руху частки в псевдозрідженному шарі, який пронизує пульсуючий потік повітря, випадкова дія сили Р0(t) обумовлена взаємодією між собою часток з випадково змінними властивостями при хаотичній структурі шару, а також зіткненням їх у випадкові моменти часу:

.

Випадковість дії сили Ро(t) обумовлена її залежністю від частоти пульсації повітряного потоку п та міделевого перетину частки fm, яка в процесі руху може обертатися в невідомому напрямку у просторі з невідомою кутовою швидкістю. Таким чином положення частки в довільний момент часу має випадкове значення. Зміна часткою координати z(t) під дією сил може розглядатися як випадковий марківський процес.

Тоді розвиваючи рівняння Є.А.Нєпомнящего, з урахуванням сили Р0(t) рівняння руху частки ожна записати в такому вигляді:

, (7)

де m1, mс - ефективна та приєднана маса частки, кг;

зеф - коефіцієнт ефективної в'язкості, кг/с;

Vz - швидкість опускання частки, м/с.

Можна також визначити відносну кількість часток (Е), яка знаходиться в даній області, по відношенню до їх кількості в початковому матеріалі.

Під час переходу до одномірної щільності розподілу ймовірності р(t, z), з метою спрощення методів розрахунків кінетики сепарації за густиною, вплив інерційності частки на процес перемішування та сепарації внаслідок її малості не враховано.

При пневмоімпульсній сепарації часток які відрізняються за густиною та вільному виносі часток крізь верхню межу шару, методом власних функцій, після відповідних перетворень отримали аналітичну формулу (8) для визначення ефективності сепарації по одній фракції (для часток певної густини):

. (8)

Отримана формула (8) є приближеною тому, що не враховує вплив заслінки для зміни епюр тисків у повздовжньому перерізі каналу. При піднятті першої або другої заслінки буде змінюватися епюра тисків в повздовжньому перерізі каналу. Величиною, що характеризуватиме зміну епюри тиску повітряного потоку, обрано коефіцієнт асиметрії Sk. Коли піднята перша заслінка, коефіцієнт асиметрії буде мати значення Sk>1, а при піднятій другій - Sk<1. Якщо обидві заслінки опущено, то коефіцієнт асиметрії матиме значення Sk=1. При значенні Sk>1 епюра буде зміщена ближче до початку каналу (бункера), при Sk<1 епюра буде зміщена до краю каналу (до блоку дільників). Очевидно, що при значенні Sk>1 відбудеться інтенсифікації процесу сепарації на початку каналу, з метою зменшення довжини каналу, а відповідно зниження витрат повітря.

Вигляд епюри тиску у поперечному перерізі каналу має суттєве значення. Введено наступні припущення: тиск в поперечних перерізах каналу розподіляється по нормальному закону; коефіцієнт асиметрії рівний Sk=1. Ці припущення ґрунтуються на тому, що перепад тиску в поперечному перерізі каналу повинен бути як можна меншим, інакше, процес сепарації насіння за густиною перейде у змішування. Величиною, що буде характеризувати перепад тиску обрано ексцес Ех. При значенні Ех>0 відбувається процес перемішування, який може негативно вплинути на технологічний ефект сепарації та продуктивність. Найбільш сприятливі умови виникають при значенні ексцесу Ех=0.

Класифікований в каналі шар насіння розділяється на три фракції. Висота встановлення дільників hд прямопропорційна кількості насіння з певним діапазоном густин (легкі, середні та важкі) в матеріалі і може бути визначена за формулою:

, (9)

де h0 - початкова висота шару насіння в пневматичному каналі, м;

зj - кількість насінин (j-ої фракції), %;

kд - коефіцієнт встановлення дільників, який враховує розширення шару під час пневмоімпульсної сепарації насіння за густиною.

Відповідно, технологічний ефект сепарації (ТЕС) може характеризуватися сумою ефективності сепарації по фракціях, де для уточнення введено додаткові коефіцієнти, які враховують умови сепарації:

, (10)

де k1 - коефіцієнт, який враховує вплив коефіцієнта асиметрії епюр тиску повітряного потоку в повздовжньому перерізі каналу Sk;

k2 - коефіцієнт, який враховує вплив ексцесу епюр тиску повітряного потоку в поперечному перерізі каналу Ех;

k3 - коефіцієнт, який враховує вплив коефіцієнта встановлення дільників kд.

Теоретично визначити продуктивність можна за формулою:

. (11)

Побудована стохастична математична модель процесу пневмоімпульсної сепарації насіння за густиною потребувала подальшого експериментального підтвердження з визначенням та уточненням основних конструктивних та режимних параметрів.

В третьому розділі “Програма і методика експериментальних досліджень параметрів та режимів роботи пневмоімпульсної машини”, описано експериментальну установку, застосовану апаратуру, устаткування та обладнання, що використовувались при виконанні дослідів, а також програму і методику досліджень.

Параметрами оптимізації вибрано наступні: продуктивність машини Q, кг/год (Y1=Q) та технологічний ефект сепарації (ТЕС), % (Y2=ТЕС). Для дослідження впливу окремих факторів на цільові функції та знаходження оптимальних значень факторів було виготовлено експериментальну установку

Для зменшення впливу вібрації від приводу вентилятора на результат установку розділено на дві частини: робочу та нагнітальну з встановленням кожної на окремі рами. Нагнітальна частина має раму на яку встановлено вентилятор з приводом та блоком керування 1. Вентилятор сполучається з пневматичним каналом 2 через кожух. Робоча частина складається з рами 3 на яку встановлено пневматичний канал 2 та регулятори 8 кута нахилу повітряного каналу (4 шт.). Пневматичний канал має: пористу перегородку 4; пульсатор 5 з приводом та лопаттю яка має змінну довжину; бункер 6; сітку для виходу повітря 7; регульовані заслінки 9 (2 шт.); блок дільників 10 з регулятором висоти встановлення дільників 12; регулятор висоти шару насіння в каналі 11. Привід вентилятора здійснюється за допомогою електродвигуна типу А0ЛБ-22-2 ГОСТ 183-66 (nmax=2840 об/хв, потужністю 2,2 кВт) через клинопасову передачу. Пульсатор приводиться в дію через блок живлення ВУ-71 ТУ108-80 за допомогою електродвигуна в зборі з черв'ячним редуктором. В каналі 2 під і за пористою перегородкою 4 встановлено прилади для визначення повного та статичного тисків.

Процес сепарації відбувається таким чином: насіння надходить у канал 2 через бункер 6. Товщина шару насіння визначається регулятором 11. Вентилятор 1 нагнітає повітря у канал 2 через пористу перегородку 4. Пульсатор 5 створює змінний потік повітря, який, проходячи через перегородку 4 пронизує шар насіння. Відбувається сепарація в псевдозрідженому шарі насіння за густиною, тобто важкі насінини (з найбільшим значенням густини) опускаються на дно перегородки 4, легкі піднімаються вгору, а середні займають місце між важкими та легкими. Далі класифікований за густиною шар насіння рухається до блоку дільників 10. Повітря виходить через сітку 7, яка сполучається з системою вентиляції або з циклоном. Для інтенсифікації процесу сепарації машина має пульсатор 5, що обертається з меншою кутовою швидкістю, ніж вентилятор, і призначений для зміни швидкості фільтрації ф в межах, які не дозволяють перейти псевдозрідженому станові в киплячий - при якому неможлива сепарація, бо це є режим пневмотранспорту, тобто створює пульсуючий потік повітря.

Для визначення аеродинамічного опору шару насіння користувалися методикою П.В.Блохіна. Продуктивність машини визначали за загальною методикою. Для визначення технологічного ефекту сепарації була розроблена методика, яка базувалася на визначенні густини обробленого матеріалу. Схожість та енергію проростання матеріалу визначали за методом М.К.Фірсової, вологість - за ГОСТ 12041-82, життєздатність - за В.І.Івановим, силу росту та густину - за Н.А.Майсуряном.

В четвертому розділі “Експериментальні дослідження впливу параметрів пневмоімпульсної машини на показники роботи” подано результати та статистичний аналіз експериментальних даних.

Під час проектування експериментальної установки було закладено можливість регулювання кожного параметру, тобто кожен чинник має п'ять фіксованих значень, які було отримані з теоретичних досліджень. На параметри оптимізації впливають дев'ять чинників. Якщо створити матрицю повнофакторного експерименту (ПФЕ), то кількість дослідів буде складати 59=1953125. При п'ятикратній повторюваності буде перевищувати 9 мільйонів. З метою спрощення проведено три серії дослідів з використанням дробових реплік від ПФЕ виду 29+зіркові точки. Метою першої серії дослідів була реалізація матриці центрального композиційного плану 23+зіркові точки, яка дозволила шляхом проведення експериментальних досліджень визначити раціональні параметри (тиск в каналі х1(Рв), частоту пульсації повітря х2(п) та початкову висоту шару насіння х3(h0)) при яких відбувається процес сепарації. Значення всіх інших чинників брали на нульовому рівні. Параметрами оптимізації всіх серій дослідів прийняті технологічний ефект сепарації (ТЕС) та продуктивність (Q). Поверхні відгуку та контурний графік для ТЕС показують, що найкращий ефект досягається при наступних значеннях чинників: х1(Рв)=(1,2-1,4) кПа, х2(п)=(8,37-12,56) с-1, х3(h0)=(0,08-0,12) м. А це означає, що отримані значення цих параметрів з теоретичних досліджень які знаходяться на верхівці гіперплощини є найбільш сприятливими для протікання процесу. Поверхня відгуку та контурний графік для Q показують, що при збільшенні значення тиску вентилятора (х1), частоти пульсації повітряного потоку (х2) зростає продуктивність але відбувається перехід з процесу псевдозрідженя без кипіння в зону пневмотранспорту, що дуже негативно вплине на ТЕС, тому і форма гіперповерхні наближається до площини і вказує на прямопропорційну залежність продуктивності від чинників.

В результаті аналізу реплік побудовані нелінійні статистичні моделі для ненатурального значення факторів:

Q = 1,6 + 0,137x1 + 0,107x2 + 0,161x3,

TEC = 92,47 + 5,66412x1 + 2,4989x2 + 4,93x3 - 7,952x12 - 0,025x1x3 -4,063x22 - 8,589x32

Мета другої серії досліджень - отримання найбільшого значення продуктивності шляхом збільшення робочої довжини каналу при збереженні значення технологічного ефекту сепарації. Так як раціональні значення х1-х3 вже визначені, і їх зміна призведе до переходу процесу псевдозрідженя в режим пнемотранспорту, то визначали оптимальну довжину каналу. Для проведення експерименту складена матриця 24+зіркові точки і побудовані наступні нелінійні статистичні моделі для ненатурального значення факторів:

Q=1,9 + 0,05x1 + 0,05x2 + 0,05x3 + 0,0084x4 - 0,0312x12 - 0,031222 - 0,0312x32 - - 0,0937x42,

TEC= 94 + 1,916x1 + 0,25x2 + 0,25x3 + 1,416x4 -3,604x12 - 0,125x1x4 - 1,979x22 - - 0,125x2x3 - 1,729x32 - 3,604x42.

Графіки поверхонь відгуку та ліній рівного виходу показують, що оптимальне значення робочої довжини каналу лежить в межах L=0,55-0,75 м, в наступній серії досліджень значення зафіксовано на рівні L=0,6 м.

Мета третьої серії досліджень - вивчення впливу всіх параметрів машини на якісні показники роботи. Попередніми серіями дослідів визначено діапазон раціональних значеннь тиску (Рв), частоти пульсації (щп), висоти шару насіння (h0) та робочої довжини каналу (L).

Складено матрицю центрального композиційного плану 28-2+зіркові точки і побудовані нелінійні статистичні моделі (для ТЕС та Q) для ненатурального значення факторів.

TEC= 94,0 + 0,075x1 - 0,095x2 + 0,1543x3 + 0,0043x4 - 0,175x5 + 0,1854x6+ 0,075x7+ 0,156x8 - 0,4093x12 -0,2187x1x2 - 0,1562x1x3 - 0,21875x1x4 + 0,03125x1x5 -0,0625x1x6 -- 0,593x1x7 - 0,625x1x8 - 0,409x22 -0,156x2x3 - 0,218x2x4 + 0,0312x2x5 - 0,0625x2x6 +0,0312x2x7 - 0,4094x32 + 0,0937x3x4 + 0,0312x3x5 - 0,0625x3x6 - 0,2812x3x7 - 0,0625x3x8 -0,409x42 + 0,0312x4x5 - 0,0625x4x6 - 0,3437x4x7 + 0,125x4x8 - 0,659x52 + 0,0625x5x6 +0,0312x5x7 - 0,0625x5x8 - 0,3468x62 - 0,0625x6x7 + 0,0312x6x8 - 0,409x72 - 0,5968x82

Q= 1,85 - 0,0235x1 - 0,0135x2 + 0,006x3 + 0,0165x4+ 0,014x5 0,0164x6 -0,0135x7 -0,006x8 -0,0012x12 - 0,025x1x2 + 0,0125x1x4 -0,0031x1x5 + 0,025x1x7 + 0,0218x1x8-0,001x22 -0,012x2x3 - 0,0031x2x5 - 0,012x2x7 - 0,0031x2x8 - 0,0012x32 - 0,0031x3x5 +0,012x3x7 -0,0031x3x8 - 0,0012x42 - 0,0031x4x5 -0,0031x4x8 - 0,0012x52 - 0,0031x5x6 - 0,0031x5x7 -0,0012x62 - 0,0031x6x8 -0,0012x72 - - 0,0031x7x8 - 0,0012x82

Статистична оцінка отриманих результатів дозволила зробити наступні висновки щодо рівноточності та адекватності отриманих моделей для рівня надійності Рн=0,95 наведена у табл. 1.

Таблиця 1 Статистична оцінка нелінійних моделей

Репліка	Параметр оптимізації	Критерій Кохрена	Критерій Фішера
		розрахункове	табличне	розрахункове	табличне
		GP	GT	FP	FT
23+зіркові точки	Q	0,068	0,242	0,066	3,0
	ТЕС	0,235		0,066
24+зіркові точки	Q	0,068	0,192	0,297	2,8
	ТЕС	0,108		0,04
28-2+зіркові точки	Q	0,0399	0,042	0,008	2,5
	ТЕС	0,036		0,068

Висновки

З аналізу проведених серії дослідів зроблено наступні висновки:

1. Збільшення тиску в пневматичному каналі Рв призводить до підвищення продуктивності (Q) та до зменшення значення технологічного ефекту сепарації (ТЕС), оптимальне значення Рв=1,3 кПа.

2. Експериментально встановлено раціональне коефіцієнта встановлення дільників kд=1,2. Зменшення значення коефіцієнту призводить до появи часток з вищим значенням густини в наступній фракції, а також до втрат насіння по фракціях. Збільшення коефіцієнту призводить до забору дільниками насінин верхніх шарів, що теж негативно впливає на якість сепарації.

3. Довжина заслінки пульсатора Dп істотно впливає як на продуктивність (Q), так і на технологічний ефект сепарації (TEC) наступним чином: зменшення призводить до збільшення Q і погіршення ТЕС. Експериментально отримали підтвердження обраного шляху щодо використання пульсуючого повітряного потоку з повним перекриттям пульсатором повітряного каналу, що призводить до покращення показника ТЕС до 90-93%.

4. Частота пульсації повітряного потоку п істотно впливає на ТЕС, отримані раціональні значення лежать в межах 8,37-12,57 c-1. Зменшення або вихід за встановлені межі призводить до зниження ТЕС, що пояснюється збільшенням часу дії на часток сили лобового тиску повітряного потоку.

5. Встановлено раціональний кут нахилу пневматичного каналу до горизонту =20, що дозволяє поєднати найкращі значення продуктивності (Q) та технологічного ефекту сепарації (TEC). При куті 00??20 процес псевдозрідженя відбувається без сплесків та фонтанів, що позитивно впливає на Q та значення TEC. Збільшення значення кута призводить до збільшення горизонтальної швидкості руху часток в повітряному каналі та виникнення фонтанів біля блоку дільників, що призводить до перемішування часток і зниження значення TEC (на 23-35 %) при значному збільшенні Q (до 2,2 кг/с).

6. Початкова висота шару насіння h0 при даних значеннях конструктивних та режимних параметрів складає h0=0,1-0,12 м. Зменшення висоти сприяє зменшенню опору шару насіння, що призводить до його кипіння, а збільшення - до відсутності процесу псевдозрідженя.

7. Довжина сітки для виходу повітря Lс впливає на режим процесу псевдозрідженя. При повному перекритті сепаратор працює в режимі пневмотранспорту, спостерігається підвищення продуктивності Q до 2,4 кг/с і зменшення технологічного ефекту сепарації ТЕС до 62%. Для найкращого поєднання показників якості сепарації експериментально встановлено залежність: Lс=0,5L. Перекриття частини каналу слід робити перед блоком дільників, щоб збільшити швидкість проходження матеріалу.

8. Коефіцієнт асиметрії Sk показує зміну епюри тисків по довжині каналу в залежності від того, яка з двох заслінок піднята. Якщо Sk=0 - підвищується продуктивність (Q), а технологічний ефект сепарації (TEC) падає. При Sk<0 -створюються найбільш сприятливі умови для сепарації, а при Sk>0 - перемішування матеріалу в зоні перед блоком дільників.

9. Ексцес епюри тиску в поперечних перерізах каналу повинен завжди бути Ех<0 інакше процес сепарації переходить у процес змішування.

В п'ятому розділі “Практичні рекомендації та експлуатаційні випробування пневмоімпульсної машини” наведено методику щодо визначення параметрів машини з урахуванням отриманих експериментальних значень у вигляді номограм

На основі запропонованої методики була розроблена і виготовлена експериментальна пневмоімпульсна машина, випробовування якої проводились на ТОВ “Кіровоградський комбікормовий завод” та у приватному сільгосппідприємстві “Влад” (с. Могутнє, Кіровоградської області), під час яких, встановлено, що технологічний ефект сепарації становить 94% при продуктивності 1,9 кг/с.

Розрахований економічний ефект від використання запропонованого сепаратора складає 11 тисяч 149 грн. станом 1.06.2004 року.

На основі аналізу результатів проведених досліджень, способів і конструкцій машин для сепарації насіння за густиною встановлено, що існуючі методи і технічні засоби не забезпечують зростаючих вимог що до підвищення таких якісних показників роботи як продуктивність та технологічний ефект сепарації з одночасним зниженням металоємності та енергоємності обладнання. Інтенсифікація процесу сепарації насіння за густиною в стані псевдозрідженя шляхом використання пульсуючого потоку повітря є одним з перспективних напрямків.

Детермінована математична модель руху важкої частки в псевдозрідженому шарі, який пронизує пульсуючий потік повітря, дозволяє врахувати взаємозв'язок властивостей матеріалу (опір та порозность шару, швидкість фільтрації повітря) та окремої частки (густина) з параметрами машини (поперечний перетин, тиск повітря в каналі, опір пульсатора та перегородки) і теоретично визначити час опускання цієї частки (t=5-6 c), а також наступні параметри: довжину каналу (L=0,5-1,2 м); частоту пульсації повітряного потоку (щп=8,37-15,56 с-1) та максимально допустиму висоту шару насіння (h0=0,08-0,12 м).

Для визначення опору пульсатора, швидкості фільтрації та частоти пульсації повітряного потоку отримано аналітичні формули, які враховують взаємозв'язок між параметрами псевдозрідженого шару (критична швидкість псевдозрідження, порозність та початкова висота шару, густина найважчих часток) насіння та пневмоімпульсної машини (висота, ширина, довжина каналу; розміри пульсатора).

Стохастичну математичну модель процесу пневмоімпульсної сепарації насіння за густиною представлено як випадковий марківський процес. Встановлено взаємозв'язок властивостей псевдозрідженого шару і окремої частки з конструктивними, кінематичними та аеродинамічними параметрами пневмоімпульсної машини, а також раніше не враховані фактори: випадковість дії сили лобового тиску; наявність пульсації повітряного потоку; ексцесу та асиметрії епюр тисків, відповідно, в поперечному та повздовжньому перетині каналу; висоти встановлення дільників шару. Встановлено значний вплив наступних параметрів: тиску повітря в каналі Рв; початкової висоти шару насіння h0; частоти пульсації повітряного потоку щп; довжини каналу L; кута нахилу каналу б; коефіцієнта встановлення дільників kд; коефіцієнта асиметрії епюр тиску в повздовжньому перетині каналу Sk. Теоретично встановлено, що значення технологічного ефекту сепарації становитиме (89-100%) в залежності від значень конструктивних (L=0,5-1,2 м; kд=0,8-1,2; h0=0,08-0,12 м; б=0-30), кінематичних (щп=8,37-15,56 с-1) та аеродинамічних (Рв=1,2-1,5 кПа) параметрів пневмоімпульсної машини.

Експериментально встановлено область раціональних значень параметрів пневмоімпульсної машини, при яких спостерігається підвищення якісних показників роботи (технологічний ефект сепарації до значення ТЕС=89-94% та продуктивності - до Q=1,6-1,9 кг/с): тиск повітряного потоку в каналі Рв=(1,3-1,4) кПа; частота пульсації повітряного потоку п=(10,47-12,56) с-1; довжина каналу L=0,6 м; довжина сітки для виходу повітря Lc=0,5•L=0,3 м; коефіцієнт встановлення дільників kд=1,2; початкова висота шару насіння h0=(0,1-0,12) м; кут нахилу каналу б=20; довжина лопаті пульсатора Dп=0,145 м.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень розроблено методику розрахунку пневмоімпульсної машини з рекомендаціями, які подано у вигляді таблиці та номограм, щодо вибору параметрів з позиції досягнення найвищих значень якісних показників роботи (технологічного ефекту сепарації та продуктивності).

За результатами виробничих випробовувань дослідного зразка пневмоімпульсної машини встановлено, що найвищі якісні показники роботи (технологічний ефект сепарації ТЕС=94% та продуктивність Q=1,9 кг/с) забезпечуються при зниженні питомої металоємності на 65,7 кг•год/т (85%), питомої енергоємності процесу сепарації на 1,8 кВт•год/т (74,7%). При цьому питома продуктивність в два рази більша за продуктивність пневматичного сортувального столу ПСС-2,5, а ТЕС - зростає на 12%.

8. Посівні властивості обробленого матеріалу показали підвищення показників по всім параметрам в середньому на 5-7% і підтвердили твердження про доцільність сепарації насіння за таким показником як густина.

9. Очікуваний річний економічний ефект станом на 1.06.2004 р. складає: для споживача машини - 11 тисяч 149 грн.; для виробника - 4 тисячі 693 грн.

Перелік публікацій по темі дисертації

Петренко М.М., Богатирьов Д.В. Теоретичні дослідження пневмоімпульсної сепарації за густиною. // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник. Випуск 32. - Кіровоград: КДТУ, 2002. - С. 140-146.

Петренко М.М., Богатирьов Д.В. Пневмоімпульсна сепарація насіння за густиною як випадковий марківський процес. // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник. Випуск 33. - Кіровоград: КДТУ, 2003. - С. 286-291.

Петренко М.М., Богатирьов Д.В. Порядок визначення основних параметрів пневмоімпульсної машини для сепарації насіння за густиною // Збірник наукових праць КНТУ (техніка в сільськогосподарському машинобудуванні, галузеве машинобудування, автоматизація). Випуск 15. - Кіровоград: КНТУ, 2004. - С.323-328.

Петренко М.М., Богатирьов Д.В. Експериментальні дослідження пневмоімпульсної сепарації за густиною // Вісник ТДТУ Випуск 1. - Тернопіль: ТДТУ, 2005. - С. 23-34.

Богатирьов Д.В. Теоретичне визначення якісних показників роботи пневмоімпульсної машини для сепарації насіння за густиною // Збірник наукових праць КНТУ (техніка в сільськогосподарському машинобудуванні, галузеве машинобудування, автоматизація). Випуск 16. - Кіровоград: КНТУ, 2005. - С.35-41.

Пневмоімпульсна машина для сепарації насіння за густиною: Деклараційний патент 54270 А Україна, МПК 7 А01С1 / М.М.Петренко, Д.В.Богатирьов; Кіровоградський національний технічний університет. - №2002075688; Заяв. 10.07.2002; Опубл. 17.02.2003.

Рішення експертизи про видачу патенту України на винахід №2002075688 від 29.12.2004. Пневмоімпульсна машина для сепарації насіння за густиною / М.М.Петренко, Д.В.Богатирьов.

Анотація

Богатирьов Д.В. Обґрунтування параметрів пневмоімпульсної машини для сепарації насіння за густиною. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - Машини та засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Кіровоградський національний технічний університет, Кіровоград, 2005.

Дисертація присвячена проблемі пневмоімпульсної сепарації насіння за густиною. Проведено аналітичні дослідження і отримано детерміновану математичну модель руху частки під час пневмоімпульсної сепарації та формули для визначення опору пульсатора, частоти пульсації, висоти встановлення дільників, а також швидкості фільтрації. Отримано стохастичну математичну модель процесу, де сепарація насіння за густиною представлена як випадковий марківський процес, що дозволило отримати аналітичну формулу для теоретичного визначення технологічного ефекту сепарації машини в залежності від її конструктивних, кінематичних та аеродинамічних параметрів. Експериментальні дослідження підтвердили доцільність використання пульсатора шляхом встановлення його в пневматичний канал і замінити коливальний рух деки на пульсуючий потік повітря.

Викладено методику та порядок проведення досліджень.

Ключові слова: пневмоімпульсна машина, густина, насіння, псевдозріджений стан, пульсуючий потік повітря, пульсатор.

Summary

Bogatyryov D.V. Determination of parameters of pneumatic-impulsive machine for seed separation according to density. - Manuscript.

The thesis is submitted in fulfillment of the requirements for the Degree of candidate of engineering science specialty 05.05.11 - “Machines and means of mechanization for Agricultural Production”. Kirovohrad's National Technical University, Kirovohrad, 2005.

The thesis is developed the problem to pneumatic-impulsive separation according to density. Analytical researches are conducted and the determined mathematical model of motion of particle is got during pneumatic-impulsive separation and formula for determination of resistance of pulsator, frequency of pulsation, height of establishment of divizors, and also speed of filtration. The stochastic mathematical model of process is got, where separation of seed after a closeness is represented as casual Marks process. That allowed to get an analytical formula for theoretical determination of technological effect of separation of machine depending on its structural, kinematics and aerodynamic parameters. Experimental researches confirmed expedience of the use of pulsator by setting of him in a pneumatic channel for replacement of swaying motion of sounding board on a pulsating blast.

A method and order of conducting of researches is expounded.

Key words: pneumatic-impulsive machine, density, seed, the state of fluidization, puls blast, pulsator.

Аннотация

Богатырёв Д.В. Определение параметров пневмоимпульсной машины для сепарации семян по плотности. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Кировоградский национальный технический университет, Кировоград, 2005.

Диссертация посвящена проблеме пневмоимпульсной сепарации семян за плотностью. Учеными и практиками доказано, что плотность является одним из приоритетных показателей по которому целесообразно проводить сепарацию семян сельскохозяйственных культур. Исходя, из анализа существующих технических решений оборудования для сепарации семян сельскохозяйственных культур предложена принципиально новая схема пневмоимпульсной машины, в которой колебание деки заменено пульсацией воздушного потока, что позволило повысить значение качественных показателей работы.

В работе проведены аналитические исследования и получено детерминированную математическую модель движения частицы во время пневмоимпульсной сепарации. Получено формулы для определения сопротивления пульсатора, частоты пульсации, высоты установления делителей, а также скорости фильтрации во зависимости от параметров процесса и сепаратора.

Во время теоретических исследований получено стохастическую математическую модель процесса, где сепарация семян за плотностью представлена как случайный Марковский процесс, что позволило получить аналитическую формулу для теоретического определения технологического эффекта сепарации машины в зависимости от ее конструктивных, кинематических и аэродинамических параметров. Для уточнения, в формулы для определения качественных показателей работы (технологический эффект сепарации и продуктивность) введены коэффициенты, которые учитывают влияние параметров процесса и сепаратора.

Изложена методика и порядок проведения исследований.

Экспериментальные исследования подтвердили целесообразность использования пульсатора путём установки его в пневматический канал для замены колебательного движение деки на пульсирующий поток воздуха. Проведенный анализ посевных качеств обработанного на сепараторе зернового материала по всем параметрам подтвердил целесообразность сепарации семян сельскохозяйственных культур по плотности.

На основе экспериментальных исследований получены номограммы и таблицы значений поправочных коэффициентов, а также разработана методика для расчёта основных параметров сепаратора.

Ключевые слова: пневмоимпульсная машина, плотность, семена, псевдоожиженное состояние, пульсирующий поток воздуха, пульсатор.

Размещено на Allbest.ru

...