Konstruiranje nove čistilne naprave
4.2 Opis problema
Pridelava semen mnogocvetne ljuljke običajno poteka pri drugi regeneraciji rastline. V času prvega odkosa rastline so vremenske razmere pogosto neprimerne za vzrejo rastline z namenom, da bo rastlina dozorela do te mere, da bomo od nje pridobili semena. Zato se pri drugem odkosu rastline običajno pusti določeno njivsko površino rastline rasti naprej, dokler ne dozorijo. Pri dobrih vremenskih razmerah rastlina dozori v približno 10 tednih. Zadnjih 14 dni zorenja rastline je še posebej pomembnih in je treba večkrat preveriti stanje rastline, saj lahko pride do prevelikega otresanja semen. Žetev rastline se lahko opravi že kakšen teden pred polno dozoritvijo rastline, vendar moramo seme potem posušiti.
Žetev mnogocvetne ljuljke opravimo z žetvenikom. Pri žetvi mora biti strojnik še posebej pazljiv, saj lahko hitro pride do izgube pridelka, saj ima seme ljuljke zelo majhno maso na enoto volumna. Zato je nujno, da se pred žetvijo kombajn nastavi pravilno. Tu pa tudi pridemo do teme diplomske naloge. Ker je kombajn v prvi vrsti zasnovan za žetev žita, kjer imajo semena precej večjo maso na enoto volumna, pride pri žetvi mnogocvetne ljuljke do večje količine primesi, ki je zmešana skupaj s semeni, saj kombajn pri danih nastavitvah ne zmore očistiti in odnesti vseh primesi, ker imajo primesi zelo podobno maso na enoto volumna kot semena ljuljke. Na slikah so prikazani še eksperimenti, kjer je prikazano, da imajo semena ljuljke manjšo maso od ječmena in pšenice.
Po končani žetvi je treba seme zadostno posušiti, preden je primerno za odstranjevanje primesi. Odkar se doma ukvarjamo s pridelavo semen mnogocvetne ljuljke, smo semena poskušali očistiti že na več načinov. Prva ideja je bila, da bi že s kombajnom poskušali doseči zadovoljivo stopnjo čistoče semen. Vendar je že zaradi same konstrukcijske izvedbe kombajna prišlo do prevelikega izpada pridelka. Namreč, če hočemo, da kombajn že ob žetvi doseže zadostno stopnjo čistoče zrn, lahko pričakujemo tudi do 75 % izgubo pridelka. Druga ideja je bila, da bi seme po žetvi poskušali očistiti s staro mlatilnico za žito. Rezultati so bili boljši kot v prvem primeru, vendar še vedno nezadovoljivi. Izkazalo se je, da je vetrnica v mlatilnici, ki je namenjena odnašanju plev, s svojim delovanjem poleg plev odnašala tudi velik del semen ljuljke. Zato tudi ob trikratnem čiščenju iste količine semen nismo prišli do želenih rezultatov. Za najboljšo se je izkazala zadnja ideja, kjer smo se ločevanja primesi od semen lotili ročno, s sitom. Vendar pa je ta metoda naporna in zahteva dva delavca. Eden mora s sitom pretresati semena z nečistočami in čistiti sito, medtem ko drugi delavec na sito dosipa neočiščeno seme in polni vreče z očiščenim semenom, ki gre potem lahko neposredno v sejalnico. Vendar pa ta metoda čiščenja ni učinkovita, saj je zmogljivost zelo nizka. V najboljšem primeru je zmogljivost čiščenja semen na ta način približno 60–70 kg na uro.
Poleg tega sta oba delavca ves čas izpostavljena prahu, ki nastaja med tresenjem sita. Zato je delo tudi dokaj neprijetno.
Zato sem se tudi odločil, da bom z uporabo že pridobljenega znanja s področja te tematike poskušal skonstruirati novo čistilno napravo, ki bo imela zmogljivost čiščenja semen vsaj 400 kg/h. Glavna funkcija nove naprave je učinkovito čiščenje semen ljuljke, naprava bo morala biti prilagodljiva tudi za druge vrste čiščenja semen, kot so pšenica, ječmen in tritikala, saj poleg mnogocvetne ljuljke doma na kmetiji pridelujemo tudi ta žita. Glede na to, da obstaja več konstrukcijskih izvedb čistilnih naprav, ki so zasnovane na različnih načinih čiščenja semen, bom za svojo čistilno napravo poskušal najti način, kako poleg gravitacijskega ločevanja primesi in semen uporabiti še zračni tok, ki bo na koncu pomagal ločiti semena boljše kakovosti od slabših. Poleg tega mora biti poskrbljeno varno delovno
Konstruiranje nove čistilne naprave
okolje za upravljavca naprave, konstrukcija naprave mora biti ustrezno zaprta, da ne bo prihajalo do prekomernega dviganja prahu. Konstrukcija naprave pa mora hkrati tudi zagotavljati enostavno čiščenje po končanem delu in lahek dostop do sestavnih komponent ob okvari naprave.
4.3 Zahteve in specifikacije konstrukcije
Z določitvijo zahtev in specifikacij konstrukcije hočemo zajeti čim več funkcij, ki jih bo končna konstrukcija izdelka tudi vsebovala. Specifikacije konstrukcije se delijo na zahteve in želje. Paziti moramo, da vse specifikacije čim bolj smiselno razdelimo, tako da imamo boljšo možnost izdelave dobrega končnega izdelka. Z zahtevami zajamemo vse osnovne specifikacije, ki jih je nujno treba upoštevati, da bo naprava na koncu pravilno delovala.
Tiste specifikacije, ki spadajo med želje, pa še dodatno dvignejo vrednost končnemu izdelku, vendar pa delovanje naprave ob neupoštevanju želja ni onemogočeno. V preglednici 4.1 smo zapisali zahteve in specifikacije za našo konstrukcijo čistilnega stroja.
Preglednica 4.1: Specifikacije konstrukcije novega izdelka
Specifikacije konstrukcije izdelka zahteva želja Funkcija
Ločevanje primesi in semen x
Shranjevanje očiščenega semena v zalogovnik ali vreče x Konstrukcija naprave
Lahka konstrukcija x
Zaprta konstrukcija naprave x
Merilnik vlage semen x
Mobilnost naprave x
Pogon na elektromotor x
Nizko težišče x
Dodatna stabilnost naprave med obratovanjem x
Dodaten zalogovnik za primesi x
Tehtnica pri izhodu očiščenega semena x
Tehnični proces
Ločevanje primesi in semen s pretresavanjem x
Ločevanje semen po kakovosti s pomočjo zračnega toka x
Gravitacijsko ločevanje primesi in semen x
Lastnosti
Merilnik vlage semen x
Enostaven dostop za vzdrževanje x
Enostavno čiščenje naprave x
Frekvenčnik elektromotorja za nastavljanje hitrosti pretresanja semen
x Frekvenčnik elektromotorja za nastavljanje hitrosti
zračnega toka
x
Konstruiranje nove čistilne naprave
4.4 Tehnološki proces
S tehnološkim procesom abstraktno opišemo tehnični problem, ki poteka med znanimi robnimi pogoji. Običajno ga najlažje prikažemo z blokovnim diagramom. Zelo dobro moramo biti seznanjeni z glavno nalogo oz. funkcijo, ki naj bi jo opravljala nova naprava, zato da lahko izberemo čim boljše geslo, ki opiše glavno funkcijo tehničnega problema. To geslo bo v blokovnem diagramu služilo pretvorbi med vhodnimi in izhodnimi robnimi pogoji.
V mojem primeru sem si za glavno funkcijo oz. za tehnični problem izbral ločevanje semen travinja od primesi, saj to geslo po mojem mnenju najbolj točno opiše glavno nalogo naprave. Blokovni diagram je tudi prikazan na sliki 4.2.
Slika 4.2: Tehnološki proces
Opravljeno delo tehnološkega procesa v mojem primeru predstavljata očiščeno seme travinja in druge primesi, ki jih je naprava ločila od semen. Proces je definiran med jasnimi mejami sistema oz. med robnimi pogoji, ki predstavljajo na eni strani vhod zmesi semen travinja in primesi v napravo, na izhodu iz naprave pa dobimo očiščeno seme travinja na enem koncu, druge primesi pa iz naprave izstopijo ločeno na drugem koncu.
Energija, ki jo vnašamo v tehnološki proces, je električna energija, ki poganja elektromotor.
Elektromotor je prek odmične gredi in paličja povezan na mreže, ki bodo opravljale translatorno gibanje v dve smeri. S tem gibanjem mrež bomo ločevali seme od drugih primesi. Preden bomo dokončno ločili seme, bo preostanek energije porabljen še za pogon drugega elektromotorja, ki bo poganjal vetrnico in s tem seme ločeval po kakovosti.
Konstruiranje nove čistilne naprave
Material, ki vstopa v tehnološki proces, je zmes semen travinja in primesi. Ta material bo treba v čistilno napravo vnesti s pomočjo zalogovnika. Na ta način bo poskrbljeno, da bomo v čistilno napravo vnašali pravilno in konstantno količino zmesi semen in drugih primesi.
Informacije, ki so potrebne, da bo tehnološki proces čistilne naprave deloval pravilno, so znanje in delovne izkušnje upravljavca. Od tega je odvisno, da na ločevalni mehanizem naprave vnaša zadostno, a ne preveliko količino materiala. Zelo pomembno je tudi to, da ima pravilne podatke o stopnji vlage v materialu, saj se s tem zagotovi pravilno delovanje glavne naloge naprave, prav tako pa se tudi prepreči zamašitev naprave. Informacije, ki jih vnašamo v tehnološki proces, zato lahko združimo v krmiljenje naprave, saj je prehod informacij konstanten in neposreden.
4.5 Funkcijska struktura
Pri izdelavi funkcijske strukture naše naprave se zgledujemo po tehnološkem procesu.
Glavna funkcija v tehnološkem procesu je predstavljena abstraktno, da pa preidemo iz abstraktnega opisa glavne funkcije naše naprave, to glavno funkcijo razčlenimo na več delnih funkcij. Pri razčlenjevanju se držimo vrstnega reda, kot poteka naš tehnološki proces.
Vse delne funkcije so samostojne in zahtevajo, da jih obravnavamo kot posamezne naloge.
Tiste delne funkcije, ki jih ne moremo več deliti naprej, imenujemo elementarne funkcije.
Pri deljenju funkcij se poskusimo držati tega, da celotno strukturo naredimo čim bolj enostavno, saj se običajno izkaže, da le-te dajo najbolj cenovno in konstrukcijsko ugodne rešitve [12].
Slika 4.3: Funkcijska struktura
Funkcijska struktura nam podrobneje predstavi tehnološki proces, ki ga bo opravljala naša naprava. Kot je razvidno na sliki 4.3, je funkcijska struktura sestavljena iz več tehnoloških faz, ki jih moramo opraviti med celotnim tehnološkim procesom. V naši funkcijski strukturi imamo tri glavne faze ločevanja semen in primesi, v funkcijsko strukturo pa je vključen tudi upravljavec, ki dopolnjuje tehnološki proces, da naprava deluje pravilno. Napravo lahko avtomatiziramo le do neke mere, zato mora upravljavec nadzirati napravo med obratovanjem
Konstruiranje nove čistilne naprave
in po potrebi vplivati na tehnološki proces v posameznih fazah delovanja, ki so v funkcijski strukturi.
4.6 Morfološka matrika
Morfološka matrika je urejen zapis povezave med funkcijo in delovnim principom. Za opravljanje ene funkcije lahko uporabimo več že obstoječih delovnih principov. Na ta način si povečamo možnost izbire najboljših delovnih principov za posamezne funkcije. Pri večjem številu delovnih principov za posamezno funkcijo se lažje odločimo za najbolj ustrezno, prav tako pa zagotovimo boljše konstrukcijske rešitve za napravo. Če izdelamo dobro morfološko matriko, nas to lahko vodi tudi do odkritij novih rešitev, za katere prej nismo vedeli. V preglednici 4.2 je predstavljena morfološka matrika, s katero bomo skušali poiskati pravilne smernice za izdelavo koncepta možne rešitve problema.
Preglednica 4.2: Morfološka matrika
FUNKCIJA DELOVNI PRINCIPI
1. Pogon naprave Elektromotor (1)
Konstruiranje nove čistilne naprave
regulator (1) Dušilni ventil
(2) Menjalnik (3)
očiščenega zrnja Pakiranje v
vreče (1) Pakiranje v
zabojnik (2) Brez pakiranja
(3) Tekoči trak
4.7 Koncepti možnih rešitev
Po končani morfološki matriki se lahko lotimo izdelave konceptov, ki bodo predstavljali možne rešitve za naš tehnološki proces. Posamezen koncept je sestavljen iz vseh funkcij, ki smo jih zapisali v funkcijski matriki. V morfološki matriki pa izberemo najbolj ustrezne delovne principe za opravljanje funkcij. Vsak koncept se zato najbolj razlikuje po izbiri delovnih principov iz morfološke matrike. V nadaljevanju sta predstavljena dva koncepta, ki sem ju sestavil pri izdelavi diplomske naloge.
Konstruiranje nove čistilne naprave
4.7.1 Koncept 1
Pri konceptu, prikazanem na sliki 4.4, smo se oprli predvsem na delovanje žetvenika.
Neočiščeno zrnje dovajamo s pomočjo polža, da zagotovimo konstanten pretok. Nato s pomočjo žagastih mrež, ki jih uporabljajo žitni kombajni, prečistimo zrnje. V napravi so tri mreže, vsaka ima različno stopnjo gostote rež. Gibanje nečistoč poteka translatorno s pomočjo zob na mreži in rahlega nagiba mrež, proti valjastemu bobnu, ki je prav tako namenjen še zadnji stopnji očiščevanja zrnja. V valjasti boben pihamo s puhalom, da zagotovimo izmet primesi na izmetno ploščad, ki je na koncu bobna. Primesi nato s pomočjo gravitacije in nagiba ploščadi same padejo iz naprave.
Slika 4.4: Koncept 1
Očiščeno zrnje pada na tekoči trak, ki je pod mrežami in bobnom, ideja tega je, da v primeru, če se seme na mrežah ni uspelo presejati skozi mreže, se seme, tik preden pride do izmeta nečistoč, še lahko preseje skozi valj. S tem zagotovimo najboljšo možnost, da se seme očisti in da nimamo dobrega semena v nečistočah.
Ko zrnje pride do konca tekočega traka, je tam vgrajen lijak in v njem puhalnik, ki seme nato potiska po cevi do vreč, ki pa so lahko različnih velikosti. Na koncu je prostor še za tehtnico, s katero lahko izmerimo količino očiščenega semena.
Razlika med tem konceptom in žetvenikom je predvsem v tem, da iz procesa čiščenja in presejevanja semena izvzamemo zračni tok, ki bi nam odnesel zrnje skupaj z nečistočami.
Vetrnica, ki je nameščena šele na valjastem bobnu, deluje z namenom zagotavljanja, da se boben ne zamaši z nečistočami. Z enačbo (4.1) smo opisali izbiro delovnih principov iz morfološke matrike v preglednici 4.2.
𝑅1= 𝐸1,1+ 𝐸2,2+ 𝐸3,2+ 𝐸4𝑎,2+ 𝐸4𝑏,2+ 𝐸4𝑐,3+ 𝐸5,1+ 𝐸6,4+ 𝐸7,2+ 𝐸8,3+ 𝐸9,1 (4.1)
Konstruiranje nove čistilne naprave
4.7.2 Koncept 2
Koncept, prikazan na sliki 4.5 ima dve fazi čiščenja združeni v eno, zadnja faza ločevanja pa je ločena. Material se v zalogovnik naloži ročno ali pa s puhalnikom. Potem je treba izmeriti vsebnost vlage v zrnju, da lahko pravilno nastavimo nagib mrež in število vrtljajev na elektromotorju. To storimo s frekvenčnim regulatorjem, ki je povezan z elektromotorjem.
Material iz glavnega zalogovnika skozi ročno loputo prehaja na sestav ločevalnih mrež, ki opravljajo najprej grobo in nato še fino ločevanje zrnja od primesi. Sestav mrež je gnan preko gredi z izsrednikom, ki je povezana z elektromotorjem preko jermenic. Sestav opravlja translatorno gibanje v dve smeri in s tem ustvarja tresenje celotnega sestava. Primesi, ki jih zadržijo mreže, se zaradi nagiba mrež in tresenja pomika proti stranskemu kanalu za izmet primesi. Zrnje po padcu skozi sestav mrež pristane v vmesnem zalogovniku. Zalogovnik je namenjen temu, da vsa zrnja in morebitne nečistoče, ki so še vedno med zrnjem v naslednji del čistilnega stroja vstopijo na isti točki. Zalogovnik ima na dnu vgrajeno zaporno loputo, s katero lahko spreminjamo pretok zrnja v naslednji del naprave. V tem delu naprave čiščenje poteka s pomočjo zračnega toka, ki ga ustvarja vetrnica. Vetrnico poganja drugi elektromotor. Med njima je dodana še loputa, s katero spreminjamo jakost zračnega toka.
Zrnje se ob padcu iz zalogovnika sortira v tri različne prekate. Ločevanje je odvisno od jakosti zračnega toka, pri pravilni nastavitvi se zrna ločijo po lastni masi, saj boljša zrna zračni tok ne odnese tako daleč, kot pa zdrobljena in manjša zrna. Prah, ki se ustvarja med postopkom ločevanja, se z zračnim tokom, ki ga ustvarja vetrnica, odstrani skozi odprtino v ohišju naprave. Očiščeno zrnje ob izstopu iz naprave lahko pustimo, da pade na tla, ali pa ga shranimo v vreče, saj imajo predali na koncu vgrajen mehanizem za pripenjanje vreč.
Slika 4.5: Koncept 2
Enačba (4.2) prikazuje izbrane delovne principe iz morfološke matrike, ki so zapisani v preglednici 4.2.
Konstruiranje nove čistilne naprave
𝑅2= 𝐸1,1+ 𝐸2,2+ 𝐸3,2+ 𝐸4𝑎,2+ 𝐸4𝑏,2+ 𝐸4𝑐,1+ 𝐸5,1+ 𝐸6,1+ 𝐸7,1+ 𝐸8,3+ 𝐸9,2 (4.2)
4.8 Vrednotenje konceptov
Pri vrednotenju konceptov se moramo držati predhodno dogovorjenih kriterijev. S pomočjo teh kriterijev lažje ocenimo, kateri izmed konceptov, ki smo ga zasnovali, je bolj primeren za nadaljnje konstruiranje. Kriteriji ocenjevanja morajo biti razumljivi, poleg tega pa se morajo nanašati na specifikacije konstrukcije, za katero smo zasnovali nove koncepte. Oba koncepta iz prejšnjega poglavja sem ocenil po tehničnih in ekonomskih kriterijih.
4.8.1 Tehnična ocena konceptov
Pri tehnični oceni konceptov je treba poiskati tiste kriterije naprave, za katere mislimo, da bodo pri obratovanju naprave odločilnega pomena. Kriterije za tehnično oceno konceptov sem izpeljal iz specifikacij konstrukcije in iz značilnosti, ki jih vsebujejo posamezne tehnološke faze v funkcijski strukturi moje čistilne naprave. Oba koncepta sem ocenil po istem kriteriju, po 11-mestni ocenjevalni lestvici, ki ima razpon od 0 (neuporabno) do 10 (idealno). Ocene kriterijev za oba koncepta so prikazane v preglednici (4.3).
Preglednica 4.3: Tehnična ocena konceptov
Kriterij tehnične ocene Koncept 1 Koncept 2
Zmogljivost čiščenja zrnja 8 6
Lahka konstrukcija naprave 5 8
Preprečevanje dvigovanja prahu med obratovanjem 5 9
Varnost pri delu 6 8
Spreminjanje hitrosti pretoka zrnja 3 9
Grobo ločevanje zrnja od primesi 6 6
Po seštevku ocen je iz preglednice (4.3) razvidno, da ima koncept 2 višjo tehnično oceno.
Prednosti koncepta so se pokazale predvsem v načinu preprečevanja prahu in v kriteriju, kjer sem ocenjeval zmožnost spreminjanja hitrosti pretoka zrnja. Poleg tega ima koncept 2 tudi lažjo izvedbo konstrukcije naprave.
Konstruiranje nove čistilne naprave
4.8.2 Ekonomska ocena konceptov
Pri ekonomski oceni konceptov moramo uporabiti kriterije ocenjevanja, ki temeljijo na stroškovnem pregledu konceptov. Kriteriji morajo pokrivati celotno predvideno življenjsko dobo naprave, zato da lahko dobimo čim boljšo oceno. Glavna kriterija, ki jih je skoraj vedno potrebno upoštevati pri ekonomski oceni novih konceptov sta vzdrževanje naprave in stroški izdelave konstrukcije naprave [12].
Glede na tehnično oceno konceptov, pričakujem, da bo koncept 2 dobil boljšo ekonomsko oceno, saj ima manj zahtevno in lažjo izvedbo konstrukcije, z vidika vzdrževanja pa ima tudi manj gibljivih delov.
Preglednica 4.4: Ekonomska ocena konceptov
Kriterij ekonomske ocene Koncept 1 Koncept 2
Stroški razvoja 6 6
Stroški obratovanja 5 6
Stroški izdelave 5 5
Stroški vzdrževanja 6 6
Stroški porabljene energije za pogon naprave 5 7
Absolutna ocena 27 30
Relativna ocena 0,54 0,60
Iz preglednice 4.4 lahko razberemo, da ima koncept 2 boljšo ekonomsko oceno. V nekaterih kriterijih sta si oba koncepta zelo podobna, vendar ima koncept 2 rahlo prednost pri stroških porabljene energije za pogon naprave, saj napravo poganjata dva elektromotorja, poleg tega pa so pri konceptu 2 tudi predvideni manjši stroški obratovanja, saj ima manj gibljivih delov.
Končna predstavitev rezultatov je predstavljena na sliki 4.6.