Технологическое и техническое обеспечение рациональных потоков сыпучих материалов с изменяющимися свойствами в зерноочистительных агрегатах

Одним из путей повышения производительности и качества продукции при высоких технико-экономических показателях у большинства современных машин для обработки потоков сыпучих материалов (зерноочистительные, зерноперерабатывающие, комбикормовые и т. п. предприятия) можно считать реализацию рациональной подачи в них сыпучего материала. Технологическое и техническое обеспечение рациональных потоков сыпучих материалов с изменяющимися свойствами может быть достигнуто посредством применения систем для оценки характеристик потоков сыпучих материалов, поступающих в перерабатывающие устройства.

Как показывают экспериментальные исследования, необходимость оценки величин характеристик потоков сыпучих материалов обуславливается не только увеличением производительности оборудования для их переработки и повышением качества выпускаемой продукции, но и в значительной степени экономичностью и удобством в управлении оборудования /1 /. Для сельскохозяйственного производства характерно значительное изменение свойств поступающего на перерабатывающие зерноочистительные комплексы зернового материала в течение ограниченного периода времени (в зависимости от времени суток, территории произрастания, погодных условий, сорта убираемой культуры, ее засоренности примесями). Существующие в настоящее время методы и системы для измерения характеристик потоков сыпучих сред испытывают значительное влияние на точность измерения изменяющихся физико — механических свойств поступающего в агрегаты сыпучего материала. Это позволяет поставить задачу синтеза систем измерения характеристик потоков сыпучих сред, применительно к зерноочистительным агрегатам, влияние изменения физико-механических свойств материалов на которые сводится к минимуму.

Для измерения характеристик потоков сыпучих сред в настоящее время применяют несколько методов и разработанных на их основе конструктивных исполнений систем регулирования.

Существующие расходомеры-дозаторы создают дискретность потока, что негативно отражается на технико-экономических показателях зернопе-рерабатывающего оборудования 12!

Метод динамического воздействия прост в реализации и обслуживания измерительных средств. Он основан на регистрации силы динамического воздействия со стороны движущегося зернового потока на измерительный лоток. Однако, главным недостатком данного метода является требование к постоянству скорости движения материала, что невозможно обеспечить ввиду изменения физико-механических свойств поступающего материала. Этот недостаток приводит к значительной погрешности измерения.

Метод главного момента сил реализуется в виде крыльчатки, вращающейся на валу с постоянной угловой скоростью со. Крыльчатка выбрасывает сыпучий материал из рабочей камеры и на валу электродвигателя, приводящего ее во вращение возникает момент силы, пропорциональной расходу сыпучего материала. Расходомеры данного типа очень сложны в эксплуатации, настройке и обслуживании измерительного оборудования, предъявляют высокие требования к монтажу, значительную погрешность измерения создает воздушный поток, проходящий через рабочую камеру вместе с сыпучим материалом.

Флуктуационные, электризационные методы измерения характеристик потоков сыпучих материалов возможно применять только в случае постоянства физико-механических свойств материалов, обеспечивающую неизменные электрические свойства среды.

Цель работы: Выявить основные закономерности, разработать научные положения и осуществить практическую реализацию системы для измерения характеристик потоков сыпучих зерновых материалов с изменяющимися физико-механическими свойствами в зерноочистительных arpera7 тах, обеспечивающую необходимую для практических целей точность измерения.

Задачи исследования:

1) Обосновать процесс измерения характеристик потоков сыпучих зерновых материалов с изменяющимися физико-механическими свойствами.

2) Выделить наиболее значимые факторы, влияющие на погрешность измерения характеристик потоков сыпучих материалов в реализованных устройствах измерения.

3) Выделить рациональную совокупность операций измерения, обосновать требования к структуре, составу и конструктивному исполнению системы для регистрации характеристик потоков сыпучих материалов.

4) Теоретическое исследование процессов, происходящих в сыпучем материале и процессов взаимодействия потока сыпучего материала с элементами системы измерения.

5) Математическое моделирование процесса функционирования системы измерения характеристик потоков сыпучих материалов.

6) Практическая реализация разработанной системы измерения и проведение стендовых испытаний.

7) Параметрическая оптимизация разработанной конструкции для измерения характеристик потоков сыпучих материалов в зерноочистительных агрегатах.

8) Обоснование экономической эффективности использования системы для измерения характеристик потоков сыпучих материалов в зерноочистительном агрегате.

Объект исследования представляет собой поток сыпучего материала в гравитационном транспортере и систему для оценки характеристик потоков сыпучих материалов.

В данной работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований и даны практические рекомендации для определения 8 оптимальных параметров систем для измерения характеристик сыпучих сред.

Работа состоит из введения, 5 глав на 160 страницах, 9 таблиц, 89 иллюстраций и библиографии из 73 наименований.

В первой главе дается краткий литературный обзор, состояние вопроса и анализ существующих методов для оценки характеристик потоков сыпучих материалов и разработанных на их основе конструкций измерительных систем, обоснование необходимости создания и исследования новой системы измерения. Разработка на базе новой системы, учитывающей изменение физико-механических свойств сыпучего материала, конструкции устройства для оценки характеристик потоков сыпучих материалов, ставятся задачи исследования.

Во второй главе изложено обоснование нового метода измерения характеристик сыпучих сред. Проведен анализ и синтез конструктивной схемы расходоизмерительного устройства с элементом, регистрирующим скорость движения сыпучей среды. Реализовано теоретическое исследование процесса функционирования новой системы с потоком движущегося сыпучего материала и сделаны предварительные выводы о характере взаимодействия и влиянии на точность измерения расхода.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований взаимодействия элементов системы с потоком сыпучего материала и влияния элементов конструкции расходомера на точность измерения расхода и скорости движущегося сыпучего материала.

В четвертой главе даны результаты параметрического синтеза роторного расходомера зерновых материалов для различных интервалов удельных подач. Предложена методика расчета систем для измерения расхода для различных сыпучих материалов. В результате расчета по предложенной методике была предложена конструкция роторного расходомера для измерения расхода зернового материала с погрешностью около 2%. 9.

В пятой главе обоснована экономическая целесообразность использования разработанного роторного расходомера в составе зерноочистительного агрегата.

Новая система измерения расхода сыпучих материалов, созданная в результате проведенных исследований свободна от недостатков, присущих прочим методам измерения характеристик сыпучих материалов вследствие простоты конструкции и независимости показаний устройства от изменения физико-механических свойств материала.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работы общим объемом 3 печатных листа.

Научная новизна работы состоит в предложенной системе для измерения характеристик потоков сыпучих материалов, влияние на которую вариаций физико-механических свойств поступающего материала сводится к минимумуустановлении новых закономерностей взаимодействия тангенциальных крыльчаток с потоком сыпучих материалов на гравитационных транспортерахвыявлении условий безударного входа и рационального выхода лопаток крыльчатки из потока сыпучего материаламоделировании и математическом описании процесса функционирования системы измерения характеристик потоков сыпучих материалов с изменяющимися физико — механическими свойствамивыявленных закономерностях и связанных с ними погрешностями измерения потоков сыпучих материалов при широкой вариации входных и управляющих факторах системы измерений в зерноочистительных агрегатах.

На защиту выносятся:

1) Теоретические основы формирования системы измерения характеристик гравитационных потоков сыпучих материалов с изменяющимися физико-механическими свойствами в зерноочистительных агрегатах.

2) Обоснованная конструкция системы измерений, математическое описание процессов функционирования элементов системы и всей системы измерений.

3) Новые закономерности функционирования системы измерения при вариации факторов, определяющих измеряемые потоки сыпучих материалов с изменяющимися физико-механическими свойствами и измерительную систему.

Апробация работы: Основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях ДГТУ (в 1996 — 1999 гг.), Ростовской государственной академии сельскохозяйственного машиностроения (1999). Материалы исследований обсуждались в ГСКБ ОАО «Зерноочистка «, г. Воронеж.

1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

Общие выводы по работе.

1) Проведенный анализ функционирования агрегатов и предприятий по очистке и переработке сыпучих материалов (зерна, комбикормов и т. д.), технологий и систем для дискретного и текущего замера характеристик потока сыпучих материалов установил, что подача зернового материала существенно влияет на эффективность функционирования зерноперера-батывающих агрегатовсельскохозяйственному производству характерно изменение свойств поступающего на переработку зернового материаладля реализации установки рациональной подачи зернового материала в перерабатывающие агрегаты требуется использование систем измерения, испытывающих минимальное влияние от изменения физико-механических свойств поступающих зерновых материаловрасходомеры-дозаторы создают прерывистость потока, что оказывает негативное влияние на работу технологического оборудованияв большинстве существующих расходомерах непрерывного действия должно обеспечиваться условие постоянства скорости перемещения измеряемого потока сыпучего материала V = const, что невозможно обеспечить из-за меняющихся физико — механических свойств этого материала по времени.

2) Для минимизации погрешности измерения расхода сыпучих материалов с изменяющимися физико-механическими свойствами, вызванной флуктуацией скорости движения этих материалов по измерительному лотку, установлено, что процесс измерения должен одновременно реализовы-вать измерение массы исследуемого сыпучего материала и измерение скорости перемещения этого материала, с последующим интегрированием их показаний.

3) Анализ условий работы предприятий по хранению и переработке зерна позволил сформулировать требования к системе измерения характеристик потоков сыпучих материалов с изменяющимися физико-механическими свойствами: необходимая чувствительность и точность.

157 измеренияустойчивость к вибрациям, колебаниям температуры и влажности, запыленности воздуханадежность и простота в эксплуатацииэкономичность и технологичность. Исследование систем измерения скорости движения сыпучего материала с точки зрения минимальной погрешности измерения скорости движения в зависимости от вариаций свойств сыпучих материалов, а также отсутствием влияния распределения скоростей в потоке материала на метрологические свойства системы, позволил предложить в качестве датчика скорости системы измерения тангенциальную крыльчатку, свободно вращающуюся на оси. Анализ систем измерения массы сыпучего материала с позиций минимальной погрешности измерения в широком диапазоне внешних воздействий (измерение температуры, влажности, вибрации и т. д.) дал основание сделать вывод о преимуществе систем с тензометрическими и индуктивными датчиками. Сделан вывод, что система измерения должна состоять из датчика массы, датчика скорости, интегрирующего устройства, генератора импульсов сброса, запоминающего устройства, индикаторов текущего и суммарного расходов.

4) Исследование предложенной системы измерения расхода сыпучих материалов на основании априорной информации, проведенных предварительных экспериментов и теоретического анализа с целью оптимизации процесса измерения позволило выделить факторы, влияющие на погрешность измерения характеристик потоков сыпучих материалов с изменяющимися физико-механическими свойствами в реализованной системе измерения: радиуса вращения крыльчатки К, длины дуги между крайними точками лопаток 8, угла наклона лотка а, угла наклона лопаток к радиальной линии 0, удельной подаче на ширину лотка С). Выявлено, что выделенные факторы, ранжированные по степени влияния на увеличение погрешности измерения расхода располагаются в следующем порядке: а, (3, <3, Я, Б.

5) При взаимодействии элементов системы для измерения характеристик потоков сыпучих материалом с движущимся зерновым слоем для различных сочетаний конструктивных параметров роторного расходомера, выявлено следующее: изменение конструктивных параметров роторного расходомера влияет на характер его взаимодействия с сыпучим материалом и в случае реализации неблагоприятного конструктивного решения наблюдается уменьшение частоты вращения крыльчатки, сгру-жив ание зерна на измерительном лотке и увеличение погрешности измерения расхода сыпучего материала.

6) При взаимодействии системы измерения с потоком сыпучего материала наблюдаются следующие зависимости: длина дуги между крайними точками лопаток Б менее 0,15 м приводит к недостаточности пространства между лопатками для заполнения движущимся сыпучим материалом, что ведет к прекращению вращательного движения крыльчаткипри углах наклона лотка к горизонту свыше 50° резко возрастает ударная нагрузка на измерительный лоток датчика массы, наблюдается отрыв верхних слоев сыпучего материала от его основного объема, что приводит к торможению вращения крыльчатки и накоплению сыпучего материала на измерительном лотке.

7) Для уменьшения величины возмущения, вносимого крыльчаткой в движущийся сыпучий материал, требуется обеспечить режим выхода крыльчатки из сыпучего материала, т. е. угол наклона лопаток к радиальной линии должен быть направлен в сторону, противоположную вращению крыльчатки, что обеспечивает увеличение частоты вращения крыльчатки роторного расходомера под действием потока сыпучего материала (при его постоянной скорости) и объясняется отсутствием явления «зачерпывания «лопатками крыльчатки порций сыпучего материалавеличина подачи сыпучего материала влияет на частоту вращения крыльчатки и погрешность измерения расхода.

8) Величина удельной подачи = 70 кг/с*м при ширине измерительного лотка Ь = 0,2 м является максимально допустимой. Зависимость величины погрешности измерения расхода от подачи близка к теоретической и имеет максимумы в точках наибольшей и наименьшей удельной подач. Для ширины лотка существует рациональное значение подачи, при которой осуществляется оптимальное функционирование системы измерения. При увеличении величины подачи относительно ее оптимального значения материал начинает накапливаться на лотке.

9) Радиус вращения крыльчатки принимает оптимальное значение в зависимости от интервала удельных подач, в котором осуществляется процесс измерения. Наблюдается рост величины оптимального радиуса вращения крыльчатки вместе с ростом величины удельной подачи.

10) Теоретическое исследование выявило закономерности гравитационного перемещения слоя сыпучего материала с изменяющимися физикомеханическими свойствами по измерительному лотку прямоугольного поперечного сечения. Установлено, что для условия Г > Го (где Г — коэффициент трения сыпучего материала о лоток, Го — коэффициент внутреннего трения сыпучего материала) распределение скоростей по толщине сыпучего материла носит линейный характер, причем верхние слои сыпучего материала имеют большую скорость нежели нижние слои. Выявленные закономерности позволили определить величину средней скорости движения потока сыпучего материала по измерительному лотку, определяющуюся взаимосвязью между характеристиками потока (расходом и скоростью сыпучего материала) и частотой вращения крыльчатки (выражение (45)).

11) Получены экспоненциальные уравнения второго порядка, позволяющие рассчитывать частоту вращения крыльчатки (65) — массу материала, находящегося на измерительном лотке (67) — среднюю скорость движения сыпучего материла по измерительному лотку (67) — погрешность измерения расхода с помощью предложенной системы измерения.

160 68). Полученные уравнения позволяют описывать процессы взаимодействия тангенциальной крыльчатки с потоком сыпучего материала и были использованы для математического моделирования процесса функционирования и параметрического синтеза системы измерения характеристик потоков сыпучих материалов.

12) В результате проведенного параметрического синтеза системы для оценки характеристик потоков сыпучих сред, найдены и затабулирова-ны рациональные параметры роторного расходомера для оценки расхода зернового материала в интервале удельных подач от 6,94 до 38,17 кг/с*м и от 38,17 до 69,44 кг/с*м обеспечивающего измерение расхода сыпучего материала в пределах 2%. Практическая реализация разработанной конструкции системы измерения с выявленными рациональными параметрами (для интервала удельных подач 6,94 — 34,72 кг/(с*м): К = 0,273 м, Б = 0,18 м, а = 43°, р = 0°- для интервала удельных подач 34,72 -69,44 кг/(с*м): К = 0,31 м, 8 = 0,18 м, а= 44°, р = 0°) и проведенные стендовые испытания показали, что предложенная система измерения позволяет регистрировать расход сыпучего материала с погрешностью измерения до 2%.

13) Предложенная методика синтеза рациональных конструктивных параметров роторных расходомеров сыпучих материалов в интервале подач 6,94 — 69,44 кг/(с*м) с погрешностью измерения до 2%.

14) В результате проведенного экономического анализа эффективности использования роторного расходомера зерновых материалов выявлено, что применение данного прибора с погрешностью измерения расхода в пределах 2,6% позволяет существенно снизить затраты на очистку продовольственного и семенного зерна, что дает значительный годовой экономический эффект: для очистки риса продовольственного назначения 4147,6 рубдля семенной пшеницы 1-го сорта 13 603,93 руб. или снижение затрат на переработку единицы продукции на 3−11% в зависимости от вида культуры.