Экспериментальное исследование работы сепаратора зерна с решетами повышенной ориентирующей способности

Зерноочистительное и сортировальное оборудование прошло длительный этап становления, начиная от несвязанных друг с другом машин на асфальтированной площадке до комплексов по очистке и сушке зернового материала [1].

Многие ученые обращались к теоретическим основам разделения зерна, конструированию новых узлов сепараторов [2; 4; 6]. Значительный объем экспериментальных исследований для создания современных машин и их рабочих органов проведен в лабораториях разного масштаба. В современном сельском хозяйстве наряду с решенными проблемами по выведению процесса очистки зерна на промышленный уровень остаются не до конца проработанные вопросы, в частности по первичной и особенно вторичной очистке [3; 8].

В семеноводстве отмечается дефицит зерноочистительных машин, при этом ряд ученых отмечает, что их доля составляет порядка 12% от требуемого количества. Из этого следует вывод, что машины работают со значительными перегрузками сверх норматива, что влияет на качество зернового материала [4]. Рабочим органом во многих зерноочистительных машинах являются плоские пробивные решета [5]. В целом пропускная способность ветрорешетных зерноочистительных машин ограничивается производительностью решетного стана [6]. Было предложено большое количество способов и приемов повышения качественных и количественных показателей зерноочистительных машин с плоскорешетными рабочими органами [3; 4; 7]. Одним из перспективных способов является использование качающихся решет с повышенной ориентирующей способностью [8; 9]. Данное техническое решение позволяет объединить преимущества как плоскорешетных сепараторов, так и машин, рабочие органы которых совершают колебательные движения, а расположение отверстий под углом дополнительно позволяет интенсифицировать процесс сепарации [9]. Однако такой тип привода и расположения решет не используется ввиду неизученности работы.

Статья посвящена экспериментальным исследованиям работы сепаратора с качающимися рабочими органами с повышенной ориентирующей способностью [9].

Цель исследования – выявить зоны рациональных параметров работы решета, позволяющих повысить его ориентирующую активность, и, как следствие – количественные и качественные показатели.

Задачи исследования:

– провести запланированные лабораторные исследования;

– исходя из результатов многофакторного эксперимента получить уравнение регрессии;

– получить поверхности отклика полноты разделения в зависимости от конструктивных и технологических параметров решета;

– определить зоны рациональных конструктивных и технологических параметров работы решета.

Методы исследования

Применялась методика планируемого эксперимента. За критерий оптимизации принята величина полноты разделения решета.

Экспериментальная часть

Ориентация продолговатых отверстий на рабочих органах сепаратора представлена на рис. 1.

Зерновка имеет продолговатую форму и таким образом ориентируется вдоль длинных сторон прямоугольных отверстий решета, что положительно сказывается на вероятности прохождения мелкой фракции [10].

По итогам проведенного ранее отсеивающего эксперимента было установлено, что на процесс сепарации на данной установке оказывают влияние параметры: удельная нагрузка на рабочие органы G; угол наклона отверстий решета α и частота колебаний рабочих органов n. Результатом эксперимента, который проводился методом движения по градиенту, были определены пределы изменения вышеуказанных параметров.

Большая часть ученых, занимающихся вопросами зерноочистки, в качестве основного критерия оптимизации использует полноту разделения 8 [3]:

Р

8 =        ^,

Р0 а где Р – количество в объемном или весовом выражении проходовой фракции, выделяемое сепаратором; Р0 – общее количество зерна, поступившего на сепаратор в ходе эксперимента, кг; а – относительное содержание проходовой фракции в зерновом материале.

Рис. 1. Ориентация продолговатых отверстий на рабочих органах сепаратора (вид сверху): α – угол наклона прямоугольных отверстий решета

Каждый опыт повторяли четырежды, исходя из принятой надежности полученных результатов (0,95) и ошибки опыта (2σ) (σ – величина среднеквадратического отклонения).

Для описания закономерностей полноты разделения и разделения зерна на зерноочистительной машине с цилиндрическими качающимися решетами повышенной ориентирующей активности был проведен планируемый эксперимент, для которого был выбран симметричный ортогональный композиционный четырехуровневый план. Задача эксперимента – выявить влияние трех факторов на полноту разделения и получить модель процесса:

y b ₀ + z b _i x _i +   Е b _ij x _i x _j + s b _ii x _i ² ,                        (2)

1< i1<i1<i

В соответствии с планом эксперимента каждый фактор варьировал на пяти уровнях, включая звездные точки. Вначале проводили опыты в ядре плана на уровнях: +1 и –1, затем строили уравнение регрессии по полученным в результате эксперимента коэффициентам. Это уравнение проверяли на адекватность по критерию Фишера на 5%-ном и 1%-ном уровнях. Если оно было неадекватно, поводили дополнительные опыты в центре плана (точка 0; 0; 0) и в звездных точках. Кодирование факторов и уровни варьирования представлены в таблице.

Кодирование факторов и уровни их варьирования

Фактор	Подача зерна на решето G, кг/(м2 ч)	Частота колебаний решета n, мин–1	Угол наклона отверстий α, град
Кодированное обозначение	Х 1	Х 2	Х 3
Основной уровень	2100	110	30
Интервал варьирования	500	20	15
Верхний уровень	2600	130	45
Нижний уровень	1600	90	15
Звездная точка +a	2715	134,6	48,45
Звездная точка –a	1485	85,4	11,55

Результаты исследования

Согласно указанному плану был получен ряд числовых значений, подлежащих последующей статистической обработке.

Выведено уравнение регрессии, которое оказалось адекватным на 5%-ном уровне значимости, поскольку Fрасч = 1,28  Fтабл = 1,83.

Один из коэффициентов уравнения регрессии (х 12 ) оказался статистически не значимым, на что указала проверка по критерию Стьюдента.

Уравнение регрессии в кодированном виде:

y 0,699394 0,13724 х ₁ 0,0029 х ₂   0,00183 х ₃ 0,002594 х ₁ х ₃ 0,002594 х ₂ х ₃ 0,041277 х ₁ ² , (3)

0,0298 х ₂²   0,02642 х ₃ ² .

Можно сделать следующие выводы:

• –    наибольший по модулю коэффициент находится перед параметром х 1 – удельной нагрузкой на решето. Следовательно, он в большей степени влияет на полноту разделения. Отрицательный знак перед ним говорит о том, что с возрастанием х 1 полнота разделения снижается. Это не противоречит здравому смыслу;

• –    положительные знаки перед смешанными коэффициентами х 13 и х 23 указывают на то, что они пропорциональны полноте разделения;

• –    положительный знак перед коэффициентом b 11 свидетельствует о вогнутости характеристики полноты разделения от подачи зерна на решето. Это подтверждает экспоненциальный характер данной характеристики, определяемый неоднократно другими учеными;

• –    отрицательные знаки перед коэффициентами х 22 и х 33 говорят о выпуклости их форм и подтверждают наличие рациональных режимов в диапазоне их варьирования.

При постоянной амплитуде колебаний решет, обеспечивающей очистку их поверхностей щетками, большое влияние на режим движения массы зерна влияет частота колебаний: при малых частотах зерновой материал доходит до противоположных кромок решет, при относительно больших частотах зерно находится в основном на стыке двух решет, не доходя до кромок. В этом случае не вся поверхность решет работает, как предполагалось заранее. При проектировании двухрешетных сепараторов необходимо учитывать скорость, приобретаемую зернами при скатывании по перфорированной поверхности. Необходимо провести опыты по определению дальности прохода частиц на цилиндрических решетах, а также времени, затраченного на этот проход. Поскольку частота колебаний решет небольшая, ее также следует учитывать при относительном движении. Во время опыта замечено, что очистительные щетки, устанавливаемые пассивно снизу решет, также влияют на режим движения зерна. По правилам регулировки зерноочистительных машин они устанавливаются так, что щетина возвышается над рабочей поверхностью решета на 1 мм. При скатывании зерновок они ориентируются относительно отверстий, а щетки работают как дезориентаторы.

Происходит ориентирование зерен продолговатыми отверстиями, причем при спокойном характере движения материала по решетам, что наблюдается при малых частотах колебаний [10].

Для количественной оценки полученного уравнения регрессии его коэффициенты переводили в натуральные величины. Получено выражение:

ε = 0,459 – 0,00318∙G + 0,01895∙α + 0,01288∙n + 0,0000001297∙G∙n + 0,00000371∙α∙n

+ 0,0000004136∙G2 – 0,0000243α2 – 0,00006605∙n2.               (4)

Для представления зависимостей полноты разделения от варьируемых факторов в натуральных величинах было принято решение построить зависимости, представленные на рис. 2–4.

0,88 е

0,86

0,84

0,82

0,80

0,78

0,76

0,74

<5>.

'^

^' »0

n

Рис. 2. Зависимость полноты разделения от углов наклона отверстий α и частоты вращения приводного вала n, при . G = 1000 кг/м²∙ч

Рис. 3. Зависимость полноты разделения от удельной нагрузки на решето G и частоты вращения приводного вала n, при α = 45° град

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

G

α

Рис. 4. Зависимость полноты разделения от углов наклона отверстий α и удельной нагрузки на решето G, при n = 100 мин^–1

ε

Заключение и выводы

Анализируя полученные закономерности, можно сделать следующие выводы:

Параметры, принятые для эксперимента, имеют влияние на полноту разделения зерна на качающихся решетах.

Очевидно, что планируемый эксперимент построен в диапазоне рациональных величин варьируемых факторов, что можно увидеть по графикам.

Параметр «угол наклона отверстий решета» в большей степени влияет на полноту разделения, нежели частота вращения приводного вала. Это объясняется быстронара-стающим процессом ориентирования частиц кромками отверстия решета. Частота же колебаний выбирается из соображений достаточности прохождения зерна обоих решет и их рациональной загрузкой. Поэтому в данных опытах диапазон изменения частоты колебаний невелик.

Оба фактора совместно влияют на процесс сепарации зерна на решете. Слой зерновок, находящихся на решете, взаимодействует с его отверстиями.

При повышении нагрузки на решето и соответственно увеличении количества слоев зерна, ориентирование зерновок становится менее эффективным. Поэтому процесс очистки зерна качественнее проходит при повышенных частотах колебаний.

V.S. Koval’, A.V. Chernyakov, A.P. Shevchenko, M.A. BegunovTara Branch of Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Tara

Experimental study of the operation of a grain separator with sieves with increased orienting ability