Совершенствование процесса сепарации зернового материала в зерноочистительном агрегате

Производство зерна в России является важнейшей сферой сельскохозяйственного производства, влияющее на степень обеспечения населения продовольствием, уровень развития кормовой базы для животноводства, птицеводства и сырьевой базы для ряда отраслей промышленности.

Новая аграрная политика России направлена на увеличение производства зерна, поставлена задача: потенциально увеличить производство зерна до 150−170 млн. т в год со средней урожайностью около 27 ц/га [56].

Одним из важнейших процессов в производстве зерна является его послеуборочная обработка, заключающаяся в его очистке и сушке. Пункты для послеуборочной обработки зерна, построенные в последнее время, укомплектованы современным зерноочистительным, сушильным, погрузочно-разгрузочным, транспортным и другим оборудованием для выполнения всех операций, связанных с очисткой, сортированием, сушкой и хранением зерна. Однако количество современных зерноочистительных пунктов невелико, тогда как в большинстве хозяйств в основном используется морально устаревшее и физически изношенное оборудование после ремонта, модернизации или частичной замены [38].

При отсутствии оборудованных пунктов приемки и обработки зерна возникает «бутылочное горлышко», в котором и застревает собранный урожай. На российских агропредприятиях до сих пор не редкость, когда героическими усилиями собранное зерно хранится по 2−3 месяца в условиях напольного складирования. Влажное, засоренное посторонними примесями и насекомыми, зерно в ожидании послеуборочной обработки, теряет свои технологические свойства и массу.

При подготовке продовольственного зерна в хозяйствах применяют в основном поточную технологию обработки, включающую очистку на воздушно-решётных машинах и триерах. В некоторых хозяйствах (преимущественно фермерских и технически слабо обеспеченных) подготовку продовольственного зерна проводят в два этапа [8].

При наличии трудно отделимых примесей [75] применяемые зерноочистительные агрегаты (ЗОА) недостаточно универсальны и не обеспечивают их выделение при минимальном числе технологических операций [21], что приводит к снижению качества обрабатываемого материала и к удорожанию процессов обработки.

Актуальность темы

Существующая поточная технология очистки продовольственного зерна с наличием трудноотделимых примесей, базируемая на традиционной очистке и последующем триеровании имеет один большой недостаток: низкую, по сравнению с воздушно-решётными машинами, производительность триерных блоков. Увеличение производительности современных триерных блоков в агрегатах возможно лишь при их работе по параллельной схеме, либо при увеличении количества самих триерных блоков, что увеличивает их металлоёмкость и энергоёмкость и не существенно повышает их удельные показатели функционирования. Эта проблема является так называемым «узким» местом в технологии очистки продовольственного зерна.

В связи с этим, обоснование рациональной структуры отделения очистки, способного реализовывать фракционные технологии очистки зерна продовольственного назначения, используемого при функционировании зерноочистительного агрегата (ЗОА), включающее воздушно-решётные зерноочистительные машины (ВРЗОМ) и триерные блоки является актуальной задачей [46].

Работа выполнена на основании целевой программы «Развитие потенциала высшей школой», НИР Федерального агентства по образованию тема «Исследование закономерностей кластеризации компонентов гетерогенных сыпучих сред под воздействием механической и электромагнитной энергий».

Цель исследования: совершенствование процесса сепарации зернового материала в отделении очистки агрегата, включающего воздушно-решётные зерноочистительные машины и триерные блоки, с внедрением фракционной схемы их функционирования при варьировании условий поточной обработки, технологических свойств зернового материалавыявление закономерностей его функционирования путём моделирования процессов системной сепарации зерна, параметрической и структурной оптимизации отделения очистки зерноочистительного агрегата.

Для выполнения цели поставлены следующие задачи:

— адаптирование математических моделей и моделирование процесса сепарации зернового материала при последовательной технологии функционирования зерноочистительного агрегата;

— адаптирование математических моделей и моделирование процесса сепарации зернового материала при фракционной технологии функционирования зерноочистительного агрегатаоценка технологических показателей функционирования зерноочистительного агрегата с различными структурами при первичной очистке зернового материала;

— параметрическая и структурная оптимизация отделения очистки зерноочистительного агрегата, функционирующего по различным технологическим схемамфункциональные испытания экспериментального зерноочистительного агрегата, технологические и экономические показатели его функционирования.

Объект исследования — технологическое отделение первичной очистки зерна продовольственного назначения зерноочистительного агрегата, технологический процесс сепарации зерна продовольственного назначения, основанный на фракционировании.

Предмет исследований — закономерности процесса сепарации зернового материала в отделении очистки зерноочистительного агрегата с реализацией последовательной и фракционной схем его функционирования.

Научная гипотеза: рост эффективности очистки зерна продовольственного назначения в зерноочистительном агрегате возможен за счёт фракционирования зернового материала в воздушно-решётной зерноочистительной машине с последующей доочисткой мелкой зерновой фракции в триерных блоках с последовательной или параллельной загрузкой триерных цилиндров.

Научная новизна: Адаптированы стохастические квазистатичные математические модели системной сепарации зерновых материалов в отделении очистки зерноочистительного агрегата для последовательных и фракционных схем его функционирования с учётом задаваемой плотности распределения подачи зернового материала по ширине рабочих органов и по высоте на решётные ярусы. Выявлена рациональная совокупность операций и рабочих элементов, формирующих рациональные структуры зерноочистительного агрегата для очистки зерна продовольственного назначения, включающего воздушно-решётную зерноочистительную машину — фракционер и триерный блок с раздельной загрузкой «длинной» и «короткой» зерновых фракций в овсюжные и кукольные триерные цилиндры, при широкой вариации вектора Р входных и л управляющих воздействий.

Установлены новые закономерности изменения технологических и экономических показателей функционирования отдельных элементов и всего технологического отделения очистки зерна продовольственного назначения в агрегате при вариации частных технологических операций и величины подач исходного зернового материала.

Практическая значимость и реализация. Адаптированные математические модели и методика анализа позволяют на проектной стадии проводить параметрический и структурный синтез, многомерный анализ функционирования отделения очистки зерноочистительного агрегата с использованием воздушно-решётной машины, как фракционера зернового материала.

Выявлена и обоснована рациональная структура отделения зерноочистительного агрегата с воздушно-решётной зерноочистительной машиной — фракционером зернового материала и триерным блоком с последовательной и параллельной загрузкой зерна в триерные цилиндры. Параметрической и структурной оптимизацией определены его рациональные структуры. Реализован и функционирует опытный образец агрегата.

Результаты НИР внедрены в ООО «Деметра», учебный процесс ГОУ ВПО ДГТУ и переданы в ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии, ЗАО «Югпищепром».

Апробация работы: основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Донского государственного технического университета 2004;20 Югг, VIII Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем 2007 г., научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения». ВЦ «ВертолЭкспо» (Ростов-на-Дону 2008 — 2010 г. г.), 5-й Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии — основа эффективного развития АПК России» (Зерноград) 27−28 мая 2010 г., в ГНУ Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии, г. Зерноград.

Публикация результатов: основные положения и результаты исследований опубликованы в 11 печатных работах, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 83 наименований и приложения. Работа изложена на 162 страницах, содержит 70 рисунков и 12 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Для увеличения общей производительности отделения очистки зерноочистительного агрегата при содержании в зерновом материале, поступающем в отделение очистки ЗОА, трудноотделимых примесей триерные блоки настраивают на параллельную схему работы, либо увеличивают количество пропусков очищаемого зерна через агрегат, что приводит к увеличению потерь полноценного зерна и его микроповреждениям, а следовательно к снижению уровня прибыли.

2. Адаптированы стохастические квазистатичные математические модели системной сепарации зерновых материалов в отделении очистки зерноочистительного агрегата для последовательных и фракционных схемах его функционирования с учётом задаваемой плотности вероятности распределения подачи зернового материала по ширине рабочих органов и по высоте на решётные ярусы. Доказано, что адаптированные математические модели с 95%-й доверительной вероятностью адекватно описывают процесс сепарации зернового материала в зерноочистительном агрегате, функционирующем по последовательной и фракционной технологическим схемам.

3. Используя методы структурно-параметрического синтеза и многомерного анализа, с использованием графовой модели, выявлена рациональная совокупность операций и рабочих элементов, формирующих рациональные структуры зерноочистительного агрегата для очистки зерна продовольственного назначения при широкой вариации вектора входных F и управляющих, А воздействий.

4. В результате второго этапа структурно-параметрического синтеза установлено, что экономически выгодной является фракционная схема № 6, размер отверстий решёт-фракционеров d2,6 мм, она позволяет получить наибольшую прибыль при очистке всей партии зерна, а также низком уровне металлоёмкости и энергоёмкости, доказана высокая адаптация к повышению содержания зерновых примесей в исходном зерновом материале (до 6%), высокая производительность агрегата.

6. Проведенные экспериментальные исследования функционирования зерноочистительного агрегата на базе машин фирмы «Петкус» показали, что при раздельном вводе зерновых фракций на кукольные и овсюжные цилиндры, агрегат выполняет агротребования при следующих подачах Q зернового материала: последовательная схема № 1- 1 т/чфракционная схема № 2(с раздельным вводом фракции в кукольные триерные цилиндры) — 1,75 т/ч и фракционная схема № 3(с раздельным вводом фракций в овсюжные и кукольные триерные цилиндры) — 2,35 т/ч.

7. Результаты экспериментальных исследований подтвердили предварительный анализ о функциональной эффективности фракционных технологий очистки зерна продовольственного назначения. Выявлено, что за счет фракционирования зернового материала в воздушнорешетной зерноочистительной машине чистота очищенного в ней зерна статистически значимо выше, при равных подачах, чем при последовательной технологической схеме очистки, на 0,5% и 1%, чем при функционировании ЭЗОА по фракционным технологическим схемам № 2 и № 3 соответственно, а при равной чистоте очищенного зерна производительность ЭЗОА (0,25 кг/с), функционирующего по последовательной технологической схеме № 1, меньше на 208% и 288%, чем производительность ЭЗОА (0,52 кг/с и 0,72 кг/с), функционирующего по фракционным технологической схемам № 2 и № 3.

8.Установлено, что использование раздельно функционирующих кукольных и овсюжных триерных цилиндров обеспечивает полную загрузку зерновым материалом верхнего яруса решёт в ВРЗОМ, что повышает чистоту прошедшего через верхний ярус решёт зернового материала, повышая производительность ВРЗОМ. Существенно снижает в триерных цилиндрах удельную нагрузку, что обеспечивает качественную очистку раздельных фракций мелкого зерна (чистота 98,50%) и фракции крупного зерна (чистота 99,05%). А при подаче Q равной 1 т/ч совокупная чистота очищенного в агрегате по фракционной технологии с раздельным вводом фракций на овсюжные и кукольные триерные цилиндры (схема № 3, 98,29%) зерна статистически значимо выше на 1,13% и 0,56%, чем данный показатель при функционировании ЭЗОА по последовательной схеме (схема № 1, 97,16%) и по фракционной схеме с раздельным вводом зерновой фракции только на кукольные триерные цилиндры (схема № 2, 97,73%).

9. Определён экономический эффект функционирования ЭЗОА за период агросрока 400 часов с коэффициентом использования рабочего времени 0,8 согласно нормам агротребований. Расчетная прибыль, по результатам функциональных испытаний экспериментального зерноочистительного агрегата, от очистки всей партии продовольственного зерна составила: при функционировании ЭЗОА по последовательной схеме № 1- 339 535 рубпо фракционной (с раздельным вводом фракции в кукольные триерные цилиндры) схеме № 2- 678 936 рубпо фракционной (с раздельным вводом фракций в овсюжные и кукольные триерные цилиндры) схеме № 3- 1 229 479 руб. Рост прибыли при фракционной очистке зерна пшеницы (с раздельным вводом зерновых фракций в овсюжные и кукольные триерные цилиндры) составляет по сравнению с показателем, достигнутым при функционировании ЭЗОА по последовательной технологической схеме № 1, — 66,93%, по сравнению с показателем, достигнутым при функционировании ЭЗОА по фракционной технологической схеме № 2 (с раздельным вводом фракции в кукольные триерные цилиндры), — 40,01%. Величина суммарных эксплуатационных затрат на очистку 1 тонны исходного очищаемого продовольственного зерна при функционировании ЭЗОА по фракционной схеме № 3(с раздельным вводом фракций в овсюжные и кукольные триерные цилиндры) равняется 335,05руб/т, что на 210,07 и 272,56 руб/т меньше чем величина данного показателя при функционировании ЭЗОА по последовательной схеме № 1 и фракционной схеме № 2, соответственно. Себестоимость продовольственного зерна, очищенного при функционировании ЭЗОА по фракционной схеме № 3, низкая и равняется 5552,69 руб/т, что на 6−8% меньше, чем при функционировании ЭЗОА по последовательной схеме № 1 и фракционной схеме № 2. Себестоимость фуражных отходов, полученных при функционировании ЭЗОА по фракционным схемам № 2 и 3, равна 156 руб/т, что на 60% (104 руб/т) меньше, чем при функционировании ЭЗОА по последовательной схеме № 1. Срок окупаемости затрат на изготовление агрегата, функционирующего по фракционной схеме № 3, меньше на 529,16ч и 611,01ч по сравнению со сроками окупаемости затрат на изготовление ЭЗОА при функционировании по последовательной схеме № 1 и фракционной схеме № 2.