С вибрационно-качающейся решетной поверхностью для зерновых материалов
На правах рукописи
ТАРАСЕВИЧ
Светлана Владимировна
УДК 664.726.1(043.3)
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СЕПАРАТОРА
С ВИБРАЦИОННО-КАЧАЮЩЕЙСЯ РЕШЕТНОЙ
ПОВЕРХНОСТЬЮ ДЛЯ ЗЕРНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Барнаул 2006
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайский государствен ный технический университет им. И.И. Ползунова (АлтГТУ)»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель РФ Злочевский Валерий Львович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Трухина Вера Дмитриевна;
кандидат технических наук, доцент Сороченко Сергей Федорович Ведущее предприятие: Государственное образовательное учреж дение высшего профессионального обра зования «Алтайский Государственный Аграрный Университет (АГАУ)», г. Барнаул
Защита состоится «21» декабря 2006 года в 900 часов на засе дании диссертационного совета Д 212.004.02 в Алтайском государст венном техническом университете им. И.И.Ползунова по адресу:
656099, г. Барнаул, пр. Ленина, 46. Е-mail: [email protected].
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета
Автореферат разослан « » ноября 2006 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета Д 212.004. доктор технических наук, профессор Куликова Л.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность и состояние проблемы. Одной из важнейших технологических операций в процессах приема, хранения и переработ ки зерна является процесс сепарирования, т.е. разделение сыпучих ма териалов на фракции, отличающиеся свойствами частиц. Анализ стати стических данных показывает, что существующая техника сепарирова ния по четкости разделения смесей недостаточно эффективна и не удовлетворяет возросших требований промышленности. Поэтому на сегодняшний день разработка новых теорий и техники сепарирования зерна и продуктов его переработки является весьма актуальной.
В настоящее время существует два подхода к решению этой про блемы: первый – многократное прохождение зерновой смеси через зерноочистительные машины, что нарушает непрерывность техноло гического процесса, снижает эффективность работы оборудования при последующих стадиях обработки и приводит к увеличению дробленых зерен;
второй – создание новых высокоэффективных технологических схем, позволяющих получить заданные параметры качества разделяе мых материалов.
В данной работе создан, теоретически проанализирован и испы тан новый вид сепарирующего устройства, позволяющий повысить эффективность сепарирования зернового материала, которое одновре менно использует различные схемы технологического процесса на сравнительно небольшой площади устройства.
В настоящее время достаточно хорошо исследованы методы се парирования материалов по наклонной вибрирующей решетной по верхности, обеспечивающей движение материала как упруго пластичной среды при малом уровне вибраций решета, так и при высо ком уровне вертикальных колебаний, когда материал ведет себя как псевдожидкость.
Кроме того, известны способы сепарирования на качающихся по верхностях различной конфигурации с относительно малой частотой и большой амплитудой.
Раздельно эффекты сепарирования, основанные на двух послед них указанных принципах, достаточно хорошо изучены.
В данной работе предпринята попытка соединить оба этих синер гетических эффекта в условиях одной установки. Основой принципа действия устройства является вибрационно-качающийся механизм колебаний дугообразного решета с регулируемой скоростью осевого движения материала в область схода.
Целью работы является повышение технологической эффектив ности процесса сепарирования зерновых материалов при использова нии решетных поверхностей.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:
1. Исследовать и экспериментально обосновать закономерности движения виброожиженного слоя зернового материала в це лом как сплошной псевдоожиженной среды.
2. Создать математическую модель движения зернового мате риала на решетной поверхности, совершающей вибрационно качающиеся колебательные движения.
3. Исследовать, математически описать и экспериментально под твердить принятый закон сепарирования зернового материала при его движении по решетной поверхности.
4. Разработать расчетно-экспериментальные методики определе ния базовых параметров расчетной модели и создать алгоритм расчета сепараторов с вибрационно-качающимся принципом действия рабочего органа по исходным заданным эффектив ным параметрам процесса (степень очистки, производитель ность, габариты устройства и др.).
5. Обосновать эффективность данного метода сепарирования по сравнению с другими известными.
Объект исследования - процесс движения и сепарирования сме си зерновых материалов на сепарирующем устройстве с вибрационно качающимся принципом действия рабочего органа.
Предмет исследования – закономерности процесса движения и сепарирования смеси зерновых материалов на вибрационно-качаю щемся решете сепарирующего устройства.
Научная новизна работы. Показана возможность описания за кономерности движения относительно тонкого (до 20мм) виброожи женного слоя зернового материала пшеницы для условий работы ре шетного сепаратора с позиций классических законов гидромеханики.
Созданы и исследованы математические модели движения частиц зер нового материала пшеницы как на плоской наклонной нормальновиб рирующей, так и на криволинейной виброкачающейся поверхности рабочего органа сепарирующей машины. Разработана математическая модель сепарирования исследуемого виброожиженного зернового ма териала при его движении по решетной поверхности. Представлен многопараметрический информативный расчетно-экспериментальный инженерный метод расчета сепараторов с вибрационно-качающимся принципом действия рабочего органа.
Практическая ценность результатов данной работы состоит в том, что они позволяют производить расчет и создавать конструкции сепараторов, основанных на вибрационно-качающемся принципе дей ствия рабочего органа по заданным производительным и эффективным характеристикам. Используя созданный метод расчета, можно решать задачи оптимизации конструкций подобных сепарирующих устройств по различным технологическим факторам;
замены действующих сепа рирующих устройств более эффективными, вписываясь в заданные пространственные габариты существующих линий переработки зерна.
Результаты исследований используются в учебном процессе АлтГТУ и приняты к внедрению на ООО Машиностроительном заводе «Мель ник» г. Барнаула.
Достоверность. Выводы и результаты теоретических исследова ний подтверждены экспериментально и имеют достаточную сходи мость данных.
На защиту выносится 1. Математические модели движения и сепарирования смеси зерновых материалов на решетных поверхностях с вибра ционно-качающимся принципом действия.
2. Методики определения проходовых и реологических па раметров зерновых материалов на решетной поверхности.
3. Основы метода расчета сепаратора нового типа (патент на изобретение № 2279930 «Сепаратор-классификатор»).
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и одобрены на научно-практических конференциях студен тов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Алтай ского государственного технического университета (2003-2006 г.). На научных семинарах кафедры «Машины и аппараты пищевых произ водств» Алтайского государственного технического университета (2004-2006 г.) и института техники и агроинженерных исследований Алтайского государственного аграрного университета (2006 г.). На 2-й Всероссийской научно-практической конференции «Наука и мо лодежь» (2005 г.) г. Барнаул. На 11-й международной научно практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-11-2005)» г. Томск, ТГУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 пе чатных работ, в том числе получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 145 страниц, включая 4 таблицы, 39 рисунков и состоит из введения, пяти глав, спи ска литературы из 163 наименований, в том числе 2 на иностранном языке, и приложений.
В процессе работы над диссертацией автор пользовался науч ными консультациями кандидата технических наук, доцента кафедры «Детали машин» А.В. Баранова.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации и вы брано направление исследования.
В первой главе дан анализ существующих методов расчета и пу тей интенсификации процесса сепарирования смеси зерновых материа лов на решетных поверхностях. Проанализированы работы ведущих исследователей в данной области, посвященные изучению сущности процесса сепарации. Установлено, что дискретность рабочей среды вынуждает исследователей рассматривать законы движения зерновой смеси как отдельных материальных частиц обособлено, вне силовых связей с соседними частицами, что не отражает реальной физической картины процесса, либо прибегать к использованию вероятностных методов анализа. Принято решение в данной работе использовать ква зидетерминированный подход, позволяющий учесть максимальное количество факторов с позиций физики происходящих процессов.
На основании анализа проведенных исследований предложена схема работы сепарирующего устройства, кинематика движения рабо чего органа которого основана на вибрационно-качающемся принципе действия (рисунок 1). При этом вибрационные колебания осущест вляются в вертикальной плоскости с параметрами выше уровня псев доожижения материала.
Такой подход к решению вопроса создания сепаратора позволил:
1. за счет эффекта виброожижения значительно увеличить под вижность слоя и как результат – увеличить скорость движения зер нового материала по качающейся решетной поверхности.
2. за счет значительных вертикальных вибрационных ускорений обеспечить эффективную самоочистку решета. При этом нормаль ная вибрация решета значительно сместит предельную тангенци альную скорость, при которой прекращается процесс сепарации в область больших значений.
3. использовать описание движения зернового материала, находяще гося в новом (виброожиженном) агрегатном состоянии, не имею щем критических реологических параметров, с позиций теории сплошных сред. Для описания процесса движения слоя зернового материала предполагается использование классических физиче ских законов, т.е. применить квазидетерминированный подход.
Поставлены цель и задачи исследований.
Рисунок 1 - Схема работы сепаратора: 1 – питатель;
2 – решето.
Во второй главе исследуется процесс движения относительно тонкого слоя сыпучих зерновых материалов на вибрирующей наклон ной решетной поверхности. В случае вертикальных колебаний решета, при ускорениях, больших ускорений свободного падения (g), начина ется отрыв зернового материала от поверхности с разрыхлением слоя.
При этом он приобретает новые свойства. Коэффициент трения между отдельными частицами, находящимися в состоянии лишь ударных взаимодействий, в момент их отрыва становится равным нулю. По этой причине, в данных условиях, становится неприемлемым для описания процессов движения, использование традиционных фрикционных ха рактеристик. Для описания поведения слоя сыпучего материала на нормальновибрирующей поверхности необходимо принять реологиче скую модель его движения.
Н.Б.Урьевым, Н.В.Михайловым и П.А.Ребиндером впервые экс периментально доказано, что течение сыпучих материалов при опреде ленных уровнях вибраций подчиняется законам, характерным для ньютоновской жидкости. Свойства виброожиженного слоя, как отме чают многие исследователи, по физико-механическим свойствам ха рактерны для вязкой жидкости. Следует заметить, что понятие вязко сти в применении к сыпучим материалам является весьма условным, но при определенных параметрах вибрации и толщине слоя эти систе мы приобретают текучесть, свойственную истинно вязким жидкостям, и могут быть охарактеризованы обычными реологическими парамет рами, такими как эффективная кинематическая () и эффективная ди намическая (µ) вязкость.
В настоящей работе отмечается возможность описания законо мерностей движения относительно тонкого слоя зернового материала, подвергнутого виброожижению, с позиций классических законов гид ромеханики.
В соответствии с законом Ньютона для вязкой жидкости имеем:
dV =µ, (1) dx - касательное напряжение слоя;
µ где - эффективный коэффициент dV динамической вязкости;
- градиент скорости движения слоев.
dx Исследования силовых факторов, действующих на элементы виб роожиженного слоя (рисунок 2), с учетом ряда допущений, привели к получению уравнения стационарного движения зернового материала на наклонной плоскости:
x g Vx = [hx ] sin, (2) где h – высота слоя зернового материала;
– угол наклона поверхно сти к горизонту.
Заметим, что здесь скорость движения частиц слоя материала, выделенного на расстоянии x от основания, следует рассматривать как среднеинтегральное значение.
Рисунок 2 - Виброожиженный слой зернового материала на на клонной плоскости Предварительные экспериментальные исследования, выполнен ные на экспериментальном вибролотке и представленные на рисунке 3, подтверждают качественный характер зависимости скорости в функ ции угла наклона поверхности.
0, скорость поверх. слоя. V, м/с h = 20 мм 0, h = 10 мм 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 0,1 0,2 0,3 0, sin(а) Рисунок 3 - График скорости зернового материала в функции си нуса угла наклона плоскости Достоверным экспериментальным фактом является также увели чение скорости движения поверхностного слоя материала в функции его высоты, установленный нами и рядом исследователей.
На рисунке 4 приведена экспериментальная зависимость кинема тической вязкости в функции высоты слоя зернового материала h.
Установлено, что существует предельная толщина слоя виброожижен ного зернового материала (для пшеницы h 20 мм), выше которой под вижность слоя резко падает, нарушается его однородность.
кинематическая вязкость, Ст 0 5 10 15 20 25 высота слоя, h мм Рисунок 4 - График изменения эффективной кинематической вяз кости зернового материала в функции высоты слоя h Данная толщина была принята в качестве граничного значения адекватности разработанной модели движения слоя зернового мате риала.
Важным является факт практической неизменности значений эффективной кинематической вязкости, в функции скорости ма териала по решету V (рисунок 5).
кинематическая вязкость, Ст 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0, скорость V, м/с Рисунок 5 - График кинематической вязкости в функции скорости материала по решету Исследования нестационарного движения виброожиженного ма териала на наклонных поверхностях с учетом динамических нагрузок (рисунок 6) позволили рассмотреть вопрос о влиянии на данный про цесс ускорения опорной поверхности.
Рисунок 6 - К уравнению равновесия сил элементов слоя Получено уравнение относительного движения элемента слоя на наклонной поверхности с учетом ускорений (a) последней вдоль плос кости основания слоя:
x Vx = ( g sin a) (hx ) (3) Проведенные исследования позволили получить закономерности движения элемента слоя, находящегося на круговой поверхности, в цилиндрических координатах d 2 x Vx = 1 ( g sin + r ) (hx ), (4) dt 2 где t – время процесса, и далее - среднюю скорость движения слоя материала по цилиндриче ской качающейся поверхности, совершающей маятниковые гармони ческие колебания:
dy h 2 y (t ) 0 r sin t g sin 0 sin t + =, r (5) dt 3 где 0 – угловая амплитуда колебаний;
r – радиус колебаний;
- уг ловая частота гармонических колебаний;
y(t) – дуговое смещение мате риала относительно решета.
Это соотношение является дифференциальным уравнением дви жения элемента слоя относительно решетной поверхности. Интегриро вание этого уравнения было реализовано численными методами в сре де EXCEL c использованием ПК.
По результатам исследований можно сделать несколько выводов.
Анализ показал, что источником движения на качающейся криво линейной поверхности служит инерционно-гравитационный механизм, причем силы, создаваемые этими механизмами, являются конкури рующими.
Если решето движется с периодом окружных колебаний больше резонансного, инерционные силы, действующие на материал, незначи тельны. Материал «стекает» с поверхности под действием тангенци альной составляющей гравитационной силы. При этом интенсифика ция процесса может быть обеспечена большими углами наклона по верхности к горизонту.
В случае равенства силового воздействия обоих указанных ис точников движения, материал находится в покое относительно решет ной поверхности. Такой режим, с точки зрения сепарирования, явля ется нежелательным.
При периоде колебаний меньше резонансного, а следовательно, и больших окружных ускорениях инерционные тангенциальные силы значительны. Именно они теперь являются источником движения. В последнем случае возможности получения больших скоростей движе ния материала по решету теоретически не ограничены, однако динами ческие нагрузки на элементы машины при этом значительны.
В работе эти три случая движения материала названы дорезо нансной, резонансной и послерезонансной зоной периодов колебаний соответственно.
Также в главе рассмотрены и другие, более сложные случаи дви жения материала.
Полученная модель устанавливает связь характеристик движения материала в функции параметров сепаратора и используемого зерново го материала. Базовое значение кинематической вязкости зернового материала определяется экспериментально с использованием лабора торной установки.
В третьей главе принята физическая модель сепарирования зернового материала. В литературном анализе отмечается, что в на стоящее время отсутствует универсальная математическая модель се парирования зерновых материалов на решетной поверхности непо средственно пригодная для практических расчетов. В данном разделе предпринята попытка применить новый подход к решению этой зада чи, используя представления из других областей знания.
На базе химической аналогии принята физическая модель се парирования движущегося слоя зернового материала, интерпретируя процесс сепарирования как многостадийную гетерогенную химиче скую реакцию, происходящую на разделе фаз (виброожиженная среда – решетная поверхность) и имеющую подобную структуру массооб мена.
На базе основного уравнения химической кинетики после рассу ждений и преобразований представлено выражение (в работе подтвер жденное экспериментально), характеризующее интенсивность прохода на решетной поверхности W=Sс, (6) где W – удельный расход проходовой фракции зернового материала через решето;
с – концентрация проходовой фракции слоя материала у решета;
S – постоянная (параметр проходовой активности системы).
Рассматривая баланс проходовой фракции (ПФ) через неподвиж ный относительно решета элемент dv (рисунок 7) получено дифферен циальное уравнение для концентрации ПФ по длине траектории дви жения зернового материала.
Решение этого уравнения после преобразований принимает вид выражения для эффективности очистки:
S = 1 exp( t ), (7) h где t – время нахождения зернового материала на решете.
Рисунок 7. Баланс проходовой фракции движущегося зернового материала На основании данных гипотетической модели создана математи ческая модель процесса сепарирования зернового материала, информа тивно отражающая сущность процесса. Отметим, что подобные выра жения были получены другими исследователями в разное время (И.М.
Абромовичем, А.В. Панченко, С.В. Васильевым, Н.И. Сысоевым, В.М.
Цециновским, Е.А. Непомнящим, И.Е. Кожуховским), но совершенно с других позиций, базируясь на стохастических и эмпирических подхо дах. Это доказывает правильность принятой нами физической и мате матической модели сепарирования.
На основании собственных исследований и результатов работ ис следователей, работающих в этой области, установлены технологиче ские параметры вибрации решета и высоты слоя зернового материала, соответствующие частоте виброколебаний 45 Гц, амплитуде колебаний 1,2 мм и высоте слоя зернового материала (пшеница) до 20 мм.
В четвертой главе приведено описание и методы эксперимен тальных исследований сепарируемого зернового материала в условиях виброожижения. Для исследования процессов движения и сепарирова ния зернового материала использовались два типа экспериментальных лабораторных установок. Первым является малогабаритный аналог создаваемого сепарирующего устройства, представляющий собой ус тановку с виброкачающимся решетом с соответствующей исследова тельско-регистрирующей и управляющей периферией. Вторым уст ройством является наклонное решето для определения реологических и проходовых параметров материала (вибролоток).
Порядок проведения эксперимента был определен согласно ГОСТов и традиционных методик расчета показателей зерноперераба тывающих предприятий и элеваторов. Статистическая обработка опыт ных данных и анализ полученных результатов проводились классиче скими методами при использовании стандартного программного паке та «Statistica 6».
В качестве базового зернового материала использовалась ре альная пшеница урожая 2004 года, выращенная в Алтайском крае и полученная сходом с решета 2 20 мм.
Для определения эффективной кинематической вязкости зерново го материала были разработаны две расчетно-экспериментальные ме тодики. Наиболее простая методика базировалась на определении по верхностной скорости движущегося слоя по наклонной плоскорешет ной поверхности вибролотка и использовании соотношения (2) при решении его относительно искомого параметра:
gh = sin (8) 2Vh Полученные результаты (включая графики рисунков 4, 5) свиде тельствует, что диапазон значений эффективной кинематической вяз кости = 14 – 20 Ст является базовым (для пшеницы с влажностью до 15 %) и не требует экспериментальной проверки. При более высокой влажности требуется дополнительная проверка параметров материала по разработанной методике.
Определение параметра проходовой активности производилось с использованием вибролотка на основе соотношения (7). Последнее, с учетом особенностей конструкции установки, было преобразовано к виду 2h ln(1 1,444 )Vh S =, (9) 3y где - экспериментальное значение отношения массы прохода к об щей массе примеси проходовой фракции в исследованном материале;
у – длина решета.
В экспериментальных исследованиях использовалась зерновая смесь, составленная по традиционной методике. В одном случае в ка честве примеси с концентрацией 10 % использовалось битое и непол ноценное зерно пшеницы (полученное проходом через решето 2 20), в другом – зерна проса. Результаты исследований параметра S в функ ции средней скорости движения материала зерновой смеси представ лены на рисунках 8 и 9.
0, 0, S, м /с 0, 0, 0 0,2 0,4 0, Cредняя скорость перемещения слоя, м/с Рисунок 8 - Зависимость параметра проходовой активности S от средней скорости перемещения слоя зернового материала (проход просо) 0, 0, 0, S, м /с 0, 0, 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0, Средняя скорость перемещения слоя, м/с Рисунок 9 - Зависимость параметра проходовой активности S от средней скорости перемещения слоя зернового материала (проход битое зерно пшеницы) Из анализа графиков следует, что существует критическая ско рость Vкр, выше которой параметр S растет медленнее, либо вообще не растет. В наших экспериментах с решетом 2 x 20 мм для материала пшеницы критическая скорость составила величину Vкр 0,2 м/с и не зависит от дисперсности ПФ. Большая скорость не приведет к интен сификации процесса, но приведет к неоправданным излишним энерге тическим затратам и динамическим нагрузкам на детали машины.
Приближенно указанные графики можно линеаризовать лома ной прямой (рисунок 10).
S Vкр Рисунок 10 – Приближенная зависимость параметра проходо вой активности S от средней скорости перемещения слоя зернового материала V Тогда начальный участок данного графика может быть описан линейной зависимостью вида S = kV, (10) где k – постоянная, соответствующая тангенсу угла наклона прямой.
В отличие от параметра S коэффициент k уже не зависит от скорости материала и может быть охарактеризован как безразмерный коэффициент проходовой активности материала. Для проведенных экспериментов по рисунку 8 и 9 его величина соответственно состави ла: k = 0,02 и k =0,3.
Далее в главе проведен компьютерный анализ средней скоро сти движения материала относительно решета с использованием чис ленных методов для ряда соотношений амплитуд, радиусов и периодов колебаний решетной поверхности. Результаты одного из модельных испытаний приведены на рисунке 11. Здесь знак минус скорости в по слерезонансной зоне следует рассматривать как запаздывание по фазе движения материала относительно движения самого решета.
0, 0, 0, скорость, м/с -0,1 0 2 4 6 8 -0, -0, -0, -0, -0, период колебаний, с Рисунок 11 - Средняя скорость движения зернового материала при разных периодах колебаний при =0,0014 м2/с, R = 0,5 м, 0 =450 и h = 20 мм Из графика видно, что в дорезонансной зоне имеется определен ный экстремум.
Ранее было показано, что интенсивность процесса сепарирования ограничивается критической скоростью движения материала по ре шетной поверхности. Учитывая, что экстремальные значения скоро стей и критическая величина скорости сепарирования соизмеримы, рабочей областью (оптимальным периодом) предложено считать об ласть экстремума скорости дорезонансной зоны со свойственной ей спокойной безынерционной малоэнергозатратной работой оборудова ния.
Комплексная диаграмма интенсивности движения материала по решету с учетом амплитуды окружных колебаний представлена на ри сунке 12.
Компьютерные исследования динамики движения материала в дорезонансной экстремальной зоне, проведенные на базе модели дви жения материала, показали, что радиус колебаний решета практически мало влияет на абсолютную величину экстремальной скорости (рису нок 13). Основным фактором, определяющим величину последней, является угловая амплитуда колебаний. Отмечается также, что поло жение области экстремальных значений скорости по периоду колеба ний решета практически линейно растет с увеличением радиуса коле баний Рисунок 12 - Комплексная диаграмма интенсивности движения материала по решету и очень незначительно падает с увеличением вязкости слоя для иссле дованной зерновой смеси (рисунок 14).
0, 0, 0, амплитуда скорость,м/с колебаний 10 град 0, амплитуда колебаний 20 град 0,15 амплитуда колебаний 30 град 0,1 амплитуда колебаний 45 град 0, 0,2 0,4 0,6 0,8 радиус колебаний,м Рисунок 13 - Зависимость средней экстремальной скорости от ра диуса и амплитуды колебаний решета период колебаний, с 8 кинематическая вязкость 14 Ст кинематическая вязкость 20 Ст 0 0,5 1 1,5 2 2, радиус колебаний, м Рисунок 14 - Период колебаний при экстремальной скорости Проведенные в главе исследования являлись базой для анализа работы и расчета экспериментального сепаратора.
В пятой главе изложены теоретические основы алгоритма расче та сепаратора с вибрационно-качающимся принципом действия рабо чего органа.
Приведен пример расчета сепаратора с заданными параметрами производительности (Q = 2 т/ч) и эффективности разделения материала ( = 0,9). По результатам расчета получены основные конструктивные и технологические параметры сепарирующего устройства (R = 1 м;
0 = 300;
= 0,0014 м2/с;
h = 20 мм;
период колебаний решета T = 5,3 с;
угол наклона оси решета к горизонту = 4,0860;
осевая длина решета Lдл = 0,759 м;
дуговая ширина решета Lш = 1,33 м;
tтр = 11,51 с). Удельная нагрузка на решето составила величину 0,558 кг/м2·с.
Проведены сравнительные исследования параметров сущест вующих сепараторов и экспериментального (рисунок 15), показавшие хорошие технологические данные экспериментального сепаратора.
Оценка адекватности разработанного метода производилась на основании расчетов и испытаний полноты разделения зерновых мате риалов на малогабаритной экспериментальной установке в дорезо нансной области колебаний решета радиусом кривизны R=0,4 м, дли ной решета Lдл = 0,3 м и толщиной слоя материала h = 10 мм. Ширина питателя в осевом направлении решета с регулируемой подачей зерна составляла величину l = 100 мм. В качестве 10% примеси к сходовой фракции пшеницы с влажностью 15% на решете с прямоугольными отверстиями 2 х 20 мм использовалось битое и неполноценное зерно той же пшеницы.
1, 1,6 1,4 удельная нагрузка, q, кг/с*м 1, 0, 0, 0, 0, 0 0,5 степ ен ь оч и стк и Рисунок 15 - Влияние нагрузки на качество работы решет зер ноочистительных машин (на пшенице влажностью до 15% и содержа нием примеси не более 10%): 1 – цилиндрическое решето сепаратора, используемого в технологической линии подготовительного отделения ООО Машиностроительного завода «Мельник»;
2 – виброкачающееся решето с отверстиями 2 х 20 экспериментальной машины;
3 – подсев ное решето с отверстиями 2,4 х 20 плоскорешетной зерноочиститель ной машины «Воронежсельмаш».
По расчетам, с принятой кинематической вязкостью зерновой смеси = 0,0014 м2/с, экстремальный период колебаний решета соста вил величину Т = 5 с, резонансный – Т = 1,27 с.
Исследования производились при периодах колебаний 2с, 5с, 15с, т.е в до-, после- и в самой экстремальной зоне в области дорезо нансного периода. Результаты теоретических исследований приведены в таблице. Сравнительная экспериментальная характеристика – на гра фике (рисунок 16).
Таблица - Результаты теоретических исследований № Угол наклона оси решета, Время нахождения матер.
Производительность, кг/с Ср. осевая скорость мате Ср. скорость решета, м/с Ср. скорость материала, Период колебаний, Т,с Степень очистки, отн. решета, м/с на решете, t, с риала, м/с, град.
1 2 0,04 0,1 25 3 0,5 0,2 0, 2 5 0,06 0,04 10 8 0,8 0,08 0, 3 15 0,04 0,01 3 30 0,97 0,03 0, Эффективность очистки 0, расчетная 0, эффективность 0,4 экспериментальная эффективность 0, 1 2 Номер эксперимента Рисунок 16 - Сравнительная характеристика расчетных и экс периментальных данных Расхождение расчетных данных с экспериментальными не превысило 20 %.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Проведен анализ существующих видов современных сепари рующих устройств. Установлено, что плоские и цилиндриче ские решетные поверхности не удовлетворяют потребностям практики как по эффективности работы, так и по технологиче ским показателям. Показана целесообразность использования в качестве рабочего органа вибрационно-качающейся криво линейной решетной поверхности. Такой комплексный подход позволяет повысить эффективность машины за счет использо вания синергетического эффекта двух известных методов се парирования на одной решетной поверхности.
2. Разработаны методы экспериментальных исследований сепа рируемого зернового материала в условиях виброожижения.
Проведены эксперименты по исследованию параметров дви жения и сепарирования зернового материала пшеницы.
3. Экспериментально установлено, что в определенном ампли тудно-частотном диапазоне вибрационных колебаний зерно вую смесь пшеницы толщиной до 20 мм можно представить как псевдожидкость с использованием для описания динами ки ее движения классических законов гидромеханики. Созда ны математические модели движения виброожиженного слоя зернового материала на наклонной плоской и качающейся криволинейной решетных поверхностях. Модели движения реализованы в виде компьютерных программ в среде ЕХСЕL.
4. Создана и экспериментально обоснована математическая мо дель сепарирования слоя зернового материала при движении по нормальновибрирующей решетной поверхности. Предло жены к использованию универсальные проходовые характери стики зерновых смесей (S и k), получаемые расчетно экспериметальным методом и являющиеся базовыми исход ными данными для проектирования. Разработаны методики определения реологических и проходовых параметров исход ной зерновой смеси.
5. Установлены значения технологических режимных парамет ров вибрации решета (частота 45 Гц, амплитуда 1,2 мм) и вы соты слоя (h = 20 мм) для пшеницы с точки зрения наилучших технико-экономических показателей разрабатываемого сепа ратора. Показано, что при этих параметрах для зерновой смеси пшеницы с влажностью до 15% эффективный коэффициент кинематической вязкости составляет величину 0,0014…0, м2/с и не требует экспериментальной проверки. При большей влажности он определяется экспериментально по разработан ной методике.
6. Установлено, что имеется критическая скорость движения зернового материала пшеницы, выше которой прекращается рост параметров проходовой активности. Она не зависит от дисперсности примеси и для решета с отверстиями 2 x 20 мм составляет величину 0,2 м/с.
7. Проведены модельно-экспериментальные исследования. Уста новлено, что дорезонансная зона по периоду маятниковых ко лебаний, с присущей ей безынерционной работой рабочего ор гана и малым уровнем динамических нагрузок, имеет экстре мум средней скорости движения материала, соизмеримый с критической скоростью сепарирования. Режим экстремальной скорости принят как рабочий. Соответствующий период маят никовых колебаний, с учетом конструктивно-технологических параметров, определялся с использованием созданной компь ютерной программы движения материала.
8. Создан метод инженерного расчета сепараторов с вибрацион но-качающимся принципом действия рабочего органа. Выяв лены конструктивно-технологические факторы и степень их влияния на эффективность сепарирующего устройства.
9. Разработан алгоритм расчета экспериментального сепаратора, показавший его высокую эффективность по сравнению с су ществующими схемами сепарирования. Произведена проверка степени соответствия эффективных экспериментальных и рас четных параметров. Погрешность оценки по эффективности сепарирования составила величину не более 20%. Намечены пути снижения погрешности.
10. Результаты исследований используются в учебном процессе по курсу «Физико-механические свойства сырья и готовой продукции». Конструкция и метод расчета сепаратора приняты к внедрению на технологической линии переработки зерна ООО Машиностроительного завода «Мельник» г. Барнаула.
Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Тарасевич, С.В. Анализ движения зернового материала на вибрационно-качающейся решетной поверхности сепаратора / С.В. Тарасевич // Изв. ВУЗов. Пищевая технология. -2006. №6. – С. 73-75.
2. Сепаратор-классификатор: пат. 2279930 Рос. Федерация : МПК В 07 В 1/28 1/38 / Злочевский В.Л., Тарасевич С.В.;
заявитель и патентообладатель АлтГТУ. - № 2004132115/03;
заявлено 03.11.04 ;
опубл. 20.07.06, Бюл. №20.
3. Тарасевич, С.В. Исследование динамики движения сепари руемого материала на виброкачающейся решетной поверхно сти / С.В. Тарасевич, В.Л. Злочевский // Хранение и перера ботка зерна. - 2006. - №6. – С. 32-34.
4. Злочевский, В.Л. Использование маятниковых колебаний для сепарации сыпучих материалов / В.Л. Злочевский, А.В. Бара нов, С.В. Тарасевич // Расчет, диагностика и повышение на дежности элементов машин: межвуз. сб. науч. тр.;
Алт. гос.
техн. ун-т им. И.И.Ползунова - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2004.
– Вып. 5. - С. 11-15.
5. Тарасевич, С.В. Управление реверсивным приводом сепара тора сыпучих материалов / С.В. Тарасевич, А.В. Баранов // Расчет, диагностика и повышение надежности элементов ма шин: межвуз. сб. науч. тр.;
Алт. гос. техн. ун-т им.
И.И.Ползунова – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2004. – Вып. 5. - С.
15-17.
6. Злочевский, В.Л. Исследование процессов движения сепа рируемых материалов на ситах с вертикальными виброколеба ниями / В.Л. Злочевский, С.В. Тарасевич, П.А. Воронкин // Наука и молодежь: 2-я Всероссийская научно-практическая конференция. Секция Технология и оборудование пищевых производств: [Электронный ресурс];
Алт. гос. техн. ун-т им.
И.И.Ползунова – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005. – С. 66. (http://edu.secna.ru/main/review/2005/n7/konf2/). – (Загл. с экра на) 7. Злочевский, В.Л. Моделирование движения зернового мате риала на сепараторах со сложным движением рабочих органов / В.Л. Злочевский, А.В. Баранов, С.В. Тарасевич // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-11-2005):
11-я Международная научно-практическая конференция;
Том ский гос. ун-т;
– Томск: Изд-во ТГУ, 2005. – С. 139-141.
8. Злочевский, В.Л. Исследование процесса сепарирования зер нового материала на решетной поверхности со сложным дви жением / В.Л. Злочевский, С.В. Тарасевич // Современные проблемы техники и технологии пищевых производств: 8-я Научно-практическая конференция с Международным участи ем;
Алт. гос. техн. ун-т им. И.И.Ползунова. – Барнаул: АлтГ ТУ, 2005. – С. 39-43.
9. Тарасевич, С.В. Исследование процесса сепарирования зер нового материала на вибро-качающейся решетной поверхно сти / С.В. Тарасевич, В.Л. Злочевский, А.В. Баранов // Расчет, диагностика и повышение надежности элементов машин: меж вуз. сб. науч. тр.;
Алт. гос. техн. ун-т им. И.И.Ползунова.– Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005. – Вып. 6. С. 25-29.
Подписано в печать 01.10.2006. Формат 6084 1/16.
Печать - ризография. Усл.п.л. 0, Тираж 100 экз. Заказ 119/2006.
Издательство Алтайского государственного технического уни верситета им. И.И. Ползунова, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46.
Лицензии: ЛР № 020822 от 21.09.98 года, ПЛД № 28-35 от 15.07. Отпечатано в ЦОП АлтГТУ 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина,