Тіщ енко Леонід Миколайович. Наукові основи процесів вібровідцентрового сепарування зернових сумішей : Дис... д-ра наук: 05.05.11 - 2004.
Анотація до роботи:
Тіщенко Л.М. Наукові основи процесів вібровідцентрового сепарування зернових сумішей. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Харківський державний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка. Харків, 2004.
У дисертації вирішено науково-технічну проблему, що має важливе значення для підвищення ефективності післязбиральної обробки зерна. Розроблені наукові основи інтенсифікації внутрішньошарових процесів зернових сумішей як незворотних і нерівноважних із застосуванням дробового інтегро-диференціального аналізу, нелінійної динаміки, фрактальної двопо-
токової кінетики, неекстенсивної термодинаміки і дворідинної гідродинаміки при вібровідцентровому сепаруванні за розмірами і густиною насіння. Створені динамічні, поверхневі та об’ємні інтенсифікатори, які впроваджені в серійне виробництво найбільш високопродуктивних вібраційно-відцентрових зернових сепараторів. Питому продуктивність процесу сепарування зернових сумішей вібровідцентровими сепараторами збільшено на 80...90%.
У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що виявляється в розроблених наукових основах інтенсифікації внутрішньошарових процесів вібровідцентрового сепарування ЗС як незворотних і нерівноважних, у межах дробового інтегро-диференціаль-ного аналізу, нелінійної динаміки, фрактальної двопотокової кінетики, неекстенсивної термодинаміки і дворідинної гідродинаміки. Це дозволило створити динамічні, поверхневі й об'ємні інтенсифікатори, впровадити їх у серійне виробництво і підвищити продуктивність і якість сепарування ЗС вібровідцентровими сепараторами виробництва ВАТ "Вібросепаратор" (м.Житомир).
Головними підсумками виконаної роботи є такі результати:
1. Узагальнено з єдиних позицій значну кількість робіт вітчизняних і закордонних учених з дослідження вібрації на ПС. Виявлено, що тільки в окремих роботах розглядаються внутрішньошарові процеси вібросепарування, які істотно спрощені, а з застосуванням інтенсифікаторів - зовсім відсутні. Показано, що відсутність методів вирішення цієї проблеми стримує створення нових технологічних процесів і засобів інтенсифікації ПС ЗС, а також і розвиток зернопереробної галузі в цілому. Для вирішення проблеми необхідно виконати теоретичні і експериментальні дослідження, які б дозволили керувати та розраховувати технологічні показники ПС ЗС.
2. Наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що виявляється в розроблених наукових основах інтенсифікації процесів вібровідцентрового сепарування ЗС на базі створених математичних моделей: динаміки циліндричного решітного полотна з очисниками; нелінійної динаміки ЗС з інтенсифікаторами; фрактальної двопотокової кінетики функціонування інтенсифікаторів; неекстенсивної термодинаміки впливу інтенсифікаторів; дворідинної гідродинаміки процесу з інтенсифі-кацією. Проведено генно-орієнтовану оптимізацію і розроблено методи розрахунків інтенсифікації процесів вібровідцентрового сепарування за технологічними показниками продуктивності і якості.
3. Для дослідження динамічної моделі механічної системи: розроблене циліндричне решітне полотно - очисники обґрунтовано застосування методу кінцевих елементів. Розроблено математичну модель впливу ЗС, кон-структивно-кінематичних параметрів сепараторів і поверхневих інтенси-фікаторів на спектр частот і форм власних і змушених коливань решітних полотен. На основі програмних продуктів Pro/ENGINEER и ANSYS розв’язано задачі: про власні коливання розробленої перфорованої цилінд-
ричної оболонки - полотна і динамічне деформування неперфорованої оболонки рухомим навантаженням від очисників. Встановлено, що для решіт із круглими, прямокутними і трикутними отворами значення перших дев'яти частот власних коливань знаходяться в діапазоні: 246,0...291,6 Гц. Зернова суміш, не змінюючи характер деформування, знижує значення частот на 12%. При силі притискання серійних очисників і при діаметрах ободів-ребер 1,0…1,5 мм напруження в решітних полотнах складають 9,0...9,5 МПа, а прогини - 0,1 мм. Показано, що коливання решітних полотен є динамічним інтенсифікатором, вплив якого на ПС необхідно враховувати.
4. Для одержання й аналізу траєкторій, швидкостей, фазових портретів часток розроблено математичні моделі нелінійної динаміки ЗС з урахуванням динамічних, поверхневих і об'ємних інтенсифікаторів на основі диференціальних рівнянь: звичайних нелінійних, дробових, стохастичних. Отри-мано співвідношення, встановлено істотний взаємозв'язок між коефіцієнтом сухого тертя часток та гідродинамічними характеристиками, визначені числові значення для ЗС пшениці коефіцієнтів: об’ємного тертя кг/с; динамічної в’язкості =0,038...0,568 Па.с; кінематичної в’язкості м2/с; дифузії м2/с. Для врахування відкритості, незворотності й нерівноважності ПС отримана залежність порядку дробового диференціального оператора від конструктивно-кінематичних параметрів сепаратора й інтенсифікаторів, фізико-механічних і гідродинамічних характеристик ЗС, визначені числові значення для суміші пшениці =0,81...0,86. Досліджено стохастичний резонанс у ЗС під впливом інтенсифікаторів: сплески амплітудних значень радіальної швидкості і часток в 3,5 рази перевищують відповідну швидкість на серійних решетах і в два рази на розроблених з інтенсифікаторами. Показано, що це є ефективним способом збільшення майже до 45% ККД перетворення енергії хаотичного руху часток в енергію направленого потоку ЗС і призводить до відносно більшої кількості сходової фракції на виході із сепаратора.
5. Для одержання статистичного опису й врахування взаємозв’язку потоків ЗС побудовано модель двопотокової кінетики інтенсифікації ПС на основі гіперболічної системи кінетичних рівнянь з урахуванням джерел і витоків, коефіцієнтів дифузії часток сходової і проходової фракцій суміші. Встановлено, що врахування сильних кореляцій через багаточасткові зіткнення і застосування інтенсифікаторів призводить після усереднення до квазістепеневої функції типу розподілу Тсалліса. Розроблено модель фрак-
тальної двопотокової кінетики інтенсифікації внутрішньошарових процесів на основі вищезазначеної залежності порядку інтегро-диференціального оператора. Створено алгоритм для числового розв’язання системи фрактальних кінетичних рівнянь. Отримано залежності функцій розподілу і потоків часток сходової і проходової фракцій у вертикальному і радіальному напрямах без і з застосуванням інтенсифікаторів. Виявлено, що при виборі кроку поверхневих і довжини хвилі об'ємних інтенсифікаторів близько до 0,1 висоти решета продуктивність ПС збільшується майже на 80% при якості розділення =0,8...0,95.
6. Для підтвердження аналогії між молекулярною і зерновою системами розроблено математичні моделі об'ємних і поверхневих інтенсифікаторів на основі Больцманівської термодинамічної теорії. Отримані залежності ефективної температури і концентрації суміші від конструктивно-кінематичних параметрів сепаратора та інтенсифікаторів. Визначено, що збільшення температури призводить до збільшення коефіцієнта дифузії і середньої швидкості ЗС, а при зазначених вище кроці і довжині хвилі інтенсифікаторів - до збільшення її концентрації. Показано, що інтенсифікатори вносять додаткові кореляції, а процеси сепарування є нерівноважними і термодинамічно аномальними системами з пам'яттю. З урахуванням цього сформульовані положення неекстенсивної термодинаміки ПС з використанням інтенсифікаторів, отримане неекстенсивне узагальнення системи термодинамічних рівнянь еволюції ЗС у сепараторах. Застосування інтенсифікаторів призводить до росту термодинамічної функції розподілу в 8,5...9,0 разів, що визначає підвищення ефективності ПС.
7. На основі розроблених, а також побудованої для врахування нелінійності ПС моделі гіперболічної дифузії з дробовим оператором, створено математичну модель дворідинної гідродинаміки потоків сходової і проходової фракцій ЗС з інтенсифікацією процесу їх вібровідцентрового сепарування. Одержано залежності об'ємної і масової продуктивності, якості процесу від конструктивно-кінематичних параметрів сепараторів і інтенсифікаторів, фізико-механічних і гідродинамічних характеристик ЗС, які сепаруються. Проведено генно-орієнтовану оптимізацію інтенсифікації ПС. Визначене збільшення на 80...90% питомої продуктивності процесу вібровідцентрового сепарування за рахунок його інтенсифікації при очищенні зернового вороху, продовольчого зерна і насіннєвого матеріалу з відповідно числовими значеннями: 260...270, 220...230, 85...100 кг/дм2.г.
8. Методом спекл-голографічної інтерферометрії досліджено напружено-деформований стан решітних полотен і виявлено, що наявність отворів і їх форма не відображуються на характері деформацій. На основі розшифровки інтерферограм побудовані поверхні прогинів і підтверджена правомір-
ність використання континуальної моделі циліндричної оболонки при тео
ретичних дослідженнях динаміки решітного полотна з очисниками.
Вібраційним методом виміру частотних характеристик із прикладанням
гармонійного збудження і реєстрацією параметрів амплітудного резонансу визначено спектр власних частот і форм коливань розроблених полотен з різними типами отворів – 230,6...273,3 Гц. При цьому середнє відхилення експериментальних даних від розрахункових складає близько 7%. Підтверджено адекватність математичної моделі динаміки полотен вібровідцентрових решіт. Частота змушених коливань полотен від впливу очисників (1,91 Гц) розташована в дорезонансній зоні.
Траєкторними вимірами з застосуванням відеозйомки підтверджено термодинамічну аномальність псевдозріджених ЗС: залежності глибини переміщення часток від часу і швидкості переміщення по висоті шару носять степеневий характер. Без застосування інтенсифікаторів ці залежності носять експоненціальний характер. Отримано експериментальні значення коефіцієнтів динамічної в'язкості без інтенсифікаторів (для суміші озимої пшениці =0,04...0,57 Пас ) і з інтенсифікаторами (=0,02...0,33 Пас ), які збігаються з відповідними теоретичними. Підтверджено адекватність математичних моделей нелінійної динаміки і неекстенсивної термодинаміки інтенсифікації ПС.
На підставі теоретичних досліджень запропоновано експериментальний метод визначення рівняння нерівноважного стану ЗС і отримана залежність параметру неекстенсивності від конструктивно-кінематичних параметрів сепараторів та інтенсифікаторів, фізико-механічних властивостей суміші. Встановлено значення параметра неекстенсивності і температури Дж для ЗС злакових колосових культур при вібровідцентровому сепаруванні.
За результатами багатофакторного експерименту, а також виконаної генно-орієнтованої оптимізації ПС сумішей злакових колосових культур рекомендовані такі оптимальні значення конструктивних параметрів інтенсифікаторів: поверхневого - діаметр ободів-ребер =1,0…1,5 мм, кроки їх розміщення =42; 63 мм; об'ємного стрічково-хвилеподібного - висота хвилі =1,0…1,5 мм, довжина півхвилі =25…30 мм, крок розміщення стрічок =25…30 мм. Підтверджено адекватність математичної моделі дворідинної гідродинаміки ПС з інтенсифікацією.
9. На базі виконаних досліджень запропоновані способи інтенсифікації ПС ЗС і пристрої для їх здійснення, сепаратори з розробленими робочими органами, новизна яких захищена 14 авторськими свідоцтвами і патентами.
Виробничими випробуваннями підтверджена висока ефективність і надійність розроблених копіювально-кільцевих очисників, циліндричних решіт і повітропроникних поверхонь, інтенсифікаторів і осадових камер, що впроваджені в серійне виробництво на ВАТ "Завод ім. Фрунзе" (м. Харків) і ВАТ "Вібросепаратор" (м. Житомир). Визначено, що на інтенсифікацію ПС решітним барабаном витрачається потужність 0,07...0,08 кВт. Це в 17...19 разів менше енерговитрат на робочий режим барабана з очисниками, а з урахуванням витрат потужності на привод вентилятора аспіраційної системи - у 36...40 разів. При цьому в сепараторі - ворохоочиснику СВС-15 питомі енергоємність і металомісткість відповідно знижуються з 0,191 кВт.г/т до 0,117 кВт.г/т (на 38,8%), з 153,3 кг/т.г до 92 кг/т.г (на 40%); у сепараторі Р8-БЦСМ-25 - з 0,116 кВт.г/т до 0,075 кВт.г/т (на 35,4%), з 51,6 кг/т.г до 28,7 кг/т.г (на 56,6%). Визначено, що інтенсифікація супроводжується незначним збільшенням (до 0,48%) механічно пошкоджених зерен. При середньорічному навантаженні 45 тис.т ЗС і часу напрацювання близько 1800 годин - знос інтенсифікаторів і розроблених решітних полотен складає 1,5...2,0%.
Від застосування на Новопокровському і Вовчанському комбінатах хлібопродуктів (Харківська обл.) розроблених решіт і інтенсифікаторів отримано загальнорічний економічний ефект 31,1 тис.грн.
Впровадження в серійне виробництво на ВАТ "Завод ім. Фрунзе" кільцевих очисників, циліндричних решіт і повітропроникних поверхонь дає загальнорічний економічний ефект - 329,6 тис.грн.
Впровадження в серійне виробництво на ВАТ "Вібросепаратор" об'ємних інтенсифікаторів, повітропроникних поверхонь і осадових камер дає: загальний економічний ефект - 29,8 тис.грн на один сепаратор; загальнорічний – 7152 тис.грн.
Публікації автора:
Тищенко Л.Н. Интенсификация сепарирования зерна. - Харьков: Основа , 2004.-222с.
Тищенко Л.Н. К описанию кинетики виброцентробежного сепарирова-ния // Вопросы механизации с.х.: Сб.н.тр. ХГТУСХ.-Харьков,1996.–С.25-32.
Тищенко Л.Н., Мандрыка А.В. К вопросу динамики взаимодействия системы „сепаратор – зерновой поток” // Сб. н.тр. ХГПУ. – Харьков: ХГПУ, 1998.- Вып.6, ч.2. – С.149-151 (Здобувачем обґрунтовано метод розв’язання задачі).
Тіщенко Л.М., Мандрика О.В. Методика моделювання процесу сепарування системи „решето-зерновий потік” // Науковий вісник НАУ.– К.: НАУ, 1998.- Вип.9. -С.154-157 (Здобувачем запропоновано методику дослідження системи).
Тищенко Л.Н., Пивень М.В. Экспериментальное исследование работы модернизированного виброцентробежного решета // Механізація с.г. виробництва: Зб.н.пр.НАУ. Сучасні проблеми механізації с.г. – К.: НАУ, 1999.- Т.5.– С.231-233 (Здобувачем визначено структуру дослідження).
Тіщенко Л.М., Мандрика О.В. До питання дослідження системи „очисник – решето – зерновий потік” під дією радіальних коливань // Тракторная энергетика в растениеводстве: Сб.н.тр. ХГТУСХ. – Харьков: ХГТУСХ, 2000. – С.167-170 (Здобувачем складено динамічну модель системи).
Тищенко Л.Н. К определению гидродинамических характеристик псевдоожиженных сыпучих сред при работе виброцентробежных сепараторов //
Тищенко Л.Н. Гидродинамические характеристики псевдоожиженных сыпучих сред при виброцентробежном сепарировании на зерноперерабаты-
вающих предприятиях // Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних та харчових виробництв: Вісник ХДТУСГ.– Харків: ХДТУСГ, 2001.- Вип.5. – С.13-33.
10. Тищенко Л.Н., Пивень М.В. К исследованию динамики зернового потока на наклонном решете // Підвищення надійності відновлюємих деталей машин: Вісник ХДТУСГ.– Харків: ХДТУСГ, 2001.- Вип.8. Т.1.– С.198-205 (Здобувачем складені умови стаціонарного потоку шару суміші).
11. Тищенко Л.Н., Бредихин В.В. Тенденции совершенствования вибропневматических центрифуг для разделения зерновых смесей // Кон-струювання, виробництво та експлуатація с.г. машин: Зб.н.пр. КДТУ.– Кіровоград: КДТУ, 2001.- Вип. 31. – С.92-96 (Здобувачем визначено спосіб інтенсифікації вібропневмовідцентрового розділення насіннєвих сумішей).
Тищенко Л.Н., Пивень М.В. К исследованию движения зерновой смеси на решете под действием вибрации // Науковий вісник НАУ.– К.: НАУ, 2002.- Вип.49. – С.329-336 (Здобувачем приведена крайова задача динаміки одномірного потоку на решеті).
Тищенко Л.Н. Динамика полотна цилиндрического решета вибро-центробежного сепаратора // Вибрации в технике и технологиях. – 2002. - №4(25). – С.33-40.
15. Тищенко Л.Н., Телига А.Г. К исследованию параметров вибро-ожиженных зерновых смесей при виброцентробежном сепарировании // Вісник аграрної науки Причорномор’я.-Миколаїв: МДАУ, 2002.- Вип.4(18), Т.1. – С.88-101 (Здобувачем отримано залежності для визначення параметрів зернового шару).
Тищенко Л.Н., Пивень М.В. К исследованию динамики зернового потока на внутренней поверхности вертикального цилиндрического виброцентробежного решета // Вісник аграрної науки Причорномор’я.– Миколаїв: МДАУ, 2002. – Вип.4(18),Т.2. -С.144-154 (Здобувачем визначені залежності для рівнянь динаміки потоку шару зерна).
Тищенко Л.Н., Мандрыка А.В., Мандрыка В.Р. Экспериментальное определение переходных процессов в системе „вибрационно-копирующий
очиститель – решето – зерновой поток” // Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних та харчових виробництв: Вісник ХДТУСГ.– Харків: ХДТУСГ, 2002. – Вип.9. -С.20-27. (Здобувачем запропоновано методику виконання експерименту).
Тищенко Л.Н., Телига А.Г. Экспериментальное исследование ленточно-волнообразных интенсификаторов цилиндрических решет виброцентро-бежных зерновых сепараторов // Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних та харчових виробництв: Вісник ХДТУСГ.– Харків: ХДТУСГ, 2002. - Вип.9.– С.28-33 (Здобувачем прийнято особисту участь у проведенні експериментів і обробці результатів).
Тищенко Л.Н. О применении фрактального анализа для развития математических моделей сегрегации зерновых смесей // Механізація с.г. виробництва: Вісник ХДТУСГ.– Харків: ХДТУСГ, 2002.- Вип.11. – С.106-112.
Тищенко Л.Н. Определение динамических характеристик полотна цилиндрического решета на основе конечно-элементных моделей // Науковий вісник НАУ.– К.: НАУ, 2003. -Вип.60. – С.315-323.
Тищенко Л.Н., Пивень М.В. К исследованию разделения фракций зерновой смеси при сепарировании на вертикальном цилиндрическом виброцентробежном решете // Вибрации в технике и технологиях. – 2002. - №5(31). – С.40-43 (Здобувачем визначені залежності для рівнянь динаміки двофазного потоку).
Тищенко Л.Н. Явление стохастического резонанса при виброцентробежной сегрегации зерновых смесей как механизм влияния интенсификаторов на процессы сепарации // Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних та харчових виробництв: Вісник ХДТУСГ.– Харків: ХДТУСГ, 2003. -Вип.16. – С.16-20.
23. Тищенко Л.Н. Термодинамическая модель влияния интенсификаторов на сегрегацию зерновых смесей // Зб.н.пр. УкрНДІПВТ.– К. - Дослідницьке: УкрНДІПВТ, 2003.- Вип.6(20), кн.2. – С.363-368.
Тищенко Л.Н. К кинетической модели влияния интенсификаторов вибросепараторов на сегрегацию зерновых смесей // Механіка та машинобудування.– Харків: НТУ „ХПІ”. – 2003. - №1, Т.1. - С.55-61.
Тищенко Л.Н. Модель гиперболической диффузии для описания сегрегации бинарной зерновой смеси в сепараторах с псевдоожижением // Механізація та електрифікація с. г.: Міжвідомчий темат.наук.зб. – Глеваха: ННЦ ІМЕСГ, 2003.- Вип.87. – С.102-108.
Тищенко Л.Н. Динамическая модель интенсификаторов в виброцентробежных сепараторах на основе стохастических дифференциальных уравнений // Сучасні напрямки технології та механізації переробних та харчових виробництв: Вісник ХДТУСГ.- Харків: ХДТУСГ, 2003.- Вип.22. – С.21-28.
Тищенко Л.Н. К нелинейной двухпотоковой теории виброцентробежной сепарации зерновых смесей // Вибрации в технике и технологиях. – 2003. - №6(32). – С.13-17.
Тищенко Л.Н., Пивень М.В. Анализ движения потока зерновой смеси по внутренней оребренной поверхности цилиндрического виброцентробеж-
ного решета // Вибрации в технике и технологиях. – 2003. – 6(32). – С.23-26 (Здобувачем обгрунтовано метод розв’язання задачі).
Тищенко Л.Н. К двухпотоковой теории виброцентробежной сепарации неидеальных зерновых смесей//Конструювання, виробництво та експлуата-
ція с. г. машин: Зб.н.пр. КДТУ.– Кіровоград: КДТУ, 2003.- Вип.33.– С.131-140.
Тищенко Л.Н. Экспериментальное обоснование континуальной модели цилиндрического решетного полотна // Механізація с. г. виробництва: Вісник ХДТУСГ.– Харків: ХДТУСГ, 2003.- Вип.20. – С.307-313.
Тищенко Л.Н., М.В.Пивень. Исследование внутрислоевого движения частиц зерновой смеси при виброцентробежном сепарировании // Вибрационные машины и технологии: Сб.н.тр. Курск.гос.техн. ун-та. – Курск: КГТУ, 2003. – С.150-156 (Здобувачем запропоновано методологію дослідження).
