Проектирование и исследование бункеров-дозаторов с оптимальными конструктивно-технологическими параметрами с учетом информационной оценки неоднородности физико-механических свойств семян хвойных пород

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность проблемы. Леса России являются экологическим каркасом биосферы, они составляют более 20 % мировых лесных ресурсов и занимают 69 % суши Российской Федерации. В настоящее время значительные площади лесов вырубаются и уничтожаются пожарами. Поэтому обеспечение воспроизводства лесов России - не только национальная, но и глобальная проблема, жизненно важная для всего человечества.

Для высококачественного и своевременного выращивания посадочного материала на больших площадях и воспроизводства лесонасаждений в лесной промышленности необходимо широкое применение средств механизации и автоматизации всех технологических процессов, важнейшим из которых является подготовка семенного материала к посеву.

Получение высококондиционного посевного материала для основных лесообразующих пород (сосны, ели, лиственницы) требует обескрыливания, предварительной очистки, пневмосортирования, вторичной очистки и сортирования семян по размерам. Последние технологические операции являются наиболее важными и заключительными стадиями процесса обработки семян. Существующие машины не в полной мере обеспечивают требуемые качественные показатели этих операций. В последние годы начали разрабатываться решетные и безрешетные сепараторы для вторичной очистки и сортирования семян хвойных пород. Однако они недостаточно эффективны из-за того, что используемые питатели бункерных устройств не обеспечивают равномерную и дозированную подачу семенного материала из бункера на рабочий орган машины. До настоящего времени в лесной промышленности для воспроизводства вырубок лесов нет достаточно эффективного устройства для равномерной и дозированной подачи семенного материала на рабочий орган сортировальных устройств. Поэтому разработка бункера-дозатора с обоснованными конструктивно-технологическими параметрами для машин по вторичной очистке и сортированию семян является актуальной задачей лесной промышленности.

Как правило, при разработке систем механизации и автоматизации технологических процессов в лесной промышленности для воспроизводства лесов, являющееся одной из ее важнейших функций, не учитывается один из существенных показателей, характеризующих разнообразие физико-механических характеристик биологических объектов, в частности семян хвойных пород, при разработке бункеров-дозаторов с оптимальными конструктивно-технологическими параметрами. Класс этих объектов управления, имеющих различие, приводящее к увеличению разнообразия, образуют объекты с неоднородными характеристиками, а при разработке бункеров-дозаторов лишь косвенно и частично учитывается различие (неоднородность) семян хвойных пород как биологических объектов, что не в полной мере обеспечивает качество процесса управления и не позволяет разработать достаточно полное алгоритмическое обеспечение, повышает ошибку при планировании экспериментов для формирования оптимизационной задачи. При этом целевые функции должны формироваться для однородных объектов управления, что обеспечит оптимальное проектирование бункеров-дозаторов и повышение эффективности и качества их функционирования.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной программы Воронежской государственной лесотехнической академии «Совершенствование машин для лесовосстановления и рубок ухода в различных типах леса» и с основными научными направлениями Воронежского государственного технического университета «Проблемно-ориентированные системы управления» и «САПР и методы автоматизации производства».

Целью диссертационной работы является разработка методологических основ проектирования и исследования бункеров-дозаторов семян хвойных пород с оптимальными конструктивно-технологическими параметрами для повышения равномерности и обеспечения дозирования подачи семян.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач исследования:

- изучить состав семенного вороха, его компонентов и основные физико-механические свойства семян как исходные данные для обоснования конструкции и параметров бункера-дозатора;

- обосновать новую конструкцию и разработать экспериментальный образец бункера-дозатора для подачи семян на рабочий орган решетной установки;

- получить аналитические зависимости конструктивных и технологических параметров с компьютерной поддержкой для определения количества размещенных в заслонке прутков, зазора между прутками, объема и массы очищаемого материала, захватываемого щеткой за один оборот, количества подаваемого семенного материала бункером-дозатором в единицу времени;

- дать оценку неоднородности биологических объектов и предложить метод определения неоднородности семян хвойных пород для декомпозиции математического описания технологического процесса в бункере-дозаторе;

- получить математическое описание бункера-дозатора по производительности и коэффициенту вариации методом планирования эксперимента;

- сформировать оптимизационную модель технологического процесса дозирования семян;

- провести многофакторные экспериментальные исследования нового бункера-дозатора, на основе которых получить математические модели для обоснования оптимальных конструктивно-технологических параметров бункера-дозатора решетной установки;

- провести лабораторные исследования и испытания новой конструкции бункера-дозатора и дать технико-экономическое обоснование эффективности использования разработанной конструкции бункера-дозатора решетной установки.

Методы исследования. В ходе выполнения работы использовались основные положения теории системного анализа, методы математической статистики и теории вероятностей, методы математического моделирования, планирования эксперимента и оптимизации сложных объектов управления, методы оценки неоднородности объектов управления и методы декомпозиции и математического описания объектов с неоднородными характеристиками.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

- конструкция нового бункера-дозатора решетной установки, оригинальность которой защищена патентом, отличающаяся тем, что щеточный питатель отделен от семенной массы наклонным днищем, а в зоне выпускного отверстия предусмотрена регулировочная гребенчатая заслонка;

- аналитические зависимости конструктивных и технологических параметров, позволяющих оптимально определять количество размещенных в заслонке прутков, зазор между прутками, объем и массу очищаемого материала захватываемого щеткой за один проход и количество подаваемого семенного материала бункером-дозатором в единицу времени;

- комплекс методов определения неоднородности семян хвойных пород, позволяющих осуществлять декомпозицию математического описания технологического процесса в бункере-дозаторе для формирования оптимизационной модели с использованием обобщенного показателя неоднородности;

- методика экспериментального исследования бункера-дозатора с щеточным питателем, позволяющая определить физико-механические свойства семян хвойных пород и конструктивно-технологические параметры бункера-дозатора для оценки неоднородности для математического описания и формирования оптимизационной задачи;

- математические модели для определения оптимальных параметров технологического процесса подачи семян на рабочий орган устройства предложенным дозирующим устройством и установления оптимальных конструктивно-технологических параметров бункера-дозатора, обеспечивающих равномерную и дозированную подачу семян на верхнее решето установки;

- оптимизационная модель технологического процесса равномерной и дозированной подачи семян и по коэффициенту вариации, учитывающая ограничения задаваемой производительности бункера-дозатора и неоднородность семян хвойных пород;

- оптимальные конструктивные параметры и технологические режимы работы нового бункера-дозатора, обеспечивающие равномерную и дозированную подачу семенного материала на верхнее решето установки, достоверность которых подтверждена хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных данных и положительными результатами лабораторных исследований и испытаний бункера-дозатора в производственных условиях.

Практическая значимость и реализация результатов исследования. В результате научных исследований разработана конструкция бункера-дозатора, оригинальность которой защищена патентом РФ № 2167725, позволяющая производить равномерную и дозированную подачу семенного материала на рабочий орган машины, определены оптимальные конструктивные параметры и технологические режимы работы дозирующего устройства. Разработаны практические рекомендации по использованию бункера-дозатора в машине для вторичной очистки и сортирования семян хвойных пород, позволяющие минимизировать потери ценного семенного материала. Материалы научных исследований переданы в ЦОКБ «Лесхозмаш», используются в учебном процессе ВГЛТА и в учебном процессе на кафедре проектирования механизмов и подъемно-тарнспортных машин ВГТУ. Разработанная конструкция решетной установки с новым бункером-дозатором прошла опытно-производственную проверку в Бобровском опытном лесокомбинате и Семилукском лесхозе Воронежского комитета природных ресурсов, показав хорошее качество работы, подтвержденное технико-экономическими оценками.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Химико-лесной комплекс - научное и кадровое обеспечение. Проблемы и решения» (Красноярск, 2000); межвузовской конференции «Интеграция» (Воронеж, 2000); научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития лесохозяйственного машиностроения» (Пушкино, 2000); Международной конференции «Новые технологии и устойчивое управление в лесах Северной Европы» (Петрозаводск, 2001); Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения В.Е. Печенкина (Йошкар-Ола, 2001); Международной научно-практической конференции (Минск, 2002); Всероссийской конференции «Лесной и химический комплексы, проблемы и решения» (Красноярск, 2003); Всероссийский научно-практической конференции с международным участием (Воронеж, 2004); межвузовской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы лесного комплекса» (Воронеж, 2005); Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 2005); Всероссийской конференции «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж, 2005-2007); заседаниях кафедры «Механизация лесного хозяйства и проектирование машин» ВГЛТА (1999-2002); на заседаниях кафедры «Проектирование механизмов и подъемно-транспортных машин» ВГТУ (2007); научно-тематическом семинаре ВГТУ «Проблемно-ориентированные системы управления» (2005-2007).

1. Анализ физико-механических свойств семян хвойных пород, существующих способов и устройств для равномерной и дозированной подачи семенного материала

А также рассматриваются вопросы оценки неоднородности применительно к процессу дозирования семян хвойных пород.

Из обзора и анализа литературных источников по физико-механическим свойствам семян хвойных пород и примесей установлено, что данные по этим исследованиям можно использовать при проектировании конструкции бункера-дозатора, однако при обосновании основных параметров проведения необходимых численных расчетов требуется знать состав исходного вороха и отдельные свойства семян.

Анализ существующих загрузочно-дозирующих конструкций для подачи семенного материала и устройств, осуществляющих данную операцию показал, что для этих целей используются ленточные, тарельчатые, вибрационные, барабанные, шнековые и другие питатели-дозаторы. Используемые питатели шлицевого, шлифтового, шнеково-щеточного и других типов показали невысокую эффективность, так как их основная задача состоит в отделении крылаток от семян в стадии подачи. Ранее проводимые исследования показали, что они неравномерно подают исходную смесь, травмируют семена при подаче (дробление, смятие и т.д.), забивают выгрузочные отверстия семенами. Эти дозаторы не пригодны по своим конструктивно-технологическим параметрам для равномерной и дозированной подачи семенного материала на рабочий орган устройств, осуществляющих сортирование семян по размерам. Общим недостатком загрузочно-дозирующих устройств является то, что питатель в них размещен в самом бункере и практически взаимодействует со всей семенной массой, что приводит к повреждению семян. Установлено также, что до настоящего времени не проведено исследований по бункерным и дозирующим устройствам для лесных семян, что затрудняет создание конструкции бункера-дозатора.

Исследованиям, связанным с обоснованием конструкций и параметров бункерно-дозирующих устройств, посвящены работы ряда ученых. Отмечается, что полученные ими аналитические зависимости пригодны для расчета параметров дозирующих устройств, имеющих большую производительность 4-20 т/ч. Сортировальные машины для лесных семян имеют небольшую проектную производительность, которая составляет 3-10 кг/ч (2-3 г/с), и поэтому расчетные зависимости, полученные ими для обоснования конструктивно-технологических параметров, непригодны.

Анализируя процесс истечения материалов из бункера, основной количественной характеристикой которого является объем и масса сыпучего материала, истекающего через выпускное отверстие бункера в единицу времени.

В устройствах и машинах для переработки семян, где одним из важнейших технологически значимых узлов является бункер-дозатор, равномерная и дозированная подача семенного материала на рабочий орган машины определяет качество обработки семян.

Анализируя работы А.И. Мансимова, Р.Л. Зенкова, А.В. Гячева, В.А. Богомягких, В.Ф. Семенова, К.В. Алферова, И.И. Кочанова, можно отметить, что основными параметрами, влияющими на величину расхода сыпучих материалов из бункеров являются: размер выпускного отверстия бункера и физико-механические свойства сыпучих материалов. В ряде аналитических зависимостей присутствуют определенные коэффициенты и константы, значения которых зависят от вида истекающего из бункера материала и соотношений конструктивного плана, применительно к машинам с большой часовой производительностью. Поэтому применение этих зависимостей при обосновании бункера с питателем в решетной установке со значительно меньшей производительностью не является правомерным.

В связи с этим, проектируя новую конструкцию бункера-дозатора для работы с семенами лесных пород, требуются исследования по изучению исходного вороха семенного материала, а также исследования по выявлению влияния отдельных показателей физико-механических свойств лесных семян, обоснованию конструкции и технологических параметров бункера с питателем в машине для вторичной очистки и сортирования лесных семян.

Дозирующие устройства, устанавливаемые в загрузочных бункерах, являются первоначальным звеном любого технологического процесса, связанного с обработкой и посевом хвойных пород семян. Их задача состоит в том, чтобы непрерывно и равномерно подать исходную смесь на рабочие органы соответствующего устройства для последующей обработки семян. От качества работы этих устройств зависит эффективность всего технологического процесса.

Приведенный анализ исследований процесса подачи и дозирования семенного материала показал, что имеется ряд экспериментальных работ по обоснованию рабочих процессов и режимов работы подающих устройств. Однако использование для этих целей устройств шлицевого, штифтового шнеково-щеточного и других типов, применяемых в машинах СУМ-1, ОС-1 и МОС-1, показали невысокую эффективность, так как основная задача этих устройств - отделение семян от крылаток в стадии подачи. Ранее проводимые исследования показали, что они неравномерно подают исходную смесь (особенно малосыпучую), травмируют семена при подаче (дробление, смятие и т.д.), забивают выгрузочные отверстия семенами. Также следует отметить, что во многих конструкциях питатель размещен в самом бункере и практически взаимодействует со всей семенной массой, что приводит к травмированию семян.

При разработке бункеров-дозаторов для семян хвойных пород лишь косвенно или частично учитывается неоднородность их характеристик, являющихся мерой разнообразия. Поэтому в работе рассматриваются и анализируются неоднородность и ее оценки применительно к биологическим объектам управления, к которым относятся семена хвойных пород при их дозирования. При моделировании и оптимизации технологического процесса дозирования и подачи семян методом планирования эксперимента возникает необходимость учета источников неоднородностей для уменьшения ошибки эксперимента. Неоднородности разделяют на внутренние и внешние. К внутренним неоднородностям относится различие характеристик между объектами по управляемым входным переменным. Внешние неоднородности - это неоднородности неуправляемых входных переменных, которые в свою очередь делятся на конструкционные и производные.

Конструкционная неоднородность связана с зависимостью выходных переменных от пространственных параметров и конструкции объектов. К производственным неоднородностям относятся различие исходного материала (состояния) и технологической среды.

В нашем случае семена хвойных пород образуют группу объектов (сосна обыкновенная, ель обыкновенная, лиственница сибирская), а семена каждой из породы образуют подгруппу . Семена хвойных пород и внутри подгруппы -это неоднородные объекты (в зависимости от степени, места произрастания и времени сбора), которые имеют значимые и менее значимые неоднородные характеристики, влияющие на процесс управления бункерно-дозирующими устройствами. Так как неоднородность является источником разнообразия характеристик объектов, то для оценки неоднородности семян хвойных пород предлагается использовать величину энтропии, являющейся в теории информации мерой разнообразия.

Таким образом, выбор подхода к управлению бункерно-дозирующими устройствами с неоднородными характеристиками зависит от степени неоднородности факторов, влияющих на процесс равномерной и дозированной подачи семенного материала, неоднородности задачи управления, наличия неопределенностей и от условия активного поиска оптимального варианта управления.

2. Конструкция бункера-дозатора для подачи семян хвойных пород на рабочий орган решетной установки и получены аналитические зависимости с компьютерной поддержкой для определения количества размещенных в заслонке прутков, зазора между прутками, объема и массы очищаемого материала, захватываемого щеткой за один оборот, производительности бункера

С учетом проведенного анализа бункерно-дозирующих устройств для семян хвойных пород предложена конструкция бункера-дозатора (рис. 1). В ней питатель отсечен от семенной массы специальной наклонной перегородкой (днищем), нижняя часть которой имеет форму питателя, а в зоне выпускного отверстия установлена регулировочная заслонка, выполненная в виде гребенки, которая имеет возможность изменения положения вокруг своей оси (рис. 1).

Рис. 1. Схема бункера-дозатора решетной установки 1 - загрузочный бункер; 2 - гребенчатая заслона; 3 - барабанный питатель; 4 - наклонная перегородка; 5 - шторка-отражатель

Это позволяет питателю взаимодействовать с прутками гребенчатой заслонки, вычесывая небольшую порцию семян. Прутки выполнены овального типа, для того чтобы изменять зазор между ними с учетом неоднородности семенной массы и размерных характеристик семян. Меньший контакт щетин с семенами позволяет снизить травмирование семян, а установленное в питателе различное количество щеток и изменение частоты вращения вала питателя позволяет регулировать количество и равномерность подаваемых семян на рабочий орган решетной установки. Конструкция бункера-дозатора защищена патентом РФ № 2167725.

С целью определения основных параметров, влияющих на технологический процесс подачи бункера-дозатора с гребенчатой регулировочной заслонкой, проведены теоретические исследования.

При проведении теоретических исследований учтены конструктивные параметры, которые определяют работу бункера-дозатора. К ним относятся: диаметр прутка dпр ( размеры поперечного сечения регулируемых прутков - Bпр и hпр); шаг расстановки прутков - ( а соответственно и их количество на ширине бункера Bб ); длина прутковой решетки - р; угол наклона прутковой решетки к горизонту - ; число щеток в механизме - Zщ; радиус щетки - Rщ; длина щетины щетки - щ;

Рис. 2. Схема гребенчатой заслонки: 1 - прутья овального сечения; 2 - рейка для изменения угла поворота гребенок; 3 - ось, на которой крепится заслонка; 4 - поворотная рукоять; 5 - фиксирующие отверстия

Дозированная подача предусматривает подачу семенного материала в единицу времени на решето. Она определяется рядом конструктивных и кинематических параметров щеточного питателя и прутковой заслонки.

Из анализа схемы, представленной на рис. 3, установлено, что количество размещенных на решетке прутков составит:

Zпр = -1 ( Вб - Впр ) + 1 (1)

где Вб - ширина бункера, м (эта величина задается конструктивно и согласуется с шириной сепарирующих рабочих органов); dпр - диаметр круглого прутка, м (согласуется со стандартами круглого проката); - шаг расстановки прутков на решетке, м.

Число «рабочих зон» (т.е. зон, куда проникают щетки при каждом очередном проходе) на ширине бункера составит:

Z = Zпр - 1 = -1 ( Вб - dпр) (2)

Рис. 3. Схема щеточного питателя: 1 днище бункера; 2 приводной вал щеток; 3 рамка щеток; 4 щетка; 5 - прутковая решетка; 6 - ось прутковой решетки; 7 - передняя стенка бункера

Размеры поперечного сечения прутков (dпр, Впр, hпр, r), а также шаг их расстановки обоснованы с учетом состава исходного вороха и размеров частиц семенного материала.

Высота H расположения центра вращения приводного вала щеток (точка О на рис. 4) над горизонтальным плоским участком днища бункера ВА может быть обоснована, исходя из величины наибольшей продольной деформации max щетины щетки.

Величина наибольшей деформации щетки max с целью обеспечения ее долговечности при контакте со стальным днищем бункера и минимизации травмирования частиц подаваемого сыпучего материала должна быть определена из условия:

max (0,1…….0,2) щ.

Тогда высота расположения приводного вала щеток над кромкой днища бункера (т.е. над точкой А) определится так:

H = (Rщ + щ) - max, (3)

где Rщ - длина щеточной основы, а щ - длина щетин.

Рис. 4. Схема расположения приводного вала щеток над днищем бункера

Известными при проектировании конструктивными параметрами являются длина р прутковой решетки и угол ее наклона к горизонту. С учетом этого расстояние от центра вращения приводного вала щеток до оси решетки определится (рис. 3) как:

L = р cos + ВА, (4)

где: ВА = (Rщ + щ) cos arcsin - длина прямолинейного участка днища бункера, при подстановке которого в выражение (4) окончательно получим:

L =р cos + (Rщ + щ) cos arcsin. (5)

Расстояние h1 по вертикали между центром вращения приводного вала щеток и осью решетки находим по выражению h1 = H - Lрsin и, c учетом зависимости (5), получим:

h1 = (Rщ + щ) - (max + рsin). (6)

Обоснованы возможные величины угла б наклона решетки к горизонту:

min = - arcsin

max = - (arcsin + arcsin). (7)

Для обеспечения нормальной работы щеток длина решетки должна значительно превышать длину СВ рабочей части гребенок, т.е. р СВ. Для ее определения получены следующие соотношения:

Р 2 Рmin = 2CВ

Р 4(Rщ + щ) sin, (8)

где - угол, определяющий величину рабочего контакта щеток с гребенчатой заслонкой.

Производительность питателя определяется объемом материала, захватываемого из зоны проникновения щеток в подпрутковое пространство. Предполагая, что жесткость щетки достаточна и ее деформация на участке СС`B (рис. 3) незначительна, будем считать, что траекторией движения верхней грани щетки на этом участке является дуга окружности. Площадь заштрихованного сегмента СС`B при этом будет равна:

(9)

.

Масса mМ и объем V материала, захватываемого при каждом очередном проходе щетки, будут зависеть от количества и величины рабочих зон на ширине бункера Вб, а также от глубины внедрения щетки в слой очищаемого материала, лежащего непосредственно под прутками решетки (в заштрихованной области СС/В на рис. 3), определяются следующими зависимостями:



(10)

где - плотность подаваемого материала; S - площадь CC/В проникновения щеток в подпрутковое пространство; Вщ - рабочая ширина щетки, т.е. та часть ее ширины, которая непосредственно проникает в слой очищаемого материала; - зазор между прутками.

Получено выражение для определения рабочей ширины щетки:

(11)

Значительное влияние на подачу (и особенно на ее равномерность) оказывают число Zщ щеток и частота nщ вращения их приводного вала. При этом верхний предел частоты вращения лимитируется величиной окружной скорости щетки, входящей в рабочую зону в точке С:

, (12)

где щ - угловая скорость рамки щетки.

С учетом всех конструктивных и технологических параметров бункера-дозатора и полученных выражений, определяющих основные параметры, получено уравнение для нахождения производительности бункера-дозатора решетной установки:

, (13)

где число захватов семенного материала из бункера в час:

; (14)

k - коэффициент зависящий от вида очищаемого материала, его фракционного состава, влажности, коэффициента внутреннего трения, сыпучести, оцениваемой величиной угла внутреннего трения; окружной скорости щетки; возможно, от соотношения “рабочих” и “мертвых” зон на ширине бункера (т.е. от , и dпр).

Подставляя в выражение (13) значения величин nщ, zщ и mМ и проведя преобразования, получим:

. (15)

Более перспективным вариантом конструкции питателя является устройство, оснащенное решеткой с фасонными прутками овальной формы (рис. 5), позволяющими при повороте вокруг своих осей регулировать зазор между прутками и за счет этого изменять подачу в достаточно широких пределах.

При анализе производительности данной конструкции будем считать, что заданными величинами при проектировании являются длина решетки р и угол ее наклона к горизонту, величина которого равна:

(16)



Рис. 5. Схема для определения зазора между прутками в области малых и средних подач ( 600)

В конструкции заслонки с гребенками овального типа рабочая ширина щетки рассматривается как:

.

Тогда можно записать:

. (17)

С помощью законов механики и тригонометрических зависимостей получено выражение для определения зазора / между прутками:

 (18)

где - угол поворота гребенок в заслонке.

Подставляя в полученное выражение (15) уравнение (18) и преобразовав его, получим зависимость для определения производительности бункера-дозатора с гребенчатой заслонкой из прутков овальной формы:

(19)

Модель (19) позволяет также решить вопрос о выборе конкретных углов , обеспечивающих при прочих равных условиях потребную подачу Q. Для области средних подач эта величина может быть определена по выражению:

, (20)

Где k4, k5 - постоянные величины, характеризующие геометрические соотношения в механизме питателя;

. (21)

В области больших подач величину следует рассчитывать по следующей формуле:

, (22)

где:

К6=30knщZщS

К7=hпрcosec. (23)

Для решения уравнения (19) численным методом на ЭВМ составлена программа на языке ”Visual Basic for Application” (Приложение 1) при различных частотах вращения щеток питателя бункера (nщ = 25-95 мин-1), углах поворота гребенок ( = 200 - 400) и различных количествах щеток в механизме питателя (zщ = 1-3).

Были проведены теоретические расчеты, в результате которых получены графические зависимости для производительности бункера-дозатора при различных частотах вращения питателя в углах поворота гребенок (рис. 6). В табл. 1 приведены фрагменты теоретических расчетов.

Установлено, что необходимая производительность 2…10 кг/ч будет осуществляться при частотах вращения питателя, равных 25…45 мин-1, угле поворота гребенок в механизме заслонки 20…300 и 1..3 щетках питателя.

В третьей главе рассматриваются методические основы экспериментальных исследований бункера-дозатора с щеточным питателем. Изложены программа экспериментальных исследований с описанием приборов и оборудования, методика их проведения и обработки опытных данных и приведена конструкция экспериментальной установки с предложенным во второй главе бункером-дозатором, анализируются и обосновываются методы обработки экспериментальных данных и математического моделирования технологического процесса дозирования в бункере-дозаторе с учетом неоднородности характеристик. Показано, что исходя из особенностей дозирования и экспериментальной установки бункера-дозатора для математического описания его технологического процесса возможно применение метода активного эксперимента с учетом декомпозиции математических моделей в условиях неоднородностей.

Для проведения экспериментов была изготовлена лабораторная установка для вторичной очистки и сортирования семян хвойных пород.

Методика исследований была разработана для определения физико-механических свойств семян сосны обыкновенной, произрастающей в регионе.

В процессе исследований для последующих конструкторско-технологических решений необходимо определить состав вороха семенного

Таблица 1. Теоретический расчет производительности при помощи программы, составленной на Visual Basic for Application

Число щеток zщ, шт.	Частота вращения nщ, мин-1	Угол поворота ц, град	Производительность (теоретическая), кг/ч
1	2	3	4
1	25	20	2,742
1	35	20	3,84
1	45	20	5,05
1	55	20	6,04
1	65	20	7,14
2	85	20	18,67
2	95	20	20,87
2	25	30	8,23
2	25	20	5,49
2	35	20	7,68
2	45	20	9,88
3	25	20	8,24
3	35	20	11,53
3	45	20	14,83
3	55	20	18,12
3	25	30	12,36
3	35	30	17,3
3	45	30	22,24
3	65	40	52,85
3	75	40	49,44
3	85	40	56,03
3	95	40	62,62
1	25	40	5,49
1	35	40	7,68
1	45	40	9,88
1	55	40	12

сырья для обоснования рабочих процессов подачи бункером-дозатором, объемную массу и массу 1000 шт. семян для выбора и обоснования объема и параметров загрузочного бункера, насыпную плотность, угол естественного откоса, влияющий на форму и параметры загрузочного бункера, размерные характеристики для обоснования зазора между прутками в гребенчатой заслонке бункера и выбора размеров пробивных отверстий решет, коэффициент трения по различным поверхностям, являющийся одним из основных показателей, характеризующих свойства семян.

Рис. 6. Зависимости производительности бункера-дозатора от частоты вращения питателя и угла поворота гребенок в механизме питателя: а) при угле поворота гребенок = 200, б) =300 , в) =400 ; 1, 2, 3 - одна, две и три щетки соответственно.2-две щетки, 3-три щетки; г),д),е) от угла поворота гребенок с заслонке г) при частоте вращения питателя nщ=25 мин-1; д) при частоте вращения питателя nщ=35 мин-1; е) при частоте вращения питателя nщ =45 мин-1

Так как загрузочный бункер в установке для вторичной очистки и сортирования семян является емкостью для создания запаса исходных семян, то при обосновании объема и конструкции бункера учитывалось условие, чтобы объем создаваемого запаса семян обеспечивал непрерывную работу за определенный промежуток времени.

Одним из параметров, оценивающих работу бункера-дозатора, является его производительность Q . Под производительностью бункера-дозатора понимается количество семенного сырья подаваемого щеточным питателем из загрузочного бункера на решетный стан. При оценке работы бункера-дозатора в лабораторной установке для вторичной очистки и сортирования семян хвойных пород учитывалось дозирование семенного материала в широком диапазоне.

На первоначальном этапе исследований проведены опыты по свободному истечению семян из бункера в зависимости от размеров выпускного отверстия-b, а также по принудительной подаче щеточным питателем с целью обоснования его скорости вращения и размеров выпускного отверстия.

Перед каждым опытом загрузочно-дозирующее устройство настраивалось на заданную норму высева, задавалась определенная частота вращения питателя nщ, угол поворота гребенок в механизме заслонки и число щеток в механизме zщ.

В качестве критерия оценки равномерности распределения семян по ширине захвата был принят коэффициент вариации, который определялся по формуле:

cр 100%, (24)

где - среднеквадратическое отклонение количества семян в полосках от среднего значения; cр - среднее значение количества семян в полоске.

Исследования процесса распределения семян загрузочно-подающим устройством на основе учета основного комплекса факторов, определяющих характер распределения семян по площади решета, имеет свои особенности, с учетом которых разработаны частные методики.

Экспериментальные исследования проводились на кафедре механизации лесного хозяйства и проектирования машин Воронежской государственной лесотехнической академии.

Для равномерной и дозированной подачи семенного материала на рабочий орган РУ была предложена схема и разработан технологический процесс, который обеспечивает дозировку семян в широком диапазоне, при этом равномерно подавая семенной материал на верхнее решето.

С целью оптимизации технологических параметров бункера с питателем было важно установить наиболее рациональные режимы, при которых обеспечивается равномерная и дозированная подача семенного материала из бункера на верхнее решето РУ, что позволит обеспечить оптимальную эффективность переработки семян на решетах. Для этого, помимо динамики технологического процесса, необходимо располагать знанием его статических характеристик.

Как показал анализ технологического процесса истечения семян в бункере-дозаторе и изучения конструкторско-технологических параметров и физико-механических свойств семян хвойных пород, технологический процесс носит вероятностный характер, а часть входных переменных относится к неуправляемым входным переменным, характеризующимся неоднородностью.

Так как технологический процесс дозирования семян носит вероятностный характер, а выходные переменные являются случайными величинами, то для описания его статики возможно использовать методы регрессионного анализа по каждой однородной компоненте математического описания на основе статистических данных, накопленных в результате эксперимента.

Для построения математической модели методом регрессионного анализа согласно его предпосылкам вначале проверяется гипотеза о нормальном распределении случайной величины y, например, с помощью ч2-критерия Пирсона, для чего, используя статистический ряд случайно выходной переменной y, производится построение эмпирического графика распределения .

Так как данный объект управления допускает постановку активного эксперимента, а предпосылки регрессионного анализа выполняются, то возможно применение активного эксперимента с варьированием наиболее важными факторами: число щеток в механизме питателя zщ шт. (x1); частота вращения питателя nщ, мин-1 (х2); угол поворота гребенок в заслонке ц, град. (х3), а остальные входные переменные могут фиксироваться на заданном постоянном уровне.

Выбор наилучшего плана эксперимента (оптимального в некотором заданном смысле) позволяет во много раз повысить к.п.д. исследователя. Это особенно важно, когда эксперимент проводится в условиях неоднородностей. Здесь ошибка эксперимента может быть столь большой, что на ее фоне трудно выделить эффекты факторов, действие которых интересует экспериментатора. При наличии сильных источников неоднородностей анализ экспериментальных данных может быть ошибочным. Прежде чем перейти к описанию того, какие способы и приемы предлагаются при планировании эксперимента для уменьшения ошибок, рассматривают источники и виды неоднородностей.

В технологических исследованиях источниками неоднородностей дискретного типа чаще всего являются различия в сырье, аппаратах, машинах, способах проведения процессов, исполнителях и т.д. Так, весьма часто экспериментатор не в состоянии провести всю серию экспериментов на однородном сырье. Партии сырья могут отличаться по своему составу. Иногда приходится сравнивать эксперименты, проведенные на различных лабораторных установках. Возможные различия в аппаратуре также рассматриваются как источники неоднородностей. В некоторых случаях влияние источников неоднородностей может быть столь же сильным, как и основных факторов. Тогда эксперимент нужно планировать так, чтобы специально изучить влияние этого источника неоднородности.

Прежде чем переходить к планам эксперимента, предназначенным для исключения влияния источников неоднородностей, следует определить за счет чего можно исключить их влияние на ошибку реализации плана эксперимента и на адекватность полученного математического описания технологического процесса.

Одним из наиболее эффективных приемов исключения влияния неоднородности на результаты эксперимента является декомпозиция математического описания объектов управления с неоднородными характеристиками.

4. Результаты изучения состава исходного вороха и физико-механических характеристик семян сосны обыкновенной, предварительных исследований по истечению семян из бункера

Анализ полученных экспериментальных данных свидетельствует о высокой чистоте исходного вороха: 1 % примесей, мелкая фракция 8,33 %, средняя 31,46 %, среднекрупная 24,6 % и крупная 21,52 %. Численное значение объемной массы семян сосны меньше в два раза, чем удельная масса семян. По значениям коэффициентов вариации можно отметить, что объемная и удельная массы имеют достаточно стабильные величины. Средняя масса 1000 шт. семян составляет 7,15 грамм. Угол естественного откоса = 28,350. Анализируя полученные результаты, по размерам семян можно сказать, что средняя длина семян сосны обыкновенной составляет 3.71 мм, ширина 2.25 мм и толщина 1.35 мм. Вариационные кривые, построенные на основе полученных данных размеров семян сосны, позволяют сделать заключение о том, что длина семян сосны обыкновенной находится в пределах 2,7…4,7 мм, ширина 1,9…2,6 мм, толщина 1,0…1,7 мм. Полученные кривые размеров длины, ширины и толщины по внешнему виду близки к кривым нормального распределения. Их оценка с помощью -критерия Пирсона показала не существенное отклонение от нормального закона распределения (рис. 7). Значения динамических и статических коэффициентов трения значительно отличаются. Так, если коэффициент статического трения по стали листовой равен 0,45, то динамический коэффициент составляет 0,35; по прорезиненной ткани динамический 0.88 и статический 0,49; по капролону соответственно 0,61 и 0,49.

При свободном истечении семенного материала с примесями и предварительно очищенного наблюдается значительная разница массы прошедших семян в единицу времени через выпускное отверстие. Наличие в семенном материале примесей снижает массу свободно прошедших семян в 1,5-1,9 раза (рис. 8). Причем разница для небольшой ширины отверстий (15, 20 и 25 мм) оценивается в 1,5 - 1,7 раза. Для большей ширины она у очищенных семян больше почти в два раза, чем у семян с примесями. Вместе с тем как у семян с примесями, так и очищенных имеет место линейная зависимость. Для проектной производительности решетной установки (5-10 кг/г) размер щели можно ограничить в пределах 15-20 мм.

Рис. 7. Характеристики распределения размерных показателей семян 1- толщина; 2 - ширина; 3 - длина

При исследовании дозирующего устройства при различных скоростях вращения вала щеточного питателя предварительные опыты показали, что частота вращения вала должна быть в пределах 90…150 мин-1, а минимальная ширина выпускного отверстия - не менее 4 мм.

Рис. 8. Влияние ширины выпускного отверстия на массу прошедших семян 1 - с примесями; 2 - предварительно очищенных

Анализ полученных данных показывает, что при определенных частотах вращения вала питателя и соответствующем угле установки (поворота заслонки) можно добиться производительности от 5,142 до 27,672 кг/ч. Следует отметить, что наибольшее влияние на количество подаваемых семян питателем оказывает количество щеток в механизме, производительность питателя увеличивается почти в два раза по сравнению с установленной одной щеткой. Меньшее влияние на производительность оказывает частота вращения питателя. При увеличении частоты вращения вала питателя с 25 до 35 мин-1 повышается производительность с 10 до 12 кг/ч, то есть всего на 17 %. Однако увеличив частоту вращения до 45 мин-1, производительность повысится с 10 до 17 кг/ч. Изменяя угол поворота гребенок от 20 до 300, производительность увеличится с 5,142 до 5,5 кг/ч, то есть на 7%. Однако увеличение угла поворота с 20 до 400 увеличивает производительность с 5,142 до 9,875 кг/ч. Совместное увеличение угла поворота заслонки до максимального значения (400) и частоты вращения питателя до 45 мин-1 приводит к повышению производительности с 5,142 до 16,634 кг/ч, то есть почти в 3 раза. Визуальное наблюдение за работой щеточного питателя в разработанной конструкции дозирующего устройства с регулируемой гребенчатой заслонкой показало, что подача семенного материала на рабочий орган машины равномерная и непрерывная (табл. 2).

Таблица 2. Предварительные результаты исследований бункера-дозатора

Частота вращения вала питателя n, мин-1	Количество щеток на валу Zm, шт	Угол поворота гребенок заслонки, , град.	Масса подающих семян из бункера
			Время работы питателя, t	Всего	г/с	кг/ч
45	3	40	60	461	7,6	27,672
45	1	40	60	276,1	4,6	16,568
25	3	40	60	277,2	4,61	16,634
25	1	40	60	165,0	2,7	9,875
45	3	20	60	324,6	5,3	19,448
45	1	20	60	146,7	2,3	8,804
25	3	20	60	208,8	3,45	12,528
25	1	20	60	85,7	1,428	5,142
35	3	30	60	374,1	6,2	22,448
35	1	30	60	133,7	2,2	8,023
45	2	30	60	285,3	4,7	17,122
25	2	30	60	166,7	3,7	10,004
35	2	40	60	255,3	4,2	15,351
35	2	20	60	131,4	2,18	7,884

Таким образом, новая конструкция дозирующего устройства для решетных сортировальных машин позволяет регулировать подачу семенного материала на решето в широком диапазоне. Регулировка подаваемого семенного материала осуществляется в установленном режиме без остановки машины, а процесс подачи осуществляется равномерно и непрерывно.

Однако, так как показатели производительности решетного стана колеблются от 2,5…10 кг/ч, поэтому принято решение уменьшить шаг расстановки прутков гребенчатой заслонки с 14 до 10 мм и тем самым уменьшить производительность на 40%.

В пятой главе рассматриваются вопросы моделирования и оптимизации технологического процесса в бункере-дозаторе с щеточным питателем для семян хвойных пород, в частности, сосны обыкновенной, для определения оптимальных конструктивно-технологических параметров бункера-дозатора, при которых обеспечивается равномерная и дозированная подача семенного материала на рабочий орган решетной установки.

Производится декомпозиция математического описания производительности и коэффициента вариации бункера-дозатора с использованием обобщенного показателя неоднородности. Построены оптимизационные модели технологического процесса подачи и равномерности распределения семян, определены оптимальные значения варьируемых входных переменных.

Семена хвойных пород (сосна обыкновенная, ель обыкновенная, лиственница сибирская) образуют группу объектов ?, отличающиеся различием (неоднородностью) в физико-механических характеристиках, что оказывает влияние на параметры технологического процесса дозирования семян и конструктивно-технологические параметры бункера-дозатора.

В свою очередь, технологический процесс дозирования семян характеризуется неоднородностью неуправляемых входных переменных, вызванной различием физико-механических характеристик семян хвойных пород, а те, в свою очередь, условиями произрастания (почва, климатические условия и т.п.). Отсюда возникает необходимость оценки неоднородности как в группе, так и в подгруппе семян хвойных пород.

При планировании эксперимента необходимо уменьшить ошибку при математическом описании объектов управления с неоднородными характеристиками за счет применения 1) планов эксперимента, учитывающих неоднородность объектов управления и 2) декомпозиции математического описания объектов управления:

(25)

где - i-я выходная переменная; - вектор управляющих воздействий; - вектор параметров, определяющих условия неоднородности и разнообразия математической зависимости .

Оценка степени неоднородности б, неоднородность объектов в группе ? подтвердили наличие существенной неоднородности в группе семян хвойных пород.

На основе результатов исследования технологического процесса подачи семенного материала и теоретических исследований для определения производительности бункера-дозатора решетной установки установлено, что коэффициент k зависит от вида очищаемого материала, его фракционного состава, влажности, коэффициента внутреннего трения и других физико-механических свойств семян. В свою очередь, от коэффициента k зависят соотношения zщ - количества щеток в питателе и nщ - частоты вращения питателя.

Поэтому при формировании математического описания данного технологического процесса применен коэффициент k в виде обобщенного показателя неоднородности.

Поскольку под управлением в кибернетике понимаются ограничение разнообразия, управление в условиях неоднородности задачи управления имеет особенности, связанные с разнообразием, порождаемым этими неоднородностями, то при расчете производительности конкретной конструкции (с фиксированными конструктивными параметрами) будем считать, что коэффициент k зависит только от свойств семенного материала и представляет собой обобщенный показатель неоднородности семян хвойных пород.

В связи со сложностью планирования и реализации планов эксперимента в условиях неоднородностей задачу учета неоднородностей при математическом описании технологического процесса дозирования семян хвойных пород декомпозиции можно осуществить с использованием обобщенного показателя неоднородности неуправляемых входных переменных.

Следовательно, при получении математического описания технологического процесса дозирования необходимо для учета неоднородности и декомпозиции математического описания в управлении регрессии вводить либо обобщенный показатель неоднородности k, либо те конструктивные параметры, которые зависят от этого показателя.

Предварительными исследованиями процесса подачи семенного материала бункером-дозатором установлено, что наиболее важными факторами, влияющими на процесс подачи семян на верхнее решето РУ, являются следующие параметры: число щеток в механизме питателя zщ, шт.(X1); частота вращения питателя nщ ,мин-1 (X2); угол поворота гребенок в заслонке , град. (X3). Все остальные факторы были зафиксированы на постоянном уровне и в ходе эксперимента не изменялись. При этом приняты и использованы в качестве постоянных cредние значения следующих величин, полученных при изучении свойств семян сосны обыкновенной: плотность семян = 870 гр/дм3; коэффициент k1 = 0,91 (обобщенный показатель неоднородности для семян сосны обыкновенной); и величин, связанных с конструкцией бункера-дозатора: ширина бункера Bб = 0,225 м; наибольшая ширина прутка Bпр = 0,01 м; наименьшая ширина прутка dпр = 0,004 м, шаг расстановки прутков в решетке L = 0.01; радиус щетки - Rщ = 0,035 м; длина щетины щетки - щ = 0,035м; угол наклона прутковой решетки к горизонту - = 350; высота расположения приводного вала над днищем бункера H = 0,065 м.

Для математического описания данного технологического процесса в виде управления регрессии был применен активный эксперимент с планом второго порядка, так как объект допускает варьирование существенных факторов , а выходные переменные y1 (производительность Q) и y2 (коэффициент вариации ), являясь случайными величинами, распределены по нормальному закону. После реализации плана эксперимента были определены оценки коэффициентов управления регрессии, их статистическая значимость и построены математические модели, адекватно описывающие технологический процесс дозирования и равномерного распределения семян сосны обыкновенной на верхнем решете:

Q = _ 39,15 _ 9,06 zщ + 0,36 nщ + 0,01 + 0,25 zщ nщ + 0,2 zщ + 0,26 nщ2 (26)

= 58,36 _ 16,42 zщ _1,99 nщ - 2,14 + 5,24 zщ 2+ 0,03 nщ 2+ 0,03 2. (27)

В качестве целевой функции при решении оптимизационной задачи процесса равномерной и дозированной подачи было выбрано распределение семян по поверхности решета по коэффициенту вариации , %, значение которой минимизировалось. В качестве основного ограничения при решении задачи было принято условие задаваемой производительности бункера-дозатора.

В этом случае оптимизационная модель имеет следующий вид:

(28)

где С - константа, равная заданной производительности.

Решение оптимизационной задачи проводилось методом Ньютона на ЭВМ с помощью стандартного пакета программ Excel.

Оптимальным параметрам и режимам работы бункера-дозатора РУ (рис. 9), обеспечивающим высокую эффективность технологического процесса равномерного распределения семян на верхнем решете при подаче (производительности) Q = 2,5; 5; 7,5 и 10 кг/ч, соответствуют следующие значения: число щеток в механизме питателя 2; 2; 2 и 2 шт., частота вращения питателя 27,8; 25,3; 27,6 и 26,5 мин-1, угол поворота гребенок в заслонке 26,3; 27,5; 33,7 и 20,20. Использование бункера-дозатора на установленных режимах обеспечивает равномерное распределение семян на верхнем решете РУ = 19,46; 14,37; 14.43; 13,65 % при производительности Q = 10; 7,5; 5; 2,5 кг/ч соответственно. Максимальному значению производительности бункера Q = 10 кг/ч соответствует минимальное значение коэффициента вариации равномерности подачи = 13,65 %.

6. Результаты реализации итогов исследований и оценка экономической эффективности применения машины для вторичной очистки и сортирования хвойных пород с новой конструкцией бункера-дозатора

Рис. 9. Кривые, характеризующие процесс подачи семенного материала бункером-дозатором а), б), в) - производительность, Q кг/ч;
г), д), е) - коэффициент вариации %

В результате проведенных исследований была разработана конструкция бункера-дозатора для решетной установки, обеспечивающая равномерную и дозированную подачу семенного материала на рабочий орган.

Лабораторный образец машины (рис. 10) состоит из рамы 1, на которой закреплен загрузочный бункер 2 с питателем 4 с помощью кронштейнов 3. Щеточный барабанный питатель 4 размещен под наклонной перегородкой 5, которая отсекает питатель 4 от семенной массы в бункере 2, а в зоне выхода семенной массы установлена гребенчатая заслонка 6, которая выполнена в виде гребенок овального сечения 7, которые имеют возможность поворачиваться вокруг своей оси. Щетки 8 питателя 4 взаимодействуют с гребенчатой заслонкой 6 и вычесывают семена из подпруткового пространства и выбрасывают их на решето 9. Под бункером 2 расположен корпус 10, на котором крепится каркас 11 с верхним решетом 12 и каркас 13 с нижними решетами 14, 15. Корпус 10 закреплен на раме 1 при помощи подвесок 16,17 на противоположных концах корпуса 10. Механизм колебания решетного стана включает в себя эксцентриковый вал 18 и два шатуна 19. Привод осуществляется от электродвигателя 20 через клиноременную передачу 21.

Рис. 10. Схема лабораторного образца решетной установки

Разработанная конструкция решетной установки с предложенным бункером-дозатором прошла опытно-производственную проверку в Бобровском опытном лесокомбинате и Семилукском лесхозе Воронежского комитета природных ресурсов, показав хорошее качество работы.

...