Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
КІРОВОГРАДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
УДК 631.362.3
Обґрунтування параметрів пневмоімпульсної машини для сепарації насіння за густиною
Спеціальність 05.05.11 –Машини і засоби механізації
сільськогосподарського виробництва
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття
наукового ступеня кандидата технічних наук
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 10 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
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
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:
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:
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.
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:
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.
|
Рис. 1. Схема для визначення опору пульсатора: 1 –пневматичний канал; –заслінка пульсатора; а, b –ширина та висота каналу, м; ап, Dп - розміри заслінки пульсатора, м. |
Тоді вважаючи, що відношення між проекцією площі заслінки пульсатора Sп на вертикальну площину (рис. 1) до вертикального перерізу каналу Sк і буде складовою коефіцієнту опору пульсатора (коефіцієнтом пропорційності k), а так як пульсатор обертається, то його опір буде змінним у часі. Зміна величини проекції площі заслінки пульсатора Sп буде підпорядкована закону синуса, який обрано з наступних міркувань: при вертикальному положенні заслінки пульсатора значення Sп буде максимальним, а при горизонтальному –найменше. |
Опір пульсатора в горизонтальному положенні не рівний нулю, бо заслінка має свою товщину і форму, а тому чинить опір (коефіцієнт ξ опору пульсатора в горизонтальному положенні за Ідєльчиком І.Є). Загальний опір пульсатора можна визначити згідно формули
, (2)
де Р, Р - 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 () 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 (рис. 2).
|
Рис. 2. Схема сил, які діють на частку 3. |
В момент вклинювання частки 3 між частками 1, 2, 4, 5 сили реакцій R R R R відхиляються від нормалі на кут внутрішнього тертя у бік збільшення кута укладки . В результаті чого, сили реакцій складають з нормаллю кут =++, де –кут нахилу каналу. На частку 3 діють такі сили: - ваги ; - лобового тиску пульсуючого повітряного потоку ; |
- нормального тиску ;
- тангенціальна ,
де V` - об’єм частки, м; k - коефіцієнт опору;
fm - міделевий перетин частки, м.
- 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 (рис. 3). 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).
а) б)
Рис. 3. Залежність переміщення частки по осях в залежності від часу t знаходження в псевдозрідженому шарі насіння
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) (рис. 4). В умовах стиснутого руху частки в псевдозрідженному шарі, який пронизує пульсуючий потік повітря, випадкова дія сили Р(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 m, mс –ефективна та приєднана маса частки, кг;
ηеф –коефіцієнт ефективної в'язкості, кг/с;
Vz –швидкість опускання частки, м/с.
|
Рис 3. Схема сил, що діють на частку в псевдозрідженому шарі: ηеф·Vz –сила опору руху частки в шарі. |
Припущення про марковість приймається у вигляді гіпотези, яка відповідає характеру руху частки в умовах псевдозрідженого шару, що пронизується пульсуючим потоком повітря. Досліджуваний процес характеризується щільністю розподілу ймовірності р(t, z, Vz), яка за суттю така, що визначає для частки в момент ймовірність знаходження в області і має швидкість в інтервалі значень (V, Vz+V). |
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)
|
Рис. 4. Залежність ефективності сепарації по фракціям від часу: Ев, Ес, Ел –відповідно, ефективність сепарації важких (ρ=1335 кг/м), середніх (ρ=1200 кг/м), та легких часток (ρ=1000 кг/м), %. |
Залежність ефективності сепарації по фракціям показана на рис. 4. Як видно з отриманих данних кількість важких часток (з найбільшим значенням густини), які опустилися за проміжок часу по відношенню до загальної кількості всіх часток в початковому матеріалі становить 37% А це означає, що практично всі важкі частки опустились, так як згідно досліджень середня кількість часток в початковому матеріалі становить 28-41%. Підраховане теоретичне значення технологічного ефекту сепарації становить 99,6 %. |
Отримана формула (8) є приближеною тому, що не враховує вплив заслінки для зміни епюр тисків у повздовжньому перерізі каналу (рис. 5, б). 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 h –початкова висота шару насіння в пневматичному каналі, м;
ηj –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 k –коефіцієнт, який враховує вплив коефіцієнта асиметрії епюр тиску повітряного потоку в повздовжньому перерізі каналу Sk;
k –коефіцієнт, який враховує вплив ексцесу епюр тиску повітряного потоку в поперечному перерізі каналу Ех;
k –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 (Y=Q) та технологічний ефект сепарації (ТЕС), % (Y=ТЕС). Для дослідження впливу окремих факторів на цільові функції та знаходження оптимальних значень факторів було виготовлено експериментальну установку (рис. 5).
а)
б)
Рис. 5. Загальний вигляд (а) і схема (б) експериментальної установки
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 (рис. 5) 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 5=1953125. При п'ятикратній повторюваності буде перевищувати 9 мільйонів. З метою спрощення проведено три серії дослідів з використанням дробових реплік від ПФЕ виду 2+зіркові точки. Метою першої серії дослідів була реалізація матриці центрального композиційного плану 2+зіркові точки, яка дозволила шляхом проведення експериментальних досліджень визначити раціональні параметри (тиск в каналі х(Рв), частоту пульсації повітря х(п) та початкову висоту шару насіння х(h)) 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 (рис. 6, а-в) показують, що найкращий ефект досягається при наступних значеннях чинників: х(Рв)=(1,2-1,4) кПа, х(п)=(8,37-12,56) с-1, х(h)=(0,08-0,12) м. А це означає, що отримані значення цих параметрів з теоретичних досліджень які знаходяться на верхівці гіперплощини (рис. 6, а-в) є найбільш сприятливими для протікання процесу. Поверхня відгуку та контурний графік для Q показують, що при збільшенні значення тиску вентилятора (х), частоти пульсації повітряного потоку (х) зростає продуктивність але відбувається перехід з процесу псевдозрідженя без кипіння в зону пневмотранспорту, що дуже негативно вплине на ТЕС, тому і форма гіперповерхні (рис. 6, г) наближається до площини і вказує на прямопропорційну залежність продуктивності від чинників.
а) б)
в) г)
Рис. 6. Поверхні відгуку для технологічного ефекту сепарації (ТЕС) та продуктивності (Q) репліки 2+зіркові точки:
а) –ТЕС=f(x,x); б) –ТЕС=f(x,x); в) –ТЕС=f(x,x); г) –Q=f(x,x).
В результаті аналізу реплік побудовані нелінійні статистичні моделі для ненатурального значення факторів:
Q = 1,6 + 0,137x + 0,107x + 0,161x,
TEC = 92,47 + 5,66412x + 2,4989x + 4,93x - 7,952x - 0,025xx -4,063x - 8,589x
Мета другої серії досліджень - отримання найбільшого значення продуктивності шляхом збільшення робочої довжини каналу при збереженні значення технологічного ефекту сепарації. Так як раціональні значення х-х вже визначені, і їх зміна призведе до переходу процесу псевдозрідженя в режим пнемотранспорту, то визначали оптимальну довжину каналу. Для проведення експерименту складена матриця 2+зіркові точки і побудовані наступні нелінійні статистичні моделі для ненатурального значення факторів:
Q=1,9 + 0,05x + 0,05x + 0,05x + 0,0084x - 0,0312x - 0,0312 - 0,0312x –- 0,0937x,
TEC= 94 + 1,916x + 0,25x + 0,25x + 1,416x -3,604x - 0,125xx –,979x –
- 0,125xx - 1,729x - 3,604x.
Графіки поверхонь відгуку та ліній рівного виходу показують (рис. 7), 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 (ωп), висоти шару насіння (h) та робочої довжини каналу (L).
а) б)
Рис. 7. Поверхні відгуку для технологічного ефекту сепарації (а) та продуктивності (б) репліки 2+зіркові точки.
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 + 0,075x - 0,095x + 0,1543x + 0,0043x - 0,175x + 0,1854x+ 0,075x+
+ 0,156x - 0,4093x -0,2187xx - 0,1562xx - 0,21875xx + 0,03125xx –,0625xx –
- 0,593xx - 0,625xx - 0,409x -0,156xx - 0,218xx + 0,0312xx - 0,0625xx +
+0,0312xx - 0,4094x + 0,0937xx + 0,0312xx - 0,0625xx - 0,2812xx - 0,0625xx –
+0,409x + 0,0312xx –,0625xx - 0,3437xx + 0,125xx - 0,659x + 0,0625xx +
+0,0312xx - 0,0625xx - 0,3468x - 0,0625xx + 0,0312xx - 0,409x - 0,5968x
Q= 1,85 - 0,0235x - 0,0135x + 0,006x + 0,0165x+ 0,014x 0,0164x -0,0135x -0,006x
-0,0012x - 0,025xx + 0,0125xx -0,0031xx + 0,025xx + 0,0218xx-0,001x –
-0,012xx- 0,0031xx - 0,012xx - 0,0031xx - 0,0012x - 0,0031xx +0,012xx –
-0,0031xx- 0,0012x - 0,0031xx -0,0031xx - 0,0012x - 0,0031xx - 0,0031xx –
-0,0012x - 0,0031xx -0,0012x –- 0,0031xx - 0,0012x
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 |
||
|
2+зіркові точки |
Q |
,068 |
,242 |
,066 |
,0 |
|
ТЕС |
0,235 |
,066 |
|||
|
2+зіркові точки |
Q |
,068 |
,192 |
,297 |
,8 |
|
ТЕС |
0,108 |
,04 |
|||
|
2-2+зіркові точки |
Q |
,0399 |
,042 |
0,008 |
,5 |
|
ТЕС |
0,036 |
,068 |
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.
. 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%.
. Частота пульсації повітряного потоку п істотно впливає на ТЕС (рис. 8), 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.
а) б)
Рис. 8. Залежності впливу робочої довжини перегородки на технологічний ефект (а) та на продуктивність сепарації (б).
5. Встановлено раціональний кут нахилу пневматичного каналу до горизонту =2, що дозволяє поєднати найкращі значення продуктивності (Q) та технологічного ефекту сепарації (TEC). При куті 0≤≤2 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 h при даних значеннях конструктивних та режимних параметрів складає h=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 (рис. 9) і таблиць.
а) б)
Рис. 10. Номограми для визначення технологічного ефекту сепарації ТЕС (а) та продуктивності Q (б).
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.
ПЕРЕЛІК ПУБЛІКАЦІЙ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ
АНОТАЦІЯ
Богатирьов Д.В. Обґрунтування параметрів пневмоімпульсної машини для сепарації насіння за густиною. –Рукопис.
Викладено методику та порядок проведення досліджень.
Ключові слова: пневмоімпульсна машина, густина, насіння, псевдозріджений стан, пульсуючий потік повітря, пульсатор.
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.
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.
Підписано до друку 1.08.2005. Формат 60х84 1/16.
Папір офсетний. Надруковано на різографі. Умов. друк. арк. 1,25.
Замов. №529. Тираж 100 прим.
© РВЛ КНТУ, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.
Тел. (0522) 597-541, 559-245, 597-551.