Процесс очистки семян мелкосеменных культур от трудноотделимых засорителей методом фрикционного разделения

Автор: Кролевец Роман Леонидович

Журнал: Вестник Омского государственного аграрного университета @vestnik-omgau

Рубрика: Технические науки

Статья в выпуске: 2 (6), 2012 года.

Бесплатный доступ

В статье представлен расчет режимов работы колебательных поверхностей при очистке семян (горца забайкальского и щавеля гибридного кормового) от трудноотделимых засорителей. Приведены углы направленности колебаний и наклона плоскости, а также ее кинематический режим.

Мелкосеменные культуры, сорняк, сепарация семян, фрикционное разделение

Короткий адрес: https://sciup.org/142198798

IDR: 142198798

Текст научной статьи Процесс очистки семян мелкосеменных культур от трудноотделимых засорителей методом фрикционного разделения

Одно из основных условий, позволяющих решать задачу полного удовлетворения потребности населения страны в продукции растениеводства, – высокая урожайность сельскохозяйственных культур. В общем комплексе мероприятий, рекомендованных для ее повышения, важная роль принадлежит улучшению качества подготовки семян. Кроме положительного влияния на урожайность, посев высококачественными семенами обеспечивает уменьшение их расхода в связи с более низкими нормами высева и возможного для ряда культур исключения из технологического процесса возделывания такой операции, как формирование густоты насаждения.

Выращиванием семян овощных, технических и кормовых культур в нашей стране занимаются специализированные хозяйства. Здесь же сушат и осуществляют первичную очистку, удаляя крупные и легкие незерновые примеси и семена сорняков. При этом обычно используют воздушно-решетные машины, реже типовые пункты обработки семян.

Несмотря на первичную очистку в семеноводческих хозяйствах, ворох представляет собой сильно засоренную смесь семян основной культуры и сорных растений, а также соломистых и других примесей. Чистота его составляет 60–75% и менее.

Объекты и методы

Семена и трудноотделимые засорители образуют двухкомпонентную смесь, ее составляющие различны по свойствам поверхности и форме. На колеблющейся с определенными параметрами плоскости семена и засорители должны двигаться в разные стороны.

Результаты исследований

Для исследуемого процесса интерес представляет зона равных по фазам сдвигов вверх и вниз при угле направленности колебаний ε 1 , который определяют из условия к в = к н (табл. 1)

tg£i ~ 0,5[ctg(a + Ф)-ctg(ф - a)].                           (1)

Необходимо определить значение угла направленности колебаний ε , угла наклона плоскости α и показатель кинематического режима к при разделении на ней двухкомпонентной зерновой смеси, один из которых имеет среднее значение угла трения φ ', другой φ ", причем φ " min φ ' mах . В дальнейшем все показатели для первого компонента будем обозначать с одним штрихом, для второго – с двумя штрихами.

Для решения вопроса А.И. Тараном рекомендуется построение совмещенных полярных диаграмм.

Таблица 1 Режимы движения компонентов в зоне возможного разделения

Режим движения

Угол трения компонента

Характер относительного движения

k 0 > k > k' B > k н

φ'

Движение без подбрасывания со сдвигами вверх и вниз, но больше вниз

k > k 0 > k' B > k' н

φ'

Движение с подбрасыванием и со сдвигами вверх и вниз, но больше вниз

k 0 > k > k" H > k" B

φ"

Движение без подбрасывания со сдвигами вниз и вверх, но больше вверх

k > k 0 > k" H > k"в.

φ"

Движение с подбрасыванием и со сдвигами вниз и вверх, но больше вверх

k > k" H > k 0 > k" н

φ"

Движение со сдвигами вниз без подбрасывания и со сдвигами вверх с подбрасыванием. Величина сдвигов больше вверх

k"н > k > k 0 > k" B

φ"

Движение с подбрасыванием только вверх

Приведенные в табл. 1 режимы всегда обеспечивают результирующее движение вниз по наклонной колеблющейся плоскости с подбрасыванием или без него компонента с углом трения φ', а вверх – компонента с углом трения φ". Так как углы трения компонентов разделяемой зерновой смеси варьируют в некоторых пределах от φ'min до φ'max и от φ''min до φ''max, то в первом приближении можно предполагать, что процесс разделения наиболее эффективно будет идти при угле направленности колебаний и угле наклона плоскости, соответственно равных

£ * 0 , 5 ( ^ 1 + £ j ) ;                                          (2)

а ~ Ф тт "                                      (3)

При больших углах наклона плоскости к горизонту частицы первого компонента будут двигаться вниз по плоскости ускоренно и могут увлекать за собой частицы второго компонента, которые должны перемещаться вверх по плоскости.

Таким образом, область возможных режимов работы наклонной колеблющейся плоскости при разделении на ней компонентов зерновой смеси по фрикционным свойствам ограничена показателем кинематического режима k k " B и углами направленности колебаний ε 1 ' и ε 1 '', при которых имеют место равные по фазам сдвиги вверх и вниз соответственно компонентов с углами трения φ ' и φ ". Однако, с точки зрения стабильности процесса разделения, более правильно эту область ограничить такими углами направленности колебаний и такими значениями показателей кинематического режима, при которых перемещение каждого компонента вверх ξ в и вниз ξ н за один сдвиг в одном и том же периоде колебания плоскости будут равны по абсолютной величине, т.е. | ξ в | = | ξ н |, следовательно, средняя скорость движения будет равна нулю

V ср = ^ н ^ в ю = 0,                                    (4)

2п где

^н = ° • Г

cos 0 1 - cos 6 2 - ( 0 1 - 0 2 ) sin ^ j - 0 , 5 ( 0 1 - 0 2 ) 2 cos 0 0

^в = С • r

cos у 1 - cos у 2 - ( ух 2 ) sin у 1 - 0 , 5 ( у 1 - у 2 ) 2 cos у о

Здесь θ 1 и θ 2 соответственно фазы начала и конца сдвигов вниз, а ψ 1 и ψ 2 – фазы для сдвигов вверх. Фазы θ 0 и 2 π + ψ 0 характеризуют момент, когда относительная скорость движения материала по плоскости вниз и вверх соответственно достигает наибольшей величины.

С.М. Григорьев указывает, что для удовлетворения условия | ξ в | = | ξ н | необходимо „   cos ( s + а + ф ) cos ( s + а - ф )

С = ОИЛИ----------— =----------— ,                   (6)

COSф          COSф что возможно при а = -е, а = £ = 0, ф = 0. Условия а = -е и а = е = 0 не представляют смысла с точки зрения технологической, а условие φ = 0 практически нереально, так как не имеет физического смысла.

Равенство выражений в квадратных скобках уравнения возможно при θ 1 = ψ 1 – π и κ в = κ н , где при α = –ε получаем sin (α + φ) = sin (α – φ) , что возможно при φ = π/2 и не имеет физического смысла. При α = ε = 0 последнее равенство не имеет технологического смысла.

Таким образом, при α ≠ 0 и ε ≠ 0 условие (4) или равенство сдвигов вверх и вниз возможно только при σ δ и к в к н .

Определение угла направленности колебаний ε и наклона α колеблющейся плоскости для условия равенства сдвигов вверх и вниз, т.е. | ξ в | = | ξ н |, в общем виде значительно затруднено, т.к. в выражении (5) фазы начала и конца движения материальной точки, являющиеся функциями углов α и ε , входят в явном виде и в виде тригонометрических функций. Поэтому решение задачи более целесообразно проводить с помощью уравнений для ξ в и ξ н , полученных А.И. Тараном и имеющих вид

^ н = С r

( cos 0 2 - cos 0 1 ) 2 2cos 0 0

с (cos у - cos у )2 к = £ r

.

в

2cos у 2

Как видно, фазы начала и конца сдвигов входят в выражение (7) только в виде тригонометрических функций, что более удобно при расчетах.

Исходя из этого, для группы режимов движения материальной точки с двумя длительными остановками в одном периоде колебаний уравнение для средней скорости ее движения имеет вид

r^

Vср =--- с т

4п

( cos 0 2 - cos 0 1 ) 2     ( cos y 2 - cos y 1 ) 2

cos 0 0

.

cos y 0

В соответствии с условием (4) последнее уравнение приравниваем к нулю и после преобразований получаем

Или

° k e = (cos y 2

5k„    cos 0

н 2

- cos у 1

- cos 0 1

)2.

cos2 (^ + а + ф) • sin(a + ф) cos2 (s + а + ф) • sin(a - ф)

= (cos у 2 cos 0 2

- cos y 1

- cos 0 1

)2.

Так как для этих режимов cos 9 1 = cos 0o = -кн/k и cos у 1 = cos y0 = кн/к, а фазы 92 и у2 являются функциями фаз 01 и ψ1 по зависимостям sin 02 - 02 cos 01 = sin 01 - 01 cos 01 , sin у2 - у2 cos у1 = sin у1 - у1 cos у1,

то по уравнению (9) можно определить углы α и ε , при которых сдвиги вверх и вниз будут равны по абсолютной величине.

Выражение, аналогичное уравнению (9), таким же путем можно получить для группы режимов с одной длительной и одной мгновенной остановками. Для этих режимов среднюю скорость определяют по уравнению ra

Vcp =-- CT

4n

(cos S , - cos 9 1 ) 2    e, a            (cos 2 9 2 - cos2 / 2 )2

+ 5 (cos 9 2 - cos / 1

cos 9 0                                2 cos / 0

,

где фазу ψ2 определяют по формуле sin /2 - /2 cos /0 = sin 92 - 92 cos /0 .

Для случая равных по величине сдвигов вверх и вниз, когда Vср = 0, из уравнения (12) после некоторых преобразований получаем ok (cos / - cos 9) /           _          4

--- =----- 2 ------~ - ( cos / + cos 9 - 2 cos / ) .

5k H   (cos 9 2 - cos 91) v 2       2         °7

Для решения нашей задачи наибольший интерес представляют режимы движения материала с двумя мгновенными остановками, средняя скорость движения материала для которых определяется по уравнению ra

Vcp = — ( ст - 5 )(cos 9 1 ПР

4 n

n          „ k   cos2 9np- cos2 9пр cos 9 np) - (ст + 5 —)--—-------2ПР-

2 ПР         k/       2cos 9

н 0

,

где

9 n p = n + arc cos( — -     ПР —) - A 9p ,

1ПР                                       ПР kH sin A9—P

A9 np = n-

k н

A = A

9 2 ПР    9 1 ПР

k„ + k , нв

+ 2 A9 np .

Такая группа режимов движения материала по колеблющейся плоскости при кв > кн возможна, если k > knp =--—-- sin А9ПР

i+^9—p        , sin А9ПР  tgА9ПР ’

2 A 9 —p

где к пр – граничное значение показателя кинематического режима, при котором начинается движение материала с предельными фазами θ 1пр и θ 2пр при условии к в к н .

Случаи, когда кн > кв, нами не рассматриваются, так как при этом условии равные по величине сдвиги вверх и вниз невозможны.

Для упрощения вычислений к пр формулу (17) можно привести к виду

,        nk„     I . 2 .               "77 77     772

knp =---— Jsrn A9jp - A 9, - 2 sin A 9 , + A9 np .

ПР                  ПР     ПР         ПР      ПР

k« + k нв

Приравняв выражение (15) к нулю в соответствии с условием (5), после некоторых пре- образований получаем nkH  = n(CTkB + 5kH)

gk „ + k6    ( kH + k 6 )( ст - 5 ).

нв нв

Уравнение (19), как и уравнения (9) и (14), относительно углов α и ε трансцендентно. Однако в уравнение (19) не входит величина показателя кинематического режима к , а только граничные показатели к е и кн и параметры о и 5 , каждый из которых является функцией углов α , ε и φ . Следовательно, в режимах движения материала по колеблющейся плоскости с мгновенными остановками равенство сдвигов вверх и вниз не зависит от величины показателя кинематического режима к , если она выбрана в пределах к 0 ≥ к ≥ к пр .

Выбирая углы направленности колебаний ε р, и ε р,, для компонентов разделяемой зерновой смеси с углами трения соответственно φ , и φ ,, , можно более точно определить границы области вероятных режимов работы наклонной колеблющейся плоскости при разделении на ней семян по фрикционным свойствам.

Таким образом, разделение на фрикционной колеблющейся плоскости семян и засорителей, различных по свойствам поверхности, возможно при следующих параметрах: угле направленности колебаний ε , выбранном в пределах между ε р, и ε р,, , величине показателя кинематического режима к > к в и угле наклона плоскости к горизонту α ≈ φ min .

Таблица 2

Возможные параметры работы фрикционной колеблющейся плоскости при разделении семян щавеля гибридного кормового и вьюнка полевого

Материал рабочей поверхности

Коэффициент трения

Кинематический параметр плоскости

щавеля гибридного

вьюнка полевого

α, рад

ε , рад

к

Листовая резина марки 1847

0,352–0,732

0,678–0,821

0,162–0,326

–(0,335–0,888)

4,3–6,8

Байка

0,348–0,744

0,812–1,32

0,187–0,389

–(0,230–0,754)

3,5–7,1

«Бархатная» бумага

0,298–0,535

0,587–0,891

0,118–0,223

–(0,432–0,973)

1,8–3,9

Результаты теоретических исследований по определению кинематических параметров фрикционной колеблющейся плоскости при очистке семян щавеля гибридного кормового от вьюнка полевого и горца забайкальского от гречихи татарской, выполненных посредством построения и анализа полярных диаграмм типичных режимов, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Возможные параметры работы фрикционной колеблющейся плоскости при разделении семян горца забайкальского и гречихи татарской

Материал рабочей поверхности

Коэффициент трения

Кинематический параметр плоскости

горца забайкальского

гречиха татарская

α , рад

ε , рад

к

Листовая резина марки 1847

0,715–0,923

0,577–0,931

0,22–0,43

–(0,42–0,95)

1,5–6,2

Абразивная бумага

0,564–0,803

0,611–0,924

0,19–0,35

–(0,27–0,85)

1,8–6,4

«Бархатная» бумага

0,696–0,998

0,656–0,971

0,16–0,33

–(0,37–0,86)

1,9–6,1

Последующие экспериментальные исследования подтвердили верность теоретических предпосылок.

Список литературы Процесс очистки семян мелкосеменных культур от трудноотделимых засорителей методом фрикционного разделения

  • Виноградов, В.П. Очистка семян овощных культур/В.П. Виноградов//Техника в сельском хозяйстве. -1976. -№ 5.
  • Эрк, Ф.Н. Проблемы очистки семян многолетних трав/Ф.Н. Эрк//Техника в сельском хозяйстве. -1981. -№ 12.
  • Гладков, Н.Г. Сепарирование семян по свойствам их поверхности. Часть 1. Фрикционные сепараторы. -Тр. ВИСХОМ. Вып. 26. -М.: ЦБТИ, 1959. -204 с.
  • Седаш, Л.Т. Фрикционные сепараторы для очистки и сортирования семян сельскохозяйственных культур/Л.Т. Седаш. -Воронеж: Изд-во Воронежского ун-та, 1972. -167 с.
Статья научная