CC BY
6
ПРОЦЕССЫ И МАШИНЫ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ
УДК 631.331
B.C. КОВАЛЬ, A.B. ЧЕРНЯКОВ, А.П. ШЕВЧЕНКО, М.А. БЕГУНОВ
Тарский филиал Омского государственного аграрного университета им. П.А. Столыпина, Тара
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СЕПАРАТОРА ЗЕРНА С РЕШЕТАМИ ПОВЫШЕННОЙ ОРИЕНТИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
Статья посвящена изучению процесса сепарации зерна на двухрешетном сепараторе с цилиндрическими качающимися решетами с повышенной ориентировочной активностью. Очистка зернового материала является одной из актуальных проблем для сельскохозяйственного производства, так как с увеличившейся засоренностью полей возросли нагрузки и на машины послеуборочной обработки зернового вороха. Был разработан опытный образец сепаратора. Целью написания статьи является определение зоны рациональных параметров работы решета, позволяющих повысить ориентирующую его активность, и, как следствие - количественные и качественные показатели. Для проведения исследований применялась методика планируемого эксперимента. Для описания закономерностей процесса сепарации зерна на двухрешетном сепараторе с цилиндрическими качающимися решетами с повышенной ориентировочной активностью был выбран симметричный композиционный ортогональный план с тремя факторами. Получено уравнение регрессии, адекватное на 5%-ном уровне значимости. На основе уравнения регрессии были построены зависимости качественной характеристики работы решетного стана - полноты разделения от переменных параметров: удельной нагрузки на рабочие органы сепаратора, угла наклона отверстий решета и частоты колебаний рабочих органов. Дано толкование процессов, протекающих при движении зернового материала по перфорированной поверхности. На основании полученных зависимостей были определены основные рациональные конструктивные и эксплуатационные параметры сепаратора, которые позволят интенсифицировать непосредственно процесс сепарации. На основе анализа полученных зависимостей, а также конструктивных и эксплуатационных параметров сепаратора были сформулированы выводы по результатам исследования.
Ключевые слова: зерноочистка, сепарация, решета, зерновой ворох.
Введение
Зерноочистительное и сортировальное оборудование прошло длительный этап становления, начиная от несвязанных друг с другом машин на асфальтированной площадке до комплексов по очистке и сушке зернового материала [ 1 ].
Многие ученые обращались к теоретическим основам разделения зерна, конструированию новых узлов сепараторов [2; 4; 6]. Значительный объем экспериментальных исследований для создания современных машин и их рабочих органов проведен в лабораториях разного масштаба. В современном сельском хозяйстве наряду с решенными проблемами по выведению процесса очистки зерна на промышленный уровень остаются не до конца проработанные вопросы, в частности по первичной и особенно вторичной очистке [3; 8].
О Коваль B.C., Черняков A.B., Шевченко А.П., Бегунов М.А., 2020
В семеноводстве отмечается дефицит зерноочистительных машин, при этом ряд ученых отмечает, что их доля составляет порядка 12% от требуемого количества. Из этого следует вывод, что машины работают со значительными перегрузками сверх норматива, что влияет на качество зернового материала [4]. Рабочим органом во многих зерноочистительных машинах являются плоские пробивные решета [5]. В целом пропускная способность ветрорешетных зерноочистительных машин ограничивается производительностью решетного стана [6]. Было предложено большое количество способов и приемов повышения качественных и количественных показателей зерноочистительных машин с плоскорешетными рабочими органами [3; 4; 7]. Одним из перспективных способов является использование качающихся решет с повышенной ориентирующей способностью [8; 9]. Данное техническое решение позволяет объединить преимущества как плоскорешетных сепараторов, так и машин, рабочие органы которых совершают колебательные движения, а расположение отверстий под углом дополнительно позволяет интенсифицировать процесс сепарации [9]. Однако такой тип привода и расположения решет не используется ввиду неизученности работы.
Статья посвящена экспериментальным исследованиям работы сепаратора с качающимися рабочими органами с повышенной ориентирующей способностью [9].
Цель исследования - выявить зоны рациональных параметров работы решета, позволяющих повысить его ориентирующую активность, и, как следствие - количественные и качественные показатели.
Задачи исследования:
- провести запланированные лабораторные исследования;
- исходя из результатов многофакторного эксперимента получить уравнение регрессии;
- получить поверхности отклика полноты разделения в зависимости от конструктивных и технологических параметров решета;
- определить зоны рациональных конструктивных и технологических параметров работы решета.
Методы исследования
Применялась методика планируемого эксперимента. За критерий оптимизации принята величина полноты разделения решета.
Экспериментальная часть
Ориентация продолговатых отверстий на рабочих органах сепаратора представлена на рис. 1.
Зерновка имеет продолговатую форму и таким образом ориентируется вдоль длинных сторон прямоугольных отверстий решета, что положительно сказывается на вероятности прохождения мелкой фракции [10].
По итогам проведенного ранее отсеивающего эксперимента было установлено, что на процесс сепарации на данной установке оказывают влияние параметры: удельная нагрузка на рабочие органы О; угол наклона отверстий решета а и частота колебаний рабочих органов п. Результатом эксперимента, который проводился методом движения по градиенту, были определены пределы изменения вышеуказанных параметров.
Большая часть ученых, занимающихся вопросами зерноочистки, в качестве основного критерия оптимизации использует полноту разделения £ [3]:
г о ■а
где Р - количество в объемном или весовом выражении проходовой фракции, выделяемое сепаратором; Ро - общее количество зерна, поступившего на сепаратор в ходе эксперимента, кг; а - относительное содержание проходовой фракции в зерновом материале.
Рис. 1. Ориентация продолговатых отверстий на рабочих органах сепаратора (вид сверху): а - угол наклона прямоугольных отверстий решета
Каждый опыт повторяли четырежды, исходя из принятой надежности полученных результатов (0,95) и ошибки опыта (2о) (о - величина среднеквадратического отклонения).
Для описания закономерностей полноты разделения и разделения зерна на зерноочистительной машине с цилиндрическими качающимися решетами повышенной ориентирующей активности был проведен планируемый эксперимент, для которого был выбран симметричный ортогональный композиционный четырехуровневый план. Задача эксперимента - выявить влияние трех факторов на полноту разделения и получить модель процесса:
У = ь0+Е6/х/+ Иьих>х)+ Иьа4 > (2)
1<7 <к 1<7< 1 <1<к
В соответствии с планом эксперимента каждый фактор варьировал на пяти уровнях, включая звездные точки. Вначале проводили опыты в ядре плана на уровнях: +1 и -1, затем строили уравнение регрессии по полученным в результате эксперимента коэффициентам. Это уравнение проверяли на адекватность по критерию Фишера на 5%-ном и 1%-ном уровнях. Если оно было неадекватно, поводили дополнительные опыты в центре плана (точка 0; 0; 0) и в звездных точках. Кодирование факторов и уровни варьирования представлены в таблице.
Кодирование факторов и уровни их варьирования
Фактор Подача зерна на решето в, кг/(м2 ч) Частота колебаний решета п, мин 1 Угол наклона отверстий а град
Кодированное обозначение X! х2 Х3
Основной уровень 2100 110 30
Интервал варьирования 500 20 15
Верхний уровень 2600 130 45
Нижний уровень 1600 90 15
Звездная точка +а 2715 134,6 48,45
Звездная точка -а 1485 85,4 11,55
Результаты исследования
Согласно указанному плану был получен ряд числовых значений, подлежащих последующей статистической обработке.
Выведено уравнение регрессии, которое оказалось адекватным на 5%-ном уровне значимости, поскольку Ррасч= 1,28 < Ртабл= 1,83.
Один из коэффициентов уравнения регрессии (Х12) оказался статистически не значимым, на что указала проверка по критерию Стьюдента.
Уравнение регрессии в кодированном виде: у = 0,699394 - 0,13724*! + 0,0029х2 + 0,00183х3 + 0,002594х1х3 + 0,002594х2х3 + 0,041277х!2 - (3) — 0,0298x2 — 0,02642хз.
Можно сделать следующие выводы:
- наибольший по модулю коэффициент находится перед параметром XI - удельной нагрузкой на решето. Следовательно, он в большей степени влияет на полноту разделения. Отрицательный знак перед ним говорит о том, что с возрастанием XI полнота разделения снижается. Это не противоречит здравому смыслу;
- положительные знаки перед смешанными коэффициентами хп и Х23 указывают на то, что они пропорциональны полноте разделения;
- положительный знак перед коэффициентом Ьц свидетельствует о вогнутости характеристики полноты разделения от подачи зерна на решето. Это подтверждает экспоненциальный характер данной характеристики, определяемый неоднократно другими учеными;
- отрицательные знаки перед коэффициентами Х22 и Х33 говорят о выпуклости их форм и подтверждают наличие рациональных режимов в диапазоне их варьирования.
При постоянной амплитуде колебаний решет, обеспечивающей очистку их поверхностей щетками, большое влияние на режим движения массы зерна влияет частота колебаний: при малых частотах зерновой материал доходит до противоположных кромок решет, при относительно больших частотах зерно находится в основном на стыке двух решет, не доходя до кромок. В этом случае не вся поверхность решет работает, как предполагалось заранее. При проектировании двухрешетных сепараторов необходимо учитывать скорость, приобретаемую зернами при скатывании по перфорированной поверхности. Необходимо провести опыты по определению дальности прохода частиц на цилиндрических решетах, а также времени, затраченного на этот проход. Поскольку частота колебаний решет небольшая, ее также следует учитывать при относительном движении. Во время опыта замечено, что очистительные щетки, устанавливаемые пассивно снизу решет, также влияют на режим движения зерна. По правилам регулировки зерноочистительных машин они устанавливаются так, что щетина возвышается над рабочей поверхностью решета на 1 мм. При скатывании зерновок они ориентируются относительно отверстий, а щетки работают как дезориентаторы.
Происходит ориентирование зерен продолговатыми отверстиями, причем при спокойном характере движения материала по решетам, что наблюдается при малых частотах колебаний [10].
Для количественной оценки полученного уравнения регрессии его коэффициенты переводили в натуральные величины. Получено выражение:
в = 0,459 - 0,00318-0 + 0,01895-а + 0,01288-п + 0,0000001297-(гп + 0,00000371-а-п
+ 0,0000004136-02 - 0,0000243а2- 0,00006605-п2. (4)
Для представления зависимостей полноты разделения от варьируемых факторов в натуральных величинах было принято решение построить зависимости, представленные на рис. 2-4.
Рис. 2. Зависимость полноты разделения от углов наклона отверстий а и частоты вращения приводного вала п, при в = 1000 кг/м2-ч
1,0 е 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4
Рис. 3. Зависимость полноты разделения от удельной нагрузки на решето в и частоты вращения приводного вала п, при а = 45° град
-1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4
Рис. 4. Зависимость полноты разделения от углов наклона отверстий а и удельной нагрузки на решето в, при п = 100 мин4
Заключение и выводы
Анализируя полученные закономерности, можно сделать следующие выводы:
Параметры, принятые для эксперимента, имеют влияние на полноту разделения зерна на качающихся решетах.
Очевидно, что планируемый эксперимент построен в диапазоне рациональных величин варьируемых факторов, что можно увидеть по графикам.
Параметр «угол наклона отверстий решета» в большей степени влияет на полноту разделения, нежели частота вращения приводного вала. Это объясняется быстронара-стающим процессом ориентирования частиц кромками отверстия решета. Частота же колебаний выбирается из соображений достаточности прохождения зерна обоих решет и их рациональной загрузкой. Поэтому в данных опытах диапазон изменения частоты колебаний невелик.
Оба фактора совместно влияют на процесс сепарации зерна на решете. Слой зерновок, находящихся на решете, взаимодействует с его отверстиями.
При повышении нагрузки на решето и соответственно увеличении количества слоев зерна, ориентирование зерновок становится менее эффективным. Поэтому процесс очистки зерна качественнее проходит при повышенных частотах колебаний.
V.S. Koval', A.V. Chernyakov, А.P. Shevchenko, М.А. Begunov
Тага Branch of Omsk State Agrarian University named after P. A. Stolypin, Тага
Experimental study of the operation of a grain separator with sieves with increased
orienting ability
The article is devoted to the study of the grain separation process on a double sieve separator with cylindrical swinging sieves with increased orienting activity. Cleaning grain material is one of the hot topics in agricultural production, since with the increased clogging of fields, the loads on post-harvesting machines for grain sheaves is also increased. A prototype of a double sieve separator with cylindrical swinging sieves with increased orienting activity was developed. The purpose of the article is to determine the zone of rational parameters of the operation of the sieve, which allow for an increase in its orienting activity, and, as a result, its quantitative and qualitative indicators. For the research, the method of the planned experiment was used. To describe the laws of the grain separation process, a symmetrical composite orthogonal plan with three factors was carried out on a double sieve separator with cylindrical swinging sieves with increased orienting activity. A regression equation was obtained, adequate at a 5% significance level. On the basis of the regression equation, the dependencies were obtained between the qualitative characteristic of the operation of the sieve box and the completeness of the separation from the variable parameters: the specific load on the working elements of the separator, the angle of inclination of the sieve holes and the frequency of oscillation of the working elements. An interpretation is given of the processes that occur during the movement of grain material along the perforated surface. Based on the obtained dependencies, the main rational design and operational parameters of the separator were determined, which will allow for the direct intensification of the separation process. According to the obtained dependencies, as well as the design and operational parameters of the separator, conclusions were formulated based on the results of the study.
Keywords: grain cleaning, separation, sieve, grain sheaf.
Список литературы
1. Koval V., Chernyakov A., Shevchenko A., Begunov M., Demchuk E. Determination of Separator Constructive Parameters, IOP Conference Series : Materials Science and Engineering, Volume 582, Number 1.
2. Авдеев А.В. Современный технический уровень машин для послеуборочной обработки
References
1. Koval V., Chernyakov A., Shevchenko A., Begunov M., Demchuk E. Determination of Separator Constructive Parameters, IOP Conference Series : Materials Science and Engineering, Volume 582, Number 1.
2. Avdeev A. V. Sovremennyj tehnicheskij uro-ven' mashin dlja posleuborochnoj obrabotki zerna /
зерна / A.B. Авдеев // Механизация и электрификация сел. хозяйства. - 2002. - № 6. - С. 20-22.
3. Еетягин В.Ф. Связь экспериментальных и теоретических показателей работы решета / В.Ф. Евтягин // Сб. науч. тр. / Ом. с.-х. ин-т. -Омск, 1992. - С. 45-48.
4. Головин А.Ю. Модернизация решетного стана зерноочистительной машины / А.Ю. Головин // Перспективы технического сервиса для предприятий АПК : материалы Региональной научно-практической конференции, посвященной 95-летаю ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А. Столыпина. -Омск, 2013.-С. 4-5.
5. Головин А.Ю. Траектория движения зерновки по решету, совершающему круговые движения / А.Ю. Головин, У.К. Сабиев, A.C. Союнов // Вестник Омского государственного аграрного университета. - 2017. - № 4(28). - С. 204-210.
6. Сравнительный анализ технических характеристик машин для очистки зерна / С.Г. Ахме-тов, A.C. Отто, Д.Ж. Садбеков, Е.В. Демчук // Роль научно-исследовательской работы обучающихся в развитии АПК : сборник Всероссийской (национальной) научно-практической конференции. -2020. - С. 10-15.
7. Хололенко A.A. Исследование пневматического сепаратора зерна с Х-образным воздушным каналом / A.A. Хололенко // Студенческая наука об актуальных проблемах и перспективах инновационного развития регионального АПК : материалы XVIII научно-практической конференции обучающихся, 2019. - С. 44-49.
8. Тишанинов К.Н. Основные тенденции развития решетных сепараторов / К.Н. Тишанинов // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для АПК : сборник научных докладов XX Международной научно-практической конференции, 2019. - С. 91-97.
9. Черняков A.B. Экспериментальное исследование работы двух цилиндрических качающихся решет с продолговатыми отверстиями, расположенными под углом к плоскости их движения / A.B. Черняков, B.C. Коваль, A.B. Сухов // Омский научный вестник. - 2009. - № 2(80). - С. 152-155.
10. Механизация растениеводства / В.В. Мяло, О.В. Мяло, Е.В. Демчук, A.C. Союнов, Д. А. Голованов. - Омск, 2016.
Коваль Владимир Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, Тарский филиал Омского ГАУ, koval_v.s@mail.ru; Черняков Алексей Витальевич, канд. техн. наук, доцент, Тарский филиал Омского ГАУ, chernyakovavforester@mail.ru; Шевченко Анатолий Павлович, канд. техн. наук, доцент, Тарский филиал Омского ГАУ, ap.shev-chenko@omgau.org; Бегунов Максим Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, Тарский филиал Омского ГАУ, maksim-begunov@mail.ru.
A.V. Avdeev // Mehanizacija i jelektrifikacija sel. ho-zjajstva. - 2002. - № 6. - S. 20-22.
3. Evtjagin V.F. Svjaz' jeksperimental'nyh i teoreticheskih pokazatelej raboty resheta / V.F. Evtjagin // Sb. nauch. tr. / Om. s.-h. in-t. - Omsk, 1992. -S. 45-48.
4. Golovin A.Ju. Modernizacija reshetnogo stana zernoochistitel'noj mashiny / A.Ju. Golovin / A.Ju. Golovin // Perspektivy tehnicheskogo servisa dlja predprijatij APK : materialy Regional'noj nauch-no-prakticheskoj konferencii, posvjashhennoj 95-letiju FGBOU VPO OmGAU im. P.A. Stolypina. - Omsk, 2013.-S. 4-5.
5. Golovin A.Ju. Traektorija dvizhenija zer-novki po reshetu, sovershajushhemu krugovye dvizhenija / A.Ju. Golovin, U.K. Sabiev, A.S. Sojunov // Vestnik Omskogo gosudarstvennogo agrarnogo un-iversiteta. - 2017. - № 4(28). - S. 204-210.
6. Cravnitel 'nyj analiz tehnicheskih harakteris-tik mashin dlja ochistki zerna / S.G. Ahmetov, A.S. Otto, D.Zh. Sadbekov, E.V. Demchuk // Rol' nauchno-issledovatel'skoj raboty obuchajushhihsja v razvitii APK : sbornik Vserossijskoj (nacional'noj) nauchno-prakticheskoj konferencii, 2020. - S. 10-15.
7. Hololenko A.A. Issledovanie pnevmati-cheskogo separatora zerna s H-obraznym vozdushnym kanalom / A.A. Hololenko // Studencheskaja nauka ob aktual'nyh problemah i perspektivah innovacionnogo razvitija regional'nogo APK : materialy XVIII nauchno-prakticheskoj konferencii obuchajushhihsja 2019. -S. 44-49.
8. Tishaninov K.N. Osnovnye tendencii razvitija reshetnyh separatorov / K.N. Tishaninov // Povy-shenie jeffektivnosti ispol'zovanija resursov pri proiz-vodstve sel'skohozjajstvennoj produkcii - novye teh-nologii i tehnika novogo pokolenija dlja APK : sbornik nauchnyh dokladov XX Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, 2019. - S. 91-97.
9. Chernjakov A.V. Jeksperimental'noe issledovanie raboty dvuh cilindricheskih kachajushhihsja reshet s prodolgovatymi otverstijami, raspolozhennymi pod uglom k ploskosti ih dvizhenija / A.V. Chernjakov, V.S. Koval', A.V. Suhov // Omskij nauchnyj vestnik. - 2009. - № 2(80). - S. 152-155.
10. Mehanizacija rastenievodstva / V.V. Mjalo, O.V. Mjalo, E.V. Demchuk, A.S. Sojunov, D.A. Golo-vanov. - Omsk, 2016.
Koval' Vladimir Sergeevich, Cand. Techn. Sci., Ass. Prof., Tara branch of Omsk SAU, koval v.s@mail.ru; Chernyakov Alexej Vital'evich, Cand. Techn. Sci., Ass. Prof., Tara branch of Omsk SAU, chernyakovavforester@mail.ru; Shevchenko Anatoliy Pavlovich, Cand. Techn. Sci., Ass. Prof., Tara branch of Omsk SAU, ap.shevchenko@om-gau.org; Begunov Maxim Alekseevich, Cand. Techn. Sci., Ass. Prof., Tara branch of Omsk SAU, maksim-begunov@mail.ru.
