Интенсификация процесса сепарации семян зерновых в зерноочистительных агрегатах

Продовольственная безопасность страны в значительной мере определяется объемами собираемого зернового урожая, необходимого для формирования гарантированных фондов зернопродуктов для питания населения и обеспечения животноводства зернофуражом.

Концепция новой аграрной политики России направлена на увеличение производства зерна, как стратегического продукта, поставлена задача: в ближайшие годы увеличить валовые сборы зерна до 90.100 млн.т.

Неудовлетворительное состояние зернового хозяйства России объясняется низким технологическим и техническим уровнем всего цикла работ по производству зерна, ограниченностью материальных и финансовых возможностей производителей зерна и техники. Указанное привело к тому, что в настоящее время затраты энергии на производство центнера зерна в 4.5, а затраты труда в 10 раз больше, чем в США.

В обеспечении сохранности собираемого урожая зерна и его доведении до товарной продукции важнейшее место принадлежит отрасли механизации послеуборочной обработки и хранения зерна и семян. За последнее десятилетие эта отрасль работает недостаточно эффективно: почти в 1,3 раза сократились валовые сборы зерна, многократно уменьшилась обеспеченность хозяйств комплектными средствами механизации обработки зерна и семян, резко ухудшилось качество обработки зернового материала, возросли его потери на этапе послеуборочной обработки и хранения (до 10.20% от валового сбора). Из-за финансовых трудностей хозяйства в недостаточном количестве приобретают новую технику, а промышленность, по причине отсутствия платежеспособного спроса ее недостаточно производит.

В то же время опыт передовых хозяйств показывает, что производство высококачественного зерна и особенно семян является довольно рентабельным — уровень рентабельности не ниже 40%. В ближайшие годы можно прогнозировать рост устойчивого спроса на новую технику для обработки и хранения зерна, что обусловливает необходимость своевременного проведения соответствующих НИОКР.

Увеличение валовых сборов зерна и уменьшение удельных затрат на его производство возможно лишь путем разработки и внедрения высоко эффективных технологий и технических средств мирового уровня на основе концептуальных положений развития зернопроизводящей отрасли в современных условиях.

Существующая тенденция развития поточных технологий очистки зерна семенного назначения исчерпала свои возможности и поставила необходимость новых технологий очистки, которые обеспечат рост качества сепарации зерновых материалов/^аданными показателями качества и минимизации приведенных затрат в процессе очистки.

Одной из трудоемких и важных операций для производства зерна является его послеуборочная первичная (до базисных кондиций продовольственного зерна) и семенная очистка. Важнейшей задачей, стоящей сегодня перед создателями конкурентоспособных зерноочистительных машин и агрегатов, является обоснование рациональных схем и технических средств для поточных технологий семенной очистки семян зерна, обеспечивающих высокие показатели назначения с минимальными приведенными затратами, что в дальнейшем обеспечит разработку и выпуск высокопроизводительной сельскохозяйственной техники для послеуборочной обработки зерновых культур. На современном этапе господствует тенденция эволюционного развития зерноочистительной техники, что неизбежно приводит к незначительному изменению по времени основных удельных показателей технического уровня зерноочистительных машин, а это свидетельствует, в основном, о высокой доли экстенсивного развития этих сельскохозяйственных машин. Создание новой техники идет преимущественно по пути совершенствования традиционных принципов и усложнения базовых конструкций, увеличения их металлоемкости и энергонасыщенности, что не привело к существенному улучшению их технологической надежности и удельных показателей технического уровня. За этим последует возрастание парка этих машин, росту стоимости их основных фондов, а следовательно и росту приведенных затрат на очистку зерна и получения семенного материала, росту его себестоимости. Увеличение производительности зерноочистительных машин в значительной степени лимитируется габаритами сепараторов. Это объясняется тем, что существующие традиционные методы проектирования технологических процессов и технических средств (зерноочистительных машин и поточных линий) базируется на традиционной последовательности выполнения технологических операций и использовании существующих базовых сепараторов. Повышение послеуборочной очистки зерновых невозможно без осуществления прогрессивных технологий поточной очистки зерновых культур, создания зерноочистительных машин нового поколения с высокими технико-экономическими показателями.

В настоящее время недостаточно четко с количественных позиций выявлены и научно обоснованы основные направления интенсификации процессов сепарации зернового материала базовыми сепараторами, машинами и поточными технологическими линиями, недостаточно используются современные методы системного анализа и многомерного параметрического синтеза рациональной совокупности технологических операций в отделениях поточных технологических линий, обеспечивающих на проектных стадиях разработки высокоэффективных базовых сепараторов, зерноочистительных машин и отделений очистки агрегатов.

Известны новые направления по интенсификации процессов на базовых решетных полотнах в России и за рубежом по использованию специальных профилированных рабочих поверхностей решет, новые направления по интенсификации процессов пневмосепарации за счет рационального ввода зернового материала в пневмоканалы, известны попытки очистки зерновых материалов с использованием различных совокупностей частных технологических операций, формирующих последовательные и фракционные схемы очистки.

В связи с этим, для создания нового поколения зерноочистительных машин и агрегатов с высокими технико-экономическими показателями назрела необходимость в решении проблемы повышения качественных показателей процессов сепарации зерновых материалов в режиме семенной очистки, в оптимизации рациональной совокупности частных операций и параметров сепараторов, определяющие последовательные или фракционные высокоэффективные схемы очистки, обеспечивающие выполнение заданных показателей назначения при минимизации суммарных приведенных затрат на очистку и получение семенного материала.

Решение проблемы позволяет формализовать методы проектного решения задач создания и параметрического синтеза базовых сепараторов, унифицированных модульных рядов универсальных решетных модулей, воздушнорешетных зерноочистительных машин и их рациональных групп для последовательной и фракционной очистки зернового материала в зерноочистительных агрегатах, существенно повысить производительность и качество очистки, снизить потери семян зерновых культур и суммарные приведенные затраты на их очистку.

В процессе решения поставленных задач необходимо сформировать совокупность частных технологических операций отделений очистки агрегата для семенной очистки зерна при фракционной технологии.

Критерием оптимальности оптимизируемых систем, при известных или прогнозируемых технико-экономических показателях их элементов (машины, рабочие органы.) и системы в целом является приведенные затраты (Зпр) на очистку единицы массы зерна, определяемые по показателям функционирования агрегата и нормативным экономическим показателям (структурная оптимизация). Такой подход позволяет сформулировать целевую функцию — минимизация приведенных затрат на очистку зерна при обеспечении выделения из зерновых отходов «деловых» фракций (зерно, фуражные и др. отходы) с заданными технологическими ограничениями на их качество [31].

Целью работы является структурный синтез системы частных технологических операций и технических средств для их реализации в отделении поточной очистки семяочистительного агрегата и выявления основных закономерностей их функционирования при получении семенного материала зерновых культур с заданными размерными характеристиками и минимизацией их дисперсий.

Для реализации поставленной цели в работе решены задачи обоснования нового методологического подхода разделения семенного материала на фракции с заданным математическим ожиданием величины признака разделения:

— моделирование процесса сепарации зернового материала на отдельных решетных сепараторах и их подсистемах,.

— моделирование процесса сепарации зернового материала в отделениях очистки семяочистительных агрегатов,.

— структурная и параметрическая оптимизация отделения очистки семяочистительного агрегата работающего в режиме семенной очистки,.

— функциональные испытания семяочистительных агрегатов в производственных условиях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Анализ результатов исследований в области разработки зерноочистительных агрегатов для семенной очистки зерновых выявил перспективность направления, определяющего создание универсальных машин с использованием многоярусных трехрешетных модулей. Анализ тенденций развития агрегатов для семенной очистки зерновых выявил эффективность использования рациональных совокупностей частных операций, определяющих последовательные или универсальные фракционные одно или 2-х цикловые схемы, реализуемые в отделении очистки зерноочистительных агрегата.

2. Выявлены новые закономерности оценки числовых характеристик случайных размерных величин признака деления j-ых компонентов сыпучих материалов на решетном модуле, найдена возможность управления числовыми характеристиками величин признака деления сыпучей среды при сепарации для различных решетных модулях, при различных величинах аргументов вектора входных воздействий.

3. Экспериментальная проверка подтвердила возможность использования построенных математических моделей для количественной прогнозной оценки числовых характеристик случайных величин признака разделения компонентов сыпучих сред, рассматриваемого, как случайную в вероятностно-статическом смысле величину, в различных фракциях, выделенных решётными модулями при сепарации.

4. Произведена оценка функционирования одноярусного трехрешетного модуля, при различной вариации аргументов вектора входных воздействий. Установлена технологическая возможность и основные показатели процесса разделения исходного зернового материала за один цикл очистки на одноярусном трехрешетном модуле на 3 фракции: фураж, мелкая зерновая фракция (продовольственное зерно), семена (выровненная по размерам «крупная» фракция), установлено, что при подачах исходного зернового материала 0,8−1,12 кг/(м-с) за один цикл очистки получено 90−92% выровненной «крупной» фракции семян пшеницы, соответствующим по чистоте первому и второму классу.

5. Выявлено, что при всех равных условиях процесса сепарации и одинаковых формах и размерах отверстий решета-фракционера чистота семян зерна риса полученная на одноярусном трех решетном модуле превышает чистоту семян риса полученных на классическом 2-х ярусном решетном модуле. При равных условиях сепарации, с рабочими размерами отверстий решет фракционеров (2,6 мм, чистота семян, очищенных одноярусным трехрешетным модулем 99,47%, а для двухъярусного соответственно 98,21%, для этих условий сепарации содержание в очищенной семенной фракции сорных примесей соответственно 0,08% и 0,141%. Установлено существенное влияние рабочих размеров продолговатых отверстий решета фракционера на вероятностные доли качественного семенного материала очищаемого трехрешетным ярусом. Увеличение размера продолговатых отверстий решета фракционера с 2.2мм до 2.8 мм позволяет повысить долю выделяемых выровненных семян с 35.3% до 99.8%, при этом доля прохода зерна через решето фракционер возрастает с 4.2% до 23.7%.

6. Установлена технологическая возможность и основные качественные характеристики процесса разделения за один цикл очистки на решетных модулях семян исходного зерна риса на 3 зерновые фракциифураж, семена (выровненная по размерам «крупная» фракция), мелкая зерновая фракция (продовольственное зерно) — определено рациональное соотношение между размерами зерна риса и рабочими размерами продолговатых и круглых отверстий решет фракционеров в рассмотренных решетных модулях, д^ита ®-зерна 2,6 2,8 q ^^ обеспечивающих качественное разделение зернового материала на задаваемые зерновые фракции.

7. Модернизирована математическая многомерная модель процесса сепарации системами квазистатичных частных технологических операций, формирующих различные структуры отделений очистки семяочистительного агрегата, позволяющая проводить многомерный анализ функционирования и параметрический синтез отделений очистки.

8. Используя методы структурно-параметрического синтеза и многомерного анализа, с использованием графовой модели, определяющей систему взаимосвязей частных технологических операций, выявлена рациональная совокупность операций и рабочих элементов, формирующих рациональные структуры отделений семенной очистки агрегата при широкой вариации векторов входных F и управляющих Л воздействий. В качестве критерия оптимальности оптимизируемых систем был использован критерий Еф, характеризующий эффективность реализации технологического процесса (параметрическая оптимизация) и приведенные затраты Зпр на очистку единицы массы зерна, определяемые по показателям функционирования агрегата и нормативным экономическим показателям (структурная оптимизация).

9. Определенные и затабулированные параметры и технологические показатели позволили выбрать, с учетом широкой возможной адаптации отделений очистки агрегата к изменяющимся технологическим свойствам и подачи зернового материала, рациональные функциональные схемы отделений очистки зерноочистительного агрегата: № 1, № 4, рациональная производительность которых соответственно 16.23 т/ч, 18.72т/ч — полнота выделения крупных сорных примесей 85.3% и 99,1%, зерновых примесей 92.12% и 95,7−96%, полнота выделения сора мелкого 92.05%> и 97,4−98%.

10. Обоснованна рациональная функциональная схема зерноочистительного агрегата (схема № 1) для семенной очистки зерна работающего по фракционной схеме очистки со следующими экономическими показателями: суммарные эксплуатационные затраты на очистку 1 т исходного очищенного зерна — 56.4 руб./т при рациональной производительности — 16,23 т/ч, энергоемкость процесса очистки — 9.87 кВт/(кг/с), прибыль от очистки 1 т зернового материала -1436 руб./т, прибыль от очистки зернового материала за период агросрока.

500часов) — 9 843 788,54 млн руб., срок окупаемости затрат на изготовление агрегата — агросрок.

11. Проведенные функциональные испытания, в уборочный сезон 2004 г. в Ростовской области, подтвердили эффективность новой фракционной схемы семяочистительного агрегата на строительной базе агрегата ЗАВ-20 в колхозе «Жуковское», для семенной очистки зерновых. Установлено, что агрегат устойчиво выполняет технологический процесс очистки семян пшеницы в заданных интервалах подач 5.2−19.4 т/ч, установлено, что в режиме семенной очистки зерна пшеницы по последовательной схеме (схема № 1) при производительности агрегата в час основного времени 10,4 т/ч, полнота выделения примесей: сорных — 97,5%- зерновых — 97,4%-всех примесей — 97,3%. Выход отделяемых фракций в отходы: сорные — 0,42%- зерновые — 0,802%- всего -1,222%-Чистота очищенного зерна — 99,5%.В режиме семенной очистки зерна пшеницы по фракционной схеме (схема № 2) при производительности агрегата в час основного времени 14,05т/ч полнота выделения примесей: сорных -97,0%-зерновых- 87,405%-всех примесей — 97,0%. Выход полноценного зерна в отходысорных- 0,33%-зерновые — 1,471%-всего — 1,801%-чистота очищенного зерна — 99,5%.

12. Сравнительные испытания зерноочистительных агрегатов ЗАВ 30/25/10 и ЗАВ-40 с использованием центробежно-вибрационной машины Р8-БЦСМ-50−01 при очистке семян пшеницы показали, что при обеспечении заданных агро-показателей (чистота семян 99,5%, выход зерна в фуражные отходы не более 3%) производительность агрегата 3AB-30/25/10 при функционировании по последовательной схеме (схема № 1) (10,4 т/ч), по сравнению с последовательной схемой агрегата ЗАВ-40 (схема № 3) (7,2 т/ч), выше на 44,4%, а производительность агрегата ЗАВ-З 0/25/10 при фракционной схеме работы (14,05 т/ч)-выше на 95,1%. Прирост производительности агрегата ЗАВ-З0/25/10, работающего по фракционной схеме выше чем при его работе по последовательной схеме на 35,1%.

13. Анализ микроповреждений очищаемого зерна показал значительное увеличение микроповреждений различных фракций семенного материала (на 2829,5%) за счет микроповреждений возникающих в процессе взаимодействия семенного материала с рабочими и транспортными органами агрегатов. Установлено несущественная разница (в пределах 2−5%) показателей изменения микроповреждений конечного семенного материала при рассмотренных технологиях его очистки. Анализ энергии прорастания, всхожести семян зерна пшеницы при различных схемах очистки показал заметное увеличение энергии прироста семян очищенных по фракционной схеме по сравнению с последовательной схемой (на 3,5%). При этом всхожесть семян достаточно близка (разница в пределах 1%). Рост энергии прорастания семян очищенных по последовательной и фракционной схемах в агрегате 3AB-30/25/10, по сравнению с очищенными в агрегате ЗАВ-40, соответственно на 6,3 и на 9,8%. При этом разница по всхожести семян незначительна.

14. Выявлено, что при эксплуатации агрегатов за агросрок 500 ч., с принятым коэффициентом использования рабочего времени 0,7, расчетная прибыль от функционирования агрегата 3AB-30/25/10 по последовательной схеме 1,528 млн руб., по фракционной схеме с увеличенной ценой семян 2,111 млн руб., с общепринятой ценой 1,972 млн руб. Для модернизированного агрегата ЗАВ-40 прибыль составит 0,958 млн руб. Определено, что рост прибыли за 500 часов эксплуатации агрегата 3AB-30/25/10 по фракционной схеме по сравнению с последовательной схемой при одинаковой и завышенной ценой семян соответственно на 29,05% и на 38,15%, по сравнению с модернизированным агрегатом ЗАВ-40-на 54,62%. При последовательной очистке семян в агрегате ЗАВ-30/25/10 рост прибыли по сравнению с модернизированным агрегатом ЗАВ-40 на 37,30%.

6.4 Заключение. рациональная функционадьнаЯ" схема реализована на строительной части серийного агрегата’ЗАВ^О в колхозе «Жуковское», Песчянокопского района Ростовской обласш-Н^юведены функциональные испытания семяочистительного агрегата в режиме одноцикловой очистки семян пшеницы (из бункера зернокомбайна) по последовательной, фракционной, технологиях очистки. Установлено, что агрегат устойчиво выполняет технологический процесс очистки семян пшеницы в заданных интервалах подач 5.2−19.4 т/ч. по результатам испытаний установлено, что в режиме семенной очистки зерна пшеницы по последовательной схеме (схема № 1) при производительности агрегата в час основного времени 10,4 т/ч, полнота выделения примесей: сорных — 97,5%- зерновых — 97,4%- всех примесей — 97,3%. Выход полноценного зерна в отходы: сорные — 0,42%- зерновые — 0,802%- всего — 1,222%;

Чистота очищенного зерна — 99,5%.

Следовательно, для указанной производительности, технологическая эффективность агрегата выше заданных агротребований. В режиме семенной очистки зерна пшеницы по фракционной схеме (схема № 2) при производительности агрегата в час основного времени 14,05т/ч полнота выделения примесей: сорных — 97,0%- зерновых- 87,405%" — всех примесей — 97,0%. Выход полноценного зерна в отходы сорные- 0,33%- зерновые — 1,471%- всего — 1,801%- чистота очищенного зерна — 99,5%, следовательно, для указанной производительности, технологическая эффективность агрегата выше заданных агротребований. сравнительные испытания зерноочистительных агрегатов ЗАВ 30/25/10 и ЗАВ-40 с использованием центробежно-вибрационной машины Р8-БЦСМ-50−01 при очистке семян пшеницы показали, что при обеспечении заданных агропоказателей (чистота семян 99,5%, выход зерна в фуражные отходы не более 3%) производительность агрегата 3AB-30/25/10 при функционировании по последовательной схеме (схема № 1) (10,4 т/ч), по сравнению с по следовательной схемой агрегата ЗАВ-40 (7,2 т/ч), выше на 44,4%, а производительность агрегата 3AB-30/25/10 при фракционной схеме работы (14,05 т/ч)-выше на 95,1%. Прирост производительности агрегата 3AB-30/25/10, работающего по фракционной схеме выше, чем при его работе по последовательной схеме на 35,1%. анализ микроповреждений очищаемого зерна показал значительное увеличение микроповреждений различных фракций семенного материала (на 2829,5%) за счет микроповреждений возникающих в процессе взаимодействия семенного материала с рабочими и транспортными органами агрегатов. Установлено несущественная разница (в пределах 2−5%) показателей изменения микроповреждений конечного семенного материала при рассмотренных технологиях его очистки. Анализ энергии прорастания, всхожести семян зерна пшеницы при различных схемах очистки показал заметное увеличение энергии прироста семян очищенных по фракционной схеме по-сравнению с последовательной схемой (на 3,5%). При этом всхожесть семян достаточно близка (разница в пределах 1%). Рост^не^гщцфорастания семян очищенных по последовательной и фракционной схемах в агрегате 3AB-30/25/10, по сравнению с очищенными в агрегате ЗАВ-40, соответст.

При этом разница по всхожести семян незначительна. выявлено, что при эксплуатации агрегатов за агросрок 500 ч., с принятым коэффициентом использования рабочего времени 0,7, расчетная прибыль от функционирования агрегата 3AB-30/25/10 по последовательной схеме 1,528 млн руб., по фракционной схеме с увеличенной ценой семян 2,111 млн руб., с общепринятой ценой 1,972 млн руб. Для модернизированного агрегата ЗАВ-40 прибыль составит 0,958 млн руб. Определено, что рост прибыли за 500 часов эксплуатации агрегата 3AB-30/25/10 по фракционной схеме по сравнению с последовательной схемой при одинаковой и завышенной ценой семян соответственно на 29,05% и на 38,15%, по сравнению с модер низированным агрегатом ЗАВ-40-на 54,62%.При последовательной очистке семян в агрегате 3AB-30/25/10 рост прибыли по сравнению с модернизиро ванным агрегатом ЗАВ-40 на 37,30%.