Интенсификация процесса сепарации зерна при быстрых сдвиговых течениях

Интенсификация процесса сепарации зерна при быстрых сдвиговых течениях.

1.Послойное движение.

Процесс сепарации зернового вороха на зерноочистительных машинах состоит из двух фаз. Первая заключается в перераспределении частиц в зерновом слое, вторая в прохождении более мелких семян основной культуры и семян сорняков через отверстия решетной поверхности. Производительность рабочих органов сортировальных машин в первую очередь зависит от скорости перераспределения (сегментации)  частиц в зерновом слое. Общепринятая модель процесса сегрегации  заключается в следующем. Сыпучая среда это совокупность твердых частиц (зерен) пор и контактов. В пространстве частицы и поры образуют две поверхности решетчатую и поровую. В стационарном состоянии в поле силы тяжести в зерновом среде процесс перераспределения частиц отсутствует. Первым необходимым условием процесса сегрегации является перевод зерновой среды в псевдоожиженное или сдвиговое течение, при котором связи между зернами уменьшаются настолько, что частицы могут двигаться относительно друг другу и поверхности решета.

Псевдоожижение или сдвиговое течение зерновой среды достигается переводом ее в новое силовое поле, которое создают рабочие органы сортировальных машин. Используя  силы инерции, виброускорение, центробежные силы и силу воздушного потока можно получить различные силовые поля постоянные и переменные во времени и в пространстве, качающиеся, пульсирующие и т.д.

Задача повышения производительности зерноочистительных машин начинается с конструирования силового поля, при котором наиболее интенсивно будет идти процесс перераспределения частиц в зерновой среде.

Одним из основных условий оптимизации процесса сепарации является необходимость обеспечения упорядоченного( без перемешивания и разнонаправленного движения основного компонента и выделяемой фракции на рабочем органе сортировальной машины.

Если зерновая среда в процессе разделения перемешивается, то мелкие частицы, подошедшие к поверхности разделения могут снова оказываться в исходном положении. При этом будет отсутствовать последовательность перемещения частиц процесс разделения становится случайным, хаотическим. Данному условию процессу сепарации отвечает теория послойного движения зерна В.В. Гортинского [ ], заключающаяся в том, что каждый горизонтальный слой находится в разных условиях имеет в зависимости от его расположения по высоте в зерновом теле разную величину сопротивления сдвигу. Следовательно каждый слой под действием инерционных сил сдвигается относительно соседнего слоя и решета на разную величину с разной скоростью. При гармонических колебаниях рабочего органа плоские решёты(модель процесса сегрегации частиц заключается в следующем [ ], каждый элементарный слой, состоящий из зёрен основного компонента представляется решеткой с отверстиями – порами. Частицы мелкой проходной фракции под действием силы тяжести при каждом относительном сдвиге элементарных слоёв перемещаются в поровых промежутках на более низкий уровень запаса потенциальной энергии поверхности решета. За один период колебания решета сдвиговое перемещение слоёв зерна происходит четыре раза, два раза с отставанием от решета и два раза с опережением. Существует аксиома: чем выше интенсивность  послойного движения, тем выше скорость перераспределения частиц в слое и, следовательно, производительность зерноочистительной машины. Интенсивность послойного движения определяется величиной градиента скоростей движения сыпучей среды

grad V= (Vн – V0)/ Н = tgγ                            (1)

где Vн и V0 – скорости движения верхнего и нижнего слоя.

В.В Гортинский интенсивность послойного движения определяет как относительную скорость двух смежных слоёв, делённую на силу тяжести элементарного слоя

J = dV/dG

и вводит понятие приведённого коэффициента сопротивления сдвига.

                                          (2)

Рис.1

где: f_0,fm - коэффициенты сопротивления сдвигу верхнего и нижнего слоя зерна;

j = h/H – безразмерная координата слоя по высоте;

j = G_h/G_m - при одинаковой плотности зерна;

G_h и G_m – давление соответственно вышележащей части и всего сыпучего тела;

h и H – толщина сыпучего тела над рассматриваемым слоем и всего сыпучего тела;

 - коэффициент учитывающий физико-механические свойства сыпучей среды.  Значение данного коэффициента определяется экспериментальным путём.

В.В Гортинский определял значение приведённого коэффициента сопротивления сдвигу через работу FS = mv2/2 и кинетическую энергию при торможении тележки с зерном. Такой метод определения fпр является сложным и по признанию автора не отличается точночтью, а особенно трудно определить коэффициент  ε, учитывающий физико-механические свойства зерна, через f0  и fm, которые сами по себе являются спорными понятиями и экспериментально трудно определяемыми. В.В. Гортинский и В.Г. Дулаев приводят значения fпр и ε для продуктов переработки зерна [ ], а для семян зерновых культур значение этих коэффициентов отсутствуют. В своей работе [ ] В.В. Гортинский приводит аналитическое выражение для определения интенсивности послойного движения.

J =

Однако воспользоваться этим уравнением для определения интенсивности послойного движения зерновых культур невозможно из-за отсутствия коэффициента ε. Значения приведённого коэффициента сопротивления сдвигу элементарных слоёв семян зерновых культур необходимы для дальнейших теоретических, графических и элементарных исследований послойного движения на рабочих органах зерноочистительных машин.

2. Экспериментальное определение величины удельного сопротивления сдвигу слоёв семян зерновых культур.

Замечания по определению приведённого коэффициента сопротивления сдвигу по методике В.В. Гортинского.

1. Как видно из рисунка 1,величина fпр переменная и для каждого слоя имеет своё значение, поэтому данный коэффициент правильнее называть не приведённым коэффициентом, а удельным сопротивлением сдвигу элементарного слоя, приходящимся на один см2 площади слоя, зависящим от положения этого слоя по высоте зернового тела (fудх).

2. Считаем, что fпр искусственно  разделён на составляющие f0, ε и

f ( рисунок 1), которые трудно определить экспериментально и в которых отсутствует дальнейшая необходимость. Для теории и практики важно значение  f удх и его функция f  удх = φ(h). Для определения удельного сопротивления сдвигу элементарных слоёв семян зерновых культур была разработана и изготовлена экспериментальная установка (трибомер).