Совершенствование технологического процесса и оборудования для сепарирования и сортирования семян сосны, ели и лиственницы

Во Введении изложено содержание диссертационной работы, обоснованы актуальность и научная новизна выполненных исследований, их практическая значимость, результаты внедрения,
а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе проведен глубокий анализ средств механизации для очистки и сортирова- ния лесных семян, определены пути повышение эффективности технологии очистки и сортирова- ния семян сосны, ели и лиственницы.
Во втором разделе представлены основные сведения о физико-механических свойствах се- мян сосны, ели и лиственницы, а также методика и результаты исследований основных физико- механических свойств семян, целью которой являлось установление изменения технической всхо- жести семян из одного и того же исходного материала в зависимости от их толщины и ширины; возможно ли производить разделение исходного семенного материала на решетах всхожих, год- ных для посева и не всхожих, не годных для посева семян, собранных на семенном участке.
На рисунках 1 и 2 даются вариационные кривые распределения компонентов исходного се- менного материала сосны, ели на рисунках 3, 4 и лиственницы на рисунках 5, 6.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, выводов и рекомендаций, библиографического списка из 217 наименований. Основные материалы диссертации изложены на 136 страницах машинописного текста, содержит 29 таблиц, 49 рисунков и приложения.
Во Введении изложено содержание диссертационной работы, обоснованы актуальность и научная новизна выполненных исследований, их практическая значимость, результаты внедрения,
а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
Рисунок 1. Вариационные кривые распределе- ниякомпонентовисходногосеменногоматери- ала сосны по ширине.
Рисунок 2. Вариационные кривые распреде- ления компонентов исходного семенного материала сосны по толщине.
Рисунок 3. Вариационные кривые распре- деления компонентов исходного семенного материала ели по ширине.
Рисунок 4. Вариационные кривые распределе- ния компонентов исходного семенного мате- риала ели по толщине.
Рисунок 5. Вариационные кривые распре- деления компонентов исходного семенно- го материала лиственницы по ширине.
Рисунок 6. Вариационные кривые распределе- ния компонентов исходного семенного мате- риала лиственницы по толщине.
Как показывают ряды распределения составных частей семенного материала сосны, ели и лиственницы (рисунки 1-6), компоненты, входящие в состав исходной смеси, по своей величине меньше,большеилисовпадаютсразмерамисемян.Поэтомуполучаетсясплошное перекрытие вариационных кривых распределения семян от мелких и крупных примесей, чем отмечается не- возможность распределения исходного семенного материала по данному признаку.
Некоторыеавторысчитаютдостаточнымдляопределения шириныитолщинысемянпри- менение решетного классификатора, а для определения длины семян – цилиндрического триера с ячейками. Однако как показали опыты при определении размеров семян сосны, ели и лиственницы с применением вышеуказанного метода, возможно, установить лишь пределы их изменчивости. Например: семена, имеющие толщину 1,7мм, проходят через отверстия диаметром 2,0мм и сходят с решета с диаметром отверстия 1,5мм. Таким образом, мы не можем установить точные размеры этих семян.
При определении размеров семян сосны, ели и лиственницы нам удалось применить совре- менный способ фото-видео фиксации с точностью до 0,1 мм.
Средние линейные размеры семян были определены с применением вариационной статисти- ки.
Всевышеизложенноедает возможностьсделатьзаключение отом,чтодлясортирования полнозернистых семян на обширной территории России можно применять решето с одинаковыми размерами отверстий.
Проращивание семян и определение их технической всхожести по отдельным фракциям по- казали, что указанные выше размеры (ширина и толщина) не являются надежным признаком для очистки исортированиясемянсосны,елиилиственницы,т.к.криваявсхожестивовсехслучаяхне подчинена определенной закономерности. В некоторых случаях крупные семена (по одной вели- чине) характеризуется большим процентом всхожести, а мелкие – низким, в других случаях наобо- рот.
По нашемумнению,размерысемян(длина,ширинаитолщина)немогутбытьосновным показателем для получения высококачественного материала сосны, ели и лиственницы.
Имеются сведения о влиянии размера и цвета семян на всхожесть и развитие всходов. Посе- вы черных и светлых семян сосны показали, что однолетние сеянцы из черных семян оказались мельче, чем из светлых. Особенно значительная разница в размерах сеянцев, достигающая до 40%, наблюдалась при посеве мелких семян.
Таким образом, исследованием установлено, что крупные, а, следовательно, и тяжеловесные семенадаютлучшуювсхожестьиобеспечивают лучшееразвитиевсходов,чеммелкиеилегко- весные семена.
Относительно дальнейшего роста культур существуют различные мнения. Одни лесоводы отмечают, что культуры, созданные посевом крупных тяжеловесных семян, лучше растут до воз- раста спелости, другие утверждают, что разница в росте наблюдается только в первые годы, а затем под влиянием иных факторов среды, она исчезает.
Допустим, что крупнозернистость семян оказывает влияние на силу роста создаваемых куль- турвпервыегодыихжизни,тоиэто,очевидно,имеетбольшоезначение вделевозобновленияле- са ценными породами. Итак, отбор крупнозернистых семян позволяет выращивать более крупные и здоровые сеянцы, которые в первые годы жизни лучше противостоят всяким неблагоприятным условиямсреды.Следовательно,очисткаисортирование семянимеетодноизглавныхзначенийв деле создания культур.
В третьем разделе представлены экспериментальные исследования.
На основании анализа и изучения физико-механических свойств семян сосны, ели и листвен- ницы сделан вывод, что наиболее надежными признаками очистки и сортирования семенного ма- териала являются аэродинамические свойства и размеры семян. Поэтому работу машины по очистке и сортированию семян, очевидно, целесообразнее построить на сочетании использования вертикального воздушного потока и решета.
С целью создания более простой и компактной конструкции машины и удобной в обслужи- вании, в качестве рабочего органа принимается цилиндрическое решето.
Последовательность обработки семенного материала вертикально-воздушным потоком и ци- линдрическим решетом машины должна быть следующей:
– При обработке семян сосны и ели вначале исходный материал подвергается воздействию воздушного потока в целях удаления из него примесей и выделения из полнозернистых семян пу- стых. Затем очищенные полнозернистые семена поступают на поверхность цилиндрического ре- шета для сортирования их на две группы по размерам.
– При обработке семян лиственницы вначале исходный семенной материал пропускается че- рез цилиндрическое решето и сортируется по размерам. Затем каждая полученная фракция по раз- мерам отдельно подвергается воздействию воздушного потока в целях выделения из полнозерни- стыхсемян пустых,атакжеудалениялегковесныхпримесей.Такаяпоследовательностьобработки семян лиственницы вызвана тем, что крупные пустые семена по коэффициентам парусности, как показали исследования, зачастую совпадают с более мелкими полнозернистыми семенами. Следо- вательно, если предварительно не отсортировать семена по размерам, то не удается отделить пу- стые семена от полнозернистых.
Определение векторов скоростей производили по двум сечениям камеры (рисунок 7) – вер- тикальному и наклонному под углом α = 300, параллельно клапану воздушной камеры. Скорость воздушного потока у верхней части вертикального канала составляла: 6,96; 8,4; 9,5; и 10,4 м/сек. Измерения векторов скоростей проводили по глубине в трех точках каждого ряда камеры. Микро- манометры по глубине в трех точках каждого ряда камеры.
Величины скоростей и давлений в отдельных точках камеры вычисля- ли по формулам:
С=√mγ(A3 +A1)(1) ρ K2−K4 K3−K1
hs = mγ[A2 − K2 c2 K2−K1
hd = 16,32
h = hs + hd
где C – скорость воздушного по-
тока в м/сек; m – наклон трубки мик- романометров; γ – удельный вес спир- та г/см3; ρ – плотность воздуха гсек2/см4; A1A2A5 – показания мик- романометров; h – полное давление в мм вод. столба; hs – статическое дав- ление в мм вод. столба; hd – динами- ческое давление в мм вод. столба; A1A2A3 – записываются непосред- ственно по показаниям микромано- метров.
Врезультате опытабылоустановлено,чтовоздушныйпоток,выходяизвертикальногокана- ла, настилаетсянавертикальнуюстенкукамеры.Направлениевекторовповсемурядупривсех скоростях остается постоянным. Результаты оптов приведены в таблице 1.
Анализ полученных результатов показывает, что скорость воздушного потока в начале камер (1 и 2 ряда) значительно выше, чем в канале. Увеличение скорости вызвано уменьшением ширины камеры на 0,8 см и глубины на 1,0 см, по сравнению с размерами вертикального канала.
С увеличением объема камеры, скорость воздушного потока падает и меняет направление, у четвертого ряда она составляет лишь 45-55% от скорости воздушного потока в канале.
A3] (2) (3)
(4)
Рисунок 7. Векторы скорости воздушного потока в осадочной камере.
Таблица1.Значениеуглаφ0,порядам1сечениявзависимостиотскорости воздушногопо- тока вертикального канала (без щитка).
Скорость воздушного потока в м/сек
9,5 10,4 87-91 88-89 87-89 88-91
86,5-92 89-90
87-90,5 89-92 Направление векторов скорости воздушного потока при всех режимах работы остается по- стоянным. Таким образом, пространственный поток в осадочной камере является автомодельным и
подчиняется законам турбулентного движения струи.
В четвертом разделе представлена математическая модель движения семенного слоя по
поверхности цилиндрического решета, позволяющая обосновать основные технологические пара- метры режима работы машины.
Внутри вращающегося горизонтального цилиндрического решета относительная скорость точкиМпоповерхностинеравнанулю.НаточкуМ(рисунок8)будут действоватьследующие силы: тяжести G=mg, нормальная реакция поверхности цилиндрического решета N, сила трения F=fN,атакже кэтимсилампопринципуд’Аламберадобавляютсясилы,направленныепротиво- положно соответствующим ускорениям тангенциальной силы инерции:
Ряд 1, 0
6,96 88-90 87-90 89-91 89-90
8,4 88-89,5 86,5-90 88-89 89-91
2, 0 .
.
3, 0 .
4, 0 .
Ct =mdVa =mRdω dt dt
и нормальн ой силы инерции
C n = m V 2a = m ω 2 R R
(5) ( 6 )
гдеm–массаточки;Va -абсолютнаяокружнаяско- рость точки; ω – угловая абсолютная скорость точки; R – радиус цилиндра; g – ускорение силы тяжести 9,81 м/сек2.
Известно, что сила тяжести G=mg всегда направле- на отвесно. Нормальная сила инерции всегда направлена от центра. Нормальная реакция поверхности направлена к центру. Сила трения F направлена по касательной к
окружности противоположно относительных скоростей цилиндра.
Когда материальная точка отстает от поверхности цилиндрического решета, сила F имеет положительное
значение, в случае обгона – отрицательное.
Направление тангенциальной силы Ct зависит от характера движения материальной точки
(ускорение или замедленное).
Рассмотрим движение материальной точки на поверхности вращающегося цилиндра. Для
того, чтобы точка M находилась в относительном покое, следует чтобы сумма сил, действующих на точку, равнялась нулю:
Σх=−N+Cn +GCosα=0 (7)
Σy=F-Ct − GSinα = 0 (8) Из (7) уравнения определим N, а из (8) уравнения F, получим:
N = Cn + GCosα (9) F = Ct + GSinα (10)
подставляявуравнение(7)значенияCn иGполучим:
N = mRω2 + mgCosα (11)
Рисунок 8. Силы, действующие на материальную точку внутри цилин- дрического решета.
Известно, что F=fN, следовательно, получим:
F=fm(Rω2 + gCosα) (12)
Определяя значение коэффициента трения F из уравнения (8), получим:
fm(Rω2 + gCosα) = Ct + GSinα (13)
УчитываязначенияCt иG,уравнениеприметвид: dω
fm(Rω2 + gCosα) = mR dt + GSinα (14)
После некоторых преобразований это выражение можно привести к виду:
R =dω−fRω2 =fCosα−Sinα (15)
g dt g
Из курса теоретической механики известно, что ω = dα, dα = ω dt, dω = ω dω
Уравнение (4.17) можно переписать в таком виде:
R (ω dω − fω2) = fCosα − Sinα (16)
g dα
R ωdω−R fω2 =fCosα−Sinα (17) g dt g
Обозначим К=ω2R = (πn)2 R = π2 ∙ n2R. g 30 g g 900
Отношение 9,87 принимаем равным 1, тогда K=n2R > 0 9,81 900
ЕслиК=ω2R,тоК′ =dk =2ωdωR. g dα dαg
Эти формулы выражают отношение центробежного ускорения к ускорению силы тяжести и характеризуют режим движения цилиндрического решета.
ПодставляязначенияKиК′ вуравнение(16),получимдифференциальноеуравнение:
К′ − 2fk = 2fCosα − 2Sinα (18) Уравнение (18) решаем как дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными
коэффициентами в правой части. При второй производной коэффициент считается равным нулю. Характеристическое уравнение:
0∙r2+r−2f=0 r=2f (19) Дополнительная функция представляется в таком виде
ω = С ∙ е2fa (20) е – основание натуральных логарифмов.
Частное решение находится в форме:
производная
U = A1Cosα + A2 Sinα (21)
u′ = −A1Cosα + A2 Cosα (22) Подставляяданныезначенияuиu′ вуравнение(4.20),получим:
= −A1Sinα+A2 Cosα -2 fA1Cosα − 2fA2 Sinα =2 fCosα − 2Sinα (23) После группировки членов уравнения получим
Cosα(A2 −2 fA1) + Sin(A1 + 2fA2) = 2f Cosα − 2 Sinα (24) Сравнивая между собой коэффициенты при Sinα и Cosα в правой и левой частях, находим
значенияA1 иA2:
A1 +2fA2 =2 (25) A2 −2fA1=2f (26)
Решая систему уравнения (25 и 26) с двумя неизвестными, получим:
A1 = 2(1−2f2) (27) A2 = 6f (28)
dt dtdt
1+4f2 1+4f2
ПодставляязначенияАиA2 вуравнение(21),получим(частноерешениедифференциально-
го уравнения):
u = 6f Sinα + 2(1−2f2) Cosα (29) 1+4f2 1+4f2
После полного решения дифференциального уравнения движения получим: K=u+ω или K= 6f Sinα+2(1−2f2) Cosα +С∙е2fa (30)
1+4f2 1+4f2
Рисунок 9. Расположение слоя внутри ци- линдрического решета.
Рисунок 10. Силы, действующие на поверх- ность семенного слоя внутри цилиндра.
.
Рассмотрим движение семенного слоя внутри цилиндрического решета и установим законо- мерность изменения толщины на рабочей поверхности в зависимости от числа оборотов цилиндра.
Семена в цилиндрическом решете распо- лагаются, главным образом, в первом квадранте слоем различной толщины в разных поперечных сечениях (рисунок 9а). При отсутствии вращения семена располагаются в виде сегмента (рисунок 9б), площадь которого равновелика площади сегмента. При медленном вращении цилиндра, сегмент примет положение а (рисунок 9а), по- верхность АВ расположится под некоторым уг- лом α. Центральный угол сегмента обозначим
2θ. Угол α приближается к углу естественного ската семян.
Сувеличениемокружнойскорости цилин- дра под действием центробежной силы угол ска- та увеличивается.
Углы ската для точек свободной поверхно- сти АВ различны, так как центробежная сила mω2r имеет различное значение для различных точек, как по величине, так и по направлению.
В центральных частях сечения в точке (ри- сунок 10) направление центробежной силы будет приближаться к перпендикулярному направле- нию поверхности, а в крайних точках А и В направление центробежной силы пойдет под не- которым углом к перпендикуляру.
Поэтому при различных скоростях цилин- дрического решета угол свободной поверхности будет различен для разных точек и пересечет сво- бодную поверхность слоя по некоторой кривой
линии.
Наблюдение за движением семенного слоя внутри вра-
щающегося цилиндрического решета показывает, что оно со- стоит из двух основных частей, из которых первая находится в круговом движении вместе с цилиндром, а другая осыпаю- щимся движением оторвана от поверхности решета. Ссыпаю- щиеся семена вновь попадают на поверхность решета и снова находятся вкруговомдвижениивместесцилиндром.Таким образом, создается замкнутый цикл движения семенного слоя. Отдельные семена двигаются на замкнутых кривых постепен- но уменьшенной длины. Ось этих кривых совпадает с осью круговорота семенного слоя.
Линия АВ (рисунок 11) показывает начальное положе- ние семенного слоя, когда вся семенная масса увлекается ци-
Рисунок 11. Схема перемеще- ния семенного слоя внутри ци- линдрического решета.
линдром в круговое движение. Угол α соответствует углу ската семян с учетом влияния центро- бежной силы.
Приповоротецилиндрическогорешетанаугол γслой займетположениеА1В1.
ПроведемчерезточкуВ1 линиюВ1А2,параллельнуюАВ,разделимслойА1В1 надвечасти, таким образом, получим семенной сегмент ниже линии А1В1, который будет подвергаться пово- ротному движению вместе с цилиндром, а в семенном секторе А2В1А1 выше линии В1А2, будут находиться семена с углами, превышающими углы скатов. Вследствие превышения угла ската, весьсеменнойсекторА2В1А1 ссеменноймассойбудетувлекатьсяцилиндром.
Наблюдение задвижениемсеменногослоянаповерхностицилиндрическогорешетапока- зывает, что некоторый постоянный слой В1А2 автоматически восстанавливается с притоком па- дающих семян в нижней своей части и подвергается мгновенному поворотному движению. Только этотпостоянновосстанавливающийсяслойнижелинииА2В1 находитсявнепосредственномкон- такте с цилиндрическим решетом и он будет характеризовать толщину проходящего слоя вдоль всего цилиндра, загораживающего доступ отверстиям цилиндрической поверхности.
Толщина этого слоя, как показали опыты, имеет огромное значение в смысле работы цилин- дрического решета.
Семена, которые с поворотом цилиндра выносятся выше слоя В1А2, теряют сцепление со слоем А2В1 и принимают независимое движение от остального слоя. Они некоторое время дви- жутся вверх от В1А2 под действием силы инерции и силы тяжести. Семена, прилегающие к по- верхности цилиндрического решета и не проходящие в отверстия, могут затаскиваться некоторое время выше точки А1 .
ВращающийсясеменнойслойнижеА2В1 непрерывноиполностьювосстанавливается.Про- ведем через центр тяжести сегмент А2В1, радиус ρ и будем вращать его вместе с цилиндром на угол γ = ωt (рис. 10). Сектор F1, характеризующий количество отрывающихся семян, будет вра- щаться с той же угловой скоростью вокруг точки К, как самый центр. Количество семян, оторвав- шихся от слоя за время t, в каждом сечении будет характеризоваться сектором F1, с другой А2А3. При этом угол ωt будет соответствовать, как указывает Политаев С.В. углу, который успеет опи- сать за тот же отрезок времени ρ3 . Размер сектора F1 , определяется через угловую скорость:
F 1 = π ρ 23 ω t ( 3 1 ) F 1 = 1 ρ 23 ω t 2π 2
в одну секунду t=1
(32)
F 1 = 12 ρ 23 ω
За этот же период времени через сечение АВ слоя пройдет количество семян, которое можно определить, если предполагать, что семенной слой затаскивается цилиндрической поверхностью без отрыва, но с непрерывным восстановлением семенного слоя вниз, тогда за время t семенная масса расположилась бы на поверх- ности цилиндра в виде заштрихованной массы (рисунок 12).
Количество осыпающихся семян за время t будет характери-
зоваться площадью:
А в одну секунду t=1
12 ( r 2 − ρ 2 ) ω t ( 3 4 ) 12 ( r 2 − ρ 2 ) ω ( 3 5 )
Количество осыпающихся семян, равное количеству прохо- дящего семени через сечение АВ за этот же период соответ- ствует семенам, которые имеют осевое перемещение:
( 3 3 )
Рисунок 12. Схема разделения семенного слоя на две равные части внутри цилиндрического решета.
1(r2−ρ2)ω=1ρ3ω= q =F (36) 2 2 ∆V1
где q – секундная производительность (весовая); ∆ – объемный вес; V1 – секундная скорость осевого перемещения.
Из уравнения (36) можно определить
ρ = √r2 − 2F (37)
Хорда слоя
ω
А2В1=2ρ3 = 2√2F (38) ω
По этой формуле можно рассчитать размеры мертвого слоя в триерном цилиндре в любом сечении.
Однако следует отметить, что формула (37) применительна для триеров, характеризующихся низким кинематическим режимом К, когда нижний ряд семенного слоя двигается с угловой скоро- стью равной скорости цилиндра.
На поверхности цилиндрического решета определить толщину слоя семян при помощи фор- мулы, предлагаемой Политаевым С.В., не удается, т.к. кинематический режим цилиндрических решет выше, чем у триеров и с увеличением числа оборотов цилиндра скольжения семян первого ряда слоя меняется.
Применение современных средств фото и видео фиксации семенного слоя, помещенного внутри вращающегося цилиндрического решета, показали, что весь слой разделяется на две одина- ковые по объему части. Нижняя часть, непосредственно прилегающая к поверхности цилиндра, связана с движением последнего. Другая, верхняя часть слоя, расположенная над первой, находит- ся в состоянии непрерывной осыпи и почти не связана с движением цилиндра (рисунок 13).
Толщина слоя в цилиндрическом решете невелика и не превышает 5-10% диаметра цилин- дра. Обозначим λ отношение λ = R1
2R
Площадь АСВ (рисунок 13) принимается как пло- щадь треугольника АСВ. На этом основании сечения слоя F1 ,можновыразить:
F1 = 12 АВh1 = BДh1 = h1√(2R − R1)R1 (39)
Увеличим толщину слоя на h2 , новая толщина будет: H=h1 + h2.
Cувеличениемтолщинынаh2 площадьF2,согласно условию, увеличивается. Известно, что при вращении ци- линдрического решета F2 = F1 площадь F2 (рисунок 13) можно принять за площадь трапеции АВА1 В1
F2 = 12 (АВ + А′B′)ДД′ (40) Здесь АВ=2ВД=2√(2R − h1)h1
А′B′ = 2B′Д′ = 2√(2R − H)H (41) ДД′ =H−h1 (42)
Рисунок 13. Соотношение пло- щади и высоты сегментования семенного слоя внутри цилин- дрического решета.
F2=[√(2R − H)H + √(2R − h1)h1(H-h1) (43)
Следовательно
При условии F1 = F2 имеем:
√(2R − H)H + √(2R − h1)h1(H-h1)= h1√(2R − h1)h1 (44) после некоторых преобразований получим:
2h1−Н = √H(2R−H) H−h1 h(2R−h1)
(45) H = x (46) h1
Тогда равенство (45) примет вид:
(2−х)2 = х (2R−h1)х (47)
х−1 (2R−h1)
принимаявовниманиеотношениеλ = h1, плучим: 2R
(2−х)2 = (1−λх) (48) х−1 (1−λ)
На основе решения (48) уравнения (таблица 2) значения Х для различных λ. Таблица 2. Значения Х для различных λ.
λ = h1 2R
0,02 0,04 0,08 0,10
х = H h1
1,453 1,455 1,456 1,458
Таким образом, чтобы удвоить площадь сечения слоя тол- щиною h1, надо увеличить эту толщину на 45%, если начальная толщина h1 не составляет больше, чем 10% от диаметра цилин- дрического решета.
Пользуясьтаблицей2можноаналитическимпутем опреде- лить отношение нижнего и верхнего слоев внутри вращающегося
горизонтальногоцилиндрическогорешета:H=h1 +h2 Разделимлевуюиправуючастиуравнениянаh1,послечегополучим: Н = 1 + h2
Н h1h1 Изтаблицы2 R1 =1,458
1,458=1+h2 1,458-1=h2 0,458=h2 h2 = 0,458h1 h1 h1 h1
Выходит,что толщинаверхнегослояh2 на46%меньше,чемтолщинанижнегослоя.
Правильность вышеизложенного теоретического соображения для семян сосны проверяли экспериментальным путем. Цилиндрическое решето, оборудованное координатной сеткой, изме- няя при этом обороты цилиндрического решета n в минуту (n1 = 30; n2 = 40; n3 = 50; n4 = 60; n5 = 70 и n6 = 80) и загрузку поверхности цилиндрического решета q=г/дм, (q1 = 200; q2 =400; q3 =600; q4 =800; q5 =1000; q6 =1200иq7 =1400).
Как видно из приведенной таблицы, тол- щина слоя растет в зависимости от величины навески. С увеличением числа оборотов общая толщина слоя Н снижается за счет увеличения центрального угла 2θ (рисунок 14). Соответ- ственно меняются величина h1, толщина нижне- го слоя и величина h2, толщина верхнего слоя.
Угол максимального подъема семенного слоя на поверхности цилиндрического решета βmax растет в зависимости от увеличения числа оборотов и нагрузки поверхности.
Отношение толщин верхнего и нижнего слоев находится в определенной связи, высота нижнего слоя всегда больше верхнего h1 > h2. Величина этих отношений меняется в пределах
1,3-1,8.
Таким образом, данные, полученные экспериментальным путем близки аналитическим рас-
четам.
С увеличением числа оборотов, общая толщина Н снижается. Это явление можно объяснить
тем, что выше 50 об/мин. значительная часть семян поднимается выше горизонтального диаметра и, отрываясь от поверхности цилиндрического решета, продолжает движение полетом, пока снова не попадает на решето в 1 или 4 квадрантах, при этом толщина верхнего слоя резко снижается.
Рисунок 14. Изменение центрального угла 2θ в зависимости от числа оборотов и загрузки поверхности цилиндрического решета.
Изменение толщины семенного слоя, в зависимости от нагрузки поверхности и оборотов ци- линдрического решета, графически изображена на рисунке 15.
Таким образом, удалось определить траекторию движения семян на поверхности цилиндрического реше- та. Конечные точки траектории соединялись с центром вращения цилиндра, по величине центральных углов α1 и α2 определяли скорости движения семян в зависи- мости от скорости вращения цилиндрического решета.
Скорость движения семян верхнего слоя определя- ли по-другому. Известно, что траектория движения се- мян верхнего слоя не параллельна поверхности цилин- дрического решета, поэтому отношение центральных
угловα1 немоглодатьпредставлениеопройденномпути α
семян.
Скоростную видеофиксацию проводили при обо-
ротах цилиндрического решета n1 = 15; n2 = 30; n3 = 45 и n4 = 60 в минуту. Количество семян внутри цилиндрического решета не менялось.
При 30, 45 и 60 оборотах слой отстает от поверхно- сти вращающегося цилиндра, коэффициент η=0,85-0,94.
Величина скорости семян нижнего слоя, видимо, имеет определенный максимум, так как свыше 80 об/мин, в связи с ростом центробежной силы семена растекаются тонким слоем на по- верхности цилиндра и вращаются без скольжения (рисунок 16).
Рисунок 16. Скорость движения первого Рисунок 17. Скорость движения первого ряда семян семенного слоя на поверхно- ряда семян верхнего семенного слоя.
сти цилиндрического решета.
Для изучения изменчивости просеивания по длине цилиндрического решета, с целью уста- новления оптимальной длины последнего, были проведены опыты при разных нагрузках и скоро- стях вращения. Результаты опытов графически представлены на рисунках 17 – 22.
Опыты проводились при нагрузках 25, 40 и 60 кг/час, время опыта было взято соответственно 35,25и20сек.
Рисунок 15. Изменение толщины семен- ного слоя в зависимости от числа оборо- тов и нагрузки поверхности цилиндриче- ского решета.
16

Рисунок 17. Полнота разделения семян в зави- симости от числа оборотов цилиндра и высоты диафрагмы.
Рисунок 19. Полнота разделения семян в зави- симости от числа оборотов цилиндра и высоты диафрагмы.
Рисунок 21. Просеиваемость семян по длине цилиндрического решета.
Рисунок 23. Полнота разделения семян в зави- симости от высоты диафрагмы.
Рисунок 18. Полнота разделения семян в зави- симости от числа оборотов цилиндра и высоты диафрагмы.
Рисунок 20. Просеиваемость семян по длине цилиндрического решета.
Рисунок 22. Просеиваемость семян по длине цилиндрического решета.
Рисунок 24. Полнота разделения семян в зави- симости от высоты диафрагмы.
Таким образом, на основании изучения физико-механических свойств семян сосны, ели и лиственницы, исследования работы воздушного потока и цилиндрического решета, разработана технологическая схема и конструкция лабораторной модели (машины) и установлены основные параметры и режимы ее работы.
В пятом разделе представлена экономическая эффективность от применения лабораторной модели (машины).
Проведенный расчет свидетельствует о том, что общий годовой экономический эффект от использования лабораторной модели (машины) для хвойных пород на примере сосны обыкновен- ной составит 91108,97 руб.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований изучены и решены вопросы:
1. Составлены вариационные кривые распределения компонентов исходного семенного ма- териала сосны, ели и лиственницы по толщине, ширине и аэродинамическим свойствам.
2. Определены компоненты исходного семенного материала сосны, ели и лиственницы и по- лучен их характер распределения по размерам и удельной парусности.
3. Определены величины статического угла трения и самотека по инородным поверхностям, а также углы естественного откоса изучаемых семян.
4. Анализ физико-механических свойств семян хвойных показал, что лучшим признаком для их очистки от легковесных примесей, недоразвитых и пустых семян являются аэродинамические свойства. Определена связь между парусностью, полнозернистостью и абсолютным весом семян.
5. Установлена сущность работы вертикального воздушного канала применительно к очист- ке исходного семенного материала сосны, ели и лиственницы от недоразвитых и пустых семян и легковесных примесей.
6. Выявлено, что в виду значительной разницы по весу пустых и полнозернистых семян сос- ны и ели, технологию очистки и сортирования семенного материала рационально строить так: сна- чалаобрабатыватьеговоздушнымпотоком,азатемочищенныеполнозернистыесемена сортиро- вать на решете. Крупные пустые семена лиственницы по весу совпадают с мелкими полнозерни- стыми семенами, поэтому технологию очистки и сортирования наилучшим образом можно стро- ить так: сначала на решете разделить исходный семенной материал по размерам, а затем каждую фракцию обработать воздушным потоком для очистки полнозернистых семян от пустых, недораз- витых и легковесных примесей.
7. Установлено, что рабочая скорость воздушного потока для транспортировки по каналу се- чением 0,1х0,6м, исходного семенного материала сосны, ели и лиственницы с подачей 25-60 кг/час может быть определена по формуле: Vраб=1,7 Vкр
8. Выявлено, что очищенный воздушным потоком посевной материал сосны, ели и листвен- ницы не является однородным по размерам и абсолютному весу. Кроме того, в семенах возможно наличие посторонних тяжелых примесей.
9. Определено, что для сортирования семян сосны и ели следует применять решето No15, а для лиственницы No17 с продолговатыми отверстиями.
10. Учитывая ряд существенных преимуществ цилиндрического решета перед плоским (компактность конструкции, простота привода и очистительных устройств, отсутствие инерцион- ных сил и т.п.) в качестве рабочего органа для разделения семян по размерам предлагается цилин- дрическое решето, с установленным внутри его неподвижным щитком со скатной доской направ- ляющими ребрами.
11. Установлено влияние числа оборотов толщины и скорости движения семенного слоя на полноту разделения семян, а также определена оптимальная длина цилиндрического решета – 35 см
при Д=300мм (производительностью 25-60 кг/час) и оптимальные обороты (n=60-70 об/мин) ци- линдра.
12. Экономическая эффективность сепарации семян высокого качества с использованием вновьразработанныхтехническихсредствсоставит91108,97 руб.вгоднакаждуюсепарирующую машину.
Рекомендации производству
Применение предлагаемой технологической схемы и конструкции машины для сепарации и сортирования семян хвойных пород можно рекомендовать хозяйствам для получения лесных культур с необходимыми физиологическими и физико-механическими свойствами.