Результаты теоретического определения конструктивных и кинематических параметров рабочих органов шелушильной машины

Основной задачей сортового помола пшеницы является максимальное разделение на отдельные фракции частей внешних оболочек, зародыша и эндосперма. На разрезе зерновки пшеницы четко отслеживается углубление, проходящее по всей его продольной оси, где внешние оболочки заворачиваются внутрь и образуют так называемую бороздку, имеющую различную фор- му у разных сортов и типов пшеницы. Присутствие такого сложного по форме и труднодоступного для рабочих органов обрабатывающих машин объекта значительно усложняет технологический процесс отделения эндосперма от внешних оболочек зерновки и существенно затрудняет процесс предварительного шелушения зерна перед помолом. Возможность полного удаления внешних оболочек зерна (вместе с при-

KTSJ сутствующими на них загрязнениями) перед помолом позволила бы значительно упростить технологию переработки зерна в муку. Наличие семенных оболочек, сросшихся с пигментной полосой и плотно соединенных с эндоспермом в зоне бороздки, делает практически невозможным полное удаление оболочек с поверхности зерновки, а следовательно, нельзя направить на размол полностью очищенные от оболочек зерновки1. Многочисленные исследования в области очистки поверхности зерна перед помолом как важной технологической операции подготовки зерна к переработке не привели к однозначному решению проблемы удаления внешних оболочек [1–4].

Операция шелушения увлажненного зерна в шелушильной машине с подвижными абразивными дисками осуществляется за счет факторов внешнего и преобладающего внутреннего трения при его транспортировании в ограниченном кольцевом объеме рабочей зоны [5-8]. Интенсивность взаимодействия зерновок в стесненных условиях обуславливается значением коэффициента заполнения рабочей зоны машины, определяющего плотность укладки зерновой массы, временем нахождения зерна в рабочей зоне и непрерывным интенсивным перемешиванием зерновой смеси, что создает предпосылки для эффективного и равномерного удаления внешних оболочек зерновок [9–11]. Значительно повысить эффективность шелушения за счет лучшего перемешивания зерна, движущегося в кольцевом рабочем зазоре между ситовым цилиндром и абразивными дисками, можно, сделав направляющие высштамповки на ситовом цилиндре [12].

Одним из составных элементов технологического процесса шелушения зерна в машинах такого типа (работающих по принципу «сжатие и трение»)

Том 30, № 4. 2020

является перемещение обрабатываемого зерна по фрикционным поверхностям рабочих органов этих машин. При этом количественные и качественные показатели этого технологического процесса в значительной степени обуславливаются конструктивными параметрами и кинематическими элементами движения самих рабочих органов и кинематическими элементами движения зерновок по ним. Эти конструктивные параметры и кинематические элементы являются объектом данного исследования.

Обзор литературы

Научной проблемой отделения оболочек зерна пшеницы перед помолом в разное время занимались Г А. Гло-бенко, И. Р. Дударев, И. В. Настагунин, Э. Г. Нуруллин и др. Зерно, обработанное в обоечной машине, подвергалось ги-дротермическоому воздействию в течение получаса с дальнейшим шелушением в машине типа ЗШН с абразивными дисками. В процессе обработки были удалены наружные оболочки в количестве 2–4 % от массы зерновки, при этом зольность обработанного зерна снижалась на 0,015–0,065 %. Зольность сортовой муки из шелушенного зерна на 0,010–0,035 % ниже, чем из зерна, обработанного по обычной технологии. В исследованиях И. Р. Дударева и И. В. Настагунина рассмотрена эффективность применения для шелушения роторно-лопастной фрикционной шелушильной машины. Полученные результаты показали, что для максимального удаления внешних оболочек, зерно необходимо подвергнуть гидротермической обработке с отволажива-нием в течение 3–6 часов. При обойном помоле шелушение зерна позволяет получить микробиологически чистую муку [13-15]. Минимальные энергозатраты на шелушение наблюдаются у максимально увлажненного зерна, но это происходит лишь до определенного значения влажности. При влажности выше 17 % зерновка становится пластичной, при этом энергоемкость процесса отделения оболочек растет, в том числе и за счет залипания рабочих поверхностей машин (абразивных дисков, ситового цилиндра). Уменьшается производительность шелушильной машины, а следовательно, и всей поточно-технологической линии. Кроме того, конечная продукция повышенной влажности хуже хранится [16].

Анализируя исследования по данной тематике, можно сделать вывод, что достичь практически полного удаления внешних оболочек зерна в настоящее время никому из исследователей не удалось [17-20]. Сложное анатомическое строение зерновки не позволяет этого достичь, используя существующее оборудование. Поэтому современные исследования направлены в первую очередь на поиск оптимальной степени шелушения зерна перед переработкой в муку и определение оптимальных конструктивных и режимных параметров существующих машин для шелушения.

Анализ процесса движения зерна в шелушильных машинах с подвижными абразивными дисками и неподвижным цилиндром позволил установить, что на зерновую массу, транспортируемую в ограниченном кольцевом объеме рабочей зоны шелушильной машины, действует целый комплекс сил, которые можно разделить на следующие группы: 1) диссипативные силы между движущимися зернами, включающие касательные и нормальные движущиеся и тормозящие силы внутреннего сопротивления зерна; 2) силы внешнего механического воздействия рабочих органов на контактирующие с ними зерна: нормальная реакция ситового цилиндра, касательная к цилиндру сила сопротивления сдвигу зерен по его перфорированной поверхности (сила внешнего трения), перпендикулярная сила воздействия на зерновки со стороны рабочих фрикционных поверхностей вращающихся абразивных дисков при их относительном перемещении в зерновой массе, касательная сила сопротивления сдвигу зерновок по рабочим фрикционным поверхностям подвижных абразивных дисков; 3) силы, обусловленные инерциальностью системы координат, в которой рассматривается траектория перемещения зерен: сила тяжести, радиально направленная центробежная сила, обуславливающая появление нормальных ускорений зерновок и перемещение их по развертывающейся траектории, касательно направленная сила инерции, вызывающая появление тангенциальных ускорений зерновок, кориолисова сила, возникающая в результате наложения относительных перемещений зерновок, движущихся по прямолинейным и круговым траекториям2.

Для большинства рассматриваемых сил оказывается неизвестным ни направление вектора, ни величина. Однако однородность условий, вызывающих появление отдельных групп сил, позволяет комплексно рассматривать каждую из них, заменяя равнодействующей, приложенной к центру масс элементарного зернового объема.

Материалы и методы

Анализ сил позволил установить, что их совместное действие создает условия для направленного радиальноосевого перемещения зерен. Известно, что если частица в установившемся движении будет вращаться вокруг некоторой оси и одновременно совершать поступательное движение вокруг нее, то траектория такой частицы будет винтовой линией [13]. Виды траекто- ситового цилиндра: размеров и угла на-

рий определяются конструктивными особенностями рабочей зоны, коэффициентом ее заполнения, а также фрикционными свойствами зерновой массы. В разрабатываемой шелушильно-сушильной машине (рис. 1) удаление наружных поверхностных слоев зерновок пшеницы происходит в результате их контакта с фрикционными поверхностями рабочих органов: вращающихся абразивных дисков и ситового перфорированного цилиндра, по всей длине которого выполнена направляющая высштамповка (рис. 2) [12; 21].

Степень шелушения, количество битых зерен и удельный расход энергии на процесс шелушения напрямую зависят от конструктивных параметров клона выполненной на нем высштам-повки. Обрабатываемый материал через впускной патрубок 2 самотеком поступает в рабочую зону машины (кольцевой зазор между абразивными дисками 8 и ситовым перфорированным цилиндром 5), где, двигаясь по высштамповкам цилиндра, меняет траекторию движения на направление внутрь машины, в результате чего зерно активно перемешивается, а отделенные оболочки эффективнее удаляются из рабочей зоны машины в аспирационную систему [12].

Изменение траекторий, скоростей, модулей движущих сил и сил сопротивления, развиваемых в рабочей зоне при радиально-осевом перемещении

Р и с. 1. Горизонтальная шелушильно-сушильная машина: 1 – корпус; 2 – впускной патрубок;

3 - выпускной патрубок; 4 - привод; 5 - ситовый перфорированный цилиндр; 6 - полый вал;

7 – ИК-излучатели; 8 – абразивные круги; 9 – сетчатые обечайки; 10 – аспирационная система;

11 – механизм регулирования угла наклона машины

F i g. 1. Horizontal peeling-drying machine: 1 - case; 2 - inlet; 3 - final branch pipe; 4 - drive;

5 - sieve perforated cylinder; 6 - hollow shaft; 7 - IR radiators; 8 - abrasive wheels;

9 – mesh feedwells; 10 – aspiration system; 11 – machine tilt adjustment mechanism

зерна и обеспечивающих различную интенсивность и продложительность обработки зерна, достигается путем варьирования угловой скорости вращения вала с абразивными дисками го, величиной межзернового давления о, ре- гулируемого заслонками на входе и на выходе из машины.

Отклонение траектории движения зерна от первоначальной напрямую за висит от геометрических размеров выс-штамповки и угла ее наклона к нормали поверхности цилиндра [12]. Продолжи- тельность нахождения зерновок в рабочей зоне машины будет также зависеть от угла ее наклона к оси цилиндра и формы, обосновать которую можно, вращения цилиндра; АС – касательная к окружности цилиндра; АЕ - перпендикуляр к линии АВ; BC - след касательной плоскости на основание; δ – угол следа касательной плоскости со следом ВЕ вертикальной плоскости; γ – угол наибольшего ската в точке, то есть двухгранный угол между касательной плоскостью АВС и плоскостью основания ВСЕ; AD - перпендикуляр, опущенный из точки А на линию ВЕ; GA – проекция линии наибольшего ската на вертикальную плоскость; L - длина цилиндра от его начала до плоскости сечения, мм; α – угол наклона цилиндра.

В соответствии со схемой (рис. 3) можно записать:

проанализировав траекторию движения зерна в рабочей зоне машины.

Р и с. 2. Ситовый цилиндр с выштамповками

F i g. 2. Sieve cylinder with stamping

AB = OO ' = L,(1)

BD = L ■ cos а,(2)

BE = —,(3)

cos а

AE = L • tg а,(4)

EC = BE • tg б = L tg^-- , cos a

EC =

AE tg p

L • ^, tg ^p

FD — BD • sin 5 — L • cos a • sin 5 , (7)

,AD L • sin a

FD =--=----- tg Y    tg Y

.

Результаты исследования

Для определения зависимости конструктивных и режимных параметров машины от угла наклона машины и угла высштамповки рассмотрим зерновку, находящуюся на поверхности наклонного ситового цилиндра (рис. 3).

Введем обозначения: АВ – линия, проходящая через точку А положения частицы на высштамповке ситового цилиндра, определяемая углом наклона высштамповки в ; ВСЕ - горизонтальная плоскость; AD ± ВЕ, АВЕ - вертикальная плоскость; AOVV – плоскость

Из формул (5) и (6) получим:

EC = L tg^- = L tg^, cos a    tg p откуда:

sin a tg 5 = 7^. tg P

Из формул (7) и (8) получим:

L • sin а

FD - L • cos а • sin б  -------, tg Y

Р и с. 3. Схема к определению зависимости конструктивных и режимных параметров машины от угла наклона цилиндра и угла высштамповки

F i g. 3. Scheme to determine the dependence of machine design and mode parameters on cylinder inclination angle and stamping angle или

tg Y

sin a cos a • sin 5

tg a sin 5

. „        sin a

Sin о - ,                .

л] tg² P + sin² a

tg § sin § =   °

V i + tg² §

sin a

tg p • 1 +

I tg P )

cos / -41 + tg2Y

откуда на основании выражения (11) получим3:

sin a cos у = ,= =

J sin² a + tg 2 a { tg² P + sin² a )

= cos a ■ cos p.(12)

Далее имеем:

L • sin a • sin 5 DG - FD • sin 5 -, tg Г или на основании выражения (7):

L • sin a • sin 5 • sin 5

DG —- tg a

• - L • cos a • sin2 5.(13)

С другой стороны:

DG = AD • tg £ = L • sin a • tg £ , (14)

где s - угол между линиями AD и AG.

Учитывая последние два выражения, получим:

^ _ cos а • sin2 5 sin а или согласно уравнению (11) [22]:

sin 2 а

^    2 ( tg² Р + sin² а )

Таким образом, значения геометрических параметров положения зерновки в точке А выражены в функции от угла наклона перфорированного цилиндра α и угла, характеризующего форму наклонной линии высштампов-ки цилиндра в.

Для определения зависимости режимных и конструктивных параметров машины от угла наклона высштам-повки ситового цилиндра, рассмотрим силы, действующие на зерновку:

• 1)    сила тяжести mg направлена вертикально вниз и совпадает с линией AD ;

• 2)    центробежная сила m • R ₀ • го ², где R ₀ - радиус ситового барабана, м; го -угловая скорость вала с абразивными кругами, рад/с; m - масса элементарного зернового объема, кг;

• 3)    нормальная реакция поверхности ситового цилиндра N , величина которой определяется как алгебраическая сумма составляющих силы тяжести, действующей на частицу, mg cos у и центробежной силы:

m • R 0 • to ² • cos ( n ^Л % ) , (16) где n ^л x — угол между направлением нормали к поверхности и нормали к траектории;

• 4)    сила трения fN , где f – коэффициент трения зерновки о ситовый цилиндр, направлена противоположно относительно скорости движения зерновки по поверхности ситового цилиндра.

В начальный момент времени можно сказать, что зерновка не имеет относительной скорости, а вращается вместе с абразивными дисками.

Начало движения зерновки по поверхности ситового цилиндра определится из условия равенства нулю проекций всех сил на касательную к траектории ее движения. В начальный момент движения такая касательная будет совпадать с направлением составляющей силы тяжести, действующей на зерновку, направленной по линии высштам-повки ситового цилиндра:

f • N - m • g • sin у = 0 , (17)

или f ■ g ■ cos у + f ■ Rо ■ to2 - g ■ sin у = 0, (18)

откуда, учитывая, что f = tg φ, где φ – угол трения, и выполняя тригонометрические преобразования, получим:

sin ( У - ^ф _R o „2

• sin ф

Принимая во внимание уравнение (12), получим:

Р = arccos

(   1(

----cos ф+arcsin cos aI кк

R o -го ^{2 g}

При a = 0 (горизонтальное положение цилиндра) уравнение (19) примет вид:

Р = ф + arcsin

( R 0 i® 2

I g

^ sin ^ф

)

Второе конечное значение угла β – угол отрыва зерновки от поверхности перфорированного цилиндра - определится, как и раньше, из равенства 0 нормальной реакции N.

В этом случае имеет место относительное движение зерновки по поверхности цилиндра (относительно абразивных дисков), поэтому второй составляющей нормальной реакции будет выражение (16).

Поэтому для момента отрыва можно записать:

( n ^Л Л ) = 0, (21)

N=m • g-cos у+m • R0 • w2 cos откуда:

R • w2     л cos у-—0----cos I n Л J,

g или, принимая во внимание выражение (12):

P = n - arccos

^R о ' ® _v g • cos a

^ cos П и ^л k ) .(22) J

Для установившегося режима действующей шелушильно-сушильной машины угол наклона машины a и высштамповки ситового цилиндра в существенно влияют на расход электрической энергии на процесс обработки зерна. Интенсивность шелушения зерна в рабочем кольцевом зазоре машины зависит в большей степени от модулей нормальных и касательных сил, приложенных к зерновкам в результате их трения о рабочие органы машины (абразивные диски и ситовой цилиндр), при этом зерновки подвергаются действию тангенциальных σ_β , радиальных σ_r и осевых напряжений σ_z , обеспечивающих эффективное шелушение зерна (рис 4). При этом следует также иметь в виду, что существуют факторы, влияющие на эффективность шелушения, учитывание которых создает затруднения для комплексного описания исследуемого процесса. К ним относятся такие факторы, как увеличивающееся в функции времени количество отделенных оболочек, создающих условия для изменения коэффициентов внутреннего и внешнего трения смеси зерна с продуктами шелушения; коэффициент заполнения рабочей зоны машины, определяющий плотность укладки зерновой массы; количество аспирируемого воздуха и его относительная влажность и т. д.

Аналитическое обоснование траекторий и скоростей зерновок внутри машины, находящихся под действием комплекса сил (движения и сопротивления), представляют значительную сложность в связи со стесненным перемещением зерновок в рабочей зоне машины. Поэтому энергетическую оценку процесса шелушения зерна необходимо рассматривать с упрощающими допущениями применительно к зонам его непосредственного контакта с абразивными дисками и ситовым цилиндром: размеры частиц исследуемой зерновой массы незначительны, по сравнению с рассматриваемой об-

Р и с. 4. Схема элементарного зернового объема к определению мощности для преодоления сил трения зернового слоя о поверхность ситового цилиндра

F i g. 4. Elementary grain volume scheme to determine power to overcome grain layer friction forces against sieve cylinder surface ластью, и ее можно представить как сплошное тело с плотностью р; коэффициент сопротивления внутреннему сдвигу слоев постоянен (при ос-редненном коэффициенте плотности укладки).

Для достижения равномерного съема оболочек с поверхности всех обрабатываемых зерен важным является установление закономерности статистически преобладающей ориентации их продольных осей относительно рабочих органов, что позволяет обоснованно выбирать размеры элементов рабочей зоны машины, в частности радиального кольцевого зазора между абразивными дисками и ситовым барабаном, в котором происходит интенсивный сдвиговый процесс.

Для принятой осесимметричной естественной цилиндрической системы координат r; z; в выражение для определения мощности для преодоления сил трения зернового слоя о поверхность ситового барабана площадью S представим в виде:

где т ₀ - касательное напряжение, Па; I S ^ + P _z I - вектор результирующей скорости зерен в плоскости, касательной к ситовому барабану; o r - радиальное давление зерна на поверхность ситового барабана, Па.

Так как касательное напряжение т ₀ противоположно скорости сдвига зерна по винтовой траектории, можно записать:

—>

Т 0

fа_ -/Я 2 + Я 2cosл rRо \ pR о       zRо

= f а JЯ % + Я ²_Z .     (24)

r R 0 V      ^{P R} 0           z ^R 0

Подставив выражение (24) в (23)

и учитывая, что dS = 2 л R ₀ dz , получим:

L

P =

и f . к .

S

dS =

S

где

^ zR o = ®- ¹ ■

^ . (л ф „А     (л ф

Sin —h^r + Р - cos —и"

2 .   ^ ^{42   7   1} 4 2

(            cos ф

— I

А

cos Р .

Анализ выражения (26) показывает, что осевая скорость зерна является функцией нескольких переменных и зависит от геометрических параметров фрикционных рабочих органов: угла наклона высштамповки ситового цилиндра в и ее длины l , коэффициента внутреннего трения зерновой массы f = tg φ и угловой скорости вала ω.

В выражение (26) не входят размеры кольцевого сечения рабочей зоны, однако его влияние определяется угловой скоростью вала, а вследствие малой величины радиального зазора между ситовым цилиндром и поверхностью абразивного диска оно обусловлено и угловой скоростью зерновой массы, вычисляемой по формуле:

^pRo to = , r + К где SpR - окружная скорость зерновой массы, описывающей окружность радиуса r + к; r – радиус абразивных дисков, м; к - ширина кольцевого зазора между абразивными дисками и ситовым цилиндром, м.

Обсуждение и заключение

Проанализировав траекторию движения зерна, находящегося на поверхности наклонного ситового цилиндра, получили выражения (20), (22), связывающие форму наклонной линии высштамповки цилиндра, характеризуемую углом в, с углом наклона цилиндра а, его радиусом R0, угловой скоростью вала с абразивными дисками, фрикционными свойствами зер- на. При радиусе ситового цилиндра R0 = 0,135 м, горизонтальном расположении цилиндра а = 0 и угловой скорости вала ω = 90 рад/с минимальный угол наклона высштамповки цилиндра составляетв = 22°.

Получено аналитическое выражение для расчета мощности (25), необходимой для преодоления сил внешнего трения зернового слоя о элементы поверхности ситового цилиндра, в зависимости от угловой скорости вала с абразивными дисками и связанного с ней угла наклона машины α и угла наклона высштамповки ситового цилиндра β (22). При радиусе ситового цилиндра R ₀ = 0,135 м, ширине рабочего кольцевого зазора к = 0,01 м, длине цилиндра L = 0,4 м, горизонтальном расположении цилиндра ( α = 0), угловой скорости вала ω = 90 рад/с, в = 22° расчетная мощность составила Р = 4,5 кВт.

Необходимо отметить, что поскольку реальные зерновки пшеницы значительно отличаются от материальных точек и значений сил трений, и сопротивления среды, являющихся членами уравнений движения, во многих случаях изменяющих свой характер во время движения, то и значения кинематических элементов движения, полученные в результате аналитического решения этих уравнений, также будут отличаться от реальных значений. Поэтому полученные параметры следует считать приближенными и требующими уточнения на основании экспериментальных исследований.

Поступила 01.06.2020; принята к публикации 10.08.2020; опубликована онлайн 30.12.2020

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.