Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПНЕВМОСИСТЕМ С КОЛЬЦЕВЫМ АСПИРАЦИОННЫМ КАНАЛОМ

Андреев В.Л. 1 Курбанов Р.Ф. 2 Саитов В.Е. 2 Шилин В.В. 2
1 ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт»
2 ФГБОУ ВО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»
В составе зерноочистительно-сушильных комплексов хозяйств применяются виброцентробежные сепараторы МЗП-50(25). Однако пневмосистема данной машины не обеспечивает качественное выделение легких примесей. Для повышения эффективности очистки зерна и семян виброцентробежными сепараторами разработана пневмосистема с вертикальным кольцевым аспирационным каналом с устройством ввода материала в пневмосепарирующий канал в виде вращающегося дискового распределителя. Проведенные теоретические исследования позволили определить рациональные параметры дискового распределителя зерна. На основе полученных результатов разработана виброцентробежная машина первично-вторичной очистки семян МЗП-25/10. Использование разработанной машины в составе технологической линии при первичной очистке обеспечивает получение за один пропуск семян 1 и 2 класса чистоты.
зерноочистительная машина
пневмосистема
аспирационный канал
зерновой материал
воздушный поток
дисковый распределитель.
1. Андреев В.Л., Шилин В.В. Актуальность разработки пневмосистемы для виброцентробежного сепаратора / Совершенствование технических средств для механизации сельскохозяйственных процессов: Сб. тр. НИИСХ Северо-Востока. – Киров, 2000. – С. 59–63.
2. Бурков А.И., Андреев В.Л., Шилин В.В. Разработка пневмосистемы для виброцентробежной машины МЗП-25/10 и ее использование при реконструкции семяочистительной линии // Inżynieria Systemow Bioagrotechnicznych: Zeszyt 2–3 (11–12). – Plock, 2003. – Р. 147–157.
3. Гурбанов М. Динамика зернового виброцентробежного сепаратора с дифференциальным приводом: дис. … канд. техн. наук. – М., 1984. – 159 с.
4. Курбанов Р.Ф. Разработка и обоснование основных параметров фракционного пневмоинерционного сепаратора зернового вороха: дис. … канд. техн. наук. – Киров, 1995. – 193 с.
5. Пневматический сепаратор: Патент № 2176565 РФ. МПК 7 B07B7/08 / А.И. Бурков, В.Л. Андреев, В.В. Шилин. – № 200114458/03; Заявлено 02.06.2000г. // Открытия. Изобретения. – 2001. – № 34.
6. Разработка и совершенствование малогабаритных пневмосепараторов с замкнутым циклом воздушного потока: Монография / В.Е. Саитов, В.Г. Фарафонов, А.Н. Суворов, Д.В. Григорьев. – Киров: ФГБОУ ВПО «Вятская ГСХА», 2012. – 209 с.
7. Савицкий А.К. Совершенствование процессов в центробежном сепараторе с вращательными колебаниями: дис. … канд. техн. наук. – М., 1986. – 163 с.
8. Саитов В.Е. Повышение эффективности функционирования зерноочистительных машин путем совершенствования их основных рабочих органов и пневмосистем с фракционной сепарацией: дис. … докт. техн. наук. – Киров, 2014. – 519 с.
9. Саитов В.Е., Фарафонов В.Г., Суворов А.Н. Исследование процессов в рабочих органах сепараторов зерна: Монография. – Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. – 201 с.
10. Саитов В.Е., Григорьев Д.В. Замкнутый малогабаритный пневматический сепаратор для очистки зерна // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2012. – № 7. – С. 15–18.
11. Сычугов Н.П., Саитов В.Е., Гатауллин Р.Г. Повышение эффективности функционирования семяочистительных машин путем совершенствования рабочих органов пневмосистем: Монография. – Киров: ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА», 2006. – 193 с.
12. Холодилин А.Н. Вибрационное решетное сепарирование зернопродуктов в поле центробежных сил: дис. … канд. техн. наук. – М., 1985. – 150 c.

В составе зерноочистительно-сушильных комплексов хозяйств Северо-Востока европейской части России применяются виброцентробежные сепараторы Р8-БЦС-50(25), МЗП-50(25), удельная производительность цилиндрических решет которых в 2–5 раз выше по сравнению с широко используемыми плоскими решетами [8].

Однако данные серийные машины оборудованы пневмосистемами, кольцевой аспирационный канал в которых образован дисковым питателем и корпусом. Зерновой материал в аспирационном канале обрабатывается с повышенной скоростью воздушного потока, но непродолжительное время, так как имеет небольшую длину, в результате чего не все легкие примеси успевают выделяться из очищаемого материала [1].

Исследованиями центробежных сепараторов, преимущественно решетной частью, занимались в Московском государственном университете пищевых производств [3, 7, 12]. Помимо решетной части, изучалось перемещение частицы вдоль лопаток распределительного диска.

Между тем, для определения оптимальных параметров пневмосистемы с кольцевым аспирационным каналом представляет закономерный интерес характер перемещения частицы после схода с распределителя.

Для повышения эффективности очистки зерна и семян виброцентробежными сепараторами разработана пневмосистема с вертикальным кольцевым аспирационным каналом, устройство ввода материала в пневмосепарирующий канал которой выполнено в виде вращающегося дискового распределителя [5].

Результаты исследований и их обсуждение

Частица после схода с дискового распределителя поступает в вертикальный кольцевой аспирационный канал, где на нее действует сила and01.wmf тяжести и сила and02.wmf сопротивления воздуха (рис. 1).

Сила and03.wmf тяжести действует вертикально вниз, а сила and04.wmf сопротивления воздуха направлена противоположно относительной скорости and05.wmf движения частицы, пропорциональна ее квадрату и определяется по формуле [4, 9]

and06.wmf, (1)

где and07.wmf – вектор относительной скорости; Vr – ее модуль; and08.wmf – скорость частицы; and09.wmf – скорость воздушного потока; m – масса частицы; kn – коэффициент парусности.

Дифференциальное уравнение движения частицы в векторной форме запишется в виде

and10.wmf. (2)

В проекциях на декартовы оси координат and11.wmf, and12.wmf и and13.wmf получим:

and14.wmf (3)

Учитывая выражение (1) для силы and15.wmf, запишем ее проекции на оси координат:

and16.wmf (4)

где Vrx, Vry , Vrz – проекции относительной скорости на оси координат and17.wmf, and18.wmf и and19.wmf, определяемые выражениями

and20.wmf (5)

Тогда модуль относительной скорости можно вычислить по формуле

and21.wmf. (6)

Принимая допущение, что поток воздуха от вращения дискового распределителя не оказывает влияния на поток воздуха, создаваемый вентилятором пневмосистемы, имеем

and22.wmf; and23.wmf; and24.wmf (7)

Тогда уравнения (3) принимают вид

and25.wmf (8)

andr1.wmf

Рис. 1. Схема движения частицы в вертикальном кольцевом аспирационном канале

Систему уравнений (8) решаем методом Рунге-Кутта [9] с помощью программы, написанной на языке Visual Fortran 5.0.

За нулевую точку отсчета декартовых осей координат принимаем: по осям and26.wmf и and27.wmf – начало схода частицы с дискового распределителя, по оси and28.wmf – точку выхода частицы тяжелой фракции из вертикального кольцевого аспирационного канала.

При расчете траекторий движения частиц с отличающимися аэродинамическими свойствами при различных значениях скоростей VB воздуха в канале, изменяемых частоте nр вращения, длине l и угле a наклона секторов дискового распределителя считаем, что частица покидает зону сепарации при z ≤ 0 и z ≥ Zк (Zк = 0,55 м) или при достижении частицы наружной стенки канала (rк = 0,1 м).

Расстояние ri от внутренней стенки вертикального кольцевого аспирационного канала до частицы определяем по формуле

and29.wmf, (9)

где xi и yi – координаты частицы по осям and30.wmf и and31.wmf во время ti .

Начальными условиями движения частицы при этом являются

and32.wmf (10)

где Zδ = 0,2 м – координата установки диска распределителя.

Расчеты показывают, что скорость and33.wmf схода частиц с дискового распределителя оказывает существенное влияние на траектории их движения в вертикальном кольцевом аспирационном канале.

andr2.wmf

Рис. 2. Траектории движения частицы в вертикальном кольцевом аспирационном канале в зависимости от конструкционных параметров дискового распределителя: 1 – угол наклона секторов α = 60 °, длина l = 0,150 м; 2 – α = 30 °, l = 0,150 м; 3 – α = 60 °, l = 0,075 м; α = 30 °, l = 0,075 м; 5 – при отсутствии секторов; andr2a.wmf – np = 100 мин-1; andr2b.wmf – np = 150 мин-1; andr2c.wmf – np = 200 мин-1; andr2d.wmf – np = 250 мин-1

andr3.wmf

Рис. 3. Зависимости координаты ri частицы в вертикальном кольцевом аспирационном канале от времени ti и конструкционных параметров дискового распределителя: 1 – при отсутствии наклонных секторов; 2 – угол наклона секторов α = 30 %, их длина l = 0,075 м; 3 – α = 30 %, l = 0,15 м; 4 – α = 45 %, l = 0,075 м; 5 – α = 45 %, l = 0,150 м; 6 – α = 60 %, l = 0,075 м; 7 – α = 60 %, l = 0,150 м;andr3a.wmf – np = 100 мин-1; andr3b.wmf – np = 150 мин-1; andr3c.wmf – np = 200 мин-1; andr3d.wmf – np = 250 мин-1

На рис. 2 приведены траектории движения частиц в кольцевом канале (скорость воздушного потока VB = 7 м/с) при коэффициенте их трения f = 0,3 и скорости витания Vвит = 7 м/с в зависимости от конструкционных параметров дискового распределителя. При увеличении частоты вращения распределителя в изученном интервале np = 100…250 мин-1 координаты zi принимают бóльшие значения в любой момент времени ti из-за увеличения составляющей скорости and34.wmf.

Частицы при np = 100–250 мин-1 после перемещения по распределителю без секторов (только горизонтальный участок) имеют примерно одинаковые траектории движения в аспирационном канале, так как без участка торможения их скорости в момент схода с распределителя являются значительными (составляют соответственно значения and35.wmf = 2,8–7,4 м/с). Поэтому при глубине канала hк = 0,1 м в момент достижения наружной стенки канала (rк = 0,1 м) различия координат по вертикали (ось and36.wmf) составляют Δzк = 0,5–3,7 мм. Скорости частицы при достижения наружной стенки и np = 100–250 мин-1 имеют соответственно значения and37.wmf = 2,8…7,3 м/с, and38.wmf = 4,1–10,4 м/с, and39.wmf = – 0,3– – 0,1 м/с.

При секторах с углом наклона a = 30 ° и различных частотах np вращения распределителя траектории движения частиц также практически не изменяются. При длине сектора l = 0,075 м и np = 100–250 мин-1 (and40.wmf = 1,8–5,1 м/с) изменения координаты по оси and41.wmf составляют Δzк = 1,4…8,9 мм, а скорости частицы у наружной стенки соответственно имеют значения and42.wmf = 1,8–5,0 м/с, and43.wmf = 4,2–10,4 м/с, and44.wmf = 0,6–2,7 м/с. При l = 0,150 м (and45.wmf = 1,8…5,4 м/с) изменения координаты составляют Δzк = 1,6–10,1 мм, а скорости соответственно – and46.wmf = 1,8–5,4 м/с, and47.wmf = 4,2–10,4 м/с, and48.wmf = 0,6–2,9 м/с.

При угле наклона α = 60 ° секторов частота np вращения оказывает значительное влияние на траектории движения частиц. При длине секторов l = 0,075 м и np = 100–250 мин-1 (and49.wmf = 0,2–1,4 м/с) изменения координаты по оси and50.wmf составляют Δzк = 2,2–54,4 мм, скорости соответственно – and51.wmf = 0,2–1,4 м/с, and52.wmf = 4,2–10,4 м/с, and53.wmf = – 0,3–2,1 м/с. При l = 0,150 м (and54.wmf = 0–1,7 м/с) изменения координаты по оси and55.wmf составляют Δzк = 5,0–90,2 мм), а скорости соответственно – and56.wmf = 0–1,6 м/с, and57.wmf = 4,2–10,4 м/с, and58.wmf = – 0,7–2,6 м/с.

На эффективность выделения примесей из зерновой смеси в вертикальном кольцевом аспирационном канале также значительное влияние оказывает время tк нахождения частицы в зоне сепарации, которое зависит от конструкционных параметров дискового распределителя.

На рис. 3 приведены зависимости координаты ri частицы в вертикальном кольцевом аспирационном канале в зависимости от времени ti и конструкционных параметров дискового распределителя при скорости витания частицы Vвит = 7 м/с, скорости воздушного потока VB = 7 м/с и коэффициенте трения частицы о сталь f = 0,3, которые показывают, что наибольшее время нахождения частицы в зоне сепарации при данных условиях обеспечивается при частоте вращения дискового распределителя np = 100 мин-1, угле наклона секторов α = 60 ° и их длине l = 0,150 м.

При данных физико-механических свойствах частиц и скорости VB воздушного потока наибольшее время tк нахождения их в зоне сепарации обеспечивается при частоте вращения np = 100 мин-1, угле наклона секторов α = 60 ° и их длине l = 0,150 м.

Дальнейшие расчеты показывают, что при уменьшении частоты np вращения дискового распределителя время tк нахождения частицы в зоне сепарации увеличивается. Наилучшие условия сепарирования зерновой смеси в вертикальном кольцевом аспирационном канале обеспечиваются при малых значениях скоростей схода частиц с дискового распределителя, которые зависят от физико-механических свойств частиц зерновой смеси и конструкционно-технологических параметров распределителя зерна. Наличие секторов дискового распределителя длиной l = 0,075 и 0,150 м способствует увеличению времени tк нахождения частицы в зоне сепарации, но длина l оказывает мéньшее влияние на tк по сравнению с частотой np вращения и углом α наклона секторов.

Полученные результаты исследований позволяют приблизиться к оптимальным конструктивным параметрам одного из конструктивных элементов пневмосистемы с вертикальным кольцевым аспирационным каналом – дискового распределителя зерна, следовательно, повысить эффективность работы применяемых в зерноочистительно-сушильных комплексах виброцентробежных сепараторов.

После проведения выше описанных исследований на основе серийного сепаратора МЗП-25 была разработана виброцентробежная машина первично-вторичной очистки семян МЗП-25/10, оснащенная пневмосистемой с вертикальным кольцевым аспирационным каналом и дисковым распределителем зерна с наклонными секторами (рис. 4).

andr4a.tif andr4b.tif

а б

Рис. 4. Общий вид виброцентробежной машины первично-вторичной очистки МЗП-25/10: а – вид спереди слева; б – вид сзади справа

Машина МЗП-25/10 предназначена для очистки, сортирования семян зерновых, крупяных и бобовых культур от легких, крупных, мелких примесей, щуплого зерна и применяется в составе технологических линий для первичной и вторичной очистки зерна и семян. В семенном режиме ее производительность составляет 10 т/ч (очистка пшеницы влажностью до 16 % и содержанием сорной примеси, выделяемой рабочими органами машины, до 3 %), а продовольственном – 25 т/ч (очистка зерна пшеницы влажностью до 16 % и содержанием сорной примеси до 5 %).

Машина МЗП-25/10 имеет корпус, вращающийся внутри него, и совершающий колебания ротор с ситовым барабаном из трех отдельных цилиндрических решет, механизмы очистки решет, загрузочное устройство, вращающийся распределитель зерна, вертикальный кольцевой аспирационный канал, образованный наружной и внутренней стенками. Отвод отработанного воздуха осуществляется из верхней части пневмосистемы.

Разработанная для виброцентробежной машины первично-вторичной очистки семян МЗП-25/10 пневмосистема с кольцевым аспирационным каналом имеет увеличенную зону аспирации в сравнении с серийной и оснащена дисковым распределителем. Параметры последнего оптимизированы после проведенных исследований. Пневмосистема обеспечивает эффективность выделения легких примесей 54,4–70,8 % при очистке озимой ржи сорта Вятка 2 с чистотой исходного материала 95,88–98,23 %, содержанием семян других растений 760–2880 шт./кг, в том числе семян сорняков – 700–2840 шт./кг, при потерях полноценного зерна в отходы 1,91–2,75 % [2].

Заключение

Технологическая линия, в которой в качестве машины первичной очистки функционирует виброцентробежная машина первично-вторичной очистки семян МЗП-25/10, позволяет получать семена 1 и 2 класса чистоты за один пропуск, кроме случаев, когда для выделения трудноотделимых примесей необходимо использовать специальные машины [6, 10, 11].

Разработанная с учетом результатов исследований пневмосистема с вертикальным кольцевым аспирационным каналом успешно применяется в машине первично-вторичной очистки семян МЗП-25/10 в составе зерноочистительно-сушильных комплексов.


Библиографическая ссылка

Андреев В.Л., Курбанов Р.Ф., Саитов В.Е., Шилин В.В. ОПТИМИЗАЦИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПНЕВМОСИСТЕМ С КОЛЬЦЕВЫМ АСПИРАЦИОННЫМ КАНАЛОМ // Современные наукоемкие технологии. – 2015. – № 8. – С. 7-12;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35088 (дата обращения: 26.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074