Обоснование конструктивных параметров активного кольца центробежного диска с подачей материала вдоль лопаток

На кафедре эксплуатации МТП Кубанского ГАУ проводились работы по улучшению технологических параметров центробежного аппарата с подачей материала вдоль лопаток. Предложено устройство, включающее горизонтальный центробежный диск с радиальными лопатками каждая из которых имеет торцовый отгиб [1,2,3]. На верхней кромки лопаток смонтировано кольцо с воздухозаборными окнами [4,5]. Активное кольцо имеет две основные задачи — устранить отражение частиц от плоскости и второе — создать попутный воздушный поток в направлении движения частиц.

Наличие активного кольца на верхней технологической полке лопатки создает замкнутое пространство внутри диска. Во время вращения диска лопатки выполняют функции центробежного вентилятора, создавая разряжение по оси диска и избыточное давление на выходе. Образовавшееся разряжение в междисковом пространстве нарушает непрерывность подачи материала лопаткой и повышению неравномерности распределения материала рассеивающим диском.

Образующиеся воздушные потоки, во время вращения диска, оказывают влияние на качество рассева. Для нейтрализации этих воздушных потоков требуется обеспечить подачу воздуха внутрь рассеивающего диска. На активном диске над каждой последующей лопаткой в тыльной ее части по всей длине располагаются воздухозаборные карманы навстречу потоку. Эти карманы (дефлекторы) обеспечивают подачу воздуха в рабочую зону каждой предыдущей лопатки. Такая схема подачи воздуха позволяет снизить величину разряжения по оси кольца. Величина подачи воздуха через дефлектор зависит от геометрических размеров воздухозаборного окна (ширина и длина окна) и угла наклона корпуса к плоскости активного кольца.

На рисунке 1 представлена схема плоского рассеивающего диска с установленным дефлектором для подачи воздуха.

Рисунок 1. Схема диска с дефлектором активного кольца:

• 1 — активное кольцо; 2 — воздухозаборный карман;
• 3 — рассеивающий диск (лопатки условно не показаны)

Пусть объемная подача воздуха лопаткой определяется по известной формуле.

Q_л = F_л•V, (1).

однодисковый центробежный дефлектор лопатка где Q_л — объемная подача, м/с;

F_л — площадь рабочей части лопатки, м;

V — линейная скорость, м/С.

Объем поступающего через дефлектор воздуха зависит от массовой расходной концентрации воздуха, линейной скорости и ряда других факторов. Величина подачи определяется по выражению.

Q_q = F_q•V•м. (2).

где Q_q? объемная подача воздуха через дефлектор, м³/с;

F_q? площадь окна дефлектора, м²;

м? массовая расходная концентрация, м = 3…6.

Основное назначение дефлектора — устранить «вентиляторный эффект» по оси диска. Исключить образование разряжения по оси диска обеспечивается при условии равенства м поступающего и исходящего воздуха из междискового пространства. Учитывая выражение 2 равенство поступающего и исходящего воздуха составляет.

h•l?хV = h_q•l_q•V•м, (3).

где h, h_q? высота лопатки и высота корпуса дефлектора соответствен но, м;

l, l_q? длина лопатки и длина дефлектора соответственно, м;

Учитывая, что равенство длины лопаток и длины дефлектора.

l = l_q.

Тогда из рисунка 1 следует, что.

h_q = в_q•tgб_q, (4).

где в_q? ширина окна дефлектора;

б_q? угол наклона корпуса дефлектора.

Проведя несложное преобразование, определяем ширину окна дефлектора. Принимаем высоту лопатки пропорциональной ширине окна.

в_q= (5).

Из выражения (5) установим зависимость ширины окна от высоты лопатки и угла наклона корпуса дефлектора.

Пусть отношение.

Значение коэффициента пропорциональности б = 0,5…1,0.

tgб =. (6).

Из выражения 6 следует, что угол наклона корпуса дефлектора к горизонтали составляет б_q = 9…32⁰. При этом увеличение ширины окна приводит к пропорциональному уменьшению угла наклона корпуса дефлектора.

На основе изучения воздушных потоков нами обоснована необходимость постановки дефлекторов на активном кольце. Дефлектор обеспечивает подачу воздуха в пространство перед лопатками. Конструктивные размеры дефлектора, как установлено теоретически, зависят от высоты лопатки и, в конечном итоге, определяют объем поступающего воздуха. Однако из-за неполного знания механизма движения воздушных потоков внутри диска описать аналитически процесс подачи воздуха через дефлектор оказалось невозможным. Причина — действие различных факторов. Среди них — частота вращения диска, температура и влажность воздуха, размеры частиц сыпучего материала и многие другие. Решение данной задачи, как известно, возможно методом экстремальных экспериментов. На этапе поисковых исследований определялись уровни варьирования факторов с учетом аналитических зависимостей, полученных ранее. За параметр оптимизации принят коэффициент относительной кучности ук [2].

yк =.

где Lmax, Lmin — максимальная и минимальная дальность полета частиц, м.

Уменьшение этого показателя свидетельствует о повышение равномерности распределения сыпучего материала.

Основные факторы, влияющие на кучность распределения сыпучего материала — угол наклона корпуса дефлектора и ширина окна. Выбраны уровни варьирования и интервал варьирования и представлен в таблице 1.

Таблица 1. Уровни варьирования факторов относительной кучности.

Принят симметричный композиционный план типа В_к состоящий из ядра плана полно факторного эксперимента 2², звездных точек. Матрица планирования эксперимента представлена в таблице 2.

Таблица 2. Матрица планирования трех уровневый В_к плана второго порядка.

Перевод натуральных значений факторов в кодированное проводили по известной формуле [6].

(7).

где x_i — кодированное значение фактора;

x^в_i — натуральное значение фактора;

x_io — натуральное значение фактора на нулевом уровне;

x_i — интервал варьирования факторов.

Коэффициенты регрессии определяем по формулам [7].

(8).

(9).

(10).

(11).

где С₁, С₂, С₃, С₄, С₅ — вспомогательные константы;

К — число факторов;

N — число опытов.

После реализации плана определялись коэффициента регрессии. Вспомогательные константы С_i, входящие в формулы для рассматриваемого плана представлены в таблице 3.

Таблица 3. Вспомогательные константы для плана В_к [7].

Планы В_к неортогональны и для оценки коэффициентов регрессии b₀ и b_ii ковариации coнb₀b_ii и ковариации coнb_iib_jj не равны нулю. Поэтому после расчетов доверительных интервалов и проверки их статистической значимости проводилось исключение незначимых коэффициентов.

Дисперсии, среднеквадратичные ошибки и ковариации определяли по формулам [7].

(12).

Проведя расчеты, получили нижеследующие значения величины коэффициентов регрессии.

b_o=0,874; b₁= 0,0614; b₂=0,075.

b₁₂=0,0275; b₁₁=-0,0804; b₂₂=-0,0877.

Дисперсия ошибки опыта [5].

(13).

где m — число повторностей опыта.

Дисперсия ошибки опыта составила S²_у = 0,43.

Адекватность модели второго порядка проводили с помощью F — критерия Фишера [6].

(14).

где S2uF — дисперсия неадекватности математической модели.

. (15).

Число степеней свободы числителя f₁ и знаменателя f₂ определяется по формулам [6].

f₁ =N — (k + 1), (16).

f₂ =N (m — 1).

Табличное значение F _0,05=3,0 при f₁ =3 f₂ =6 [2].

Уравнение регрессии имеет вид.

Y = 0,8744 + 0,0614х₁ + 0,075х₂ + 0,0275х₁x₂? 0,084х₁²+ 8 776х₂². (17).

Для анализа и систематизации полученного уравнения необходимо привести к типовой канонической форме. Для преобразования к каноническому виду проведен перенос начала координат в новую точку и поворот старых осей на некоторый угол б в факторном пространстве, в результате чего исчезают линейные части и изменяется значение свободного члена.

Для определения координат нового центра необходимо взять частные производные по независимым переменным и приравнять их к нулю.

= 0,0614 + 0,0275х₂? 0,1608х₁ = 0.

= 0,075 + 0,0275х₁? 0,1755х₂ = 0.

Координаты нового центра x_1s=0,0698, x_2s= 0,0983.

Значения отклика в новом центре координат Y_1s=0,900. Проверка правильности вычислений осуществляется сравнением сумм коэффициента уравнения регрессии при квадратичных членах [6].

Угол поворота осей определяется по формуле [6].

Так как величина угла отрицательна, то оси необходимо повернуть почасовой стрелке на угол б = ?14,95°.

Уравнение регрессии в каноническом виде Ук = 0,92? 0,0698х₁²? 0,0983x₂²

Поскольку коэффициенты имеют одинаковые знаки, поверхность отклика — эллипсоид, а ее центр — экстремум, причем, максимум, так как канонические коэффициенты отрицательны.

Рисунок 2. Двумерные сечения поверхности отклика На основании полученных данных построено двумерное сечение поверхности отклика рисунок 2, где представлена система контурных кривых показателя относительной кучности, представляющих эллипсы. Анализ кривых позволил установить оптимальные конструктивные параметры дефлектора. Область оптимума находится в пределах х₁= 22…25 мм, угол наклона корпуса х₂ = 8…12°. Дальнейшее увеличение конструктивных параметров сопровождается уменьшением показателя относительной кучности.

Для комплектования посевного агрегата следует использовать методику разработанную авторами [8,9]. Снижение расхода минеральных удобрений достигается использованием грубых кормов в качестве мульчи. Для измельчения грубых кормов разработана конструкция измельчителя [10]. Авторами разработана технология и подобраны технические средства для приготовления концентрированных кормов [11].

На урожайность сельскохозяйственных культур влияет качество посевного материала. Повысить качество семенного материала, как установлено авторами, обеспечивается за счет выбора рациональной технологии послеуборочной обработки семян, а параметры семяочистительных машин настраиваются с учетом скорости витания материала [12,13]. Авторами установлено, что включение в состав технологической линии фотосепараторов позволяет достигнуть степени очистки 99,9%.

• 1. Устройство для поверхностного рассева минеральных удобрений и других сыпучих материалов Якимов Ю. И., Иванов В. П., Припоров Е. В., Заярский В. П., Волков Г. И., Селивановский О. Б. патент на изобретение RUS 2 177 216 14.03.2000.
• 2. Центробежный аппарат с подачей материала вдоль лопаток Припоров Е. В., Картохин С. Н. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2015. № 112. С. 1499−1511.
• 3. Центробежный рабочий орган для рассева сыпучего материала Якимов Ю. И., Припоров Е. В., Иванов В. П., Заярский В. П., Волков Г. И., Селивановский О. Б. патент на изобретение RUS 2 177 217. заявл. 14.03.2000.
• 4. Патент на изобретение RUS 2 197 807. Центробежный разбрасыватель сыпучих материалов. Якимов Ю. И., Припоров Е. В., Заярский В. П., Волков Г. И., Селивановский О. Б. заявл. 20.04.2001.
• 5. Прибор для исследования центробежных аппаратов разбрасывателей сыпучих материалов Якимов Ю. И., Припоров Е. В., Карабаницкий А. П., Ткаченко В. Т., Якушев А.А. патент на изобретение RUS 2 201 059. заявл. 20.04.2001.
• 6. Адлер Ю. П., Марков Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1971 — С. 283.
• 7. Новиков Ф. С., Арсов Я. Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов.? М.: Машиностроение, 1980, 304 с.
• 8. Сошники зерновых сеялок ресурсосберегающих технологий Припоров Е. В. // В сборнике: Связь теории и практики научных исследований Сборник статей Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Сукиасян Асатур Альбертович. 2016. С. 63−66.
• 9. Определение энергосберегающего режима работы тягового агрегата Припоров Е. В. // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 5 (15). С. 92−95.
• 10. Измельчитель грубых кормов Маслов Г. Г., Артемов В. Е., Припоров Е. В., Небавский В. А. патент на изобретение RUS 2 222 175. Заявл. 11.06.2002
• 11. Технологии и технические средства приготовления концентрированных кормов с использованием соевого белка. Фролов В. Ю., Сысоев Д. П., Припоров И. Е., Горб С. С. // International Scientific and Practical Conference World science. 2016. Т. 1. № 3 (7). С. 53−58.
• 12. Припоров И. Е., Лазебных Д. В. Рациональная технология послеуборочной обработки семян подсолнечника // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2015. № 112. С. 1475−1485.
• 13. Влияние толщины, ширины и индивидуальной массы семян подсолнечника на скорость их витания Шафоростов В.Д., Припоров И. Е. // Масличные культуры. Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур. 2010. № 1 (142−143). С. 76−80.
• 14. Обоснование применения оптического фотоэлектронного сепаратора в составе универсального семяочистительного комплекса. Припоров И.Е. // В сборнике: Конкурентная способность отечественных гибридов, сортов и технологии возделывания масличных культур Сборник материалов 8-й международной конференции молодых учёных и специалистов. 2015. С. 138−141.
• 15. Классификация оптических фотосепараторов для сортирования семян подсолнечника. Припоров И.Е., Шафоростов В. Д. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2015. Т. 10. № 1. С. 68−70.