Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса очистки и разделения на фракции зернобобового вороха, цель и задачи исследования 8
1.1 Состояние и основные тенденции механизации очистки сои 8
1.2 Сравнительный анализ кинематических схем решетных сепараторов 22
1.3 Обзор исследований сепарации проходовых частиц на решетных полотнах 28
1.4 Проблемная ситуация и задачи исследования 32
2 Теоретические исследования процесса разделения зернового вороха на решетном сепараторе 34
2.1 Расчетные исследования движения сепарируемого материала по решету 34
2.1.1 Методика расчета движения сепарируемого материала по решету 34
2.1.2 Результаты исследования движения частицы по решету 45
2.2. Расчетные исследования процесса просеваемости проходовых частиц на решетных полотнах 55
2.2.1 Методика расчета процесса просеваемости 55
2.2.2 Результаты расчета процесса просеваемости 60
2.3 Выводы по результатам теоретических исследований и задачи экспериментальных исследований 70
3 Программа и методика экспериментальных исследований 72
3.1 Общая программа экспериментальных исследований 72
3.2 Приборы и оборудование экспериментальной установки 75
3.3 Методика определения коэффициента трения скольжения сои.. 79
3.4 Методика исследования движения материальной точки по стальному листу 81
3.5 Методика проведения лабораторных исследований решетного сепаратора 81
3.6 Технологическая схема и методика проведения производственных испытаний линии очистки и фракционирования сои 82
3.7 Выводы по главе 85
4 Результаты экспериментальных исследований 86
4.1 Результаты исследования коэффициента трения частицы сои... 86
4.2 Результаты исследования зависимости времени прохождения стального листа, частицей сои, от кинематических параметров .. 86
4.3 Результаты исследования влияния кинематических параметров на работу решетного сепаратора 90
4.4 Результаты производственных испытаний по очистке и фракционированию сои на решетном сепараторе 97
4.5 Выводы по главе 104
5 Технико-экономические показатели результатов исследований 105
5.1 Выводы по главе 112
Общие выводы ИЗ
Список используемой литературы U4
Приложения 129
- Состояние и основные тенденции механизации очистки сои
- Методика расчета движения сепарируемого материала по решету
- Приборы и оборудование экспериментальной установки
- Результаты исследования зависимости времени прохождения стального листа, частицей сои, от кинематических параметров
Введение к работе
Актуальность темы. Для обеспечения населения продуктами питания, а животноводства – кормами требуется увеличение производства зернобобовых культур с высоким содержанием белка. Уникальной культурой по содержанию белка является соя. Соевые продукты позволяют решить эту проблему, т.к. содержат высокую концентрацию белка и биологически активные вещества, в частности белка–35…40%, жира – 17…27%, комплекс необходимых аминокислот, фосфатитов, углеводов и витаминов А, В1, В2, В12, С.
В процессе переработки очистка полученного от поставщиков сырья является первостепенной задачей, так как качество выполнения этой операции определяет качество конечного продукта. Анализ существующих технологических линий и технических средств для очистки сои показал, что существующие зерноочистительные агрегаты и комплексы для очистки перед переработкой требуют совершенствования. Заменив традиционные прямолинейные колебания решетных сепараторов на круговые и эллиптические, можно повысить производительность существующих зерноочистительных машин и качество очистки. В этой связи проблема совершенствования зерноочистительных машин представляется достаточно актуальной и имеет большую народнохозяйственную значимость.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с «Целевой отраслевой программой развития производства и глубокой переработки сои в Российской Федерации на период до 2010 года» и по плану НИР Курганской ГСХА имени Т.С. Мальцева, номер государственной регистрации 01.2.00.109598 от 1 апреля 2001 г.
Цель исследования. Повышение эффективности процесса сепарации сои путем применения решетного стана с уменьшающейся амплитудой поперечных колебаний по длине решета.
Задачи исследования:
1 Обосновать рациональный способ сепарации зернобобового материала.
2 Обосновать расчетные схемы и разработать математическую модель процесса сепарации зернобобового материала на решетном стане с уменьшающейся амплитудой поперечных колебаний по длине решета.
3 Обосновать технологическую схему процесса сепарации решетным станом с уменьшающейся амплитудой поперечных колебаний по длине решета
4 Установить влияние кинематических параметров решетного стана на удельную просеваемость.
5 Разработать рекомендации по использованию решетного стана в качестве зерноочистительной машины в линии очистки сои.
Объект исследования. Процесс сепарации зернобобового материала решетным станом с уменьшающейся амплитудой поперечных колебаний по длине решета.
Предмет исследования. Закономерности влияния основных конструктивно-кинематических параметров решетного стана на процесс сепарации зернобобового материала.
Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:
– разработаны математические, модели позволяющие исследовать удельную просеваемость решета с уменьшающейся амплитудой поперечных колебаний по длине;
– установлены закономерности скорости движения частицы по рабочей поверхности и прохождения сферической частицы через отверстие решета, совершающего эллиптические колебания.
– установлена взаимосвязь показателей работы решетного стана от угла наклона решета, амплитуды и частоты колебаний рабочей поверхности.
– обоснованы рациональные конструктивные и кинематические параметры решетного стана.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработана методика расчета, позволяющая на стадии проектирования определять влияние различных факторов на удельную просеваемость решетного стана. Создан новый решетный стан для очистки и фракционирования сои, который внедрен в технологическую линию цеха очистки ООО « НПК БЕЛКОМ» в г. Кургане.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях в КГСХА (г. Курган, 2004…2006 г.), ЧГАУ (г. Челябинск, 2005…2006г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографии и приложений. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 39 иллюстраций, 4 таблицы и 7 приложений. Список использованной литературы включает 156 наименований.
Состояние и основные тенденции механизации очистки сои
Повышение качества посевного зерна сои и для переработки, необходимость снижения затрат труда и средств на единицу продукции неразрывно связаны с разработкой новых технологий и технических средств для сепарирования сои, а также повышением производительности существующих поточных линий и очистительных машин.
В общей структуре затрат труда на производство сои затраты на уборку, послеуборочную обработку и хранение составляют 40...50%. /156/. В структуре себестоимости сои затраты на очистку, сортирование и сушку составляют более 30% /3, 4/. На тока хозяйств от комбайнов поступает смесь с содержанием сои основной культуры 75...98%, остальную часть его составляют листья и стебли основной культуры и сорняков, семена сорных и культурных растений, комочки земли, насекомые в различных стадиях развития и микроорганизмы /41,89/.
Источником протеина для животных и птицы в большинстве хозяйств Зауралья являются: горох, люцерна, клевер, донник и другие, но недостаток протеина в кормах составляет, примерно 20%. В России, в том числе и в Зауралье, для уменьшения дефицита белка, в последние годы, все шире используется соя и продукты ее переработки. В Курганскую область для переработки завозится дальневосточная и краснодарская соя. В качестве сырья закупаются, как целые бобы, так и половинки (менее дорогие). Из данных по сертификатам, поступившей в г. Курган сои, можно выделить и проанализировать процентный состав засорителей сои, таблица 1.1. Очистка полученного от поставщиков сырья, является первостепенной задачей в процессе переработки, так как качество выполнения этой операции определяет качество конечного продукта.
Засорители, отличающиеся от сои по размеру и аэродинамическим свойствам, выделяются на скальператорах, зерноочистительных пневмо-решетных машинах типа: ЗВС-20, концентраторах, Петкус-547, 531 и других. Минеральные примеси выделяются с помощью камнеотборников. Металлические включения выделяются в магнитных сепараторах.
По требованиям ГОСТ 17109-88 ограничительные нормы для заготовляемых семян сои по сорным и масличным примесям (суммарно) не должны превышать 15,0 %, в том числе сорная примесь - 5,0 %, в числе сорной дурнишник - 3,0 %. Исходя, из этих данных засоренность дурнишником не должна превышать 0,0015 %, что соответствует 15 единицам на 1 кг.
Так как в настоящее время нет специальных машин для очистки сои, рассмотрены традиционные машины для очистки и фракционирования зерна. Существующие зерноочистительные агрегаты и комплексы к настоящему .времени выработали свой ресурс и неспособны своевременно, переработать большое количество поступающей сои. Известно, что основу поточных зерноочистительных линий составляют решетные машины с традиционными прямолинейными колебаниями. Такое движение сопровождается значительными динамическими нагрузками, которые возникают при износе шарнирных соединений, вызывая повышенные вибрацию корпусов машин и уровень шума. При работе машин отмечается частая поломка узлов и деталей привода (шатуны, подвески, подшипники, приводной вал и т.д.). Кроме этого специалисты, занятые эксплуатацией существующего зерноочистительного оборудования, отмечают, что по мере износа машин снижается их производительность и качество очистки зерна, при росте энергозатрат. Не менее остро стоит проблема очистки зернобобовых культур перед их переработкой. Недостатки традиционных технологических линий очистки и преимущества фракционной очитки на зерноперерабатывающих предприятиях изложены в работах /21,23/.
Снижение удельных нагрузок на рабочие органы в результате создания параллельных потоков не меняет принципиальную технологическую схему машины; решетные каналы для отделения крупных примесей используются только на 25...30% своей длины, извлечение наиболее трудноотделимых примесей (мелких) также не отвечает требованиям высокой эффективности. Кроме того, расположение решет различного назначения в одном корпусе не позволяет установить разные кинематические параметры, оптимальные для извлечения каждой примеси.
Возможность оптимизации процесса при такой технологической схеме ограничена не только самой схемой, но и условиями компоновки рабочих органов при ее осуществлении в одной машине. Результаты этого - невысокая эффективность процесса по всем видам примесей. Это заставляет применять последовательно двух и трехкратную обработку смеси на сепараторах одного и того же типа для того, чтобы снизить засоренность до норм или требований к ведению технологического процесса.
Большой вклад в изучение процесса сепарации зерновых смесей внесли Н.Е.Авдеев, В.Н. Аникин, А.С. Архипов, A.M. Басов, Р.Н. Волик, Н.Г. Гладков, В.В. Гортинский, В.П. Горячкин, А.Г. Громов, П.М. Заика, А.Н. Зюлин, Р.З. Кацева, А.И. Климок, И.Е. Кожуховский, Н.Ф. Конченко, Н.И. Косилов, В.А. Кубышев, П.Н. Лапшин, И.П. Лапшин, М.Н. Летошнев, А.А. Лопан, А.И. Любимов, Е.А. Непомнящих, Г.Т. Павловский, Ю.В. Терентьев, Г.Д. Терсков, М.А. Тулькибаев, Н.Н. Ульрих, В.М. Цециновский, и другие исследователи.
По мнению ряда исследователей /1,7,22,27,38/, технологический процесс очистки и сортирования семян должен удовлетворять следующим требованиям: - соответствие характера обработки исходному качеству сои; - прямоточность и непрерывность технологического процесса обработки семян по заданной схеме; - комплектование поточных линий простыми сепараторами с индивидуальным приводом, согласованных по производительности и реакциям на изменяющиеся условия работы: - подготовленность сепараторов в поточной линии к автоматизации управления процессом сепарации, надежность в работе и простота обслуживания; - минимальное повреждение семян основными и вспомогательными машинами. Несоответствие комплекса перечисленных требований к схемам технологического процесса очистки и сортирования бобов сои , неудовлетворенная потребность хозяйств в зерноочистительных линиях, низкая по организационным, техническим и технологическим причинам производительность /5,61,97/ приводят к тому, что качество семенного и продовольственного зерна не удовлетворяет требованиям ГОСТ, а потери превышают допустимый уровень.
Методика расчета движения сепарируемого материала по решету
Теоретическим основам ориентации частиц относительно отверстий решет с различной геометрией продольных перемычек и исследованию вероятности попадания частиц в отверстия при опускании на неподвижные решета с различной геометрией продольных перемычек посвящены работы /24-27,47,48,50-53,70,72//.
В теории сепарации сыпучих материалов процесс выделения проходовых частиц на решетных полотнах в общем случае условно разделен на три стадии: - прохождение проходовых фракций сквозь слой зерновой смеси до сепарирующей поверхности; - взаимодействие частиц с перемычками и ориентация их относительно отверстий решета; - прохождение частиц проходовых фракций в отверстия решет. Большое количество зерновых частиц находится в непосредственном контакте с решетом. Такие частицы поступают на сепарирующую поверхность или из загрузочного устройства машины или с верхних решет. Расположение, и, следовательно, вероятность попадания таких частиц в отверстия решет неизвестна. Данный вопрос представляет научный и практический интерес. Решение этой задачи позволит сделать прогноз о количественной оценке выделения мелкой фракции на решете и в зерноочистительной машине в целом. Длина зерен пшеницы, ржи, овса и т.д., значительно больше ширины и толщины . Поэтому проходовые фракции таких зерен при попадании на сепарирующую поверхность должны сориентироваться длинной осью вдоль отверстий решет и выпасть в них /71/. Следовательно, вероятность ориентации частиц относительно отверстия решета и попадание в отверстия будет состоять из вероятности попадания частиц длинной осью вдоль продолговатого отверстия решета — Pi и вероятности разворота частиц на перемычках и ориентации при движении по решету - Р2. Это условие выдвинуто из предложения, что каждое из событий не зависит одно от другого. Рассмотрим каждую из вероятностей Pi и Рг. Плоские сортировальные решета существующих зерноочистительных машин имеют продолговатые отверстия, так как такая форма наиболее эффективна при колебаниях сепарирующих поверхностей вблизи горизонтальной плоскости /75/. Попадая на такую поверхность, частицы зерновой смеси могут по-разному расположится относительно отверстий. Одни частицы устанавливаются длинной осью поперек отверстия, а другие - вдоль. Последние частицы самосориентированы, и, в зависимости от размеров частиц и отверстия, они могут выпадать под решето. Другим же частицам, которые расположились поперек отверстия, необходимо создавать условия, чтобы они развернулись на перемычках и сориентировались относительно отверстия. Для анализа ориентации частиц, у которых длинная ось значительно превышает короткую, примем следующие допущения: частица зерновой смеси представляет собой эллипсоид вращения, проекцией которого на плоскость является эллипс с большей полуосью «а» и меньшей «Ь», ширина отверстия - Н, длинная ось частицы расположена под углом ро к продольной оси отверстия, частица касается перемычек отверстия в точках А я А. Просеивание отдельной частицы: отклонение по размерам и форме отверстий даже в пределах одного полотна, обусловленные способом образования отверстий и точностью соответствующих машин и инструментов, вносят определенный элемент случайности в процессе просеивания частиц, усугубляемый естественный случайным распределением формы и размеров частиц проходного компонента /22/. Учет всех факторов, могущих влиять на процесс просеивания, требует рассмотрения вопроса с последовательным усложнением задачи путем введения дополнительных условий. Простейшая модель просеивания — это движение отдельной частицы сферической формы с постоянной относительной скоростью над отверстием в горизонтальной поверхности, рисунок 1.3. В начальное мгновение движения над отверстием скорость х \ центра масс частицы горизонтальна. В начальное мгновение удара о противоположную границу отверстия скорость касательно к траектории, ее можно разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную. Если нет сопротивления среды, горизонтальная составляющая остается равной Db а вертикальная, вследствие ускоренного падения частицы равна gt; причем сравнительно с горизонтальной ею можно в первом приближении пренебречь (для реальных условий она составляет менее 0,1 Ui). Пренебрегаем также вращением частицы и изменением тангенциальной составляющей скорости при ударе и оцениваем его как частично упругий, характеризуемый коэффициентом восстановления нормальной составляющей скорости к.
Приборы и оборудование экспериментальной установки
Методика исследования заключается в том, чтобы проверить, в какой степени, разработанные теоретические исследования определения средней скорости движения материала справедливы. Для того чтобы обеспечить постоянство коэффициента трения по рабочей поверхности в течение всего времени, движущейся материальной точки был выбран стальной лист размером ЮО.хЗО мм, который установили на экспериментальную установку. В качестве материальной «точки» был, использован, кусочек фанеры размером 30x30 мм к которому приклеили бобы сои. 1 Включить привод эксцентрикого механизма. 2 На начало стального листа положить смоделированную частицу сои. 3 Включить секундомер, замеряя время движения частицы. В процессе проведения опытов измерять время прохождения материальной «частицы» по стальному листу при этом изменялть амплитуда и частоту колебаний, а так же угол наклона стального листа относительно горизонта. Методика проведения лабораторных исследований решетного сепаратора Для лабораторных исследований решетного стана была приготовлена зерновая смесь, состоящая из 20 кг сои и 0,2 кг крупной легкой примеси. В качестве примеси использовались частицы стеблей и створки стручков, нарезанные длиной от 10 до 30 мм. Тщательно перемешанная смесь засыпалась в бункер-дозатор. 1 Включить установку, затем включить бункер-дозатор чтобы установился режим движения смеси по сепарирующей поверхности. 2 Проходовую и сходовую части материала заслонками перевести в чистые приемники продуктов разделения. 3 Одновременно включить секундомер. Время эксперимента 10 секунд. 4 Заслонки перевести в первоначальное положение. 5 Выключить установку. Конструкция установки позволяет изменять четыре параметра: угол наклона сепарирующей поверхности к горизонту, частоту колебаний, нагрузку и амплитуду колебаний. В процессе испытаний проводить анализ сходовой и проходовой части материала, результат которого фиксировать в журнале испытаний. При производстве комбикормов одним из используемых компонентов является экструдированная соя и окара, как богатый источник белка. В Курганскую область для переработки завозится дальневосточная и краснодарская соя. В качестве сырья закупают как целые бобы, так и половинки. Очистка полученного от поставщиков сырья является первостепенной задачей в процессе переработки, так как качество выполнения этой операции определяет качество конечного продукта.
Перед переработкой в соевую основу и окару бобы проходят операции шелушения и замачивания. Поэтому для этих целей необходимы крупные одинаковые по размерам бобы. Для цеха экструдирования необходимо сохранить при очистке всю массу сои. Производительность цеха экструдирования в двадцать раз больше чем цех по переработке соевой основы и окары, поэтому при фракционной очистке целесообразно из вороха выделить фракцию 10% крупных бобов.
Перед переработкой в соевую основу и окару бобы проходят операции шелушения и замачивания. Поэтому для этих целей необходимы крупные одинаковые по размерам бобы /145/. Для цеха экструдирования необходимо сохранить при очитке всю массу сои. Производительность второго цеха в двадцать раз больше первого, поэтому при очистке целесообразно из вороха выделить фракцию 10 % крупных бобов. Для решения этой задачи разработана поточная технологическая линия фракционной очистки бобов сои, рисунок 3.5
Соевые бобы привозят железнодорожным транспортом и выгружаются в завальную яму 1. Норией 2 соя подается в скальператор и транспортером перемещается в склад напольного хранения. Погрузчиком 4 и норией 5 соя загружается в бункер 6. Соя очищается в магнитном сепараторе 7, пневмо-решетной зерноочистительной машине 8 и камнеотборнике 10.
В решетном сепараторе 11 соя делится на две фракции: 1-фракцию крупных целых бобов и 2-фракцию остальных в том числе и дробленых бобов. Первая фракция в количестве 10,0 % идет на производство соевой основы и окары. Из бункера эта фракция загружается в ЗСК-15 перевозится и через магнитный сепаратор 18 подается в бункер 19 на участке очистки в цехе переработки. Шнековыми транспортерами соя последовательно подается в пневморе-шетную зерноочистительную машину 20, фрикционный сепаратор барабанного типа 22, шелушильную машину 24 и после очистки в пневмосепараторе 25 подается в бункер чистой сои 26, установленный на весах 27. Вторая фракция проходит очистку в фрикционном сепараторе барабанного типа 14, измельчается в дробилке 15, просеивается в сепараторе 16 и поступает в бункер-накопитель 17 в цехе экструдирования.
Результаты исследования зависимости времени прохождения стального листа, частицей сои, от кинематических параметров
Методика проведения производственных испытаний решетного стана представлена в разделе 3.6, результаты производственных испытаний сведены в таблицу приложения В . С целью проверки надежности и работоспособности опытной установки и совершенствования конструктивных, кинематических параметров решетного сепаратора совершающего колебания в своей плоскости с уменьшающейся амплитудой поперечных колебаний по мере движения материала, были проведены сравнительные испытания в условиях ООО «Белком» г. Кургане, в цехе экструдирования с серийным зерноочистительным агрегатом «Петкус - 523».
Испытания проводились на очистке и фракционировании сои. Результаты представлены на рисунках 4.12, 4,13 и 4.14. Кривые носят экстремальный характер, на 1 и 2 участке решета просеваемость небольшая потому, что частицы в начале решета перераспределяются по плотности и крупности. Достигнув 3 участка, на котором создаются хорошие условия для просеива-ния, достигается максимум 15400 кг/чм . Затем динамическое воздействие на решето уменьшается и уменьшается просеваемость. На 8 участке частицы крупной целой фракции просеиваются, поэтому на графике видно второй экстремум. Кривые на рисунках 3.12, 3.13, 3.14 носят одинаковый характер. Исходя из выше сказанного , можно сделать вывод, что оптимальными кинематическими параметрами являются: угол наклона решета а = 13 ... 15, амплитуда колебаний A = 1,25...2,0 мм и частота колебаний со = 100... 105 с"1.
Из графиков 4.15 и 4.16 видно, что из бобов сои с массой 174,0 грамма 1000 штук выделяется фракция 10,0 % крупных бобов с массой 198,0...230,0 грамма. Процент выделения и масса крупных бобов несущественно зависит от частоты и амплитуды колебаний при угле наклона решета 13,0...15,0 градусов.
На основании теоретических расчетов, экспериментальных и производственных испытаний выявлены основные параметры решетного сепаратора совершающего колебания в своей плоскости, с уменьшающейся амплитудой поперечных колебаний по длине решета (см. таблицу 4.1) Производственная проверка показала, что использование разработанного решетного сепаратора позволяет увеличить производительность и позволяет получить две фракции бобов сои, не увеличивая габаритных размеров, массы и потребляемой мощности. Акты производственных испытаний и внедрений приводятся в приложениях Г и Д. 1. Экспериментально подтверждены теоретические исследования зависимости времени, скорости и удельной просеваемости частицы на решете, от кинематических параметров. 2 Экспериментальная проверка показала, что оптимальный кинематический режим работы решетного стана при выделении крупных примесей следующий: угол наклона решета а = 13 ... 15, амплитуда колебаний А = 1,25...2,0мм и частота колебаний со = 100... 105 с"1. 3 Производственные испытания показали, что экспериментальный сепаратор одновременно с очисткой сои позволяет выделить из общей массы 8,0...12,0 % крупных бобов для цеха сухого молока и получить дополнительно до 2 кг сухого соевого молока с каждой тонны бобов. При технико-экономической оценке разработанных технических решений был произведен расчет экономической эффективности решетного сепаратора совершающего колебания в своей плоскости с уменьшающейся амплитудой поперечных колебаний по длине решета с существующей машиной «Петкус-523». Экономическую эффективность определяли за счет снижения себестоимости и получение дополнительного дохода продукции /90/. Производственные испытания опытного решетного сепаратора, совершающего колебания в своей плоскости с изменяющейся амплитудой поперечных колебаний по длине решета, позволили получить фракцию крупных, одинаковых по размеру целых бобов, для получения соевого молока. При этом не происходит потерь белка при замачивании, что позволяет повысить качество соевого молока. Эти данные были положены в основу расчета технико-экономических показателей.
