Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

I
ботке зерна, но и является одним из способов повышения урожай­ности зерновых культур путем отбора наиболее полноценных (физио­логически созревших) семян дая посева.
Очистка зерна является наиболее трудоемкой операцией, по­скольку затраты на послеуборочную обработку и хранение зерна составляют от 40 до 60$ общих затрат на его производство/4,с.4/.
Основными мероприятиями в,снижении трудоемкости этого про­цесса являются комплексная механизация и автоматизация с приме­нением более рациональных технологических схем сепарирования. Однако низкая удельная производительность существующих сепари­рующих машин, преимущественно использующих гравитационные поля, затрудняет внедрение в производство указанных мероприятий, Воз­растающие потребности производства требуют изыскания новых наи­более эффективных способов сепарирования и создания высокопро­изводительных машин, которые позволили бы значительно интенси­фицировать технологические процессы.
Совершенствование существующих и создание новых высокоэф­фективных сепарирующих машин невозможно без развития теории и методов их расчета, а также поиска более прогрессивных конструк­ций машин .
В решении вопросов теории, расчета, проектирования и эксп­луатации зерновых сепарирующих машин и других важнейших задач в области сепарирования большой вклад внесен советскими учеными. Среди них особого внимания заслуживают работы А.Р.Демидова /69/, В.В.Гортинского /58,59,60/, А.Я.Соколова /120/, В.М.Цециновского /139/, А.Ф.Ульянова /134,135/ и других.
Решению задач сепарирования во вращающемся и колеблющемся вдоль оси барабане посвящены работы Е.С.Гончарова /55,56/, А.И. Бочкарева /36,37,38/, А.В.Барилла /19,20/, Б.Н.Мельникова /103/,
А.А.Несикова /105/, Я.И.Лейкина /91,92/ и других. На основании проведенных научных исследований ими были предложены конструкции виброцентробежных сепараторов с осевыми колебаниями. Некоторые из этих сепараторов нашли применение при выполнении различных , операций сепарирования семенного и продовольственного зерна. Сообщение осевых колебаний барабану позволило значительно повы­сить производительность и эффективность процесса разделения по сравнению с разделением при применении плоских решет,совершаю­щих прямолинейные колебания.
В существующих зерновых виброцентробежных сепараторах с цилиндрическими, коническими, параболоидными решетами наиболее часто применяются продольные (для всех форм решет), поперечные (для цилиндрической формы) колебания. В таких сепараторах увели­чение переносных сил инерции за счет повышения ускорения требует упрочнения всех элементов и уравновешивания колеблющихся масс.
Одним из путей устранения этих недостатков является осу­ществление процесса сепарирования в поле центробежных сил с со­общением решетному барабану вращательных колебаний.
Анализ возможных способов сообщения вращающемуся решетно­му барабану направленных колебаний показывает, что наиболее це­лесообразно сообщать ему вращательные колебания вокрут его оси, так как в этом случае значительно упрощается конструкция подшип­никовых узлов и облегчаются условия их работы, снижаются инерци­онные нагрузки на фундамент станины' и всего сепаратора, упроща­ются также конструкции очистителей, питающих и других устройств.
Таким образом, сообщение гармонических вращательных коле-
баний вращающемуся вертикальному рабочему органу позволяет устра­нить некоторые недостатки, возникающие при сообщении ему осевых колебаний. Однако существующие конструктивные схемы сепараторов с вращательными колебаниями несовершенны, динамика таких машин еще недостаточно развита, чтобы можно было рационально проекти­ровать и вести необходимые расчеты.
Предыдущие разработки других авторов не привели к созданию простой и технологичной, удобной в обслуживании машины. К ним относится разработанный А.Н.Журавлевым /147/ привод, сообщающий цилиндрическому решетному барабану вращательное движение с пере­менной скоростью. Аналогичные приводы были предложены и другими авторами /150,153/. В связи с наличием существенных недостатков в конструкции они не отвечают современным требованиям, цредьяв- ляемым к сепарирующим машинам, и поэтому не могут быть примене­ны в производстве.
Основными причинами возникающих трудностей на пути создания современного зернового виброцентробежного сепаратора с вращатель­ными колебаниями рабочего органа являются:

• 
  отсутствие обоснованной конструктивной схемы сепаратора, позволяющей осуществить заданный закон колебаний с необходимой точностью и дающей возможность независимо управлять средней уг­ловой скоростью и частотой вращательных колебаний;
  
• 
  отсутствие достаточно полных теоретических и эксперимен­тальных исследований динамики и эффективности, а также методов динамического расчета.
  

Несмотря на актуальность выдвинутой задачи, еще ни один из предложенных виброцентробежных сепараторов с вращательными коле­баниями рабочего органа достаточно полно не исследован на пред­мет соответствия закона колебаний требованиям технологии сепари-
рования зерновых материалов.
Решение этой задачи позволит значительно повысить эффектив­ность сепарирования зерновых продуктов различных культур, что не­обходимо для рационального использования зерновых и энергетичес­ких ресурсов страны.
Для совершенствования конструктивной и технологической схе­мы зернового виброцентробежного сепаратора и подготовки его к внедрению в производство представляет большой интерес исследова­ние его динамики и экспериментальное подтверждение полезности этой работы в целом.
В соответствии с вышеизложенными задачами и с целью упро­щения конструкции, уменьшения металлоемкости, занимаемой произ­водственной площади, повышения технологических и технико-эконо­мических показателей сепарирования зерновых продуктов предложен, разработан и испытан новый тип виброцентробежного сепаратора с вращательными вибрациями рабочего органа. В этом сепараторе в качестве привода и вибровозбудителя применены двухступенчатый дифференциальный редуктор и шарнирный четырехзвенник с регули­руемой длиной кривошипа.
Целью настоящей работы является повышение эффективности и производительности процесса сепарирования зерновых культур пу­тем создания виброцентробежного сепаратора с применением научно обоснованного метода динамического расчета.
На защиту выносятся следующие основные положения, состав­ляющие новизну диссертации:
- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена динамическая модель зернового виброцентробежного сепаратора с дифференциальным приводом, как системы с сосредоточенными пара­метрами;

• 
  экспериментально доказана эффективность зернового вибро­центробежного сепаратора цри сепарировании зерна пшеницы.: '
  
• 
  теоретически обоснована и экспериментально доказана воз­можность создания зернового виброцентробежного сепаратора с вра­щательной вибрацией рабочего органа, позволяющего независимо управлять средней угловой скоростью барабана и частотой его вра­щательных колебаний;
  
• 
  теоретически установлена и экспериментально подтверждена возможность выбора основных динамических параметров, обеспечиваю­щих устойчивость движения машины и технологического эффекта при изменении нагрузки, определена область параметров,удовлетворяю­щих этому требованию.
  

Работа состоит из четырех глав. Первая глава посвящена со­стоянию вопроса и задачам исследования; вторая - теоретическому исследованию динамики; третья - экспериментальному исследованию динамики и определению эффективности; четвертая - вопросам прак­тического применения результатов исследования.
Основные результаты исследования обобщены в выводах.
В конце работы приведены перечень литературы и цриложение.
Работа проведена в соответствии с координационным кланом научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ по Минзагу СССР^по теме I "Совершенствование технологических про­цессов переработки зерна в муку и крупу" по разделу Ш "Интенси­фикация процесса ситового сепарирования зерноцродуктов в поле центробежных сил" на 1984-1986 гг., выполнена на кафедре "Теория механизмов и машин" МТИШ.
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. 
   Сепарирование в процессах переработки зерновых
   

продуктов
Как известно, одной из важнейших технологических опера­ций в процессах приемки, хранения и переработки зерна явля­ется сепарирование, т.е. разделение сыпучих материалов на фракции, отличающиеся свойствами частил.
Теория процессов сепарирования и машин, применяющихся в области хранения и переработки зерна, в сельском хозяйстве, получила развитие в трудах В.П.Горячкина /б 5,66,/ В.В.Гортинс- кого /58,59,61,63/, В.М.Цепиновского /139/, А.Я.Соколова /120/, П.М.Заики /76/, Г.Е.Листопада /93,94/ и других советс­ких ученых.
При послеуборочной обработке зерновых продуктов получи­ли широкое применение решетный, пневматический, вибропневма- тический, магнитный, виброударный и другие способы сепариро­вания.
На предприятиях хранения и переработки зерна наиболее
часто применяется решетное сепарирование. При решетном сена-
• « * -» •
рировании наряду с основными признаками разделения, такими как размеры и форма частип, на процесс оказывают влияние (благоприятствуют или затрудняют и второстепенные признаки) плотность, коэффициент трения и поверхность и др./бО/. Основ­ным препятствием на пути дальнейшего увеличения удельной про­изводительности плоского решета является использование поля сил тяжести для разделения зерновых продуктов.
В работе /60, с.298/ в качестве одной из важнейших задач выд­винуто "Обоснование и реализация методов повышения интенсивности известных процессов путем применения поля центробежных сил, нало­жения высокочастотных колебаний и т.д." Там же отмечены полезные действия вибрации: "Наложение высокочастотных колебаний - это спо­соб ослабления фрикционных связей как с рабочими органами, так и между частицами, что благоприятствует увеличению их подвижности при ситовом сепарировании, при использовании эффекта самосортиро- вания и в других случаях".
Подавляющее большинство решетных сепарирующих машин - вибра­ционные. Основополагающие принципы теории машин вибрационного действия разработаны И.И.Артоболевским /16/, И.И.Блехманом /28/, И.И.Быховским /39/ и другими.
Создание новых совершенных машин и их рабочих органов возмож­но лишь при условии знания физико-механических свойств обрабаты­ваемых материалов и сущности технологических процессов обработки.
В работе И.И.Артоболевского, А.П.Бессонова, А.В.Шляхтина /16/ отмечено, что после изучения структурно-механических свойств тех сред, которые обрабатываются вибрационными машинами, необхо­димо "... развивать механику вибрационных машин, т.е. решение ос­новных вопросов динамики той колебательной системы, к которой может быть сведена исследуемая машина. Вопросы механики вибрацион­ных машин будут в первую очередь состоять в определении оптималь­ных параметров вибрационных машин, к которым относятся частота и амплитуда их колебаний".
Изучению физико-механических и химико-биологических свойств основных зерновых культур и содержащихся в них примесей посвяще­ны работы /58,60,100/.
Движение частиц сыпучих материалов по поверхности ре­шета, совершающего различные виды колебаний, основательно исследовано в трудах И.И.Блехмана и Г.Ю.ЯЕданелидзе /28/,
В.В.Гортинского /60/ и других ученых.
Теория и расчет зерновых сепараторов получили развитие в работах А.Я.Соколова Д20/, П.М.Заики /76/, А.Р.Демидова /69/ и других.
Во ВНИИЗе проведены исследования по изучению физико­механических свойств и технологии сепарирования различных зерновых культур с целью создания новых и совершенствова­ния существующих машин. В работе А.И.Альтермана /II/ изло­жены результаты исследований лаборатории сепарирования ВНИИЗа по созданию решетных сепараторов. По результатам проведенных работ внедрены в производство сепараторы шкаф­ного типа (ЗРШ-4М, ЗРШ-6М, А1-БРК, А1-БРР) и пневмосортиро- вальные столы. Изучению вопроса сепарирования по форме
зерновок посвящены работы Б.Л.Вихорнова и В.Г.Дулаева /43/. Л.И.Мачихиной /100,102/ исследованы физико-механические
свойства риса-зерна и основных компонентов его примесей с целью увеличения эффективности работы технологических ли­ний зерноочистительных отделений рисозаводов.

2. 
   Центробежные зерновые‘сепараторы.
   

В поиске наиболее эффективных и производительных спо­собов внимание многих исследователей привлекло центробежное сепарирование зерновых продуктов.Предполагается, что центробежное поле использовали в прак­тике еще в древнем Китае (центробежные соковыжималки), а теоре­тическое исследование инерционного поля было начато в ХУЛ веке Гюгенсом, предложившим термин/'центробежная сила" /121/ Практи­ческое применение центробежных решетных сепараторов отечествен^ ного производства начинается с 1910 года после изучения учеными цилиндрических сортировок Пеянея английской фирмы (Релпеи алс/ Рог- tei Zincodn) и центрифуги Кайзера (Leipzig) .Исследование центрифуги Кайзера было произведено В.П.Горячкиным /65,бб/.
В Ленинградском сельскохозяйственном институте /ЛСХИ/ про­веден ряд исследований /82,104/ быстровращающихся цилиндрических решетных барабанов. Авторам этих работ удалось увеличить произво­дительность быстроходных цилиндрических решетных барабанов в 5-7 раз по сравнению с тихоходными конструкциями,
Принципиально новой оказалась предложенная А.Ф.Ульяновым схема сепаратора, с двойным барабаном, один из которых имеет наклонно поставленные пластинки или лопасти. Вращение вертикаль­ному неперфорированному барабану сообщается от электродвигателя через последовательно расположенные плоскоременную и две зубчатые передачи /109/. Н.П.Полуэктовым /109/ проведены исследования раз­деления семенных смесей на таком сепараторе, доказана возмож­ность сепарации трудноотделимых семенных смесей в поле центро­бежных сил и при многоцикличном сжатии слоя зерновой смеси. Цен­тробежный сепаратор автором рекомендован для сепарации мелкосе­менных смесей овощных и технических культур в зонах семеноводст­ва, а также при сепарации семян трав.
Дальнейшие исследования А.Ф.Ульянова /134/ и его учеников:
А.И.Бочкарева /36,37,38/, А.В.Барилла /19,20/, Г.Ф.Кулакова /88/ и других - по сепарированию семенных материалов были прове-
ведены в вибропентробежных сепараторах.
Небольшая удельная производительность существующих плоских решетных сепараторов не соответствует возросшим требованиям про­мышленности. В результате работы многих исследователей в послед­ние годы возникли различные конструкции центробежных решетных се­параторов /4,5,6,7,8/, позволяющие создать инерционное поле с ус­корением, в несколько раз превышающим ускорение поля сил тяжести. Центробежное поле при сепарировании характеризуется фактором раз­деления (числом Фруда) /122/
jr--&£L _{> ЙЛ})
где fy - радиус решетного барабана;