Разработка и исследование сепаратора роторно – воздушного типа для очистки вороха подсолнечника

На правах рукописи

Перепелкин Михаил Александрович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СЕПАРАТОРА РОТОРНО – ВОЗДУШНОГО ТИПА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОРОХА ПОДСОЛНЕЧНИКА Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Волгоград 2009 2

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохо зяйственная академия»

Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Цепляев Алексей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Павлов Павел Иванович кандидат технических наук, доцент Павленко Владимир Николаевич

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» (г. Зерноград)

Защита диссертации состоится 30 декабря 2009 года в 10 ч. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.008.02 при ФГОУ ВПО «Волго градская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу:

400002, г. Волгоград, Университетский пр-т 26, ауд. 214.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГСХА.

Автореферат разослан 27 ноября 2009г. и размещен на сайте http://www.vgsha.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор А.И.Ряднов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одним из наиболее перспективных путей по вышения производительности и качества работы семяочистительных машин в настоящее время является использование принципиально новых методов очистки, основанных на разделении семян и примесей по нескольким основ ным свойствам.

Существующие семяочистительные машины для очистки вороха под солнечника не обеспечивают отделение легких примесей органического происхождения и недозрелых семян в один этап, из-за чего производитель ность машины существенно снижается. Большинство перерабатывающих предприятий для решения этой проблемы используют более дорогие зару бежные машины. Их работа, в большинстве своем, удовлетворяет требовани ям потребителей, но из-за дороговизны приобретение таких машин для ма лых перерабатывающих предприятий весьма проблематично. Поэтому рабо та, в которой решается вопрос о повышении качественных показателей сель скохозяйственных семяочистительных машин, является весьма актуальной.

В Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии, на кафедре сельскохозяйственных машин разработан сепаратор роторно-воз душного типа, позволяющий увеличить производительность за счёт повыше ния качественных показателей при отделении из вороха подсолнечника лёг ких примесей и недозрелых семян.

Цель исследований. Разработка и исследование сепаратора для отделения из семян подсолнечника примесей, существенно снижающих каче ство масла на основе использования инерционно-воздушной системы.

Задачи исследования.

1. Изучение физико-механических свойств семян подсолнечника примени тельно к инерционно-воздушному процессу разделения.

2. Разработка и исследование сепаратора для очистки семян подсолнечника, обеспечивающего высокое качество сепарации на основе применения инер ционно-воздушной системы.

3. Определение основных факторов, влияющих на качество отделения приме сей из вороха подсолнечника при их очистке.

4. Проведение теоретических и экспериментальных исследований по опреде лению конструкторских и кинематических параметров сепаратора роторно воздушного типа.

Объект исследования. Процесс отделения легковесных примесей из вороха подсолнечника при применении роторно-воздушного сепаратора.

Предмет исследования. Разделение вороха подсолнечника на осно ве аэродинамических свойств семян и примесей с использованием роторно воздушного сепаратора.

Научная новизна работы заключается в разработке и исследова нии роторно-воздушного сепаратора для отделения из вороха подсолнечника легковесных примесей и недозрелых семян, защищённого патентом на изоб ретение;

теоретическом и экспериментальном обосновании параметров ро торно-воздушной системы с учётом аэродинамических свойств и геометриче ских характеристик вороха подсолнечника.

Практическая значимость работы состоит в использовании новой конструкции роторно-воздушного сепаратора;

теоретическом и эксперимен тальном обосновании режимов работы сепаратора;

методике подбора венти лятора на основе теоретических исследований по разделению вороха подсол нечника;

рекомендациях по внедрению конструкции роторно-воздушного се паратора.

Основные положения выносимые на защиту.

1. Конструкция роторно-воздушного сепаратора инерционного типа.

2. Зависимости, определяющие конструктивные и кинематические параметры роторно-воздушного сепаратора.

3. Математическая модель, описывающая процесс работы роторно-воздушно го сепаратора.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработан ной конструкции.

5. Экономическая эффективность от использования разработанной конструк ции.

Апробация. Основные положения диссертационной работы были обсуждены и одобрены на научных конференциях Волгоградской государ ственной сельскохозяйственной академии, XI региональной конференции мо лодых исследователей Волгоградской области 2006 г., XII региональной кон ференции молодых исследователей Волгоградской области 2007 г., Между народной научно-практической конференции, посвящённой 400-летию до бровольного вхождения калмыцкого народа в состав Российского государ ства 2008 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в печатных работах, 2 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Кроме того, получено два патента на изобретения (№2343687, №2343688).

Общий объём публикации 1,2 п.л., из них 0,6 п.л. принадлежит автору.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, глав, общих выводов, списка литературы из 109 наименований и приложе ния. Работа изложена на 192 страницах, содержит 45 рисунков и 20 таблиц.

Содержание работы Введение содержит краткую характеристику проблемы очистки во роха, состояния производства растительного масла, актуальность данной темы, цель работы, положения выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ существующих технологий получения рас тительного масла, средств для разделения зернового вороха и задачи иссле дования» приведены анализ и характеристика современных зерноочиститель ных машин, эксплуатируемых в производстве в настоящее время, приведены схемы отдельных зерноочистительных агрегатов, имеющих цилиндрические решета, рассмотрены основные физико-механические свойства семян под солнечника, изучение в различных работах состояния вороха подсолнечника, режимы и способы хранения масличного сырья, технология производства растительного масла и негативное влияние посторонних примесей на каче ство получаемого продукта. На основании анализа работ: Цепляева А.Н., Буркова А.И., Гавриленко И.В., Гаппоева Т.Т., Голдовского А.М. и других, были определены, а впоследствии выбран наиболее эффективный метод очистки семян подсолнечника от примесей с использованием роторно-воз душной сепарации.

Во второй главе «Теоретические исследования по нахождению зави симостей, определяющих основные параметры сепаратора для очистки воро ха подсолнечника» приведены конструкция и принцип работы роторно-воз душного сепаратора для очистки вороха подсолнечника. В теории рассмотре ны: определение траектории перемещения и величины отбрасывания семян при сходе их с ротора, определение скорости воздушного потока, нахожде ние величины отбрасывания семян подсолнечника при их перемещении в не подвижной воздушной среде, нахождение величины отбрасывания частицы примеси с учётом её перемещения в неподвижной воздушной среде, опреде ление необходимого напора воздушного потока и подбор вентилятора.

На рисунке 1 представлена схема сепаратора, обеспечивающего каче ственное разделение семян по аэродинамическим характеристикам. В конструкцию сепаратора входят: подающий лоток 2, бункер очищенных се мян 7, опирающийся на ролики 8 роторный барабан 3 с воздушным распреде лителем 6. Аспирационная часть состоит из аспирационного канала 4 и воз духовода 11. Бункер очищенных семян имеет две секции – сбора полноцен ных (I) и недозрелых семян (II).

1 – рама;

2 – подающий лоток;

3 – роторный барабан;

4 – аспира ционный канал;

5 – приводной шкив;

6 – воздушный распредели тель;

7 – бункер очищенных семян;

8 – опорный ролик;

9 – при вод ротора;

10 – электродвигатель;

11 – воздуховод.

Рисунок 1 – Схема роторно-воздушного сепаратора для отделения легковес ных примесей Сепаратор для очистки семян подсолнечника работает следующим об разом. Семенная масса с лотка 2 перемещается к вращающемуся роторному барабану 3, при этом в полость воздушного распределителя 6 с внутренней стороны роторного барабана через отверстие под напором подается воздух. В правой верхней четверти роторного барабана происходит взаимодействие воздушного потока и вороха подсолнечника. В этой зоне расположен аспира ционный канал 4, обеспечивающий необходимое разряжение. Совместное воздействие на семя напорного воздушного потока из внутренней полости роторного барабана 3 и разряжения со стороны аспирационного канала поднимает лёгкие примеси с поверхности роторного барабана 3 и через аспи рационный канал направляет их в циклон-пылесборник. Очищенные от лёг ких примесей семена направляются в приёмный бункер 7, разделенный на две части. Полноценные семена собираются в передней полости бункера (I), а недозрелые в полости (II).

Для теоретического определения перемещения семян при сходе их с ротора рассмотрена схема сил, действующих на семя при работе ротора (рис.2).

Рисунок 2 – Схема сил, действующих на семя при его сходе с ротора Представим семя как материальную частицу массой m. В момент от рыва семени от поверхности ротора на него будут действовать следующие силы: mg – сила тяжести;

N – нормальная сила;

– сила трения между семе нем и поверхностью ротора;

- сила инерции;

- сила от действия потока воздуха;

- сила Кориолиса;

– тангенциальная сила инерции.

Уравнения проекций сил на оси ОХ и ОУ:

;

(1). (2) Дифференциальное уравнение для определения скорости схода семян:

Дальность полета семени при сходе с ротора:

Для теоретического нахождения перемещения семян в неподвижной воздушной среде рассмотрена схема, представленная на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема перемещения семян в неподвижной воздушной среде Дифференциальные уравнения движения семян в проекциях на оси О1Х1;

О1У1:

Уравнение перемещения семени в конечном виде:

На рисунке 4 представлен график изменения величины перемещения семян подсолнечника в зависимости от частоты вращения ротора и напора воздуха, полученный в результате теоретических исследований.

n, Рисунок 4 – Изменение величины перемещения семян подсолнечника в зависимости от частоты вращения ротора и напора воздуха 100 Па;

200 Па;

300 Па.

Для теоретического нахождения перемещения примеси в неподвиж ной воздушной среде рассмотрена схема, представленная на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема перемещения примеси в неподвижной воздушной среде Дифференциальные уравнения движения примеси в воздушной среде:

Перемещение частицы в воздушной среде:

В результате теоретических исследований, также был получен график изменения величины перемещения примеси в зависимости от частоты вращения ротора и напора воздуха (рис.6).

n, Рисунок 6 – Изменения величины перемещения частицы примеси в зависимости от частоты вращения ротора и напора воздуха 100 Па;

200 Па;

300 Па.

Выражения дальности полета семени при сходе с ротора и переме щения частицы в воздушной среде могут быть решены только числовым ме тодом, а для этого необходимо использовать соответствующие программы.

Для выражений разработан алгоритм, написаны программы на языке Turbo Pascal и выполнено их числовое решение.

Для теоретического определения скорости воздушного потока, рассмотрена схема сил, действующих на частицу примеси при ее сходе с ро тора (рис.7).

Уравнения проекций сил на ОХ и ОУ:

Рисунок 7 – Схема сил, действующих на частицу примеси при ее сходе с ро тора Дифференциальное уравнение для определения скорости схода примеси с ро тора:

Уравнение скорости воздушного потока:

В третьей главе «Методика проведения экспериментов и обра ботки опытных данных» по исследованию процесса разделения вороха на роторно-воздушном сепараторе были рассмотрены следующие вопросы:

определение основных физико-механических свойств семян и примесей подсолнечника для сортов наиболее распространённых в Волгоградской области;

определение чистоты семян;

проведение лабораторных опытов и производственных испытаний сепаратора.

Лабораторные опыты проводились в 2006-2009г. на кафедре «Сель скохозяйственные машины» Волгоградской государственной сельскохо зяйственной академии. Для определения основных параметров роторно воздушного сепаратора использовалась установка представленная на ри сунке 8.

Рисунок 8 – Общий вид экспериментальной лабораторной установки В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследова ний» роторно-воздушного сепаратора установлены: коэффициенты трения движения и покоя, угол естественного откоса, критическая скорость семян, зависимость перемещения примесей и семян подсолнечника от частоты вращения ротора и воздушного напора, изменение скорости витания при месей в зависимости от воздушного напора, результаты определения влаж ности и засоренности семян подсолнечника на момент испытаний, приве дены результаты экспериментов по оптимизации основных технологиче ских показателей роторно-воздушного сепаратора и построены двумерные сечения.

В результате анализа экспериментов было выявлено среднее значе ние коэффициента трения, которое в зависимости от сорта семян подсол нечника колеблется в пределах 0,13 – 0,15 для трения покоя, и 0,39 – 0, для трения движения.

На основании исследования линейных размеров семян подсолнеч ника различных сортов, построены вариационные кривые процентного со отношения классов полноценных и недозрелых семян по длине, толщине и ширине. В качестве примера на рисунках 9-10 приводятся распределения полноценных и недозрелых семян по длине.

Рисунок 9 – Вариационные кривые процентного соотношения классов семян по длине Рисунок 10 – Вариационные кривые процентного соотношения классов недо зрелых семян по длине Из анализа распределения полноценных и недозрелых семян по дли не следует, что эти показатели у них значительно разнятся. Поэтому для отделения недозрелых семян по длине возможно использование триеров. Од нако эти устройства имеют один недостаток – низкую производительность.

Поэтому целесообразнее применить инерционно-воздушный способ разделе ния.

Наибольший интерес представляют экспериментальные данные по определению величины отбрасывания семян подсолнечника и примесей в за висимости от частоты вращения ротора и воздушного напора (Рис.

11,12,13,14,15,16).

n, n, Рисунок 11 – Зависимость перемещения семян Рисунок 12 – Зависимость перемещения семян подсолнечника (сорт Лакомка) подсолнечника (сорт Богучарец) 100 Па;

200 Па;

300 Па. 100 Па;

200 Па;

300 Па.

n, n, Рисунок 13 – Зависимость перемещения Рисунок 14 – Зависимость перемещения семян подсолнечника (сорт Воронежский) недозрелых семян подсолнечника (Лакомка) 100 Па;

200 Па;

300 Па. 100 Па;

200 Па;

300 Па.

n, n, Рисунок 15 – Зависимость перемещения Рисунок 16 – Зависимость перемещения недозрелых семян подсолнечника (Богучарец) недозрелых семян подсолнечника (Воронежский) 100 Па;

200 Па;

300 Па. 100 Па;

200 Па;

300 Па.

Исследуя графики, представленные на рисунках 11, 12, 13, 14, 15, было выявлено, что совместное влияние воздушного напора и частоты вра щения роторного барабана на начальном уровне (частота вращения ротора 10-80 имеет равномерный возрастающий характер, далее кривые на чинают разворачиваться вдоль горизонтальной оси. Исследования показали, что независимо от сорта увеличение напора воздуха на 100 Па в среднем даёт увеличение длины отбрасывания семян на 0,8 – 0,1 м. Максимальное значе ние длины отбрасывания зафиксировано для сорта Лакомка, при величине напора воздуха 200 Па и составляет 1,38 м. При таком же значении напора воздуха у сорта Богучарец зафиксировано значение 1,25м, а у Воронежского 638 - 1,2м. Анализируя вышеизложенное, можно сказать, что зависимость влияния напора воздуха и частоты вращения роторного барабана на длину отбрасывания семян практически не зависит от сорта и имеет параболиче скую зависимость.

Поскольку на технологический процесс разделения вороха подсол нечника оказывают влияние многие факторы одновременно, то для выявле ния их взаимного влияния проведен многофакторный эксперимент.

На основании теоретических исследований и результатов предвари тельных опытов были установлены факторы, назначены уровни (основной, нижний и верхний) и интервалы варьирования (табл.1).

Таблица 1 – Факторы, их уровни и интервалы варьирования Интервал Уровни фактора Факторы варьирования, –1 0 + х1 – напор воздуха, Па 100 200 300 х2 – окружная скорость, м/с 1,3 1,9 2,5 0, х3 – угол направления воздушного по 0 10 20 тока, град Схема его проведения, уравнения регрессии, факторы, их уровни и интервалы варьирования рассмотрены ниже.

Уравнения регрессии (17) (18) В результате обработки уравнений регрессии на ПЭВМ получены опти мальные значения факторов, представленные в таблице 2.

Таблица 2 - Оптимальные значения факторов Рекомендуемые зна Чистота вороха Потери семян Факторы чения факторов - напор воздуха, Па -окружная ско рость, м/с -угол направления воздушного потока Примечание: в числителе – в кодированном виде, в знаменателе – в раскоди рованном.

В качестве примера решения задачи многофакторного эксперимента представлены двумерные сечения по изучению влияния отдельных факторов (рис.17-18).

Рисунок 17 - Влияние факторов Рисунок 18 - Влияние факторов х1 и х2 на критерии оценки х1 и х3 на критерии оценки После проведения экспериментов анализ вороха показал преимуще ство очистки вороха семян подсолнечника с использованием сепаратора ро торно-воздушного типа. Анализ вороха до и после экспериментов приведен в таблице 3.

Таблица 3 – Результаты анализа вороха подсолнечника До проведения экс- После проведения Примесь, % перимента эксперимента Минеральная примесь 0,12 0, Органическая примесь 1,23 0, Сорные семена 0,31 0, Испорченные зерна 0,47 0, Битые зерна 0,54 0, Изъеденные зерна 0,18 0, Недозрелые зерна 2,03 0, В пятой главе «Определение основных экономических показателей эффективности роторно-воздушного сепаратора» приведены расчёты затрат на изготовление сепаратора и экономическая эффективность от его использо вания.

Расчётами было установлено, что годовой экономический эффект от использования сепаратора составляет 546 470 руб., стоимость новой конструкции роторно-воздушного сепаратора составляет 53450 руб. при сро ке окупаемости в 1 месяц.

Общие выводы 1. Для отделения недозрелых семян и легковесных примесей из вороха подсолнечника на современных семяочистительных машинах исполь зуются аспирационные системы и триерные барабаны, характеризую щиеся малой производительностью и недостаточным качеством полу чаемых семян. Для повышения основных показателей разработан ро торно-воздушный сепаратор, защищенный патентом на изобретение РФ № 2343687.

2. Полученные по результатам теоретических исследований дифференци альные уравнения технологического процесса разделения вороха под солнечника и результаты их решения числовым методом с использова нием программы Turbo Pascal позволяют утверждать, что при опреде ленных величинах оборотов ротора и воздушного напора обеспечивает ся качественное разделение вороха (ф. 8, 11).

3. С целью подбора вентилятора для создания необходимого воздушного напора в диссертации теоретически обоснована методика, в основу ко торой положена зависимость (ф. 16) полученная по результатам теоре тических исследований.

4. Вариационные кривые, построенные по результатам исследований для различных сортов полноценных и недозрелых семян подсолнечника позволяют утверждать, что все они носят нормальный закон распреде ления, их параметры для ширины и толщины семян разнятся несуще ственно, но по длине недозрелые и полноценные семена значительно отличаются.

5. Величина перемещения семян при сходе их с ротора сепаратора и под воздействием воздушного потока при одинаковых значениях частоты вращения ротора и напора воздушного потока существенно меньше, чем недозрелых семян.

6. При проведении многофакторного эксперимента получены следующие оптимальные параметры работы роторно-воздушного сепаратора:

- напор воздуха, 245Па;

- окружная скорость ротора, 2 м/с;

- угол направления воздушного потока, 9.

7. По результатам анализа состояния вороха подсолнечника до и после проведения эксперимента установлено, что содержание минеральных примесей снижается в 6 раз, органических примесей в 1,8 раза, недозрелых семян в 4 раза, семян сорняков в 3 раза.

8. Расчетами установлено, что годовой экономический эффект от при менения сепаратора составляет 546470 руб. в сравнении с использова нием триерных блоков.

Рекомендации производству При разделении на роторно-воздушном сепараторе вороха подсолнеч 1.

ника его влажность не должна превышать 6,5%.

Роторно-воздушный сепаратор используется в общей системе сорти 2.

ровки вороха и его монтаж в технологической схеме предусмотрен во вторичном блоке очистки.

Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Перепелкин, М.А. Модифицирование технологических линий для по лучения растительного масла на малых предприятиях / М.А.Перепел кин // ВГСХА. Материалы XI региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области. 8 – 10 ноября 2006 г. / ВГ СХА. – Волгоград, 2007. – С.98-99.

2. Цепляев, А.Н. Усовершенствование линий по выделению масла из се мян подсолнечника, с повышением качественных показателей / А.Н. Цепляев, М.А.Перепелкин // Вестник АПК. – 2006 - № 12. – С. 15-17.

3. Пат. № 2343687 С1 Российская Федерация, А 01 F 12/44, B 07 B 1/10.

Сепаратор для очистки зернового вороха / М.А.Перепелкин, В.Г.Абе зин, А.Н.Цепляев, В.В.Карпунин // заявл.: 07.11.2007, Бюл. №2. – 5с.

4. Цепляев, А.Н. Модернизация линий производства масла из семян подсолнечника на малых предприятиях / А.Н.Цепляев, М.А.Перепел кин // Масложировая промышленность. – 2007 - № 4. – С. 14-15.

Пат. № 2343688 С1 Российская Федерация, A 01 F 12/44, B 07 B 1/10.

5.

Сепаратор для очистки зерновой смеси / М.А.Перепелкин, В.Г.Абе зин, А.Н.Цепляев // заявл.: 21.11.2007, Бюл. №2. – 4с.

6. Перепелкин, М.А. Усовершенствование линий по выделению масла из семян подсолнечника с повышением качественных показателей / М.А.Перепелкин // ВГСХА. Материалы XII региональной конферен ции молодых исследователей Волгоградской области. 13 – 16 ноября 2007 г. / ВГСХА. – Волгоград, 2008. – С.157-159.

7. Цепляев, А.Н. Устройство для очистки семян подсолнечника / А.Н. Цепляев, М.А.Перепелкин // Сельский механизатор. - 2008 - №7. – С.

7.

8. Цепляев, А.Н. Теоретическое определение скоростей семян подсол нечника и примесей при разделении вороха на роторно-воздушном сепараторе / А.Н.Цепляев, М.А.Перепелкин // Известия нижневолж ского агроуниверситетского комплекса. – 2009 - №3. – С.123-129.

Подписано в печать 26.11. Формат 60х84 1/16. Уч. –изд. л. 1,0. Тир. 100. Зак.

Издательско-полиграфический комплекс ВГСХА «Нива» 400002, Волгоград, пр. Университетский,