«Параметры и режимы работы центробежно-решетного сепаратора с радиальными пластинами барабана»

Во введении рассматривается актуальность темы, кратко излагаются
основные положения, выносимые на защиту, дается общая характеристика
выполненных исследований.
В первой главе «Современное состояние вопроса сепарации зернового
материала»проанализированыконструкциицентробежно-решетных
сепараторов, выявлены их достоинства и недостатки, рассмотрены их
характеристики. Существенный вклад в усовершенствование внесли Е.С.
Гончаров, П.М. Заика, Н.М. Иванов, С.В. Леканов, А.А. Несиков, А.П. Слепов,
Н.И. Стрикунов, Б.Т. Тарасов, А.А. Хижников, Л.Н. Тищенко, В.Р. Торопов,
В.Т. Яковлева, С.С. Ямпилов и другие ученые.
Обоснованиепараметровцентробежно-решетногосепаратора
показывают, что одним из важных элементов зернового и подсевного блоков
является пластинчатый барабан. Установлено, что наклон пластин к радиусу
цилиндра оказывает влияние на эффективность работы не только подсевного
блока, но и зернового. По результатам этих исследований показано, что углы
наклона рабочей грани пластин к радиусу, обеспечивающих работоспособность
блоков, лежат в пределах от 0° до 45°.

а) подсевное решето с круглыми отверстиями и внутренним пластинчатым
барабаном с углом наклона пластин к радиусу 1 = 45° ;
б) подсевное решето с продолговатыми отверстиями, расположенными под
углом к образующей, и внутренним барабаном с комбинированными
пластинами;
в) подсевное решето с круглыми отверстиями и пластинами с углом отгиба в
основании цилиндра барабана βо.
Рисунок 1 – Варианты компоновки цилиндрического барабана пластинами на
центробежно-решетном сепараторе
По результатам проведенного анализа технических решений
относительно конструктивного исполнения пластинчатого барабана, можно
сделать вывод о том, что в случае совместной работы подсевного и зернового
блоков центробежно-решетного сепаратора, пластинчатый барабан должен быть
выполнен двухсекционным.
Во второй главе «Теоретическое исследование процесса сепарации
зерновой смеси на подсевном решете с пластинчатым барабаном центробежно-
решетного сепаратора» рассмотрен послойный процесс движения зерновой
смеси внутри подсевного блока центробежно-решетного сепаратора.
Предварительные опыты показали на целесообразность применения
радиальных пластин с отгибом в основании цилиндра барабана для подсевного
решета центробежно-решетного сепаратора.
Механико-математическая модель движения зернового материала в
подсевном блоке предусматривает двухслойное движение: в первом слое – это
движение между пластинами барабана, во втором – движение зернового
материала в активном слое.
Известныеконструкциисепараторов,предназначенныхдля
предварительной очистки зернового вороха, имеют ряд технологических
недостатков. Наиболее существенным является неспособность их эффективно
работать на выделении не только легких и крупных примесей, но и мелких.
Рисунок 2 – Принципиальная схема центробежно-решетного сепаратора

Из предложенной принципиальной схемы сепаратора видно, что
решетная очистка должна состоять из двух блоков, где выделяются мелкие и
частично короткие примеси, и зернового блока для выделения длинных и
крупных примесей. Для обоснования параметров пластинчатого барабана
рассмотрим слой зерна, находящийся между пластинами.
Рисунок 3 – Схема к определению параметров пластин барабана
Дляобоснованияконструктивно-кинематическихпараметров
пластинчатого барабана с радиальным размещением пластин необходимо
установить зависимость безразмерного показателя от этих параметров:

Z=(1)
∙ р ∙
Действующую на частицу радиальную силу Р выразим через радиальное
давление:

= ,(2)
1
где р – отнесённое к единице площади решета радиальное давление зерновой
смеси на контактирующий с решетом элементарный слой, ⁄м2 ;
1 – число частиц зерновой смеси, располагающихся в первом
элементарном слое на единице площади решета.
PP
ТогдаZ=2 =2 ,(3)
m∙ωp ∙Rm1 ∙ω1 ∙R
где 1 = ∙ 1 – масса элементарного слоя на единице площади решета,
кг⁄м2 .
Радиальное давление Р зернового материала на контактирующий с
решетом элементарный слой складывается из двух составляющих. Первая из
них обусловлена действием на кольцевой слой центробежных сил, вторая – сил
веса. Радиальное давление зерновой смеси, обусловленное действием
центробежных сил, представим в виде суммы
= акт + б ,(4)
где акт – радиальное давление на контактирующий слой, создаваемое зерновой
смесью, находящейся в активном слое;
б – радиальное давление, создаваемое зерновой смесью, находящейся
между пластинами барабана.
В соответствии с определенным давлением безразмерный параметр Z
также разложим на составляющие
PPб
Z = Zакт + Zб = акт2 +2(5)
m1 ∙ωp ∙Rm1 ∙ωр ∙R
Допустим, что зерновая смесь во втором и последующих элементарных
слоях активного слоя вращается со средней угловой скоростью ωср = 0,5 ∙ (ωр +
ωб ), тогда получим:
Pакт = (na -1) ∙ m1 ∙ ω2ср ∙ R a ср(6)
ℎ
где = ,
∆
∆ –толщина элементарного слоя;
ℎ – толщина активного слоя;
ср – средний радиус вращения зерновой смеси в активном слое.
Безразмерный показатель для активного слоя:
na -1ωбRа ср
Zакт = () ∙ (1 +) ∙(7)
4ωрR
Аналогично радиальное давление между пластинами барабана:
б = б2 ∙ б ∙ б ср ∙ ,(8)
0
=ц(9)
Б

где – коэффициент, учитывающий «зависание» зерновой смеси между
пластинами барабана, называемый коэффициентом трансформации силового
давления.
Используя формулы (8)и (9)получим:
ωб 2Rб ср
Zб = nб ∙∙∙ μ,(10)
ωр 2R
б
где б =.
1
Для установления значений основных параметров пластинчатого
барабана определим безразмерный показатель = акт + б , найдем его
численное значение и построим график зависимости от коэффициента
(рисунок 4).
na -1ωбRа срωб 2Rб ср
Z=() ∙ (1 +) ∙+ nб ∙∙∙μ(11)
4ωрRωр 2R
ℎ ℎ ℎаℎб
где а ср = −; б ср = р − ℎа −; а =; б =
22∆∆

3,4
Безразмерный показатель Z

3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
0,50,60,70,80,91
Коэффициент трансформации силового давления µ

Рисунок 4 – График зависимости безразмерной величины Z от коэффициента
трансформации силового давления
Проведенные подсчеты показывают, что при б < р , ℎа = 9 … 12 мм, ∆= 3 мм и = 1 работоспособность центробежно-решетного сепаратора будет обеспечена ( ≥ 3) в достаточно широком интервале изменения величины отношения угловых скоростей б , если общую толщину кольцевого слоя р ℎсл = ℎа + ℎб принять равной 35…40 мм, при этих значениях толщина слоя а = 3 … 4 и б = 8, а шаг расстановки пластин = 32 мм. Рассмотрим равновесие зернового слоя, заключенного между пластинами ABEC, при действии активного слоя зерна. Рисунок 5– Слой зерна, заключенный между пластинами барабана с учетом действия активного слоя Запишем уравнения с учетом сил трения и инерции: ∑ = − 1 + ∙ sin О − 1 ∙ sin О + ∙ sin О + 1 ∙ 1 sin О = 0;(11) ∑ = 2ц − 2 + cos О − 1 cos О = 0;(12) ∑ = 2 − ∙ − 1 ∙ 1 − 2 ∙ 2 + ∙ sin О − 1 ∙ sin О − 2 ∙ 2 = 0. (13) Рассматривая действие сил трения на двух пластинах, примем равенство коэффициентов трения зерна о пластины = 1 . После проведенных преобразований, из выражения (13) определяем ускорение зерновой смеси 2 : см ∙ℎБ2 ∙ Б 2 = − Б2 ∙ Бср ∙ (1 −∙ )(14) 1+(sin О + sin О ) где = (1 − ()) ∙ (cos О + sin О ) – коэффициент, зависящий 1−(sin О + sin О ) от угла отгиба пластин в основании цилиндра барабана О . По результатам проведенных теоретических исследований получаем следующие зависимости, представленные в виде графиков на рисунках 6 и 7. смеси между пластиами az2 = -1,2572·ωБ+14,854 Ускорение зерновой барабана, az2 5791113 Угловая скорость барабана, ωБ При окружной скорости цилиндрического подсевного решета радиусом R Р = 0,145 м Р = Р ∙ Р , равной 2,3…2,8 м/с травмирование зерна будет исключено. Принятое отношение угловых скоростей пластинчатого барабана и решета б = 0,57 показывает ,что зерновая смесь между пластинами будет р двигаться с ускорением, значение которого будет зависеть от угловой скорости барабана. Рисунок 6 – Зависимость ускорения зерновой смеси между пластинами от угловой скорости барабана Одним из путей снижения ускорения зерновой смеси между пластинами барабана является увеличение соотношения угловых скоростей барабана и решета б , но без потери работоспособности решетного блока. р смеси между пластиами az2= -0,1874·F + 5,721 Ускорение зерновой барабана, az2 051015202530 Угол отгиба пластин, о Анализ полученной зависимости показывает, что для исключения как чрезмерного давления пластин на зерно, так и «зависания» зерна между пластинами, значение угла О должно лежать в пределах 15°…25°. При таких значениях угла О значительного изменения в сторону увеличения коэффициента , а следовательно и возрастанию давления на активный слой не произойдет. Это говорит о том, что пропускная способность сепаратора не снизится. Рисунок 7 – Зависимость ускорения зерновой смеси между пластинами от угла отгиба пластин в конце цилиндрического барабана Интенсивность процесса сепарации на подсевном решете с пластинами, отогнутыми в конце цилиндра барабана в сторону его вращения, будет зависеть от скорости прохода мелкой фракции сквозь слои зерна к решету – сегрегация (первая стадия) и непосредственно через его отверстия – сепарация (вторая стадия). Процесс сепарации наиболее интенсивно протекает с увеличением относительного скольжения элементарных слоев в сыпучем теле, до наступления критической скорости, когда происходит прижатие слоев друг к другу. Следовательно, вторая фаза – сепарация, будет тем интенсивнее, чем выше скорость относительного движения активного слоя, контактирующего с решетом, при условии, что эта скорость не превышает критическую, когда процесс сепарации прекращается. Таким образом, полноту выделения через решето можем выразить формулой: tt  12 1  e 2  e  1(15) 1   2 гдеθ1 – среднее время продвижения проходовой частицы по толщине общего кольцевого зернового слоя, т.е. среднее время пребывания проходовой частицы в общем зерновом слое от момента вступления этого общего слоя на начало решета до момента подхода проходовой частицы к сепарирующей поверхности; θ2 – среднее время пребывания проходовой частицы на решете от момента ее поступления на поверхность решета до момента просеивания; t – время от момента поступления проходовой частицы в толщу зернового слоя до момента её просеивания. Поскольку1и2должны определяться экспериментально, а уравнение (15) не удается решить при известных, но различных значениях (т.е. решить систему относительно двух неизвестных), то величину2 определим теоретически. Связав среднее время пребывания θ со средним путем скольжения и, обозначив его через средний путь, пройденный по решету Нср, получим: HH  Н 2 ср Н 1ср  e Н 2 ср  e H 1ср   1 (16) Н 1ср  Н 2ср где - полнота выделениямелкихпримесей,определяемая экспериментально. 100βо =20° βо =25° Эффективность выделения мелких βо =15° βо =10° примесей из зерна Е, % 50βо =5° 10 012345 Среднее время пребывания мелких примесей на решете, с Выявлены зависимости среднего времени пребывания проходовых частиц на решете при различном угле отгиба пластин на барабане. С увеличением времени пребывания частиц на решете эффективность сепарирования возрастает. Рисунок 8 – Изменение полноты выделения проходовых частиц в зависимости от среднего времени пребывания зерновой смеси на решете с различным углом отгиба пластин: В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований»приведенаметодикапроведенияэкспериментальных исследований. Проведенные теоретические исследования выявили основные закономерности сепарирования зерновой смеси на центробежно-решетном сепараторе с пластинчатым барабаном, а также были определены конструктивные и кинематические параметры пластин барабана. Для подтверждения полученных теоретических результатов, была разработана программа и методика экспериментальных исследований. Использование в сепараторе радиальных пластин с углом отгиба в основании цилиндра барабана позволило существенно повысить эффективность очистки зернового материала, что подтверждают экспериментальные исследования. На рисунке 9 представлена технологическая схема центробежно- решетного сепаратора. Рисунок 9 – Центробежно-решетный сепаратор: 1 – привод; 2 – зерновое решето; 3 – подсевное решето; 4 – пластинчатый барабан; 5 – конус-сборник; 6 – блок воздушной очистки; 7 – патрубки вывода очищенного зерна и отходов; 8 – цилиндрические щетки подсевного и зернового решета. Работает центробежно-решетный сепаратор следующим образом. Зерновая смесь поступает в загрузочную горловину. Далее зерновая смесь поступает в блок воздушной очистке (6), где происходит выделение легких примесей, которые поступают через патрубок в осадочную камеру и через выпускной клапан выводятся из машины. После воздушной сепарации, предварительно очищенное зерно конусом-сборником (5) направляется на решетный блок, где происходит очистка от мелких примесей на подсевном решете (3), от длинных примесей на зерновом решете (2), которые поступают в соответствующие приемники и выводятся из машины посредством патрубков (7). Очищенное зерно, прошедшее через отверстия зернового решета (2) поступает в приемник очищенного зерна и через патрубок (7) выводится из машины. Решета и барабан вращаются в одну сторону, но с разными скоростями ( Б = 0,57 ) благодаря приводу (1). Очистка отверстий решет (3) и (2) от Р застрявших зерен производится цилиндрическими щетками (8). В зависимости от обрабатываемой культуры необходимо произвести замену решет. Программой исследований предусмотрено следующее: - изготовление радиальных пластин с отгибом в основании цилиндра барабана по направлению его вращения; - изучение влияние шага расстановки пластин барабана на эффективность очистки зерна от мелких примесей; - изучение влияния отгиба пластин в основании цилиндрического барана по направлению его вращения на процесс сепарации; - опыты по влиянию диаметра отверстий решет на эффективность сепарирования; - опыты по изучению влияния рабочих размеров продолговатых отверстий решет на качество сепарирования; - определение рациональных значений угловой скорости вращения барабана и решета; - определение просеваемости по высоте цилиндрического решета; - опыты по определению влияния засоренности исходного материала на удельную производительность и полноту выделения мелких примесей; - производственные испытания центробежно-решетного сепаратора с подсевным решетом и пластинчатым барабаном и его технико-экономическая оценка. Поскольку оптимизация процесса сепарации относится к числу компромиссных задач, то в качестве критериев оптимизации (откликов) приняты два критерия: Эффективность сепарации определяли по формуле: м 1 ∙ вых =м∙ 100 %;(18) 0 ∙ исх гдеР1 – масса проходовой фракции; м авых – содержание мелких примесей в проходовой фракции; Р0 – масса исходного материала; м аисх– содержание мелких примесей в исходном материале. Потери зерна в отходы: кр 1 ∙ вых П=кр∙ 100 %;(19) 0 ∙ исх кр гдеавых – содержание крупной фракции в проходе; кр аисх – содержание крупной фракции в исходном материале. В ходе проведения экспериментов было выявлено 10 факторов, влияющих на процесс сепарации центробежно-решетного сепаратора (кинематических, конструктивных, технологических). = ( 0 , , 1 , 0 , , р , б , ℎА , , ∆) (20) П = ( 0 , , 1 , 0 , , р , б , ℎА , , ∆) (21) где 0 – исходная засоренность зерновой смеси, %; – подача зерновой смеси, т/(ч×м2); 1 – угол наклона пластин барабана к радиусу барабана, град.; 0 - угол отгиба пластин в основании цилиндрического барабана по направлению его вращения, град.; – шаг расстановки пластин барабана, мм; р , б – угловая скорость вращения решета и барабана, с-1; ℎА – толщина активного слоя, мм; – влажность исходного материала, %; ∆ – геометрические размеры отверстий решет. Предварительные однофакторные эксперименты показали, что наиболее явно выражены линейные эффекты, поэтому отсеивающий эксперимент был реализован по плану Плакетта-Бермана. Используя полученные результаты, был выбран план многофакторного эксперимента (план № 60 композиционный симметричный трехуровневый план). В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» Согласно методике были проведены однофакторные, отсеивающие и многофакторные эксперименты. С увеличением расстояния между пластинами барабана резко повышается ускорение зерновой смеси в активном слое, что обуславливается уменьшением давления со стороны пластин. Это приводит к снижению просеваемости мелких частиц. Ускорение слоя, заключенного между пластинами изменяется незначительно от 2,55 до 2,5 м/с. При больших значениях угловой скорости решета возникает уплотнение частиц в слое, и, как следствие его заклинивание. С изменением шага расстановки пластин в большую сторону, ускорение слоя между пластинами барабана и активного слоя увеличивается с 1,5 до 2,6 м/c. Это указывает на рабочий диапазон сепаратора. Рисунок 10 – Влияние шага расстановки пластин барабана на эффективность выделения мелких примесей и потери зерна в отходы. На рисунке 11 представлено расположение радиальных пластин барабана и их геометрические параметры. Рисунок 11 – Геометрические параметры пластин барабана центробежно- решетного сепаратора Пластины с отгибом в конце цилиндра барабана способствуют снижению ускорения движения зерновой смеси по высоте решета, тем самым увеличивают время расслоения зерновой смеси, что повышает процент выделения мелких примесей из глубины зернового слоя. Рисунок 12 – Влияние отгиба пластин в основании цилиндрического барабана по направлению его вращения на эффективность очистки зерна 1000,5 Эффективность очистки зерна от мелких примесей y = -0,062x + 0,510,5 Потери зерна в отходы П, % R² = 0,9581 0,4 0,4 Ɛ, %850,3 0,3 0,2 y = -6,7x + 101,90,2 R² = 0,9455 700,1 23456 Засоренность исходного материала С, % Потери зернав отходы П, % Эффективность выделения мелких примесей Е, % Максимальное значение по засоренности мелкими примесями исходного материала в проведенных экспериментах составляло 6%. Такое содержание семян сорных растений, относящихся к мелким примесям, даже в свежеубранном зерновом материале встречается редко. Рисунок 13 – Зависимость эффективности выделения мелких примесей и потерь зерна в отходы от засоренности исходного материала В результате проведенного отсеивающего эксперимента установлено, что наиболее значимыми факторами, влияющими на эффективность очистки зерна, являются толщина активного слоя, угол отгиба пластин в основании цилиндра барабана по направлению его вращения, шаг расстановки пластин и угловая скорость барабана. На потери зерна в отходы особое влияние оказывают факторы - угловая скорость вращения барабана, подача зерновой смеси, угол отгиба пластин в основании цилиндра барабана по направлению его вращения и засоренность исходного материала. Тогда функции зависимости эффективности очистки зерна и потери зерна в отходы от наиболее значимых факторов примут следующий вид: = (ℎА , 0 , , Б )(22) П = ( 0 , Б , 0 , )(23) Результаты многофакторных экспериментов представлены на рисунках 14,15. На графике наблюдается совместное влияние значимых параметров частоты вращения барабана и угла отгиба пластин. С возрастанием частоты вращения барабана наблюдается повышение эффективности выделения мелких примесей, что говорит об изменении коэффициента трансформации силового давления. Это подтверждается и однофакторным экспериментом по влиянию угловой скорости на эффективность очистки. С увеличением угла отгиба пластин о свыше 25о эффективность очистки снижается. Поэтому рациональное значение угла должно лежать в пределах 20…25 о. Рисунок 14 – Поверхности отклика для критерия оптимизации ε – эффективности выделения мелких примесей от X2 ( о ) и X4 (ωБ) По графику видно, что влияние указанных параметров равнозначно. Это объясняется тем, что при увеличении значений этих параметров, главным образом угла отгиба пластин происходит рост давления на зерновой материал активного слоя и мелкое зерно начинает проходить через отверстия решета. Минимальные потери составляют 0,8…0,9 %. Рисунок 15 – Поверхности отклика для критерия оптимизации П – потери зерна в отходы от X2 (Со) и X3 ( о ) В уборочный период 2021 года в ООО «Лео» Калманского района была проведена проверка работоспособности экспериментального образца. Сепаратор включал в себя воздушный кольцевой пневмоканал с осадочной камерой, делительное решето, подсевное решето с пластинчатым барабаном. Решето использовалось с прямоугольными отверстиями, а барабан состоял из цилиндра с расположенными по образующей пластинами с отгибом в основании барабана по направлению его вращения. На рисунке 14 представлена хозяйственная проверка центробежно-решетного сепаратора с пластинчатым барабаном на подсевном решете. Производственные испытания экспериментального образца сепаратора показали, что при производительности сепаратора 32,6 т/ч полнота выделения мелких примесей составила 89,8%, а потери зерна в отходы не превышали 0,5%. Рисунок 16 – Воздушный центробежно-решетный сепаратор на испытаниях В пятой главе «Технико-экономическая оценка центробежно-решетного сепаратора» центробежно-решетный сепаратор с подсевным решетом может использоваться для обработки продовольственного зерна как машина предварительной очистки в сочетании с кольцевым пневмосепарирующим каналом в стационарных и мобильных технологиях. Сравнение с серийно выпускаемой машиной МПР-50С предварительной очистки аналогичного типа и ВЦР-50 показывает, что годовой экономический эффект составит 148140 руб. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1.Проведенный анализ центробежно-решетных сепараторов показал, что обеспечение устойчивости рабочего процесса сепарирования на подсевном решете возможно за счет применения внутреннего пластинчатого барабана с радиальными пластинами. Анализ математических моделей движения зерновой смеси по поверхности цилиндрического подсевного решета показывает, что чем меньше путь проходит частица относительно сепарирующей поверхности, тем больше происходит относительное перемещение прилегающих к решету последующих слоев, следовательно увеличивается вероятность проникновения между слоями проходовых частиц. Установлено, что основными факторами, управляющими процессами, являются параметры пластинчатого барабана: угол наклона пластин барабана к радиусу β1, угол отгиба пластины в основании цилиндрического барабана по направлению его вращения β0, шаг расстановки пластин S. 2.Определяющее влияние на процесс движения зерна оказывает коэффициент трансформации силового давления зерновой смеси µ, находящегося между пластинами барабана на зерновой материал активного слоя. Наибольшее влияние на коэффициент µ оказывают углы наклона и отгиба, приемлемые значения которых равны β1=0° и β0=20°. 3.Экспериментальнымиисследованиямиподтверждены теоретические выводы об эффективности применения подсевного решета с цилиндрическим барабаном и с радиальными пластинами с углом отгиба в основании барабана по направлению его вращения. Установлено, что при увеличении засоренности зернового материала от 2% до 6% полнота выделения мелких примесей снижается с 97% до 77,4% при диаметре отверстий решета 3,6 мм. 4.Производственные испытания экспериментального образца сепаратора с подсевным решетом показали, что при производительности сепаратора 32,6 т/ч полнота выделения мелких примесей составила 89,8%, а потери зерна в отходы не превышали 0,5%. 5.Центробежно-решетный сепаратор с подсевным решетом может использоваться для обработки продовольственного зерна как машина предварительной очистки в сочетании с кольцевым пневмосепарирующим каналом в стационарных и мобильных технологиях. Сравнение с серийно выпускаемой машиной предварительной очистки аналогичного типа показывает, что годовой экономический эффект составит 148140 руб. Рекомендации производству Результаты проведенных исследований по обоснованию конструктивно- режимных параметров пластинчатого барабана с радиальными пластинами и подсевного решета могут быть использованы конструкторскими и производственнымиорганизациямиприразработкесовременных зерноочистительных машин и технологий на основе центробежно-решетного сепарирования. Перспективы дальнейшей разработки темы Дальнейшие исследования целесообразно вести в направлении разработки подсевного и зернового цилиндрических решет на данном принципе сепарации с последующим совмещением их в блок и создания ворохоочистителя, сочетающего работу цилиндрического решета и воздушного потока.