Влияние основных параметров гравитационного сепаратора на эффективность очистки зерна от мелкой примеси

Зерноочистительная техника, имеющаяся в сельском хозяйстве, морально устарела, так как она не соответствует современным условиям зернопроизводства, физически изношена на 70-80% и количественно недостаточна (обеспеченность техникой средних и крупных хозяйств не превышает 40%, а фермерские хозяйства вовсе не имеют требуемой техники) [2].

Поэтому необходимо создание новых зерноочистительных машин, максимально адаптированных к многообразию условий современного сельскохозяйственного производства и обеспечивающих решение задач по очистке зерна при минимальных капитальных и энергетических затратах.

В связи с этим разработан гравитационный сепаратор (рис. 1) для очистки зерна от примесей [1].

Рис. 1. Общий вид и принципиальная схема гравитационного сепаратора для очистки зерна:

1 ‒ загрузочный бункер; 2 ‒ заслонка подачи материала; 3 ‒ сепарирующие гребенки для выделения крупной примеси (сходовая фракция); 4 ‒ сепарирующие гребенки для выделения мелкой примеси (проходовая фракция); 5 ‒ скатные доски; 6 – сплошной накопитель;

7 – подвижная заслонка; I ‒ патрубки для вывода крупной примеси; II ‒ патрубки для вывода мелкой примеси; III ‒ патрубок для вывода очищенного зерна; IV ‒ патрубки для вывода мелкой примеси в боковую сторону

Гравитационный сепаратор для очистки зерна работает за счет использования сил гравитации, принципиально отличается от всех существующих гравитационных сепараторов тем, что в нем исходный зерновой материал делится на две части для уменьшения удельной нагрузки на гребенки. Как показали предварительные исследования, уменьшение удельной нагрузки на сепарирующие гребенки позволяет увеличить эффективность выделения мелких и крупных примесей.

Принцип работы гравитационного сепаратора: исходный зерновой материал попадает из бункера-питателя 1 на правую и левую стороны сепаратора, т.е. исходный зерновой материал делится на два потока. Один поток, попадая на правую сторону сепаратора, поступает в правый зигзагообразный канал, в котором установлен каскад гребенок 3, 4, а затем на сплошной накопитель 6, в котором происходит перераспределение частиц зернового материала. Более мелкие частицы мелкой примеси и основное зерно опускаются в нижние слои, а затем поступают на верхнюю первую гребенку 3. Зазор между прутками гребенки выбран таким образом, что мелкие примеси и основное зерно проходят в отверстия гре- бенки, а крупные примеси ‒ нет. Частицы крупной примеси и непрошедшие частицы основного зерна идут сходом с верхней первой гребенки и поступают на скатную доску 5, при этом направление движения зернового потока меняется.

После скатной доски они поступают на сплошной накопитель 6 , на котором происходит перераспределение частиц в слое. Мелкие частицы зернового материала опускаются в его нижние слои. А затем на верхнюю вторую гребенку 3 , где мелкие примеси и основное зерно проходят в отверстия второй гребенки, а частицы крупной примеси и непрошедшие частицы основного зерна идут сходом и поступают на нижерасположенную скатную доску 5 . Перемещаясь по этой скатной доске, зерновой материал поступает на верхнюю третью гребенку 3 , где частицы мелкой примеси и основного зерна проходят в отверстия гребенки, а частицы крупной примеси попадают в правый канал вывода крупной примеси I .

Частицы мелкой примеси и основного зерна, прошедшие в отверстия верхней первой гребенки, поступают на нижерасположенную скатную доску 5 . После нее они поступают на другую скатную доску и при этом меняют направление движения. Происходит перераспределение частиц в зерновом слое. Частицы мелкой примеси опускаются в нижние слои. Затем мелкие примеси и основное зерно поступают на гребенку 4 для выделения частиц мелкой примеси, в которой зазор между прутками гребенки выбран таким образом, что частицы мелкой примеси проходят в отверстия между прутками, а частицы основного зерна не проходят.

Частицы мелкой примеси проходят в отверстия верхней гребенки 4 для выделения частиц мелкой примеси и поступают на скатную доску 5 для вывода в боковую сторону сепаратора IV . А частицы основного зерна с непрошедшими частицами мелкой примеси поступают на сплошной накопитель 6 , где материал меняет направление движения и происходит перераспределение частиц в слое, далее материал поступает на верхнюю вторую гребенку 4 для выделения частиц мелкой примеси. Частицы мелкой примеси проходят в отверстия гребенки, попадают на скатную доску 5 , а затем направляются на вывод в боковую сторону IV .

Непрошедший материал (основное зерно с частицами мелкой примеси) поступает на сплошной накопитель 6 , где материал меняет направления движения, а затем поступает на гребенку 4 , где частицы мелкой примеси проходят в отверстия и поступают на скатную доску 5 , а затем в центральный канал вывода мелкой примеси II . Непрошедший материал поступает на нижерасположенный сплошной накопитель 6 , а затем на гребенку, на которой идет выделение частиц мелкой примеси, которые попадают в боковой канал вывода мелкой примеси и так далее IV .

Вторая часть исходного зернового материала (второй поток) поступает на верхнюю первую гребенку левой стороны, в отверстия которой проходят частицы основного зерна и мелкой примеси. А частицы крупной примеси с частицами мелкой примеси и основного зерна, не прошедшими в отверстия гребенок, идут сходом. Процесс сепарации зернового материала на левой стороне сепаратора, в левом зигзагообразном канале, в котором установлен каскад гребенок аналогичен процессу сепарации на правой стороне сепаратора.

Из анализа показателей зерна, поступающего на послеуборочную обработку, видно, что содержание в нем мелких и крупных примесей составляет в среднем около 7%, хотя в отдельных случаях достигает 10% и выше [5].

Для опытов был приготовлен зерновой материал, мелкая примесь в котором составляла 6%, крупная ‒ 6%. Зерновой материал поступает после предварительной очистки. После очистки на воздушно-решетных машинах компоненты зернового материала, которые использовались в исследованиях, были предварительно отсортированы. В качестве основного зерна использовали пшеницу, очищенную от крупных примесей решетами

∅ 4,5 и □ 3,6, а от мелких примесей ‒ решетами ∅ 3,0 и □ 2,6. Как показал анализ поступающего зерна на послеуборочную обработку, битые вдоль зерна основной культуры составляют основную часть мелкой примеси [5]. Поэтому из пшеницы была приготовлена мелкая примесь путем разрезания зерен вдоль на две равные половинки.

Каждый опыт проводился в следующей последовательности: устанавливали определенное значение изучаемых факторов, исходный зерновой материал после тщательного перемешивания загружали в загрузочный бункер 1 установки (см. рис. 1); на определенную величину открывали заслонку подачи материала 2 и включали секундомер, по истечении 40 с работы под энергосберегающий сепаратор для очистки зерна подставляли пробоотборник; отбор проб вели в течение 10 с, после чего пробоотборник быстро удаляли из-под энергосберегающего сепаратора; содержимое каждого пробоотборника взвешивали и разбирали для определения в нем количества основного зерна, мелкой и крупной примесей; результаты вносили в журнал экспериментального исследования; подсчитывали показатели эффективности выделения мелких, крупных примесей ( Е м , Е к ) по формуле В.Г. и Г.В. Ньютонов [4] для каждого пробоотборника в отдельности.

Объективным параметром оптимизации является эффективность очистки зерна от примесей.

На основании результатов априорного ранжирования факторов были определены следующие факторы и их уровни варьирования: Х 1 = 4-20 т/ч·м – удельная подача (Q); Х 2 = 28% ‒ засоренность (Со); Х 3 = 4-8 шт. – количество гребенок (n).

Для обоснования основных параметров (удельной подачи, количества гребенок, засоренности) было произведено планирование эксперимента при помощи полного факторного эксперимента (ПФЭ-23).

Для реализации эксперимента использовали ротатабельное центральное композиционное планирование эксперимента (РЦКП), которое позволяет получать более точное математическое описание поверхности отклика. После реализации эксперимента и обработки данных было получено уравнение регрессии:

у = 90,89 - 0,64х 1 - 0,63х 2 + 5,09х 3 - 4,01х 1² - 1,5х 2² - 2,8х 3² .               (1)

Оценка адекватности теоретических и экспериментальных исследований проводилась по критерию Фишера [3], где F расч . = 2,1 ≤ F теор. = 5,32 при 95%-ной достоверности. Среднеквадратическая ошибка не превышала 5%.

Канонический анализ математической модели (1) позволил получить наглядное представление о геометрическом образе изучаемой функции отклика. Чтобы получить представление о геометрическом образе, в программе Statistica 6.0 построили графики зависимости эффективности очистки зернового материала от мелкой примеси (рис. 2, 3, 4).

Во-первых, после рассмотрения влияния факторов х 1 и х 2 на эффективность очистки зерна при стабилизации х 3 на нулевом уровне и дифференцирования по х 1 и х 2 уравнение (1) в канонической форме запишется:

у = 83,49 + 1,8х1 - 2,7х2 - 0,08х12 + 0,22х22.(2)

Каноническое уравнение (2) в геометрическом образе изображено на рисунке 2.

Во-вторых, рассмотрим влияние факторов х 1 и х 3 при стабилизации х 2 . После аналогичных математических преобразований получим каноническое уравнение:

у = 28,35 + 1,66х1 + 11,6х3 - 0,09х12 - 0,63х32.(3)

По аналогии уравнение (3) в геометрическом образе изображено на рисунке 3.

В-третьих, если рассмотреть влияние факторов х 2 и х 3 при стабилизации х 1 , то после аналогичных преобразований уравнения (1) получим уравнение в канонической форме:

у = 52, -2,99х2 + 8,63х3 + 0,25х22 - 0,32х32.(4)

Уравнение (4) в геометрическом образе изображено на рисунке 4.

Рис. 2. Эффективность выделения мелкой примеси в зависимости от удельной подачи зернового материала и засоренности зернового материала

Рис. 3. Эффективность выделения мелкой примеси в зависимости от удельной подачи и количества гребенок

Рис. 4. Эффективность выделения мелкой примеси в зависимости от засоренности зернового материала и количества гребенок

Вывод: таким образом, установлено, что максимальная эффективность очистки зернового материала от мелкой примеси 90-94% обеспечивается при удельной подаче 1112 т/ч·м, засоренности 6-5% и количестве гребенок 8 шт.