ХАРЧУВАННЯ ТА ТОРГІВЛІ

БОГОМОЛОВ ОЛЕКСІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 621.928

НАУКОВЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ ПРОЦЕСІВ
ТА ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ СЕПАРАЦІЇ ХАРЧОВОЇ СИПКОЇ СИРОВИНИ

Спеціальність 05.18.12 – процеси та обладнання харчових,

мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка Міністерства аграрної політики України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор,

заслужений діяч науки і техніки України Шаповаленко Олег Іванович, Національний університет харчових технологій, завідувач кафедри технології зберігання і переробки зерна

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гросул Леонід Гнатович, Одеська національна академія харчових технологій, професор кафедри технологічного обладнання зернових виробництв;

доктор технічних наук, професор Погожих Микола Іванович, Харківський державний університет харчування та торгівлі, завідувач кафедри енергетики та фізики;

доктор технічних наук, професор Сухенко Юрій Григорович, Коледж ресторанного господарства Національного університету харчових технологій, директор

Провідна установа: Донецький державний університет економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського, кафедра обладнання харчових виробництв Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк.

Захист відбудеться 22.10.2006 р. о 10_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.088.01 Харківського державного університету харчування та торгівлі за адресою: вул. Клочківська, 333, м. Харків, 61051.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного університету харчування та торгівлі за адресою: вул. Клочківська, 333, м. Харків, 61051.

Автореферат розісланий 20.09.2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Дубініна А.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найважливішою стратегічною проблемою переробних і харчових виробництв є забезпечення фізіологічних потреб населення у високоякісних, безпечних продуктах харчування. Україна завдяки природнокліматичним умовам була і є потужним виробником практично всіх зернових, зернобобових та круп’яних культур. Насіння цих культур є найважливішою сировиною для харчової промисловості. В останні роки все більш широкого розповсюдження в агропромисловому комплексі України набули такі культури як рапс, соя, гірчиця, соняшник та коноплі, насіння яких теж використовується в харчовій та переробній промисловостях.

Отримання високоякісних борошняних виробів неможливе без етапу видалення з зернової суміші важковідокремлюваних домішок та насіння бур’янів. Безсумнівно, що цей етап можна здійснити лише під час підготовки сировини до розмелювання.

Виробництво високоякісної гречаної крупи, пшона, пластівців та інших видів круп неможливе без етапу видалення важковідокремлюваних домішок до шелушіння, тому що під час шелушіння змінюються і ті фізико-механічні властивості насіння основної культури та домішок, у бік зближення, за якими вони відрізнялись, зокрема, форма, коефіцієнти тертя та ін. Крім того, намагання видалення важковідокремлюваних домішок після шелушіння призводить до невиправданих енерговитрат та втрат крупи у відходи.

Сепарація сипких сумішей зернових, зернобобових, круп’яних та інших культурних рослин, в основному, здійснюється за різницею фізико-механічних властивостей. Найбільш поширеними методами є сепарація за розмірами та аеродинамічними властивостями. Ці характеристики є добре вивченими і більшість сучасних зерноочисних машин загального призначення мають повітряно-решітно-трієрні робочі органи. Суміші, у яких насіння бур’янів та домішки близькі за розмірами та аеродинамічними властивостями до насіння культурних рослин, вважаються важкороздільними. Важкороздільні сипкі суміші зустрічаються і при сепарації фармацевтичних виробів, а також у вигляді розсипів поліолефінових гранул та ін. Сепарація важкороздільних зернових сумішей здійснюється на спеціальних очисних машинах. Енергоємність процесів сепарації зернових сумішей є високою. Питомі витрати енергії на здійснення процесів сепарації в середньому становлять 1,06 кВт·год/т. У машин спеціального призначення цей показник найбільший і становить в середньому 3,47 кВт·год/т. Порівняно, наприклад, з решітними машинами він більший майже у 20 разів. Тому проблема зниження енергоємності процесів сепарації, особливо важкороздільних зернових сумішей, та розробка обладнання для здійснення цих процесів є актуальними.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є складовою частиною Державної програми „Виробництво технологічних комплексів машин і обладнання для агропромислового комплексу на період 1998-2005 рр., розділ 3 „Техніка для післязбиральної обробки зерна”; Регіональної програми „Найважливіші проблеми АПК на період 1996-2005 рр.”; комплексної теми 1-4 науково-дослідних робіт ХНТУСГ імені Петра Василенка (ДР №01.86.0032093 „Розробити технологію та засоби сепарації важкороздільних зернових сумішей та обґрунтувати параметри процесів робочих органів посівних машин” на період 1995-2005 рр.); науково-дослідної роботи „Наукове обґрунтування та апаратурне забезпечення процесів сепарації важкороздільних сипких сумішей” (ДР №015 U 003450).

Наукові дослідження та проектно-конструкторські роботи здійснено згідно з щорічними планами науково-досліднх робіт ХНТУСГ імені Петра Василенка, а також господарчими угодами та договорами про творчу співпрацю для створення науково-технічних розробок.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є наукове обґрунтування енергозберігаючих процесів та обладнання для сепарації харчової сипкої сировини та розробка ефективних параметрів процесів сепарації.

Для досягнення поставленої мети визначено головні завдання дослідження:

- розробити нову концепцію енергозберігаючих процесів сепарації харчової сипкої сировини за рахунок спрямованої зміни траєкторій переміщення частинок сировини в робочому органі сепаратора з урахуванням сукупностей фізико-механічних властивостей компонентів суміші;

- визначити нові фізико-механічні характеристики зернових сумішей: пружні, з урахуванням зчеплення оболонки з ядром; поперечні перерізи насіння шляхом апроксимації геометричними фігурами і кривими четвертого порядку; траєкторії переміщення насіння по вібраційних неперфорованих поверхнях;

- обґрунтувати параметри процесів сепарації важкороздільних зернових сумішей за пружними характеристиками з урахуванням багаторазовості ударів по робочих ударних поверхнях, що сепарують;

- розробити математичні моделі переміщення різних форм частинок зернової суміші по вібруючих неперфорованих поверхнях;

- розробити математичну модель руху обертової частинки зернової суміші в повітряному потоці й обґрунтувати параметри процесу сепарації зернових сумішей на гіраційних сепараторах;

- створити математичні моделі процесів сепарації зернових сумішей на розроблених поверхнях із профілями найменшого опору (ПНО); визначити оптимальні форми ПНО для сепарації частинок з різними поверхнями котіння;

- розробити нові блочно-модульні робочі органи віброфрикційних сепараторів, нові сепаратори з ПНО, багатоярусні ударні та гіраційні сепаратори;

- впровадити рекомендації з використання результатів роботи та розроблених процесів і обладнання у систему технічного забезпечення харчової, переробної галузей, фармацевтичну промисловість.

Об'єкт дослідження – енергозберігаючі процеси сепарації харчової сипкої сировини, зв’язок процесів з конструктивно-кінематичними параметрами створених сепараторів і фізико-механічними властивостями компонентів сипкої сировини.

Предмет дослідження – наукові основи процесів сепарації харчової сипкої сировини, фізико-механічні властивості компонентів сировини та обладнання для її сепарації.

Методи дослідження – сучасні методи з використанням вимірювальних приладів, а також розрахунково-експериментальні методи із застосуванням математичного моделювання процесів сепарації на базі положень механіки і теорії пружності з використанням обчислювальної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів:

- запропоновано і теоретично обґрунтовано нову концепцію енергозберігаючих процесів сепарації, що базується на спрямованій зміні траєкторій переміщення частинок в робочому органі сепаратора;

- запропоновано новий підхід до апроксимації форм зерна на підставі кількісної оцінки використання кривих четвертого порядку: равлик Паскаля та овал Кассіні;

- з використанням теорії пружності визначено нові фізико-механічні характеристики частинок зернових сумішей: модулі пружності; тривалість удару залежно від пружних і геометричних характеристик; потенційну енергію стиску і вплив параметрів деки, що відбиває; встановлено, що процес відбиття має екстремальний характер залежно від пружності деки;

- розроблено математичну модель переміщення частинок зернових сумішей з урахуванням їх форм по вібраційній неперфорованій поверхні; визначено закономірності переміщення частинок по вібруючих неперфорованих поверхнях з урахуванням впливу параметрів вібрації;

- для визначення конструктивно-кінематичних параметрів нових ударних сепараторів з мінімальними витратами енергії тільки на підйом суміші до бункера із застосуванням теорій пружності і оболонок уперше отримано нові фізико-механічні характеристики частинок зернових сумішей з урахуванням недостатнього зчеплення оболонки і ядра; отримано нові співвідношення, що дозволяють скорегувати значення коефіцієнта відновлення швидкості при ударі для зернинок зі слабозчепленою оболонкою;

- запропоновано новий процес сепарації зернових сумішей за ефектом Магнуса та розроблено математичні моделі руху обертової частинки зернової суміші в повітряному потоці; встановлено закономірності процесу сепарації зернових сумішей с використанням ефекту Магнуса;

- для мінімізації витрат енергії за рахунок забезпечення еквідистантної траєкторії центра мас частинок щодо опорних поверхонь і підвищення якості сепарації створено нові математичні моделі руху частинок по розроблених поверхнях із ПНО; отримано профілі найменшого опору переміщенню частинок різної форми і умови відсутності їхнього заклинювання під час руху.

Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці методів розрахунків енергозберігаючих процесів сепарації зернових сумішей і обладнання для їх здійснення; створенні нових енергозберігаючих засобів сепарації зернових сумішей на основі спрямованої зміни траєкторій переміщення частинок суміші в робочому органі сепаратора: блочно-модульні сепаратори з вібраційними неперфорованими поверхнями, багатоярусні ударні сепаратори, сепаратори з профілями найменшого опору, гіраційні сепаратори.

Сформульовано й оформлено за результатами виконаної роботи рекомендації „Підвищення ефективності очищення зерна і виробництва борошна в сільськогосподарських підприємствах”, які впроваджено у Хмельницькому обласному ДП ДАК „Хліб України”, ДП агрофірми „Проскурів-хліб” (м. Хмельницький), агропромисловій компанії „Суми” (м. Суми), ТОВ СП „Білий колодязь”, фермерському господарстві „Ока” (Харківська обл.) та на інших підприємствах.

За результатами виконаних науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт виготовлено: сепаратори для очищення сипких сумішей Українським науково-дослідним інститутом сільськогосподарського машинобудування (м. Харків), Хорольським механічним заводом (Полтавська обл.), лабораторією вібраційних зерноочисних машин ХНТУСГ імені Петра Василенка та іншими підприємствами.

Вібраційні сепаратори з фрикційними неперфорованими поверхнями впроваджено в „Краснодарській державній міжрайонній конопленасіннє-станції” (м. Курганінськ, Росія), Харківському спеціалізованому конструкт-торсько-технологічному бюро “Машприладпластик” (м. Харків), Українському науково-дослідному інституті сільгоспмашинобудування (м. Харків), Хорольському механічному заводі (м. Хорол) та інших підприємствах. Проведено державні випробування на „Курській МВС” (м. Курськ, Росія). Багатоярусний ударний сепаратор впроваджено у фермерському господарстві „Ока” (Харківська обл.). Сепаратор з поверхнями найменшого опору переміщенню впроваджено у фармацевтичній компанії „Здоров'я” (м. Харків). Гіраційний сепаратор впроваджено у ПТФ „ІВО” (Харківська обл.).

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок полягає у розробці концепції, наукових положень, методів, моделей, проведенні теоретичних і експериментальних досліджень, заходів щодо впровадження результатів досліджень у виробництво, формулюванні висновків і підготовці до публікації результатів досліджень.

Заявлені в дисертації наукові положення, теоретичні розробки, винаходи, способи, що стосуються сепарації, виконані особисто автором.

Експериментальні дослідження, винаходи, розробки віброфрикційних сепараторів і впровадження їх у виробництво виконано в лабораторії вібраційних зерноочисних машин університету колективом наукових співробітників за особистою участю автора.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися на: щорічних наукових конференціях і міжнародних науково-практичних конференціях (МНПК) ХНТУСГ (м. Харків, 1985-2005 рр.), щорічних наукових конференціях і МНПК ХДУХТ (м. Харків, 1998-2005 рр.), Республіканській науково-технічній конференції „Пути развития механизации производства зерна в Украинской ССР” (УНДІМЕСГ, м. Глеваха, 1988 р.), науково-технічній конференції ЧІМЕСГ (м. Челябінськ, 1988 р.), Всесоюзній науково-технічній конференції „Пути повышения уровня эксплуатации и эксплуатационной технологичности машин в новых условиях экономического развития агропромышленного комплекса” (м. Харків, 1990 р.), МНТК „Актуальные направления развития экологически безопасных технологий производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции” (м. Воронеж, 2003 р.), МНТК, що присвячена 40-річчю ТУП (ТУП, м. Хмельницький, 2002 р.), IV, V МНТК „Вібрації в техніці і технологіях” (ВДАУ, м. Вінниця, 2002, 2004 рр.), IV МНТК „Хлібопродукти – 2002” (ОДАХТ, м. Одеса, 2002 р.), III, IV МНТК „Актуальні проблеми харчування: Технологія та обладнання, організація і економіка” (ДонДУЕТ, м. Донецьк–Святогірськ, 2003, 2005 рр.), IV МНТК „Сучасні проблеми землеробської механіки” (НАУ, м. Київ, 2003 р.), МНПК „Сучасні проблеми розвитку легкої і харчової промисловості”, присвяченій 85 – річчю СНУ ім. В. Даля (м. Луганськ-Євпаторія, 2005 р.).

Публікації. Матеріали дисертації, одержані результати і рекомендації з їхнього використання опубліковано в 72 роботах, у тому числі в 1 монографії, 5 навчальних посібниках, 28 статтях у наукових журналах і збірниках наукових праць, з них 25 у фахових виданнях, затверджених ВАК України, 24 авторських свідоцтвах на винахід, 9 патентах та 5 тезах наукових конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел з 377 найменувань, у тому числі 32 іноземних, і 7 додатків. Загальний обсяг дисертації викладено на 277 сторінках, вона містить 123 рисунка та 18 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність і стан наукової проблеми, її значущість, обґрунтована актуальність теми, викладено зв'язок робіт з науковими програмами, сформульовані ціль й основні завдання досліджень, наведено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі “Аналіз сучасного стану проблеми сепарації харчової сипкої сировини” виконано аналіз стану проблеми, наведено огляд досліджень вітчизняних та зарубіжних авторів, класифікацію способів та засобів сепарації харчової сипкої сировини. Проаналізовано сучасні конструкції сепараторів для розділення зернових сумішей, розроблених в лабораторії вібраційних зерноочисних машин ХНТУСГ під керівництвом і за безпосередньою участю автора роботи, що стали базою для розвитку нового наукового напряму з дослідження проблеми зниження енергоємності процесів сепарації харчової сипкої сировини.

На основі проведеного аналізу відомих досліджень та виконаних розробок автором запропонована нова концепція енергозберігаючих процесів сепарації харчової сипкої сировини, яка полягає в спрямованій зміні траєкторії переміщення частинок суміші в робочому органі сепаратора.

У другому розділі “Визначення фізико-механічних властивостей важкороздільних зернових сумішей” виконано теоретичні і експериментальні дослідження найменш вивчених фізико-механічних характеристик зернових сумішей – граничних кутів підйому, нахилу траєкторій руху частинок по вібруючій фрикційній поверхні, пружних властивостей частинок і форми.

Пружні властивості зерна проявляються під час удару і оцінюються коефіцієнтом відновлення швидкості при ударі. Вивчені вони, однак, недостатньо тому, що визначення цього коефіцієнта здійснювалося на основі візуальної оцінки висоти відскоку зернинки від ударної поверхні.

Для експериментальної оцінки параметрів зіткнення зерна і поверхні новим методом було створено установку, за допомогою якої одержано пружні параметри насіння на різних матеріалах дек.

Принципову схему вимірювань пружних характеристик на цій установці представлено на рис. 1.

Рис. .Принципова схема вимірювань пружних характеристик зерна і відбивної поверхні:

1 – силовимірювальний прилад; 2 – прилад для вимірювання зминання зерна; 3 – зерно;
4 – відбивна поверхня

На рис. 2 надано криві навантаження-розвантаження зерна гороху для відбивних поверхонь зі сталі та фанери.

За допомогою цих кривих запропоновано визначати коефіцієнт відновлення швидкості під час удару новим методом. Його здійснюють шляхом лінеаризації кривих і визначення коефіцієнтів регресії, розв’язавши сумісно рівняння регресії навантаження-розвантаження і отримавши координати точок перетину прямих з осями координат.

Для гороху , де і – величини повної та залишкової деформації, м.

Рис. . Пружні характеристики зерна гороху:

1 горох по сталі з орієнтацією ; 2 горох по сталі з орієнтацією ;

3 горох по фанері з довільною орієнтацією

Для гороху з орієнтацією сил навантаження F вздовж половино –Rу=0,56, а з орієнтацією в поперечному напрямку – Rу= 0,46, що свідчить про необхідність використання багатократного удару при сепаруванні навіть таких округлих зернинок як горох. За допомогою цієї установки визначено також такі пружні характеристики зерна як модуль Юнга, площа та тривалість контакту.

З урахуванням, що віднов-лювальна сила Fв при пружній деформації пропорційна жорст-кості матеріалу Fв =, встановлено залежність відновлю-вальної сили від жорсткості матеріалу відбивної поверхні. Встановлено, що для забезпечення максимальної відновлювальної сили в ударних сепараторах слід використовувати фанеру.

Оцінку форми насіння, положення центра мас, момент інерції та інші фізико-механічні і геометричні характеристики з достатньою для практичних цілей точністю слід апроксимувати фігурами правильної геометричної форми. При цьому доцільно визначати найкращу з декількох кривих на підставі кількісної оцінки неточності визначення параметрів шляхом обчислення значення залишкової дисперсії.

У роботі вперше запропоновано й отримано рівняння для апроксимації форми насіння важкороздільних зернових сумішей у вигляді кривих четвертого порядку: равлика Паскаля, овала Кассіні, комбінації равлика Паскаля і чотирипелюсткової троянди. Такими фігурами можна апроксимувати форму поперечного перерізу більшості насіння важкороздільних зернових сумішей. Наприклад, насіння рапсу, бобових мають форму овала Кассіні, конопелі – оживала, м'якої пшениці – равлика Паскаля, твердої – комбінації равлика Паскаля і чотирипелюсткової троянди.

Для визначення граничних кутів підйому, як однієї з ознак подільності для вібраційних сепараторів з поздовжнім кутом нахилу робочої поверхні, запропоновано новий прилад, що дозволяє скоротити час визначення і більш точно визначати їхні значення. Сутність роботи приладу полягає у безперервній зміні нахилу вібраційної неперфорованої поверхні, на яку розміщаються досліджувані частинки, і відборі цих частинок при фіксованих значеннях кутів.

У третьому розділі “Обґрунтування параметрів процесу сепарації важкороздільних зернових сумішей на вібраційних неперфорованих поверхнях” обґрунтовано параметри процесу сепарації зернових сумішей на віброфрикційних неперфорованих поверхнях, частинки яких можна апроксимувати кругом зі зміщеним центром мас (насіння гороху, уражене брухусом) та равликом Паскаля (насіння пшениці і ячменю). Розглянуто безвідривний режим руху частинок, що визначає характер взаємодії частинок з вібруючою поверхнею.

Під час руху у частинки з поперечним перерізом у вигляді равлика Паскаля, що співпадає із площиною коливань, контакт із вібруючою площиною може бути в точках А/ і В/, або на дузі В/Е/А/ (рис. 3). У цих випадках можливі такі типи руху:

- при контакті по дузі – чисте котіння, ковзання або котіння з ковзанням;

- при контакті в точках – відносний спокій або ковзання.

Для випадку ковзання частинки в А/ і В/ диференціальне рівняння має вигляд:

(1)

Система рівнянь у режимі повороту з ковзанням:

(2)

де m, I – маса і момент інерції мас частинки щодо її центральної осі, яка перпендикулярна площині коливань, кг, кг·м2; А,щ – амплітуда і частота коливань, м, 1/с; f – коефіцієнт тертя; а – діаметр твірного кола, м; N – величина нормальної реакції, Н.

Рис. . Рух частинки по вібруючій поверхні в момент повороту з ковзанням

У режимі повороту:

Під час безвідривного руху

Прирівнявши в (2) , знайдемо величину нормальної реакції:

(4)

Частинка буде спиратися на точках А/ і В/, якщо вона не зможе перевернутися щодо цих точок. Умова неможливості повороту (рис. ) полягає:

(5)

Частинка буде знаходитися у відносному спокої при , де

Отримано також диференціальні рівняння руху частинки на ділянці В/Е/А/.

У результаті розв’язання нелінійних диференціальних рівнянь числовими методами одержано залежності швидкостей вібропереміщення частинок. На рис. 4 наведено розрахункові та експериментальні залежності швидкостей вібропереміщення частинки равлика Паскаля з параметрами апроксимації, що отримані для ячменю і пшениці, від параметрів вібрації і кута нахилу вібруючої поверхні.

Як слідує з рис. 4,а і 4,б зі збільшенням амплітуди А та частоти коливань швидкості вібропереміщення частинок і ячменю, і пшениці зростають. При цьому при збільшенні інтенсивність зростання швидкості вібропереміщення збільшується. Значення розрахункових і експериментальних швидкостей вібропереміщення ячменю більші, ніж пшениці. Зі збільшенням А і щ зростає розходження між розрахунковими й експериментальними даними. Це пояснюється деякою невідповідністю розрахункової моделі і реальних частинок.

Рис. . Залежності швидкостей вібропереміщення насіння ячменю (1) і пшениці (2) від параметрів вібрації: а) – амплітуди; б) – частоти; в) – напрямку вібрації; г) – кута нахилу вібруючої поверхні; 1,  – розрахункові криві; 1*, * – експериментальні криві

Зміна кута нахилу б вібраційної неперфорованої поверхні призводить не тільки до зміни величини швидкості вібропересування, але і до зміни напряму руху ячменю і пшениці, а, значить, і до можливості їхнього поділу. Зі збільшенням кута б швидкості вібропереміщення частинок пшениці і ячменю знижуються. І при малих вони змінюють напрямок руху.

З рис. 4,г видно, що при = 10,5...11 град частинки рухаються по вібруючій поверхні в різних напрямках – ячменю скочуються вниз, а пшениці переміщаються нагору, тобто розділяються.

У розділі також наведено результати розробки конструкцій вібраційних сепараторів із фрикційними неперфорованими поверхнями. Розроблено конструкцію блочно-модульного сепаратора, конструктивну схему якого представлено на рис. .

Рис. 5. Конструктивна схема блочно-модульного віброфрикційного сепаратора:

1 – вібростіл; 2 – блоки сепа-руючих поверхонь; 3 – пру-жини; 4 – рама; 5 – вібро-збуджувач; 6 – вал; 7 – деба-ланс; 8 – механізм синхроні-зації; 9 – пружна муфта; 10 – передача; 11 – живильний пристрій; 12 – завантажуваль-ний бункер; 13 – еластичний патрубок; 14,15 – механізми регулювання поздовжнього та поперечного кутів нахилу робочого органа; 16 – прий- мачі продуктів сепарації; 17 – електродвигун

Сепаратор працює таким чином. Зернова суміш подається за допомогою живильників на робочі поверхні верхніх і нижніх блоків. Під дією спрямованих коливань, створюваних віброзбуджувачами, компоненти суміші переміщуються по різних траєкторіях залежно від фізико-механічних характеристик. Плоскі, шорсткуваті, менш пружні частинки переміщуються у верхні приймачі продуктів поділу, а округлі, гладенькі, пружні – скочуються в нижні.

Наведено також результати удосконалення приводу робочих органів і живильних пристроїв вібраційних сепараторів. За результатами багатофакторного експерименту отримано рівняння регресії та знайдено оптимальні конструктивно-кінематичні параметри роботи блочно-модульного віброфрикційного сепаратора. Для вилучення із суміші гороху насіння, враженого брухусом, ці параметри такі: А =0,7 мм; щ =93 с-1; 1=26о; =4,3о; =1,7о. А для очищення пшениці від насіння ячменю: А=0,67 мм; щ=96 с-1; =24о; =10,1о; =2,1о. При продуктивності 100 кг/год і 200 кг/год, відповідно, для гороху та пшениці і якості сепарації до І класу. Блочно-модульна конструкція сепаратора дозволяє знизити його енергоємність у 2,3 рази за рахунок зниження металоємності робочого органа, що коливається.

У четвертому розділі “Обґрунтування параметрів процесу сепарації зернових сумішей на ударних сепаруючих поверхнях” обґрунтовано параметри процесу сепарації зернових сумішей на ударних поверхнях за пружністю з використанням отриманої залежності їх кута відбиття від коефіцієнта відновлення швидкості під час удару. Встановлено, що доцільний діапазон кутів падіння частинок на деки становить від 30° до 60°. Отримано вираз для дальності польоту частинок після відбиття. Запропоновано декілька принципових схем сепараторів для сепарації частинок за рахунок удару.

Пружність насіння істотно впливає на процеси сепарації практично у всіх машин, що сепарують. Однак, при розрахунках режимів і динамічних характеристик дослідниками розглядався тільки точковий контакт зерна з робочими поверхнями. Це не дає можливості оцінити тривалість взаємодії і площу зіткнення зернинки з декою, які визначають у значній мірі динаміку післяударного руху.

Для встановлення закономірностей взаємодії під час удару розглянуто контактне зіткнення двох твердих тіл: кулеподібної частинки з плоскою прямокутною поверхнею.

Використовуючи теорію пружності, на основі теорії потенціала знайдено вираз для розподілу тиску за площею зони зіткнення:

, (6)

радіус круга зіткнення під дією сили F: , (7)

максимальне зближення при швидкості: (8)

та тривалість зіткнення: , (9)

де ; ; і – піввісі еліпса контакту, м;

– радіус частинки, м; , , , – модулі Юнга і коефіцієнти Пуассона, Па.

Це дало можливість визначити співвідношення енергії пружних коливань від енергії деформації.

Вперше проведено дослідження впливу слабозчепленої оболонки зерна на його пружні властивості та одержано вираз для визначення енергії пружної деформації:

(10)

де Е – модуль пружності, Па; д – товщина оболонки, м; Rk – радіус кривизни оболонки в зоні прикладання навантаження, м.

Для пшениці при д = 0,07 мм; Rk = 1 мм; W = 1,24·10-6 Дж.

Із загального балансу енергій шляхом розрахунку значення W визначено енергію віддачі (друга фаза удару). Це дозволило уточнити коефіцієнт відновлення швидкості при ударі. Зокрема, для гороху зменшення коефіцієнта відновлення складало 9%, а для пшениці – 12%.

Розроблено багатоярусний ударний сепаратор з багаторазовим відбиттям зерна від неперфорованих поверхонь, з мінімальними витратами енергії тільки на підйом суміші до завантажувального бункера (рис. 6).

Рис. . Багатоярусний ударний сепаратор з поздовжньо-поперечним нахи-лом неперфорованих дек: 1 – бункер;
2 – деки; 3 – приймальні лотки

Зернова суміш з живильного бункера 1 надходить на каскад дек 2. Деки встановлені так, що частинки суміші, випробувавши удар об одну, вдаряються з поруч розташованою. Чим вище пружність зерна, тим більшу кількість ударів воно випробуває в проміжках між поруч розташованими деками, і на більшу відстань уздовж повздовжньої осі переміщується від місця подачі. Зійшовши з верхньої деки, зерно під дією сили тяжіння знову набирає швидкість і вдаряється об деку, яка розташована нижче, але вже зі зміщенням від місця подачі на відстань, пропорційну пружності зерна. Далі процес повторюється в другому ярусі, а потім і в усіх інших деках, які розташовані нижче.

У нижній частині сепаратора розташовані приймальні лотки. Найбільш пружні зерна потрапляють у самий далекий від живильного бункера лоток. Відповідно, подрібнені, щуплі і найменш пружні – потрапляють в ближні від живильника лотки.

На рис. 7 представлено результати експериментальних досліджень сепарації насіння проса засміченістю 15% і результати сепарації насіння рапсу засміченістю 53,9%.

Рис. 7. Розподіл насіння в багатоярусному ударному сепараторі за дальністю переміщення LУ:
а) – проса, – мишія сизого; б) – рапсу, – курячого проса

У результаті проведених експериментів встановлено, що на багатоярусному ударному сепараторі під час сепарації насіння проса можна виділити до 52% кондиційного насіння з вихідною засміченістю 15%, а при очищенні рапсу із засміченістю 53,9% можна виділити до 50% кондиційного насіння.

Продуктивність сепаратора під час сепарації проса становила 80 кг/год, рапсу – 50 кг/год.

На процес сепарації у багатоярусному ударному сепараторі енергія не витрачається тому, що частинки у процесі сепарації переміщаються під дією сили тяжіння.

У п’ятому розділі “Розробка параметрів процесу сепарації зернових сумішей на гіраційних сепараторах” обґрунтувано параметри процесу сепарації зернових сумішей на розроблених гіраційних сепараторах.

На зерно, що рухається з обертанням у повітряному потоці, крім сил лобового опору та тяжіння, діє і так звана підйомна сила Магнуса fм (ефект Магнуса). Дію цієї сили вперше використано при розробці нових сепараторів, які названі гіраційними.

Підйомна сила fм перпендикулярна вектору швидкості потоку повітря, що набігає на частинку, і спрямована у той бік частинки, напрямок обертання якої збігається з напрямками повітряного потоку.

З використанням формули Жуковського , шляхом застосування її до нескінченно тонкого шару кулі з товщиною dr і радіусом R, а потім інтегрування двох половин кулі одержано вираз співвідношення для визначення підйомної сили кулеподібних частинок:

, (11)

де Vч – швидкість частинки щодо повітря, м/с; св – густина повітря, кг/м3;
n – кількість обертів частинки за хвилину, об/хв; Г – циркуляція повітряного потоку, м2/с; l – розмір частинки в напрямку, що перпендикулярний швидкості руху, м.

Одержано також вираз для визначення величини підйомної сили частинки за часом при змінах швидкості її обертання, геометричних характеристик, в'язкості повітря і товщини граничного шару:

, (12)

де – динамічна в'язкість повітря, Н·с/м2; с – товщина граничного шару, м; Sв – площа поверхні тіла обертання, м2; I – момент інерції частинки, кг·м2;
V0 – поступальна швидкість частинки, м/с; щ0. – початкова кутова швидкість обертання частинки, 1/с.

Визначено мінімальну кутову швидкість обертання еліпсоподібної частинки, при якій зберігається її стійке положення в просторі:

, (13)

де Iz – момент інерції частинки щодо поздовжньої осі, кг·м2; c, b – півосі еліпсоїда, м; fc – зовнішня сила, що викликає прецесію, Н.

Використовуючи вищевикладені положення й отримані розрахунки, було запропоновано нову перспективну принципову схему процесу сепарації сипких сумішей у гіраційному сепараторі, зображеному на рис. 8. Отримано рівняння руху, що описують траєкторію частинки, яка під час польоту обертається навколо вертикальної осі, в параметричному вигляді:

де с = 0,58 (стала Ейлера).

Рис. . Схема процесу сепарації сипких сумішей у гіраційному сепараторі

На рис. 9 наведено розрахункові траєкторії руху насіння гороху при різних частотах обертання і початковій швидкості V0 = 2 м/с.

Рис. 9. Траєкторія руху обертової частинки гороху (вісь обертання паралельна векторові сили ваги): 1 – щ=75 с-1, 2 – щ=100 с-1, 3 – щ=150 с-1, 4 – експериментальна крива при щ=150 с-1

З рис. 9 слідує, що зі збільшенням частоти обертання відхилення траєкторії вздовж осі зростає. При довжині робочої ділянки L = 2,0 м, зі зміною частот обертання від 75 до 150 с-1 відхилення від прямої лінії вильоту частинки становить 0,23…0,41 м. Характер відхилення експериментальної кривої збігається з теоретичними кривими, але відхилення від прямої дещо менші. Це свідчить про можливості використання ефекту Магнуса для сепарації важкороздільних сипких сумішей.

Під час сепарації зернової суміші в гіраційному сепараторі використовуються в новій сукупності такі ознаки подільності: густина, розміри, форма, шорсткість і аеродинамічні параметри частинок. Значимість кожної з ознак виявляється в різній мірі залежно від виду і характеристик сипкої суміші, а також режимів руху частинки – частоти її обертання і поступальної швидкості.

При розробці гіраційних сепараторів для забезпечення кращої якості процесу сепарації необхідно забезпечити поступальний і обертальний рух частинок суміші. Найбільш простою конструкцією сепаратора, що забезпечує поступальний і обертальний рухи частинкам зернової суміші, є конструкція, у якій частинки зернової суміші пропускають між двома вкритими гумою валками, що обертаються з різними кутовими швидкостями. Конструктивну схему такого сепаратора представлено на рис. 10.

Працює сепаратор так. Вкриті гумою валки 2, 3 захоплюють зерно в міжвалковий зазор, і завдяки різній частоті обертання викидають його з живильника з початковою швидкістю Vв і частотою обертання щ3.

Рис. . Конструктивна схема і процес сепарації сипких сумішей гіраційним сепаратором: 1 – бункер; 2, 3 – гумові валки; 4 – частинка суміші; 5 – приймальні лотки; щ1вр>щ2вр

Сила Магнуса (fм) відхиляє траєкторію обертового зерна від вертикалі. При цьому, чим більша буде частота обертання частинки, тим більше сила Магнуса. Тому зерна з більшою частотою обертання відхиляються більше, ніж з меншою частотою або зовсім необертові. Зерна, поперечний переріз яких відрізняється від кругового (плоскі, витягнуті тощо), при виході з міжвалкового зазору або зовсім не одержують обертання, або закручуються менше, ніж зерна, форма яких близька до кругової. Тому в повітряному потоці вони переміщуються з меншим відхиленням і потрапляють ближче до осі бункера у відповідні приймальні лотки.

Експериментальними дослідженнями розробленого гіраційного сепаратора під час очищення гречки, яка на 12% була засмічена дикою редькою, встановлено, що за один пропуск виділяється 67% насіння гречки, що відповідає стандарту за чистотою.

Для виробничих випробувань розроблено удосконалену конструкцію гіраційного сепаратора, у якому валки розміщені один над іншим у вертикальній площині, а приймальні лотки уздовж напрямку руху частинок зернової суміші. Проведеними випробуваннями розробленого сепаратора на очищенні суміші насіння гірчиці, яка була засмічена 8,77%, виділено із суміші більше 91% насіння гірчиці, що відповідає стандарту, при продуктивності до 50 кг/год.

Енергоємність розробленого гіраційного сепаратора у 2,5 і 31,7 рази співвідносно менша, ніж у пневматичних сепараторів та пневматичних сортувальних столів.

У шостому розділі “Обґрунтування параметрів процесу сепарації сипких сумішей на сепаруючих поверхнях з профілями найменшого опору” обґрунтовано процес сепарації сипких сумішей на поверхнях із ПНО. Профіль робочої поверхні, який забезпечує переміщення центра мас частинок по еквідистантним до неї траєкторіям, названо профілем найменшого опору.

Розв’язано задачі визначення профілю котіння за заданою формою різних частинок і траєкторією руху їхнього центра ваги. Форму оживала в поперечному перерізі мають насіння проса, коноплі, еліптичну форму в поперечному перерізі – насіння гороху, рапсу, гірчиці тощо. Правильним багатокутником можна апроксимувати форму насіння бур’яну амброзії полиннолистої.

Рівняння ліній профілю найменшого опору отримано у параметричному вигляді для частинок у вигляді n-кутника, оживала та еліпса.

Параметри отриманих профілів були використані при розробці конструкцій вібраційних сепараторів із ПНО і сепараторів зі стрічкою з ПНО, що рухається без вібрації. На вібраційних сепараторах, в основному, через варіювання розмірів насіння поверхня, що сепарує, розділена за довжиною на ділянки. Кількість ділянок залежить від фракційного складу суміші і кількості необхідних поділюваних фракцій.

Для запобігання травмованості частинок, що легко пошкоджуються, наприклад, таблеткових харчових добавок та фармацевтичних виробів, розроблено сепаратор зі стрічкою, що рухається. Схему сепаратора представлено на рис. 11.

Поділ суміші відбувається таким чином. З бункера 1 по похилій нерухомій поверхні сипка суміш надходить на рухливу стрічку 2, яка встановлена на ведучому 3 і веденому 4 барабанах. Домішки (надколоті, злиплі таблетки тощо) транспортуються в лоток 5, а цілі частинки по нахиленій під кутом б профільній поверхні, що рухається, скочуються в лоток 6.

Для обґрунтування параметрів процесу сепарації сумішей сепараторами зі стрічкою, що рухається, у вигляді ПНО розв’язано задачу забезпечення необхідних умов початку котіння частинок. Визначено положення рівноваги на похилій площині для еліпсоїда обертання і оживала. Отримано залежності кута нахилу більшої осі еліпса и від кута нахилу похилої поверхні б.

Рис. . Процес сепарації на рухомій стрічці, із ПНО: 1 – бункер; 2 – рухома стрічка; 3, 4 – ведучий і ведений барабани; 5, 6 – приймальні лотки

Отримано рівняння руху, що описують траєкторії частинок в нерухомій системі координат у параметричному вигляді:

,

де Vл – лінійна швидкість стрічки, м/с;

На рис. 12 наведено траєкторії абсолютного руху таблеткових продуктів у вигляді еліпсоїда обертання для різних значень коефіцієнтів тертя котіння.

Встановлено, що некондиційні таблеткові продукти зносяться стрічкою в її верхню частину, а кондиційні скочуються зі стрічки, якщо її ширина Н0,3 м. Довжина ж стрічки L повинна бути не менше 0,6 м.

Сепаратор впроваджено у виробництво у фармацевтичній компанії „Здоров’я”. Продуктивність сепаратора при 100% якості 8,5…10 кг/год.

Рис.12. Траєкторії абсолютного руху таблеткових продуктів у вигляді еліпсоїда обертання з різними коефіцієнтами тертя котіння: 1 – k = 0,6; 2 – k = 0,35; 3 – k = 0,2; 4 – k = 0,1;
5 – k = 0,05; 6 – k = 0,04; 7 – k = 0,03; 8 – k = 0,02;
9 – k = 0,01; Vл = 0,1 м/с; б =2о; для цілих таблеток k = 0,02; для некондиційних k > 0,2

Під час переміщення по ПНО витрати енергії на підйом центра мас таблеткових продуктів відсутні. Зниження витрат енергії у розрахунку на 1 т таблеткових продуктів становить 3…3,5 кВт/год.

У сьомому розділі “Розвиток способів і обладнання для сепарації важкороздільних зернових сумішей та результати впровадження досліджень у виробництво” наведено результати розробок способів і засобів сепарації зернових сумішей.

Запропоновані способи та сепаратори для сепарації сипких сумішей захищені 24 авторськими свідоцтвами та 9 патентами на винаходи.

Перспективним є спосіб сепарації сипких сумішей, в якому фізико-механічні властивості сумішей можуть змінюватись в необхідному напрямку. Це, наприклад, спосіб сепарації поліолефінових гранул з попереднім їх нагріванням до температури розм’якшення матеріалу з меншою температурою розм’якшення, який впроваджено у виробництво в ГСКТБ „Машприладпластик” (м. Харків).

Визначено перспективні напрямки розвитку вібраційних сепараторів із фрикційними неперфорованими поверхнями, ударних сепараторів і гіраційних.

Наведені також результати виробничих випробувань та впровадження виконаних досліджень і розробок у виробництво.

Виробничими випробуваннями підтверджено високу ефективність виконаних розробок.

Найбільш широке впровадження одержали віброфрикційні сепаратори з двома блоками робочих поверхонь. Металомісткість таких сепараторів у 1,9 рази, а енергоємність у 2,3 рази менше раніше розроблених. Ці сепаратори впроваджено в „Краснодарській державній міжрайонній конопленасіннєстанції” (м. Курганінськ, Росія), Харківському спеціалізованому конструкторсько-технологічному бюро „Машприлад-пластик” (м. Харків), Українському науково–дослідному інституті сільгоспмашинобудування (м. Харків); агропромисловій компанії „Суми” (м. Суми), ДП агрофірми „Проскурів-хліб” (м. Хмельницький), Хорольському механічному заводі (Полтавська обл.) та інших підприємствах.

Безприводний багатоярусний ударний сепаратор впроваджено у фермерському господарстві „Ока” (Харківська обл.), гіраційний сепаратор – у фермерському господарстві „ІВО” (Харківська обл.), сепаратор з ПНО – у фармацевтичній компанії „Здоров’я” (м. Харків).

Загальний економічний ефект від впровадження розробок складає в СРСР 542,8 тис. руб. та Україні 744,6 тис. грн.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що полягає у науковому обґрунтуванні енергозберігаючих процесів сепарації харчової сипкої сировини, розробки теорії та процесів сепарації шляхом спрямованої зміни траєкторій переміщення частинок суміші в робочому органі сепаратора з урахуванням сукупності фізико-механічних властивостей компонентів суміші. Це дозволило створити блочно-модульні віброфрикційні сепаратори, сепаратори з поверхнями найменшого опору, безприводні багатоярусні ударні сепаратори, гіраційні сепаратори і впровадити їх у виробництво.

1. Узагальнено з єдиних позицій значну кількість робіт вітчизняних і зарубіжних вчених з дослідження процесів сепарації зернових сумішей різними типами сепараторів. Виявлено, що енергоємність процесів сепарації зернових сумішей досить значна, найбільш висока вона у машин спеціального призначення для сепарації важкороздільних зернових сумішей. Встановлено, що питання зменшення енергоємності процесів сепарації розглядаються тільки в окремих роботах, а питання мінімізації витрат енергії на переміщення частинок суміші в робочому органі сепаратора не вивчалися. Показано, що відсутність методів вирішення цієї проблеми стримує створення нових технологічних процесів сепарації зернових сумішей. Для вирішення цієї проблеми необхідно було виконати теоретичні та експериментальні дослідження, які б дозволили розраховувати і розробляти енергозберігаючі процеси та створювати нові сепаратори для сепарації зернових сумішей.

2. Для створення математичних моделей