CC BY
19
6. Keruchenko L.S. Improvement of antiwear properties of diesel fuels by compounding with additive based on tall and linseed oil / L.S. Keruchenko, R.V. Damanskiy. - Text : direct // International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT). - ISSN: 2249-8958, 2019. Volume-8 Issue-5.
7. Дерягин Б.В. Коагуляция коллоидов / Б.В. Де-рягин. - Текст : непосредственный // Известия АН СССР. - Москва, 1937. - Серия химия. 5 11-16.
8. Material and technical support of the enterprises of the agro-industrial complex of the Omsk region management and certification of the technical component of the production processes in crop production / O.V. Myalo, S.P. Prokopov, V.V. Myalo et al. -Text : electron / IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2019. 282 - URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/582/ 1/012028/.
9. Redreev G. V. Ensuring Machine and Tractor Aggregates Operability / G.V. Redreev. - Text : direct // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016. 1(45) DOI: 10.1088/1757-899X/ 142/1/012085.
10. Ivanov И.М. Technique of agro-industrial complex - quality service / N.M. Ivanov, A.E. Nemtsev, V.V. Korotkikh. - Text : direct // Achievements of Science and Technology of the Agrarian and Industrial Complex V, 2016 30. (4). -Рр. 81-82.
Мяло Ольга Владимировна, канд. техн. наук, доц., Омский ГАУ, ov.myalo@omgau.org; Мяло Владимир Викторович, канд. техн. наук, доц., Омский ГАУ, vv.myalo@omgau.org; Демчук Евгений Владимирович, канд. техн. наук, доц., Омский ГАУ, ev.demchuk@omgau.org.
6. Keruchenko L.S. Improvement of antiwear properties of diesel fuels by compounding with additive based on tall and linseed oil / L.S. Keruchenko, R.V. Damanskiy. - Text : direct // International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT). - ISSN: 2249-8958, 2019. Volume-8 Issue-5.
7. Deryagin B.V. Koagulyaciya kolloidov / B.V. Deryagin. - Tekst : neposredstvennyj // Izvestiya AN SSSR. - Moskva, 1937. - Seriya himiya. 5 11-16.
8. Material and technical support of the enterprises of the agro-industrial complex of the Omsk region management and certification of the technical component of the production processes in crop production / O.V. Myalo, S.P. Prokopov, V.V. Myalo et al. -Text : electron / IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2019. 282 - URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/582/ 1/012028/.
9. Redreev G.V. Ensuring Machine and Tractor Aggregates Operability / G.V. Redreev. - Text : direct // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016. 1(45) DOI: 10.1088/1757-899X/ 142/1/012085.
10. Ivanov N^. Technique of agro-industrial complex - quality service / N.M. Ivanov, A.E. Nemtsev, V.V. Korotkikh. - Text : direct // Achievements of Science and Technology of the Agrarian and Industrial Complex V, 2016 30. (4). -Pp. 81-82.
Myalo Olga Vladimirovna, Cand. of Techn. Sci., Ass. Prof., Omsk SAU, ov.myalo@omgau.org; Myalo Vladimir Viktorovich, Cand. of Techn. Sci., Ass. Prof., Omsk SAU, vv.myalo@omgau.org; Dem-chuk Evgenij Vladimirovich, Cand. of Techn. Sci., Ass. Prof., Omsk SAU, ls.keruchenko@omgau.org.
УДК 631.331 DOI 10.48136/2222-0364_2021_3_145
А.В. ЧЕРНЯКОВ, ВС. КОВАЛЬ, М.А. БЕГУНОВ, А.В. ЕВЧЕНКО
Тарский филиал Омского государственного аграрного университета им. П.А. Столыпина, Тара
ИССЛЕДОВАНИЕ СЕПАРАТОРА С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ ВОЗДУШНЫМ ПОТОКОМ
Представлено исследование движения частиц зернового вороха по цилиндрической поверхности сепаратора. При производстве зерновых культур послеуборочная обработка является одной из наиболее ответственных и энергоемких операций. Машины, агрегаты и комплексы для послеуборочной обработки
© Черняков А.В., Коваль В.С., Бегунов М.А., Евченко А.В., 2021
зерна, находящиеся на вооружении хозяйств, как правило, изношены, и их производительность зачастую не устраивает сельхозтоваропроизводителей. Большинство эксплуатируемых в настоящее время машин воздушно-решетного типа, главным органом является решетная часть, а дополнительным - пневмоси-стема. Применение пневматических сепараторов - наиболее распространенный прием предварительной очистки зернового вороха. Результаты исследований многих ученых показывают, что более половины примесей, содержащихся в исходном зерновом материале, можно выделить воздушным потоком. Целью написания статьи является определение зависимости движения частиц зернового вороха по цилиндрической поверхности пневматического центробежного сепаратора с горизонтальным воздушным потоком, а также определение принадлежности сепаратора к группе зерноочистительных машин. Обоснована актуальность послеуборочной обработки зерна в агропромышленном комплексе, а также предложена конструкция центробежного пневматического сепаратора с горизонтальным воздушным потоком и описан процесс его работы. Центробежный пневматический сепаратор представляет собой техническое устройство, принцип действия которого основан на разделении частиц зернового вороха по таким признакам, как масса, удельное сопротивление воздушному потоку и форма поверхности. В ходе проведения исследований была получена математическая модель движения частицы зернового вороха по цилиндрической поверхности сепаратора. Применяя полученную математическую зависимость, возможно описать траекторию движения частиц зернового вороха различного фракционного состава. По опытным данным выявлено, что экспериментальный сепаратор с горизонтальным воздушным потоком относится к зероноочистительным машинам первичной очистки.
Ключевые слова: зерноочистка, сепаратор, воздушный поток, зерновой ворох.
Введение
При производстве зерновых культур послеуборочная обработка является одной из наиболее ответственных и энергоемких операций. Машины, агрегаты и комплексы для послеуборочной обработки зерна, находящиеся на вооружении хозяйств, как правило, зношены, и их производительность зачастую не устраивает сельхозтоваропроизводителей [1].
Большинство эксплуатируемых в настоящее время машин воздушно-решетного типа, главным органом которых является решетная часть, а дополнительным - пневмо-система [2].
Применение пневматических сепараторов - наиболее распространенный прием предварительной очистки зернового вороха [3]. Более половины примесей, содержащихся в исходном зерновом материале, можно выделить воздушным потоком [4].
Сегодня существует множество различных сепараторов для очистки зернового вороха. По результатам теоретических и практических исследований можно отметить, что для сортировки зернового вороха применение пневматических сепараторов положительно отражается на качественных и количественных показателях очистки, а повышение таких показателей является весьма актуальным вопросом [5]. Пневматические сепараторы имеют более простую конструкцию, что, несомненно, снижает их стоимость. Однако повышение качественных и количественных показателей невозможно без проведения теоретических исследований [6].
Выяснено, что для сортировки зерна по массе применение центробежных сепараторов является весьма целесообразным [7].
При разработке сепаратора были проанализированы особенности различных существующих конструкций. Центробежный пневматический сепаратор с горизонтальным воздушным потоком представляет собой техническое устройство, принцип действия которого основан на разделении частиц зернового вороха по таким признакам, как масса, удельное сопротивление воздушному потоку и форма поверхности.
Цели исследования - определить зависимость движения частиц зернового вороха по цилиндрической поверхности пневматического центробежного сепаратора с горизонтальным воздушным потоком, а также определить, к какой группе зерноочистительных машин относится сепаратор [8].
Задачи исследования:
- на основе анализа технических решений предложить схему конструкции сепаратора;
- описать процесс работы сепаратора;
- определить силы, действующие на частицы зернового вороха, при движении в горизонтальном воздушном потоке сепаратора;
- получить математическую модель движения частицы зернового вороха по цилиндрической поверхности сепаратора зерна с центробежным горизонтальным воздушным потоком;
- провести экспериментальные исследования сепаратора по определению потерь и полноты разделения.
Основная часть
Основной рабочий орган сепаратора (корпус 1) располагается в горизонтальной плоскости. В поперечной плоскости располагаются приемные отсеки 2 и бункер 3. В качестве источника движущей силы используется центробежный (тангенциальный) вентилятор 4. Предлагаемое техническое устройство работает следующим образом. Центробежный вентилятор создает закрученный воздушный поток (вихрь). Зерно, поступая из бункера, начинает свое движение под действием собственного веса и вихревого потока, который раскручивает лопасти бункера. Далее, под действием центробежной силы зерновая фракция двигается по периферии цилиндра, тяжелая располагается ближе к наружной стенке, чем легкая. Разделяясь на слои, зерно поступает на приемные отсеки, откуда каждый слой поступает в свой фракционный лоток, как показано на рис. 1.
1 2 3
Мелкие примеси
Крупные примеси Очищенное зерно Зерновой ворох Воздушный поток
Рис. 1. Схема центробежного сепаратора с горизонтальным воздушным потоком: 1 - корпус сепаратора; 2 - приемные отсеки; 3 - бункер; 4 - центробежный вентилятор;
5 - фракционный разделитель
Схема фракционного разделителя представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема фракционного разделителя: 1 - легкие примеси; 2 - очищенное зерно; 3 - тяжелые примеси
Схема движения зернового материала представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема движения зернового материала: 1 - легкие примеси; 2 - тяжелые примеси;
3 - поток зернового материала; 4 - разделение зернового материала на фракции;
5 - приемки разделенного материала
Для наиболее полного разделения приемные лотки имеют возможность перемещаться и фиксироваться в плоскости, перпендикулярной воздушному потоку. Заслонки фиксируются, что позволяет изменять угол приемника, увеличивая или уменьшая приемное отверстие.
Результаты исследования
Для описания процесса движения частицы по поверхности корпуса используются обобщенные криволинейные Гауссовы координаты - долгота u (угол вдоль параллели) и широта v (расстояние вдоль меридианы) (рис. 4).
Рис. 4. Расчетная схема сил частицы, движущейся по цилиндрической поверхности
Уравнение поверхности в пространстве в общем виде выглядит следующим образом [9]:
r(u, v) = (fi О, v), ./2 (u v), f3 О, V» . (1)
Также данное уравнение можно представить в виде системы уравнений:
'х = v)
'У = /2(u, v), (2)
z = /3(u, v).
2 2 2
Для тел, имеющих цилиндрическую поверхность, х + y = R . Параметрическое уравнение можно записать в следующем виде:
х = R ■ sin u,
< y = R ■ cos u, (3)
z = V.
Преобразовав выражение (2), с учетом системы уравнений (3), параметрическое уравнение поверхности примет вид:
r(u, v) = (R ■ sin u, R ■ cos u, V). (4)
Воспользуемся системой уравнений Лагранжа для составления уравнения движения частицы по конической поверхности [10]. Число уравнений будет равно числу степеней свободы:
d_fdT__q
dt \du ) du U'
d_ Í5T_ ЛТ-q
dt l dv ) dv V'
(5)
где Т = Т(и, и, V, и ) - кинетическая энергия механической системы, выраженная через обобщенные координаты и, и и их производные V, и .
Qu и Qv - обобщенные силы, соответствующие обобщенным координатам. В уравнениях Лагранжа левая часть определяется через функцию кинетической энергии Т.
Для отдельно взятой точки кинетическая энергия равна:
т. (6)
2
Для нахождения кинетической энергии необходимо найти скорость точки в определенный момент времени:
V = (Х, у, z), (7)
в таком случае
V2 = x2 + у2 + z2.
Таким образом, квадрат скорости равен сумме квадратов производных всех координат точки. А так как
x = R • sin u, < у = R • cos u, z = V
то получаем:
V
— dr / . \
V = — = (R cos u • u, R sin u, v), dt
= (R cos u • u )2 +(- R sin u • u)2 +v2 =
• 2
= R 2u2 + v2 + ^ = v2 k2
1 + -L| + v 2u2
В результате выражение (6) примет вид:
Т = т .[R2й2 + V2 ] 2 1
При нахождении частных производных получим:
дТ = о,
ди
дТ 2— = mR и,
дИ
d (дТЛ 2— I = mR и,
ди I
dt
eT = о,
dv
ет
ev d (ет
= mv,
dt
ev
= mv.
Дифференциальные уравнения (5) приобретают вид:
I m • R 2ii = QU
(8)
(9)
[ т ■ V = Qv.
Обобщенные силы вычисляются как коэффициенты в выражениях для элементарных работ всех сил на возможных перемещениях ¿и и ¿V. Для определения обобщенной силы механической системе дается такое возможное перемещение, при котором одна координата получает положительное приращение, а остальные координаты остаются без изменения (принцип «замораживания»).
2
V
Полагаем аэродинамическую силу достаточно большой, так что в выражении для обобщенных сил QU и QV влиянием остальных физических сил пренебрегаем. Приближенно считаем, что на каждой «параллели» корпуса угол (а) воздушного потока к параллели будет иметь значение для всех точек параллели. Таким образом, для полной характеристики воздушного потока достаточно знать закон изменения этого угла от параллели к параллели, то есть как функцию координаты и.
Чтобы вычислить обобщенную силу Qv, используем метод замораживания, принимая u = const. Даем бесконечно малое возможное перемещение по координате ü (в виде óv): _
SA = Fa• Svcos(90 — а) = FaSvsina = (Fasina)Sv, то Qv = Fasina,
аналогично:
SA = (FacosaR)Su.
Уравнение движения (9) примет следующий вид:
\m-R н>; F-maR [m • v = ; sin a,
где Fa = kAV2, a = a(v); v2 = R2u2 + v2.
Тогда
\m • R • U = kAcosa(v)\R2 • U2 + v2 L
a 2 2 2i (n)
:• v = kAsin a(v)[R • U i v2 ]
Выражение (11) представляет собой математическую модель движения частицы по цилиндрической поверхности сепаратора с горизонтальным воздушным потоком.
После изготовления экспериментального образца сепаратора были проведены опыты по определению полноты разделения и потерь основной культуры в зависимости от подачи зернового вороха, на основании чего были построены графики зависимостей (рис. 5, 6).
(10)
Рис. 5. Зависимость полноты разделения от величины подачи зернового вороха
Полнота разделения различна для каждого вида зерноочистительных машин. Так, для машин предварительной очистки е = 50%, для машин первичной очистки е = 60%, для машин вторичной и специальной очистки е = 80%. Можно сделать вывод, что ис-
следуемый сепаратор относится к группе машин предварительной очистки. При увеличении подачи зернового материала уменьшается полнота разделения зерна на фракции.
Рис. 6. Зависимость потерь основной культуры от величины подачи
зернового вороха
На рис. 6 видно, что потери полноценного зерна в режиме средней подачи зернового вороха составили 0,4-1%, что характерно для машин предварительной очистки.
Выводы
В ходе исследования была обоснована актуальность вопроса послеуборочной обработки зерна в современном сельском хозяйстве. Предложена конструкция центробежного пневматического сепаратора с горизонтальным воздушным потоком, и описан процесс его работы. Данная конструкция позволяет бережно осуществлять процесс очистки зерна без возможного его травмирования.
Получена математическая модель движения частицы зернового вороха по цилиндрической поверхности сепаратора зерна с центробежным горизонтальным воздушным потоком. Используя полученную математическую модель, возможно описать траекторию движения частиц зернового вороха различного фракционного состава.
После проведения экспериментальных исследований по определению потерь и полноты разделения было выявлено, что данный сепаратор с горизонтальным воздушным потоком относится к группе зерноочистительных машин предварительной очистки.
A.V. Chernyakov, V.S. Koval, M.A. Begunov, A.V. Evchenko
Tarsky branch of the Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Tara Investigation of a horizontal air flow separator
The article is devoted to the study of the movement of grain heap particles on the cylindrical surface of the separator. In the production of grain crops, post-harvest processing is one of the most responsible and energy-intensive operations. Machines, aggregates and complexes for post-harvest processing of grain, which are in service with farms, are worn out, and their productivity often does not suit agricultural producers. Most of the machines currently in operation are of the air-grid type, the main organ of which is the grid part, and the additional one is the pneumatic system. The use of pneumatic separators is the most common technique for pre-cleaning grain piles. The research results of many scientists show that more than half of the impurities contained in the initial grain material can be isolated by air flow. The purpose of the article is to determine the dependence of the movement of grain heap particles on the cylindrical surface of a pneumatic centrifugal separator with a
horizontal air flow, as well as to determine whether the separator belongs to the group of grain cleaning machines. This article substantiates the relevance of post-harvest grain processing in the agro-industrial complex, as well as the design of a centrifugal pneumatic separator with a horizontal air flow and describes the process of its operation. A centrifugal pneumatic separator with a horizontal air flow is a technical device, the principle of operation of which is based on the separation of individual particles of a grain heap according to such characteristics as mass, specific resistance to air flow and surface shape. In the course of conducting research, a mathematical model of the motion of a grain heap particle along the cylindrical surface of a grain separator with a centrifugal horizontal air flow was obtained. Applying the obtained mathematical dependence, it is possible to describe the trajectory of the grain heap particles of different fractional composition. According to the results of the experimental data, it was revealed that the experimental separator with a horizontal air flow belongs to the primary grain cleaning machines.
Keywords: grain cleaning, separator, air flow, grain heap.
Список литературы
1. V. Koval, A. Chernyakov, A. Shevchenko, M. Begunov, E. Demchuk. 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 зерна / А.В. Авдеев. - Текст : непосредственный // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2002. - № 6. - С. 20-22.
3. Евтягин В.Ф. Связь экспериментальных и теоретических показателей работы решета / В.Ф. Евтягин. - Текст : непосредственный // Сборник научных трудов / Омский сельскохозяйственный институт. - Омск, 1992. - С. 45-48.
4. Головин А.Ю. Модернизация решетного стана зерноочистительной машины / А.Ю. Головин. - Текст : непосредственный // Перспективы технического сервиса для предприятий АПК : материалы Региональной научно-практической конференции, посвященной 95-летию 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, А.С. Союнов. -Текст : непосредственный // Вестник Омского государственного аграрного университета. - 2017. -№ 4(28). - С. 204-210.
6. Ахметов С.Г. Сравнительный анализ технических характеристик машин для очистки зерна / С.Г. Ахметов, А.С. Отто, Д.Ж. Садбеков, Е.В. Демчук. - Текст : непосредственный // Роль научно-исследовательской работы обучающихся в развитии АПК : сборник Всероссийской (национальной) научно-практической конференции. -Омск, 2020. - С. 10-15.
7. Хололенко А.А. Исследование пневматического сепаратора зерна с Х-образным воздушным каналом / А.А. Хололенко. - Текст : непосредственный // Студенческая наука об актуальных проблемах и перспективах инновационного развития регионального АПК : материалы XVIII научно-практической конференции обучающихся. - Омск, 2019. - С. 44-49.
References
1. V. Koval, A. Chernyakov, A. Shevchenko, M. Begunov, E. Demchuk. Determination of Separator Constructive Parameters, IOP Conference Series : Materials Science and Engineering, Volume 582, Number 1.
2. Avdeev A.V. Sovremennyj tekhnicheskij uroven' mashin dlya posleuborochnoj obrabotki zerna / A.V. Avdeev. - Tekst : neposredstvennyj // Mekhani-zaciya i elektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. - 2002. -№ 6. - S. 20-22.
3. Evtyagin V.F. Svyaz' eksperimental'nyh i teoreticheskih pokazatelej raboty resheta / V.F. Evtya-gin. - Tekst : neposredstvennyj // Sbornik nauchnyh trudov / Omskij sel'skohozyajstvennyj institut. -Omsk, 1992. - S. 45-48.
4. Golovin A.Yu. Modernizaciya reshetnogo stana zernoochistitel'noj mashiny / A.Yu. Golovin. -Tekst : neposredstvennyj // Perspektivy tekhnichesko-go servisa dlya predpriyatij APK : materialy Region-al'noj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyash-chennoj 95-letiyu FGBOU VPO OmGAU im. P.A. Sto-lypina. - Omsk, 2013. - S. 4-5.
5. Golovin A.Yu. Traektoriya dvizheniya zer-novki po reshetu, sovershayushchemu krugovye dviz-heniya / A.Yu. Golovin, U.K. Sabiev, A.S. Soyunov. -Tekst : neposredstvennyj // Vestnik Omskogo gosu-darstvennogo agrarnogo universiteta. - 2017. -№ 4(28). - S. 204-210.
6. Ahmetov S.G. Cravnitel'nyj analiz tekhni-cheskih harakteristik mashin dlya ochistki zerna / S.G. Ahmetov, A.S. Otto, D.Zh. Sadbekov, E.V. Demchuk. - Tekst : neposredstvennyj // Rol' nauchno-issledovatel'skoj raboty obuchayushchihsya v razvitii APK : sbornik Vserossijskoj (nacional'noj) nauchno-prakticheskoj konferencii. - Omsk, 2020. - S. 10-15.
7. Hololenko A.A. Issledovanie pnevmati-cheskogo separatora zerna s H-obraznym vozdushnym kanalom / A.A. Hololenko. - Tekst : neposredstvennyj // Studencheskaya nauka ob aktual'nyh problemah i perspektivah innovacionnogo razvitiya regional'nogo APK : materialy XVIII nauchno-prakticheskoj konferencii obuchayushchihsya. - Omsk, 2019. - S. 44-49.
8. Tishaninov K.N. Osnovnye tendencii razvitiya reshetnyh separatorov / K.N. Tishaninov. - Tekst :
8. Тишанинов К.Н. Основные тенденции развития решетных сепараторов / К.Н. Тишанинов. -Текст : непосредственный // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для АПК : сборник научных докладов XX Международной научно-практической конференции. - Омск, 2019. -С. 91-97.
9. Исследование кольцевой подачи зерна на коническую поверхность / А.В. Черняков, А.П. Шевченко, В.С. Коваль [и др.]. - Текст : непосредственный // Омский научный вестник. - 2009. -№ 2(80). - С. 152-155.
neposredstvennyj // Povyshenie effektivnosti ро1^оуатуа resursov рп proizvodstve seГskoho-zyajstvennoj produkcii - novye tekhnologii i tekhnika novogo рококшуа dlya АРК : sbomik nauchnyh dok-ladov XX Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. - Omsk, 2019. - S. 91-97.
9. Issledovanie kol'cevoj podachi zema т nicheskuyu poverhnost' / А^. Chemyakov, А.Р. Shevchenko, V.S. Koval [i dr.]. - Tekst : шро-sredstvennyj // Omskij nauchnyj vestnik. - 2009. -№ 2(80). - S. 152-155.
Черняков Алексей Витальевич, канд. техн. наук, доц., ТФ Омского ГАУ, av.chernyakov@ omgau.org; Коваль Владимир Сергеевич, канд. техн. наук, доц., ТФ Омского ГАУ, koval_v.s@ mail.ru; Бегунов Максим Алексеевич, канд. техн. наук, доц., ТФ Омского ГАУ, maksim-begunov@ mail.ru; Евченко Анатолий Викторович, канд. техн. наук, доц., ТФ Омского ГАУ, av.evchenko@ omgau.org.
Chemyakov Alexey Vitalievich, Cand. of ТесИл. Sci., Ass. Prof., TF Omsk SАU, av.chernyakov@ om-gau.org; Koval Vladimir Sergeevich, Cand. of Techл. Sci., Ass. Prof., TF Omsk SАU, koval_v.s@mail.ru; Begunov Maxim Alekseevich, Cand. of Techл. Sci., Ass. Prof., TF Omsk SАU, maksim-beguлov@mail.ru; Evchenko Anatoly Viktorovich, Caлd. of Techл. Sci., Ass. Prof., TF Omsk SАU, av.evchenko@ omgau.org.
