Определение параметров процесса сепарации трудноразделимых зерновых смесей на вибрационных неперфорированных поверхностях

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

Введение

 

Зерно и семена многих сельскохозяйственных культур являются важнейшим сырьем для пищевой и перерабатывающей промышленности. Основными из них являются зерновые, зернобобовые и крупяные, а также соя, рапс, подсолнечник, горчица, конопля и др.

Зерно и семена после уборки и предварительной очистки содержат некоторое количество семян сорных растений, зерен других культур, органических и минеральных примесей, а также поврежденных, дефектных и мелких зерен основной культуры. Наличие в зерне или семенах этих примесей ухудшает их качество, поэтому одно из основных условий обеспечения количественно-качественной сохранности зерна – это своевременная его очистка. Целью очистки являются: обеспечение требуемого качества зерна, а, следовательно, качества муки и крупы, так как в некоторых случаях, из-за наличия в зерне семян ядовитых сорняков, оно становится непригодным для использования; улучшение условий хранения зерна; освобождение транспортных средств от перевозки части сора и, следовательно, снижение стоимости транспортировки зерна; уменьшение зараженности зерна: вредителями хлебных запасов; создание более благоприятных условий для сушки зерна; повышение качества семенного материала. Повышение качества семенного материала, в свою очередь, необходимо потому, что качественные семена дают больший урожай с более высокими технологическими параметрами как сырье пищевой промышленности.

Очистка семян зерновых, зернобобовых и других культурных растений в прошлом и до настоящего времени осуществляется, в основном, на зерноочистительных машинах с воздушно-решетно-триерными рабочими органами, то есть по различию размерных и аэродинамических свойств семян культурных, сорных растений и примесей. Семена сорных растений и примеси, близкие по размерным и аэродинамическим свойствам с семенами культурных растений, считаются трудноотделимыми.

В пшенице, например, трудноотделимыми сорными примесями считают мешочки головни, рожки спорыньи, а также семена софоры толстоплодной, синеглазки полевой, гречихи татарской, плевела опьяняющего, гелиотропа опушенноплодного, марьянника полевого, дикой редьки и другие. К трудноотделимым зерновым примесям в пшенице относят ячмень, в ячмене – пшеницу. В семенах проса трудноотделимыми сорными примесями считают семена куриного проса, щетинника сизого и другие. В семенах конопли – семена гречишки вьюнковой и амброзии полыннолистной, в семенах гречихи –семена дикой редьки, в семенах гороха – семена гороха, пораженные брухусом. Трудноотделимые примеси встречаются также в семенах гречихи, горчицы, рапса и других культур.

Снижение культуры земледелия, износ парка зерноочистительных машин, а также перенос с поля на поле с семенами культурных растений семян сорняков, не выделившихся при очистке, приводит к резкому увеличению засоренности полей. В результате этого в продовольственном зерне и семенах значительно увеличивается количество примесей, как сорных, так  и культурных растений.

Исследованиями установлено, что с течением времени происходит  своеобразное приспособление семян  сорных растений к культурным признакам делимости, по которым они ранее отличились от семян основной культуры, и по которым происходило их разделение на зерноочистительных машинах. Это явление достаточно хорошо наблюдается для семян плевела льняного, которые с течением времени стали настолько близкими по размерам и аэродинамическим свойствам с семенами льна, что разделить их на воздушно-решетно-триерных и пневматических семяочистительных машинах стало практически невозможно Аналогичное явление наблюдается для семян проса и его засорителей – щетинника сизого и проса куриного, и других культур.

В связи с этим очевидно, что в ближайшее время устранение причин увеличения количества трудноотделимых примесей в зерне после его уборки и очистки на воздушно-решетно-триерных рабочих органах не представляется возможным, поэтому основным средством снижения засоренности семян зерновых и других  культурных растений является разработка новых методов и средств очистки семян от трудноотделимых сорняков и примесей.

Эти методы должны быть основаны на: использовании менее изученных физико-механических характеристик смесей, таких, как фрикционные, упругие, форма, удельный вес, цвет и другие; разработке средств, в реализации которых разделение смеси осуществляется по комплексу физико-механических свойств, то есть, последовательном разделении смеси по различным признакам делимости в одном устройстве на различных рабочих органах (простейшее из них − воздушно-решетная машина), а также на разработке средств сепарации сыпучих материалов по совокупности физико-механических свойств, то есть, разделении сыпучей смеси по нескольким признакам делимости на одном рабочем органе, например, виброфрикционном сепараторе, где разделение осуществляется по различию фрикционных, упругих свойств и по форме частиц смеси.

Физика гранулированных материалов и сыпучих смесей – предмет постоянного интереса зарубежных исследователей на протяжении десятилетий. Значительное внимание зарубежные исследователи уделяют также процессам измельчения и сепарации сыпучих материалов.

Большое внимание процессам сепарации зерновых смесей проявляли и проявляют ученые стран бывшего СССР. Интерес ученых СССР и стран СНГ к проблеме сепарации зерновых смесей объясняется ухудшением культуры земледелия (из-за чего в  убранное зерно попадает значительное количество примесей и семян сорняков, в том числе трудноотделимых), износом парка зерноочистительных машин.

 

 

1. Принципы и способы сепарации трудноразделимых сыпучих смесей

 

Принципы разделения зерновых смесей основаны на различии физико-механических свойств частиц смеси. Основные физико-механические свойства следующие: длина, ширина, толщина, форма, аэродинамические свойства, упругость, коэффициент трения, шероховатость, удельный вес, электрофизические свойства, цвет, влажность. При выборе способа разделения смеси в первую очередь учитывают те признаки, по которым обеспечивается наиболее полное разделение исходной смеси на фракции с заданными показателями качества.

Для исследования физико-механических свойств применяют статистические методы, выражая результаты измерений в виде вариационных рядов или вариационных кривых.

Н.Н. Ульрих, развивая статистические методы определения делимости смесей В.П. Горячкина, С.А. Васильева, Н.Н. Летошнева, показал, что для решения в каждом конкретном случае вопроса о возможности разделения смеси недостаточно изучать вариации каждого признака в отдельности, а необходимо определить корреляцию признаков, и на основании этого, выбрать схему сепарирования.

В сущности, в большинстве выпускаемых промышленностью сложных зерноочистительных машин и технологических линий по очистке зерна и семян и используется предложенный им метод.

Разделение смесей по размерам осуществляется, в основном, на решетах и триерах. Для разделения смеси по толщине применяют решета с продолговатыми отверстиями (рис.1 а). Через прямоугольные отверстия проходят зерна 1,2,3, толщина которых меньше ширины отверстия. Для разделения по ширине применяют решета с круглыми отверстиями (рис.1 б), через которые проходят зерна 1,2,3. Зерна 4, поперечные размеры которых больше размеров решет и в том, и в другом случае не проходят через отверстия  решет, а, продвигаясь по решету, сходят с него.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схема  очистки зерна на решетах с отверстиями:  
а – прямоугольными; б – круглыми

 

Сепарацию на плоских решетах осуществляют при круговом, поступательном или возвратно-поступательном движении решет.

Если применяют цилиндрические решета, то их вращают вокруг оси решетного цилиндра.

Кинематические параметры колебаний плоских решет характеризуются частотой и амплитудой. Если частота колебаний достаточно велика, а амплитуда мала, то сепарацию на таких решетах называют вибросепарацией.

Необходимо отметить, что для привода плоских решет не применяется целый класс колебаний с эллиптической траекторией колебаний. На рис. 2 представлена, предложенная в, конструкция колебателя решетного кузова сепаратора для придания ему эллиптической траектории (вид снизу). При вращении ведомого шкива 5 приводится во вращение ось кривошипа 6. Другая ось кривошипа 6 совершает возвратно-поступательное движение, груз 7 на кривошипе 6, совершая движение по эллиптической траектории, придает решетному кузову 1 движение по той же траектории. Недостатками этой конструкции являются сложность в изготовлении и наличие перемещающихся возвратно-поступательно трущихся деталей.

Предложенные П.М. Заикой, А.В. Богомоловым и А.И. Завгородним вибровозбудители позволяют  задавать решетному кузову любую эллиптическую траекторию с различным диапазоном изменения амплитуды колебаний.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Колебатель решетного кузова сепаратора: 1 – решетный кузов;  
2 – троссовая подвеска; 3 – электродвигатель; 4 – шкив ведущий; 5 – шкив ведомый; 6 – кривошип; 7 – груз;  
8 – направляющая

 

Для разделения смеси по длине применяются в основном цилиндрические и дисковые триеры.

Возможно также использование устройства с гибкими лентами, установленными одна над одной, с зазором между ними. При этом в нижней ленте имеются отверстия.

Рабочим органом цилиндрического триера является стальной цилиндр, на внутренней поверхности которого выштампованы ячейки, а внутри по длине цилиндра на некоторой высоте размещен желоб (рис. 3). Очищаемое зерно поступает внутрь вращающегося цилиндра. Частицы смеси попадают в ячейки триера 1 и поднимаются вверх. При этом длинные зерна выпадают раньше, а короткие – позже. Кромку желоба 2 устанавливают между зонами выпадения длинных и коротких зерен, короткие попадают в желобы и уносятся в соответствующий приемник шнеком 3.

Рабочим органом дискового триера являются диски, на поверхности которых выполнены карманообразные ячейки, направленные в одну сторону (рис. 4). При подаче зерна и вращении дисков ячейки захватывают длинные и короткие частицы. Как только ячейки начнут наклоняться при повороте дисков, длинные частицы выпадают. Короткие частицы выпадают тогда, когда карманы ячеек будут направлены вниз и попадают в установленные наклонные желоба.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.  3. Схема цилиндрического триера: 1 – триерный цилиндр;  
2 – желоб; 3 – шнек

Рис. 4. Принцип работы дискового триера

 

Для разделения смесей по аэродинамическим свойствам применяют пневматические сепараторы. Рабочим органом этих сепараторов является воздух, а основным параметром разделения смеси – скорость витания частиц смеси в воздушном потоке. Скорость витания зависит от плотности воздуха, коэффициента аэродинамического сопротивления и миделева сечения.

Миделиво сечение – это площадь проекции зерна на плоскость, перпендикулярную направлению воздушного потока. От величины миделева сечения во многом зависит эффективность сепарации. Если форма частиц смеси отличается от шарообразной, а зачастую это так, то площадь миделева сечения – величина переменная. Например, для пшеницы и ржи наибольшая площадь сечения может отличаться от наименьшей в 6 раз, а для овсюга более, чем в 10 раз. Это означает, что сила воздействия воздушного потока на одну и ту же частицу будет также колебаться в этих же пределах. Из-за этого, несомненно, эффективность разделения смесей в пневмосепараторах снижается.

Если же создать условия, при которых частицы смеси будут ориентироваться в воздушном потоке в определенном положении, т.е. стабилизировать площадь миделева сечения, то эффективность пневмосепарации можно увеличить. Попытка реализовать эту идею сделана в сепараторах, разработанных под руководством проф. В.Л. Злочевского. Принцип работы этого пневмосепаратора показан на рис. 5. Смесь поступает в пневмоканал 1 на питающий лоток 2 из штампованного сита. Основной поток воздуха огибает питающий лоток со смесью и проходит через него.

Рис. 5. Принцип работы пневмосепаратора:  
1 – пневмоканал; 2 – питающий лоток;  
3 – отверстие; 4 – воздух.

 

Одновременно через отверстие 3 в пневмоканал 1 подсасывается поток воздуха 4. В зоне разделения смеси эти потоки создают момент сил, закручивающий частицы относительно их длинной оси. Таким образом увеличивается и стабилизируется средняя площадь   миделева сечения более длинных частиц смеси, которые вместе с легкими частицами уносятся в осадочную камеру. Тяжелые частицы смеси, преодолевая силу воздействия воздушного потока, падают вниз и выводятся из пневмоканала. Эта идея заслуживает внимания, однако, очевидно, что эффективность закручивания смеси подсасываемым потоком воздуха недостаточна.

Смеси, содержащие семена сорняков, и примеси, отличающиеся другими физико-механическими свойствами и имеющие одинаковые с зерном размеры и аэродинамические свойства, считаются трудноразделимыми.  Для их очистки применяют специальные машины, анализ которых рассмотрим ниже.

 

 

 

2. Исследование процессов перемещения частиц различной формы по вибрационной поверхности

 

Поперечное сечение большинства семян сельскохозяйственных культур можно аппроксимировать правильными геометрическими фигурами: улиткой Паскаля, оживалом, эллипсом, кругом, кругом со смещенным центром масс, овалом Кассини, n-угольником.

В этом разделе рассмотрим движение по вибрационной неперфорированной поверхности частиц, аппроксимируемых улиткой Паскаля и кругом со смещенным центром масс.

Такими фигурами можно аппроксимировать семена смесей, наиболее трудно поддающихся разделению на существующих зерноочистительных машинах известными методами. Улиткой Паскаля можно аппроксимировать семена трудноразделимой смеси пшеницы и ячменя с незначительно различающимися параметрами улитки. Кругом со смещенным центром масс можно аппроксимировать семена гороха, поврежденные брухусом, а кругом со смещением, равным нулю, семена гороха. Такая смесь также относится к наиболее трудноразделимой. В связи с этим целесообразно провести исследования по выявлению возможности разделения таких смесей на вибрационных неперфорированных поверхностях, поскольку значительное количество трудноразделимых сыпучих смесей удается разделить с помощью этих поверхностей.