Способ управления состоянием слоя в аэродинамических системах машин для послеуборочной обработки материала и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2558737:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Костромская Государственная Сельскохозяйственная Академия (RU)
Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, конкретно, к аэродинамическим машинам для послеуборочной обработки материала (зерна, семян трав, масличных культур и др.), а именно к аэродинамическим сушилкам и воздушным системам семяочистительных машин. В способе управления состоянием слоя в аэродинамических системах машин для послеуборочной обработки материала, включающем оценку длины пути ультразвуковой волны, при этом в блоке оценки информации и управления сервоприводом жалюзийных заслонок осуществляется сравнение фактической длины пути ультразвуковой волны с заданным значением, выбираемым с учетом характеристик материала, по полученной разности значений определяются оптимальные параметры подачи воздуха в обрабатываемый материал. Для реализации способа на торцевых стенках аэродинамических коробов устанавливаются ультразвуковые дальномеры, передающие сигнал в блок оценки информации, управляющий сервоприводом жалюзийных заслонок, расположенных на входе в каждый аэродинамический канал. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, конкретно, к аэродинамическим машинам для послеуборочной обработки материала (зерна, семян трав, масличных культур и др.), а именно к аэродинамическим сушилкам и воздушным системам семяочистительных машин.
Машины для послеуборочной обработки зерна функционируют, как правило, в составе поточной линии, поэтому характер изменения параметров материала, поступающего на обработку (его влажность, засоренность, плотность и др.) стохастический, что неизбежно вызывает стохастическое изменение всех переменных состояния процесса и существенным образом сказываются на их производительности, качестве и технологической надежности процесса работы. Контроль режимов возможен только с помощью динамических моделей, в основе которых - переменная состояния слоя материала на рабочих органах аэродинамических систем.
Управление состоянием слоя материала в аэродинамических системах машин для послеуборочной обработки материала, как правило, сводится к поддержанию удельных подач воздуха и, соответственно, скорости газа в слое. При повышенном расходе воздуха увеличивается вынос основного материала из слоя, что приводит к повышению нагрузки на пылеулавливающие устройства, увеличению потерь продукта и энергозатрат, при пониженном расходе - к снижению качества процесса (сушки, транспортирования, разделения на фракции материала). В существующих конструкциях сушилок и зерноочистительных машин регулирование подачи воздуха в слой материала осуществляется вручную, а оптимальность выполненной регулировки контролирует оператор.
В сельском хозяйстве для контроля и автоматизации различных процессов с недавнего времени используют ультразвуковые датчики и приборы, также они нашли применение в машинах для послеуборочной обработки материала, а именно для контроля высоты обрабатываемого материала в бункерах активного вентилирования.
Ультразвуковые дефектоскопы работают по принципу регистрации отраженных ультразвуковых сигналов или приема ослабленных ультразвуковых сигналов.
Наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения в части способа определения состояния слоя материала является способ обнаружения скрытого дефекта с помощью ультразвукового дефектоскопа [3]. В основу функционирования дефектоскопа положено свойство проникновения ультразвуковых волн в твердые тела. Скорость распространения ультразвуковой волны в основном зависит от следующих параметров среды: плотность среды; упругость среды; наличие дефектов (трещины, пустоты). Датчик имеет источник и приемник ультразвуковых волн. Если между источником и приемником поместить исследуемый объект и измерять время прохождения волн от источника (точка A) к приемнику (точка B), можно, зная расстояние AB, определить скорость распространения ультразвуковой волны при прохождении ее через конкретный участок твердого тела. Это дает возможность исследовать внутреннюю структуру твердого тела на наличие дефектов, колебаний плотности.
Недостатком данного способа по отношению к обрабатываемому материалу в машинах послеуборочной обработки является невозможность его применения в системах со стохастическим изменением плотности материала, например, зернового вороха, в процессе его обработки, т.к. не учитываются размерные характеристики и изменяющаяся «насыпная» плотность.
Техническая задача изобретения заключается в повышении надежности, качества процесса послеуборочной обработки материала и его транспортирования в устройстве, снижении энергозатрат на послеуборочную обработку материала.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемый способ управления состоянием слоя в аэродинамических системах машин для послеуборочной обработки материала и устройство для его осуществления за счет отличительных признаков обеспечивает повышение надежности, качества процесса послеуборочной обработки материала и его транспортирования в аэродинамических системах и снижение энергозатрат на послеуборочную обработку материала.
Заявленный способ поясняется фиг.1-4.
На фиг.1 представлен общий вид аэродинамической системы машины (сушилки) для послеуборочной обработки материала.
На фиг.2 показана система управления жалюзийными заслонками.
На фиг.3 представлен сдвиг фронтов принятого сигнала по отношению к излучаемому.
На фиг.4 показана схема к определению теоретического кратчайшего пройденного пути ультразвуковой волной через слой материала.
В начале схема управления дальномером 19 (фиг.2) формирует сигнал запуска измерения расстояния. При поступлении данного сигнала в ультразвуковой дальномер 6 генератор 13 формирует пакет из прямоугольных импульсов с частотой, зависящей от геометрических размеров частицы 26 материала (зерновки), который с помощью излучателя 14 в виде ультразвуковой волны, посылается в пространство, которая принимается приемником 15, отстоящим от излучателя на расстоянии L (фиг.1, 4). При наличии материала на перфорированной перегородке 3 ультразвуковые волны проходят сквозь материал и попадают в приемник 15, но уже со сдвигом по времени t1 (фиг.3). После чего приемник 15 передает полученные импульсы на преобразователь принятого сигнала 16 (фиг.2), где происходит определение времени сдвига фронта t1 исходящих 24 и принятых 25 импульсов (фиг.3). Сдвиг фронта t1 пропорционален «пути» прохождения стохастического слоя ультразвуковой волной (ходу ультразвуковой волны в стохастическом слое). На основании сравнения сдвига фронтов формируется импульс с длительностью, пропорциональной косвенно измеренному расстоянию «пути» (ходу) ультразвуковой волны. Расстояние LЗ - теоретический кратчайший «путь» ультразвуковой волны от излучателя 14 до приемника 15 через слой материала (фиг.4) - будет зависеть от состояния (степени псевдоожижения) слоя, которое при соблюдении условий дифракции ультразвука при взаимодействии с частицей материала косвенно определится по формуле (1):
где LЗ - теоретический кратчайший путь ультразвуковой волны через слой материала, мм;
L - расстояние между излучателем и приемником, мм;
dЭ - эквивалентный диаметр частицы материала, мм;
n - количество частиц материала на кратчайшем пути ультразвуковой волны;
lЭ - эквивалентная длина окружности частицы, мм.
где a, в, с - соответственно длина, ширина и высота частицы, мм
Очевидно, LЗ может принимать значения
где LЗ.П. - путь ультразвуковой волны, пройденный через слой плотного материала.
В аэродинамических системах машин для послеуборочной обработки материала оптимальному состоянию слоя (рабочий режим) соответствует вполне определенное LЗ.опт., которое на практике может быть рассчитано с учетом зависимостей (1-4) и оптимальной порозности слоя или определено опытным путем.
Далее импульс передается в схему сравнения 18 блока оценки информации 17, которая сопоставляет оптимальное LЗ.опт. для работы аэродинамической системы на конкретном материале или состояние (псевдоожижение) слоя с измеренным расстоянием LЗ (текущим состоянием слоя). При необходимости корректировки угла положения жалюзийной заслонки схема сравнения 18 передает сигнал на схему управления сервоприводом 20, которая, в свою очередь, изменяет угол положения сервоприводов 21 по установленной программе. Если же перфорированная перегородка 3 не занята материалом (L=LЗ), то жалюзийные заслонки 11 повернутся в положение «жалюзийные заслонки закрыты» 12. В зависимости от состояния материала и программных установок в схеме режима 23 центральный процессор управления 22 задает режим работы блока оценки информации 17.
Т.о. при наличии материала на перегородке путь LЗ, пройденный ультразвуковой волной, будет всегда больше L - расстояния между излучателем и приемником. При изменении состояния слоя (его псевдоожижения) количество частиц на пути ультразвуковой волны и LЗ будет изменяться, по этому показателю предлагается контролировать и управлять уровнем псевдоожижения слоя.
В зависимости от влажности, вида и других параметров материала программой формируется сигнал управления сервоприводом жалюзийных заслонок 11, обеспечивающий поддержание оптимальных параметров подачи воздуха в обрабатываемый материал.
Известна аэродинамическая установка для сушки сыпучих материалов, содержащая шахту, в которой установлены сушильные короба с перфорированными перегородками. Над шахтой установлен надсушильный бункер, а под шахтой закреплен подсушильный бункер с дозатором. На боковых стенках шахты закреплены воздухораспределительные короба с подвижными заслонками, которые распределяют воздушные потоки по коробам [1].
Недостатком указанной установки является то, что каждая распределительная заслонка регулирует воздушный поток в двух сушильных коробах, что затрудняет управление состоянием слоя, а также при отсутствии высушиваемого семенного материала на одном из коробов приводит к снижению транспортирующей способности другого сушильного короба (т.к. воздух идет по пути наименьшего сопротивления), потерям агента сушки в атмосферу и к снижению экономической эффективности сушки.
Наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения в части устройства является производственная установка [2], включающая вентиляторы и соединенные воздухораспределителями с сушильными коробами. Над верхним сушильным коробом установлен надсушильный бункер, а нижний снабжен выпускным устройством. В воздухораспределителях имеются каналы с поворотными щитками, предназначенными для регулировки распределения воздуха по каналам. Сушильные короба выполнены из воздухоподводящих и транспортирующих каналов, между которыми жестко установлены перфорированные решета. Первый, третий и пятый сушильные короба связаны с одной рамой, второй, четвертый и шестой - другой рамой.
Недостатком устройств [1, 2] является отсутствие системы автоматического управления положениями воздушных заслонок, оператору вручную необходимо осуществлять контроль за количеством подаваемого воздуха, при этом отсутствует возможность поддержания оптимальных расходов воздуха в сушильных коробах в зависимости от их загрузки.
Техническая задача изобретения заключается в создании устройства для реализации способа управления состоянием слоя материала в аэродинамических системах машин для послеуборочной обработки материала, поддержании оптимальных параметров подачи воздуха в обрабатываемый материал и снижении энергозатрат на послеуборочную обработку материала.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемое устройство за счет отличительных признаков обеспечит поддержание оптимальных параметров подачи воздуха в обрабатываемый материал и снижение энергозатрат на послеуборочную обработку материала.
Сущность заявленного устройства поясняется фиг.1, 4.
Аэродинамическая система машины (например, сушилки) для послеуборочной обработки материала (фиг.1) содержит шахту 1, в которой установлены аэродинамические короба 2 с перфорированными перегородками 3. На конечном участке каждой перфорированной перегородки закреплен активный переливной порог 4. На боковых сторонах шахты 1 закреплены воздухораспределительные короба 7 с жалюзийными заслонками 11, управляемыми сервоприводами (Теплогенератор, полости коробов и циклоны для очистки отработанного воздуха условно не показаны). Над шахтой 1 установлен надсушильный бункер 5, а под шахтой 1 закреплен подсушильный бункер 8 с дозатором 9.
Аэродинамическая система машины (сушилки) для послеуборочной обработки материала работает следующим образом. Материал под собственным весом из надсушильного бункера 5 поступает на перфорированную перегородку 3 аэродинамического короба 2, где попадает под воздействие струй воздуха, выходящих под острым углом из щелей перфорированной перегородки 3. Распределение потока воздуха по аэродинамическим коробам 2 производится с помощью распределителя 10, а его расход устанавливается жалюзийными заслонками 11. Во время работы машины для послеуборочной обработки материала за наличием и состоянием материала на перфорированных перегородках 3 аэродинамических коробов 2 следят ультразвуковые дальномеры 6, состоящие из излучателя 14 и приемника 15 ультразвуковой волны, установленные на торцевых стенках аэродинамических коробов (фиг.4) и передающие сигнал в блок оценки информации, управляющий сервоприводом жалюзийных заслонок, расположенных на входе в каждый аэродинамический канал.
В процессе перемещения материала по аэродинамическим коробам происходит постепенный съем влаги и разделение слоя материала на фракции, отличающиеся по аэродинамическим свойствам и размерным характеристикам. При этом мелкая тяжелая фракция перемещается вдоль поверхности перфорированных решеток 3, основная масса материала занимает среднее положение в слое, а легкая взмывает в верхний слой и с отработанным воздухом выносится в циклоны. Подсоры мелкой тяжелой примеси через щель активного переливного порога 4 возвращаются вновь в пространство между аэродинамическими коробами. Охлаждение материала производится в охладительной колонке.
Использованная литература
1. Пат. 2275566 Российская Федерация, МПК F26B 17/16. Аэродинамическая установка для сушки сыпучих материалов / Зимин Е.М., Волхонов М.С.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Костромская ГСХА, опубл. 10.10.2005, бюл. №12. - 4 с.; ил.
2. Пат. 2135916 Российская Федерация, МПК6 F26B 17/16. Аэродинамическая установка для сушки сыпучих материалов / Е.М. Зимин, М.С. Волхонов, С.И. Сидоров, С.С. Волхонов, Г.С. Березовский; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Костромская государственная сельскохозяйственная академия, опубл. 27.08.99, бюл. №24. - 5 с.; ил.
3. DeviceSearch.ru [Электронный ресурс], предоставляющий информацию по измерительным приборам. Режим доступа: http://www.devicesearch.ru. Дата обращения 05.11.2013 г.
1. Способ управления состоянием слоя в аэродинамических системах машин для послеуборочной обработки материала, включающий оценку длины пути ультразвуковой волны, отличающийся тем, что в блоке оценки информации и управления сервоприводом жалюзийных заслонок согласно изобретению осуществляется сравнение фактической длины пути ультразвуковой волны с заданным значением, выбираемым с учетом характеристик материала, по полученной разности значений определяются оптимальные параметры подачи воздуха в обрабатываемый материал.
2. Устройство для осуществления способа управления состоянием слоя в аэродинамических системах машин для послеуборочной обработки материала, состоящее из шахты, аэродинамических коробов, отличающееся тем, что на торцевых стенках аэродинамических коробов установлены ультразвуковые дальномеры, передающие сигнал в блок оценки информации, управляющий сервоприводом жалюзийных заслонок, расположенных на входе в каждый аэродинамический канал.
