Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цели и задачи исследований 9
1.1. Основные технологические свойства гетерогенного сыпучего зернового материала, как объекта послеуборочной обработки 9
1.2 Анализ пневмосепарирующих систем зерноочистительных машин 13
1.3 Анализ технологий послеуборочной обработки зернового материала ... 23
1.4 Анализ пневмосепараторов в конструкциях машин первичной очистки зерна 25
1.5 Краткие выводы, цель и задачи исследования 31
2. Теоретические исследования процесса функционирования вертикального пневмоканала с двухцикловои системой пневмосепарации 34
2.1 Многомерный анализ процесса пневмосепарации в вертикальном пневмоканале с нагнетательным воздушным потоком 34
2.2 Прогнозирование показателей функционирования воздушно-решётной зерноочистительной машины от роста эффективности операции пневмосепарации 50
3. Параметрическая оптимизация и многомерный анализ вертикального пневмоканала с двухцикловои системой пневмосепарации 64
3.1 Предпосылки параметрического синтеза 64
3.2 Оценка основных параметров пневмосепаратора 64
3.4 Построение уравнений регрессии показателей процесса пневмосепарации 87
3.5 Оптимизация параметров пневмосепаратора 94
4. Структурная оптимизация отделения очистки агрегатов для первичной очистки зерна 98
4.1 Математическая модель функционирования отделения первичной очистки зерноочистительного агрегата з
4.2 Оценка адекватности математических моделей процессов функционирования зерноочистительного агрегата для первичной очистки зернового материала 109
4.3 Моделирование процесса сепарации зернового материала в отделении первичной очистки зерноочистительного агрегата 111
4.4 Экономическая оценка показателей функционирования отделения первичной очистки зерноочистительных агрегатов 116
5. Системные испытания зерноочистительных машин и агрегатов с новым пневмосепаратором и многоярусным решётным модулем 122
5.1 Экспериментальная оценка процесса функционирования пневмосепаратора 122
5.2 Производственные исследования процесса сепарации зерна в отделении очистки зерноочистительного агрегата 127
5.3 Экономическая оценка показателей функционирования агрегатов для первичной очистки зернового материала 130
Заключение 134
Список литературы 138
- Анализ технологий послеуборочной обработки зернового материала
- Прогнозирование показателей функционирования воздушно-решётной зерноочистительной машины от роста эффективности операции пневмосепарации
- Построение уравнений регрессии показателей процесса пневмосепарации
- Моделирование процесса сепарации зернового материала в отделении первичной очистки зерноочистительного агрегата
Анализ технологий послеуборочной обработки зернового материала
Зерновой материал из бункера зерноуборочного комбайна, поступающий для дальнейшей очистки на пункты послеуборочной обработки представляет собой состав полноценного, щуплого и повреждённого (дроблёного) зерна основной культуры, так же в его состав входят различные органические (солома, полова, колоски, растительные остатки сорняков, семена сорных и культурных растений и т.д. ) и неорганические (минеральные примеси, кусочки земли и т.д.) компоненты [50, 54, 82].
Для ростовской области характерны такие примеси как: сорные примеси (солома, крупные примеси, растительные остатки, полова и т.д.), семена сорняков (корзинки осота, овсюг и т.д.), дробленое зерно. Содержание компонентов зерна в зерновом материале составляет от 85 до 96%, сорных примесей от 1,4 до 7,8%, семена сорняков от 0,02 до 2,98%, дроблёного зерна от 0,52 до 6,8% [84]. Его влажность варьируется в пределах от 10 до 20%, а влажность органических примесей от 15 % до 40 % [8, 77, 84]. Влажность исходного вороха является одним из определяющих факторов, влияющих на качество получаемого зерна, а его состав влияет на различные биологические и технологические свойства которые нужно учитывать при дальнейшей послеуборочной обработке зернового материала.
Влажность зернового материала, после зерноуборочного комбайна неоднородная по своему составу. При последующем его хранении происходит выравнивание влажности за счёт увлажнения созревшего зерна и подсушивания менее ценных фракций. Увеличение влажности основной культуры ведёт за собой увеличение интенсивности дыхания. Данная характеристика зернового материала является основным критерием его жизнедеятельности. Поглощение зерновым материалом кислорода и выделение углекислого газа изменяет состав межзернового пространства и ухудшает сохранность зерна. [27]. Так, оптимальное время хранения зернового материала влажностью более 25% составляет для продовольственного - фуражного назначения от 3-х до 4-х часов, а для семенного назначения от 1-го часа до 2-х часов [80, 20]. Не соблюдение сроков хранения зернового материала перед отправкой её на дальнейшую послеуборочную обработку ведёт за собой значительное ухудшение его посевных и продовольственных свойств.
Своевременная очистка зернового материала от примесей позволит снять до 5% влаги и в некоторых случаях предотвратить процесс самосогревания [22]. Для выполнения данного процесса применяются различные машины, разделяющие зерновой материал по аэродинамическим и геометрическим характеристикам его компонентов. Использование высокопроизводительных зерноочистительных машин позволит своевременно, без использования дополнительных перевалочных работ, очищать большой объём зернового материала, поступающего при уборке [79, 83].
Разделение компонентов и фракций по геометрическим характеристикам [37, 34, 33, 91] осуществляют на плоских, гофрированных или сетчатых решётах и в триерных цилиндрах. Размер и форма отверстий на данных решётах выбирается в зависимости от задаваемых характеристик получаемых фракций. Рабочий процесс осуществляется на колеблющихся, цилиндрических вращающихся решётах или на сетчатых транспортёрах. На эффективность работы этих рабочих элементов наибольшее влияние оказывают такие характеристики как удельная подача, состав и влажность зернового вороха, геометрические и кинематические параметры сепараторов [38].
Разделение по аэродинамическим свойствам [21, 88, 92] осуществляется в пневмоканалах, в которых на обрабатываемый материал воздействует воздушный поток. Для оценки аэродинамических свойств зернового вороха используется скорость витания (Veum) всех компонентов, входящих в его состав. На эффективность разделения зернового вороха на фракции влияют такие параметры как характеристика воздушного потока, воздействующего на обрабатываемый материал, скорость витания, плотность вероятностей распределения подачи зернового материала, способ ввода всех этих компонентов [7, 38, 51].
Разделение зернового вороха по аэродинамическим свойствам имеет ряд преимуществ - простота конструкции пневмосепараторов, большая удельная производительность и низкая травмируемость зерна при очистке. При таком способе очистки можно выделить до 50% примесей [25, 55].
Скорость витания каждого компонента исходного зернового материала имеет различное значение, а также зависит от таких факторов как геометрические характеристики, коэффициент парусности, плотность и другие. В действительности же скорость витания компонента имеет вероятностную характеристику и для разных компонентов диапазон и тип распределения различен (рисунок 1.1) [44].
Прогнозирование показателей функционирования воздушно-решётной зерноочистительной машины от роста эффективности операции пневмосепарации
Первичная очистка зерновых культур в воздушно-решётных зерноочистительных машинах - значимые технологические операции всей технологии их очистки. Целесообразно выявить количественное влияние роста эффективности операции пневмосепарации зернового материала на эффективность всех операций первичной очистки зерна в современных зерноочистительных машинах.
Решение задач программного прогноза с использованием функционально-иерархических моделей позволит выявить рациональные направления повышения эффективности функционирования воздушно-решётных зерноочистительных машин (ВРЗОМ), оценить качество первичной очистки зерновых культур с учётом прогнозируемого роста эффективности выполнения частной технологической операции - пневмосепарации зернового материала.
Для решения поставленной задачи использован метод модельного прогнозирования [46, 35]. Для анализа выделена современная воздушно-решётная зерноочистительная машина (рисунок 2.9). Морфология рассмотренной замкнутой системы воздушно-решётной машины, показана на рисунке 2.10. Математическую модель процесса функционирования воздушно-решетной зерноочистительной машины как замкнутой квазистатичной системы с заданной функциональной схемой представлена в формулах 2.1 -2.4 [38, 40, 42,].
Экспериментальными исследованиями установлено [33, 38], что основные факторы, влияющие на сепарацию зернового материала при вводе в пневмоканал (управляющее факторы), определяются вектором
Входное воздействие на рассматриваемую систему можно определить вектором Fnc, независимые аргументы которого случайные в вероятностно-статистическом смысле величины (рисунок 2.10):
Построенная математическая модель процесса пневмосепарации гетерогенной сыпучей среды адекватна [33] и позволяет, используя известные методы параметрического и структурного синтеза, проводить многомерный анализ процесса и оценивать рациональные параметры пневмосепараторов для задаваемых условий и ограничений на показатели его функционирования.
Входное воздействие на рассматриваемый решетный модуль выражается вектором FPM, независимые аргументы которого случайные в вероятностно-статистическом смысле величины [37, 33]: Ррм = [QPM , а]Рм, W,M(bj \cJ2{b]), fQnc [В1РМ), fQnc {Нрм), /ft)] (2.50) Активные средства, определяющие эффективность функционирования решетного модуля, найдем вектором Арм : Арм = [a B R J B cK x)] (2.51) где QPM - подача зернового материала на решётную машину, т/ч; ocjPM - содержание в нём/ых компонентов, %; W - влажность зернового материала, %; /дрм(вірм\/дрм(нрм) " плотность вероятности распределения /го компонента по ширине ВІРМ z-го решета в ярусе и по высоте ярусов в решётном модуле; f(lt) - закономерность поступления зернового материала на решёта; аг - углы наклона i-ых решёт к горизонту, град; Д. - направленность колебания решёт, град; R - амплитуда колебания решёт, м; ni - частота колебаний решёт, мин ;
Различные базовые решётные модули, которые можно использовать в ВРЗОМ, математические модели, описывающие процессы функционирования базовых и комплексных (составленных из различных структур базовых модулей) решётных модулей определены [38]. Рассмотрим в общем случае многоярусный решетный модуль (рисунок 2.11) с неоднородными по длине (/п,.../1и) и высоте (1, 2, ..., К) решетами и с различными кинематическими параметрами. В общем виде на ярусы решет поступает Чх]-,Ч1]- ---- Чп]- Чщ количество у-го компонента сыпучего материала с их торцов, определяемое плотностью вероятности распределения /дрм\Нрм) случайной величины Q (подача сыпучего материала на ярусы (1,2, ..., к решет) по высоте Н расстановки ярусов решет: QSVM = Qvu, содержаниеу-х компонентов в сыпучем материале bj определяется из выражения (2.30), где подставляются соответствующие для решётной машины ajVM и -РМ. Распределение случайной величины q5 по ширине Врм сепараторов в ярусах определяется плотностью вероятности /5{ВРМ). В качестве допущения здесь и далее будем считать поступление сыпучих материалов на ярусы решет постоянными по времени (процесс квазистатичный) и с равномерным распределением j -ых компонентов в сыпучем материале (у=1,2, ...).
Результаты математического моделирования процесса функционирования исследуемой воздушно-решётной машины при вариации величины к (таблица 2.3) прогнозного роста усреднённых показателей полноты выделения в пневмосепаратореу-ых компонентов приведены в таблицах Б.6-Б.16ина рисунке 2.12.
Установлено наличие функциональной связи между прогнозируемым ростом эффективности выделения из зернового материала в пневмоканале ВРЗОМ сорных и зерновых примесей и показателями функционирования всей зерноочистительной машины. Имеется пропорциональное увеличение полноты просеивания зерновых и сорных примесей на решётах ВРЗОМ. Для всех подач (от Ъ,1кг/(м-с) до 5,54кг/(м-с)) растёт полнота выделения сорных примесей на решётах и для минимальной подачи составляет от 0,8781 до 0,9202 для коэффициентов от к] до к(, соответственно. Полнота выделения зерновых примесей, в зависимости от роста коэффициента к эффективности пневмосепаратора, падает (таблица Б. 10, рисунок 2.12(a)). Связано это с тем, что на ряду с ростом полноты выделения компонентов, входящих в состав зерновых примесей, уменьшается содержание их в зерновом материале поступающем на решёта зерноочистительной машины.
Построение уравнений регрессии показателей процесса пневмосепарации
Для моделирования процессов сепарации зернового материала на исследуемых зерноочистительных агрегатах воспользуемся обоснованной математической моделью (раздел 4.1). Были приняты следующие условия: Плотность вероятности распределения подачи зернового материала по ширине Впс представлены в таблице Б.5, по ширине ВРМ решёт в ярусах соответствует нормальному закону (таблица Е.З).
Ограничение вектора Аск (4.13), Апс (2.40), Арм (2.51) управляющих факторов с учётом известных технических характеристик агрегата: L= \.5м -длина ленты скельператора; атр=18 угол наклона к горизону; axb = 15x1 мм размеры отверстий скельператора; пп = 2,6с - частота ударов подбивалыцика; с = 1,2АШ - диаметр проволоки сетки скельператора; Втр = 1,5м - ширина скельператора; Утр = 0,6м/с - линейная скорость транспортёра скельператора; Вщ = 20 - угол наклона направляющего щитка подачи зернового материала в пневмоканал машины МПО-100; Впс = 0,22 м - глубина пневмоканала машины МПО-100; L =790мм - длина решёт, входящих в решётный модуль; а#с=6 - угол наклона решёт к горизонту; /3=0 направленность колебаний решёт; п=420мин частота колебаний решёт; R=SMM - амплитуда колебаний решёт; В=\,42м -рабочая ширина решет; решёта плоские, с размерами прямоугольных отверстий 1,7x20мм, 2,0x20мм, 3,6x20мм; Л = 8шт- количество лопаток битера подающего зерновой материал в пневмоканал МПО-100; пб =1,13 об 1с - частота вращения подающего битера; hA = 40 мм - высота лопаток подающего битера
Для структурной оптимизации схем № 1 - 6 функционирования отделения предварительной очистки, использовались обобщённые математические модели (4.1 - 4.3), а так же программные комплексы кафедры «СХМиО» ДГТУ (SH1S, Work4_S), для функциональной оценки различных подсистем решётных модулей. Состав исходной очищаемой гетерогенной сыпучей среды (зерна пшеницы) для проводимого моделирования принят постоянным (по усреднённым показателям зернового материала пшеницы в Ростовской области): зерно ах = 0,918; щуплое зерно а2 = 0,036; "лёгкий" сор аъ = 0,012; полова а4 = 0,003 ; солома 25=0,01; крупные примеси а6 =0,009; семена сорняков а7 = 0,003; дроблёное зерно а% = 0,009. Ограничения: —»тах; агротребования потеря зерна 55 0,5%; выход зерна в фуражные отходы д3 2%; содержание зерновых примесей в очищенном зерне Ъпз 2%; содержание сорных примесей в очищенном зерне Ьсп \%. Результаты проведенного на ЭВМ моделирования процессов функционирования зерноочистительных агрегатов (6 схем рисунок 4.3 - 4.7) приведены в таблицах Ж.4 - Ж. 10 и на рисунке 4.10.
Анализируя результаты моделирования можно выделить зерноочистительные агрегаты с функциональными схемами №3,4 для первичной очистки зернового материала. Такие показатели функционирования как содержание сорных примесей Ьсп и потери зерна д3 значительно ниже для зерноочистительных агрегатов с функциональными схемами № 3, 4 чем у агрегатов со схемами № 1,2, 5, 6, а чистота зернового материала Ъ3 и содержание зерновых примесей Ъпз в очищенном зерновом материала соответственно выше (рисунок 4.10).
Для зерноочистительных агрегатов с функциональными схемами №3, 4 ограничения по потерям зерна д3 выполняются до подачи 82,8 т/ч (таблица Ж.4, рисунок 4.10 (а)). Это обусловлено тем, что решётные модули, на подачах выше 82,8 т/ч формируют потери зернового материала д3 после зерноочистительного агрегата выше допустимых 0,5%. Увеличение производительности решётных модулей позволит функциональным схемам № 3, 4 с пневмосепаратором ПС-90 функционировать при большей производительности. Максимальная производительность зерноочистительных агрегатов со схемами № 1, 2, 5, 6 составляет 72 т/ч. Ограничением является функционирование 2-х машин МПО-50 для агрегатов функционирующим по схемам № 1, 2 и МПО-100 для агрегатов функционирующим по схемам № 5, 6 которые на подачах зернового материала больше 72 т/ч функционируют нестабильно.
Содержание сорных примесей в очищенном зерне Ьсп для зерноочистительных агрегатов функционирующим по схемам № 3, 4 варьируется в пределах от 0,0893% до 0,1037% для подач от 61,2 т/ч до 82,8 т/ч, что значительно меньше чем для агрегатов функционирующим по схемам № 1, 2, 5, 6 (рисунок 4.10(6)). Содержание зерновых примесей Ьпз (рисунок 4.10(г)) в очищенном зерне для зерноочистительных агрегатов функционируемых по схемам № 3, 4 варьируется в пределах от 1,6084% до 1,8819% при подачах от 61,2т/ч до 82,8 т/ч. Для зерноочистительных агрегатов со схемами № 1, 2 содержание зерновых примесей варьируется в пределах от 1,0788% до 1,7771% для подач от 32,4 т/ч до 72 т/ч, что ниже чем для зерноочистительных агрегатов со схемами №3,4.
Чистота зернового материала после очистки во всех рассмотренных зерноочистительных агрегатах с различными функциональными схемами соответствует требованиям предъявляемых к первичной очистке зернового материала и составляет для максимальной производительности 97,96% и 97,987% для зерноочистительных агрегатов со схемами № 1, 2 и № 5, 6 соответственно при производительности 72 т/ч, а для зерноочистительных агрегатов со схемами № 3, 4 составляет 98,03% при производительности 82,8 т/ч (рисунок 4.10 (в)).
Анализ величин критерия Еф5 эффективности процесса сепарации зернового материала в зерноочистительных агрегатах с различными функциональными схемами для их различных производительностей (максимальная подача Q, при которой выполняются все заданные агропоказатели (таблица Ж.4 - Ж. 10)) (рисунок 4.11) показывает технологическую эффективность зерноочистительных агрегатов функционирующих по схемам №3 и №4.
Моделирование процесса сепарации зернового материала в отделении первичной очистки зерноочистительного агрегата
При проведении опытов были приняты следующие ограничения: базовый пневмоканал (прототип) - ширина канала 1,5м, глубина 0,25м, высота заслонки бункера 0,046м, скорость воздушного потока 6-7м/с, чистота исходного зернового материала не более 80%, содержание сорных примесей меньше 3%. Новый пневмосепаратор - ширина канала 1,5м, глубина 0,30м, глубина кармана 0,05м, высота заслонки бункера 0,046м, использование дефлектора, усреднённая скорость воздушного потока 6-7м/с. Подача Q зернового материала в исследуемые пневмосепараторы составляет 62,2 т/ч. Результаты расчетов показателей функционирования исследуемых пневмосепараторов сведены в таблицы К.1 - К.4.и представлены на рисунке 5.3. Так же были найдены и занесены следующие необходимые для исследования величины: среднее квадратическое отклонение, дисперсия, случайная относительная ошибка.
При наличии опытных данных необходимо сравнить между собой средние значения двух полученных случайных выборок найденных показателей процессов пневмосепарации. Для этого оценим значимость различий средних величин показателей двух рассматриваемых выборок и оценим эффективность рассматриваемых пневмосепараторов (прототип, новый пневмосепаратор).
Приняв гипотезу, что генеральные совокупности сравниваемых случайных величин распределены по нормальному закону, случайные величины независимы, дисперсии сравниваемых случайных величин - однородны, тогда по формулам предельную ошибку рассматриваемой выборки случайных величин, EbJt, % и её случайную относительную ошибку 8Ebji. Табличное значение t - критерия Стьюдента tT - определяется [45, 52] для расчетного числа степеней свободы К = п -1 и выбранного уровня значимости а, где а = 1 - J3, где J3 - доверительная вероятность полученных результатов измерений (для технических исследований принимается J3 = 0,95) Для проверки нуль-гипотезы о статистическом равенстве двух рассматриваемых сравниваемых математических ожиданий выборок рассчитаем tp - критерий Стьюдента, который подчиняется t- распределению Стьюдента с Установлено, что с доверительной вероятностью Р = 0,95 существует (t tt) статистическая значимость различий средних двух выборок сравниваемых показателей: чистота зерна апо, содержание сорных примесей Ьс, полнота выделения сорных примесей sbc. Установлено, что с доверительной вероятностью Р = 0,95 не существует (t tt) статистическая значимость различий средних двух выборок сравниваемых показателей: содержание зерновых примесей Ьт, полнота выделения зерновых примесей гЪпз. Установлено, что при заданных начальных условиях и ограничениях, с доверительной вероятностью 0.95, содержание сорных Ьс примесей в очищенном зерне нового пневмосепаратора статистически значимо ниже чем у прототипа. 5.2 Производственные исследования процесса сепарации зерна в отделении очистки зерноочистительного агрегата Универсальный зерноочистительный агрегат расположенный на току хутора Майоркский, Пролетарского района, Ростовской обл. (рисунок 5.4), далее именуемый как "прототип". Функциональная схема отделения очистки зерна агрегата (рисунок 5.6) включает машины: МПО-50 с аспирационной системой (рисунок 5.5(a)), воздушно-решётная зерноочистительная машина ВРМ-6 (рисунок 5.5(6)), нории НГЖ-50.
Агрегат (рисунок 5.6) способен работать по схеме для первичной очистки зернового материала. Нория 1, машина МПО-50, нория 2, машина ВРМ-6, бункер очищенного зерна 5. Крупные, легкие, мелкие отходы поступают в бункер сорных примесей 3, зерновые примеси поступают в бункер фуража 4.
Настройка решёт в решётной машине ВРМ-6 для обеспечения качества очищенного зерна продовольственного назначения: 1-ое решето в ярусах - 1,7мм; 2-ое- 2,0мм; 3-ее - 3,6 мм. Производительность определяется пропускной способностью машины МПО-50 - 25-30 т/ч.
Испытания стационарного зерноочистительного агрегата [60] проводились с целью определения технологических показателей функционирования агрегата по последовательной схеме с использованием, по отношению к прототипам (например агрегат ЗАВ-40) дополнительный пневмосепаратор с нагнетательным воздушным потоком в машине предварительной очистке зерна МПО-50 (рисунок 5.5(a)) при выполнении им агротехнических требований к очистке зернового материала продовольственного назначения.
Оценка показателей первичной очистки опытного образца зерноочистительного агрегата проводилась при их рациональной настройке и установившихся режимах функционирования. Отбор образцов зерновых и сорных фракций проводился в соответствии с требованиями по ГОСТ 12036-85.
Основные функциональные показатели работы агрегата приведены в таблице Л.1 и на рисунках Л.1 - Л.8. Установлено, что при функционировании агрегата агропоказатели выполнялись до подачи 32.5 т/ч (рисунок Л.6).
Для дальнейших сравнительных экономических расчётов показателей функционирования зерноочистительных агрегатов взяты агрегат с рациональной функциональной схемой № 4 (раздел 4.3) и рассмотренный агрегат "прототип". Принято условие, что функционирование агрегата "прототип" было осуществлено машинами с двумя параллельными технологическими линиями, соответствующими каждая технологической линии испытательного агрегата с машинами МПО-50 и ВРМ-6. Это позволит для высокопроизводительных агрегатов произвести сравнительный анализ полученных данных.
Принята гипотеза о возможности сравнительного экономического анализа агрегата "прототипа" с функциональными показателями в производственных условиях и агрегата с расчётными показателями функционирования по схеме №4 в связи с доказанной (раздел 4.2) адекватностью математических моделей описывающих процесс сепарации зернового материала в рассматриваемом агрегате (вариант №4) [47].
Технико-экономические характеристики функционирования зерноочистительного агрегата "прототип" для первичной очистки зернового материала в приведены в таблице 5.2. Исходные данные для первичной очистки зернового материала для его двух технологических линий в данном агрегате, приведены в таблице Л.1. Цены на оборудование агрегата и зерновой материал как исходный так и обработанный приняты на 2014г. Исходные данные для расчёта экономических показателей зерноочистительных агрегатов представлены в таблицах Ж. 1 -Ж. 1