CC BY
19
ПРОЦЕССЫ И МАШИНЫ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ
DOI 10.24411/2307-2873-2020-10043 УДК 631.362
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ СЕМЯН
НА СОРТИРОВАЛЬНОМ БЫСТРОХОДНОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ
РЕШЕТЕ
В. Д. Галкин, д-р техн. наук, профессор;
A. Д. Галкин, д-р техн. наук;
B. А. Хандриков, канд. техн. наук;
C. Г. Масленников, аспирант, ФГБОУ ВО Пермский ГАТУ,
ул. Героев Хасана, 113, Пермь, Россия, 614025 Е-mail: [email protected]
Аннотация. Исследования проведены на экспериментальном цилиндрическом решете с неравномерным вращением диаметром 0,25 м длиной 0,94 м, изготовленным на кафедре сельскохозяйственных машин и оборудования инженерного факультета ФГБОУ ВО Пермский ГАТУ. Очистка решета проводилась неподвижной щеткой, а привод позволял осуществлять неравномерное вращение решета. Опыты проведены на семенах пшеницы сорта Екатерина, прошедших предварительную очистку и сушку. Среднее значение мелких примесей (сорных и зерновых), проходящих через отверстия продолговатой формы шириной 2 мм, составило 3,3%. Подача семян осуществлялась из отдельно стоящего бункера с регулируемым отверстием прямоугольной формы. Исследования проведены при настроечном значение подачи 500 кг/ч с использованием однофакторных опытов и опытов с применением методики двухфакторного эксперимента. В качестве факторов были выбраны угол наклона решета и величина эксцентриситета. Оценка работы решета - степень выделения мелких примесей. Опытами установлено, что максимальная степень выделения мелких примесей 74,2% достигнута при показателе кинематического режима работы решета 1,81, угле его наклона 4 градуса и эксцентриситете 10 мм, что превышает этот показатель для решета с равномерным вращением. При этом удельная производительность превысила 670 кг/ч* м2.
Ключевые слова: семена пшеницы, очистка, сортировальное цилиндрическое решето, неравномерное вращение, параметры, степень выделения примесей.
Введение. Разработкой и совершенствованием цилиндрических зерносепари-рующих устройств занимались и занимаются многие исследователи. Среди них значимый вклад в теорию и конструкцию этих рабочих органов внесли отечественные ученые: М. Н. Летошнев, М. Я. Резниченко, С. М. Григорьев, М. В. Киреев, Л. И. Еро-шенко, Р. Г. Муллаянов, А. С. Феофанова, Н. М. Иванов, В. А. Патрин, А. В. Якимов и другие. Существенный вклад в теорию движения частицы зернового материала по внутренней поверхности цилиндрического решета внесен учеными кафедры сельскохозяйственных машин Ленинградского сельскохозяйственного института (в настоящее время - Санкт-Петербургский ГАУ): М. Н. Летошневым, Р. Г. Муллаяновым, С. М. Григорьевым, М. В. Киреевым, Э. М. Лузановым, Л. И. Ерошенко и др. [1 -6]. Исследователями Ленинградской школы сепарации зерновых смесей проведен подробный анализ движения частицы для различных его видов, которое зависит от угла трения частицы по рабочей поверхности, от места подачи в решето и режима его работы. Авторами предложено общее решение дифференциального уравнения для определения угловой скорости частицы в цилиндре после подачи на разделяющую поверхность. На основе проведенных опытов, М. В. Киреев отмечает, что характер изменения абсолютной скорости зерна зависит от показателя кинематического режима цилиндра, а именно: при увеличении угловой скорости цилиндра, абсолютная скорость материала возрастает. Это связано с возрастанием количества энергии, передаваемой зерну. М. В. Киреев, сравнивая результаты экспериментальных исследований с расчет-
ными, отмечает, что величины абсолютных скоростей зерен различны. Недостатком теории, рассматривающей процесс движения слоя зерна в виде материальной точки, является то, что ее математический аппарат не позволяет предсказать характер перемещения зерна с увеличением удельной нагрузки.
В. А. Патриным [7], под руководством профессора Н. М. Иванова, разработана теория взаимодействия зернового материала с сепарирующими рабочими органами с позиции синергетики. Им совместно с П. А. Патриным предложено цилиндрическое решето с неподвижными лопатками для создания направленных траекторий потока зерна. Для увеличения площади взаимодействия зерна с рабочим органом А. А. Сухо-паров исследовал технологический процесс сепарации в цилиндрическом решете, имеющем внутри подвижный винтовой распределитель, что повысило удельную производительность решета [8]. С. Е. Захаров при проведении исследований сделал попытку разработки классификации цилиндрических решет с внутренней рабочей поверхностью, представленной в таблице 1.
Среди известных конструкций цилиндрических решет (табл. 1) [1-16], используемых для очистки зерна и семян, в настоящее время практическое применение нашли тихоходные решета без внутренних устройств, имеющие линейную окружную скорость 0,65-0,75 м/с при показателе кинематического режима решета меньше единицы. Удельная производительность при этих режимах находится в пределах 230-300 кг/ч*м2 [11, 17]. Эти решета выпускаются как в нашей стране, так и за рубежом [14-16, 18, 19].
Таблица 1
Классификация цилиндрических решет с внутренней рабочей поверхностью
Тихоходные решета Быстроходные решета
Без внутренних устройств
1. Цилиндрическое решето с горизонтальной осью вращения 2. Цилиндрическое решето с наклонной осью вращения 3. Коаксиально расположенные цилиндрические решета 1. Вращающиеся, с переменной угловой скоростью 2. Совершающие одновременно вращательные и колебательные движения (с горизонтальной, наклонной и вертикальной осью) 3. Совершающие одновременно движение вокруг двух параллельных осей
С внутренними устройствами
1. Вращающиеся вместе с решетом с прикрепленными лопатками, ковшами, другими приспособлениями 2. Вращающиеся независимо от решета для перемешивания обрабатываемого материала и его смещения в осевом направлении 3. Не совершающие движения (неподвижно закрепленные)
Достоинствами тихоходных решет без внутренних устройств являются простота конструкции, высокая надежность, вследствие отсутствия знакопеременных инерционных сил; упрощенный, закрепленный на раме в виде роликов и щеток механизм очистки отверстий решет вместо движущихся рамок со щетками, устанавливаемых в машинах с плоскими решетами; эти цилиндрические решета обеспечивают требуемое качество разделения компонентов зерновой смеси при использовании их как при предварительной, так и при основной очистке зерна и семян с заданной производительностью. Заслуживает внимания сепаратор зерна для отделения крупных и мелких примесей с коаксиально расположенными цилиндрическими решетами, вращающимися в разные стороны [13] (рис. 1). Однако сложность конструкции, в том числе привода и очистки внутреннего решета, сдерживают практическое применение машины.
Одним из направлений повышения удельной производительности цилиндрических решет является увеличение площади
сепарирующей поверхности, взаимодействующей с зерном. Эту задачу можно решить при режимах работы решета больших единицы. Значимые результаты в этом направление получены коллективом исследователей научной школы профессора Н. М. Иванова. При кинематических режимах работы решета 1,3-1,8, за счет распределения порций зерна по внутренней поверхности решета неподвижно установленными кольцами, удельная производительность решета, при достаточно высокой степени выделения примесей, повышается в два раза [10]. Несмотря на то, что известно быстроходное цилиндрическое решето без внутренних устройств, процесс сепарации в котором осуществляется путем относительного перемещения зерна по поверхности решета за счет неравномерного его вращения, в литературе не приводятся оценки его работы при изменении основных факторов.
В этой связи, целью исследований является оценка эффективности разделения семян на сортировальном быстроходном цилиндрическом решете с неравномерным вращением.
Рис. 1. Коаксиальнорасполо-женные цилиндрические решета: 1 - колосовое решето, 2 - подсевное и (или) сортировальное решето, 3 - участок решета для выделения мелких примесей, 4 - участок колосового решета для выделения крупных примесей.
Методика. Исследования проведены на оборудования ФГБОУ ВО Пермский ГАТУ.
лабораторной установке с цилиндрическим Схема установки представлена на рисунке
решетом диаметром 0,25 м длиной 0,94 м 2, а общий вид - на рисунке 3. кафедры сельскохозяйственных машин и
Рис. 2. Схема лабораторной установки: 1 - бункер с зерном; 2 - электродвигатель; 3 - цепь; 4 - цилиндрическое решето; 5 - рама; А - исходный материал; В - мелкие примеси менее 2 мм; С - очищенный материал
Рис. 3. Общий вид лабораторной установки с цилиндрическим решетом кафедры сельскохозяйственных машин и оборудования
Среднее значение засоренности зерна пшеницы сорта Екатерина мелкими примесями толщиной менее 2 мм, составило 3,3%.
Проведено две серии опытов при настроечном значении подачи зерна 500 кг/ч. Оценкой эффективности работы решета служила степень выделения мелких примесей на решете с отверстиями 2 х 20 мм. В первой из них оценивали работу цилиндрического решета, коэффициент кинематического режима которого составлял 0,7 (тихоходный режим). Во второй серии опытов проведен двухфакторный эксперимент при работе решета в быстроходном режиме с показателем его 1,81 при частоте вращения 114 мин-1 ,углах наклона решета 20, 30, 40 относительно горизонтальной оси, величинах эксцентриситета 0, 5, 10 мм. Опыты проводили в трехкратной повторности на решете с неравномерным (эксцентриситет 5, 10 мм) и и равномерном вращением решета.
Исследование проводили в следующей последовательности: устанавливали угол наклона оси вращения решета к горизонту и
эксцентриситет; после проверки расходной характеристики исходного материала, подаваемого из бункера, его заслонкой устанавливали подачу зерна 500 кг/ч; включали установку, открывали заслонку бункера и при установившемся режиме работы брали три пробы очищенного зерна; из проб выделяли три навески по 200 грамм, которые просеивали на решетном классификаторе с решетом с продолговатыми отверстиями 2 х 20 мм; производили взвешивание мелких примесей, оставшихся в сходовой фракции и вычисляли степень выделения по формуле:
З — З
^ = ^^ * 100%,
Зн
(1)
где Зн - начальная засоренность семян мелкими примесями, %;
Зк - засоренность очищенных семян мелкими примесями, %.
В ходе эксперимента изменяли угол наклона решета и эксцентриситет, численные значения которых помещены в таблице 2.
Таблица 2
Факторы и уровни их варьирования
Факторы Уровни варьирования Интервалы варьирования
нижний (-) основной (0) верхний (+)
Угла наклона решета (а), Х1 2 3 4 1
Эксцентриситет (г) мм, Х2 0 5 10 5
Результаты. Результаты первой серии опытов приведены в таблице 3.
Таблица 3
Степень выделения мелких примесей при работе цилиндрического решета
в тихоходном режиме
№ опыта Угол наклона решета Эксцентриситет, мм Средние значения засоренности сходовой фракции решета мелкими примесями (менее 2,0 мм) в опыте, % Степень выделения мелких примесей, %
1 4 0 1,7 48,4
2 4 0 1,9 42,4
3 4 0 1,8 45,4
Средние значения оценок 1,8 45,4
Из данных таблицы следует, что сред- Результаты второй серии опытов пред-
нее значение степени выделения мелких ставлены в таблице 4. примесей составляет 45,4 %.
Таблица 4
Матрица плана эксперимента и результаты опытов при быстроходном режиме работы цилиндрического решета
№ опыта Х1 Х2 Степень выделения мелких примесей, у %
1 2 3 Среднее значение
1 2 0 57,9 50,2 55,4 54,5
2 3 0 48,3 37,6 34,1 40,0
3 4 0 61,2 54,1 48,2 54,5
4 2 5 47,0 51,3 51,7 50,0
5 3 5 48,8 50,0 51,2 50,0
6 4 5 65,0 60,5 54,5 60,0
7 2 10 54,5 54,5 69,7 59,6
8 3 10 69,7 51,3 59,0 60,0
9 4 10 69,7 76,7 76,2 74,2
Полученные численные значения в ния примесей (у) с углом наклона решета
опытах обработали с применением про- (а) и эксцентриситетом (т). Уравнения
граммы STATGRAPHICS Plus, получив представлены в закодированном (2) и рас-
уравнения, связывающие степень выделе- кодированном (3) виде:
y = 47,42 + 4,03* х1 + 7,53* х2 + 8,87* х{+ 3,55* х1 * х2 + 3,87* х|
(2)
f = 122,106 - 2,17* а - 52,717* т +0,155* а 2 +0,71* а * т +8,87* т
(3)
Степень адекватности моделей состав- Поверхность отклика представлена на
ляет 94,94 %. рисунке 4.
Рис. 4. Поверхность отклика для степени выделения мелких примесей
2
Из опытов следует, что среднее значение степени выделения примесей при работе решета в быстроходном режиме при неравномерном вращении, по сравнению с равномерным, увеличивается и составляет 74,2%.
Вывод. Опытами установлено, что степень выделения мелких примесей при рабо-
те цилиндрического решета с неравномерным вращением в быстроходном режиме (К= 1,81) составила 74,2 % при эксцентриситете - 10 мм, угле наклона решета 4°, что превышает этот показатель для решета с равномерным вращением. При этом удельная производительность превысила 670 кг/ч* м2.
Литература
1. Григорьев С. М., Киреев М. В., Муллаянов Р. Г. Графоаналитическое исследование движения точки по внутренней поверхности вращающегося цилиндра // Записки Ленинградского с. -х. ин-та. 1959. Т. XIV. Вып. 76. С. 30-48.
2. Ерошенко Л. И. Изыскание и исследование высокопроизводительных решет для очистки зерна на зерноочистительносушильных комплексах: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ленинград, 1974. 24 с.
3. Киреев М. В. Исследование процессов очистки и сортирования семян по внутренней поверхности быстровращающегося: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ленинград: Ленинград. с.-х. ин-т, 1962. 17 с.
4. Летошнев М. Н. О движении с постоянным скольжением по фрикционной поверхности горизонтально расположенного вращающегося цилиндра // Сб. трудов по земледельческой механике. М. - Л.: Сель-хозиздат, 1961. Т. IV. С. 315-347.
5. Муллаянов Р. Г. К анализу работы быстроходного цилиндрического решета // Записки Ленинградского с.-х. ин-та. 1958. Т. XIII. С. 84-88.
6. Феофанова А. С., Ерошенко Л. И. Анализ процесса сепарации на быстроходном цилиндрическом решете // Записки Ленинградского с. -х. ин-та. 1974. Т. 231. С. 32-37.
7. Патрин В. А. Разработка теории взаимодействия обрабатываемого зерна с рабочими органами зерноочистительных машин с позиции синергетики: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Новосибирск, 2015. 38 с.
8. Сухопаров А. А. Параметры и режимы работы цилиндрического решета с винтовым распределителем для предварительной очистки зерна: дис. ... канд. техн. наук. Новосибирск, 2014. 160 с.
9. Захаров С. Е. Параметры и режимы работы горизонтального цилиндрического решета с планетарным вращением: дис. ... канд. техн. наук. Новосибирск, 2020. 156 с.
10. Крум В. А. Интенсификация процесса сепарации горизонтальным цилиндрическим решетом с авторезонансным режимом движения обрабатываемого зерна: дис. ... канд. техн. наук. Новосибирск, 2020. 171 с.
11. Долгов И. А. Расчет рабочих органов уборочных машин: учебное пособие. Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2013. 560 с.
12. Резниченко М. Я. Цилиндрические барабаны зерноочистительных машин. Москва: Машиностроение, 1964. 216 с.
13. Якимов А. В. Повышение эффективности функционирования сепаратора зернового материала путем совершенствования технологического процесса и параметров цилиндрических решет: дис. ... канд. техн. наук. Киров, 2017. 169 с.
14. Model 51A Rotery grain cleaner owner's and operator's manual. Nebraska Engineering Co., 1990. 35 р.
15. Seed cleaner scores 100% buy again rating // Farming Ahead. August 2009. No. 211.
16. Trufab. Grain Bins with Additional In-Cab Controls // Power Farming. 2010. Vol. 120. Ш. 4. Pр. 47.
17. Бурков А. И., Сычугов Н. П. Зерноочистительные машины. Конструкция, исследование, расчет и испытание. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2000. 261 с.
18. Галкин В. Д., Галкин A. Д., Хандриков B. А., Басалгин C. Е. Моделирование процессов послеуборочной обработки зерна и семян и технологии их подготовки // Пермский аграрный вестник. 2018. № 3 (23). С. 19-29.
19. Галкин А. Д., Галкин В. Д. Машины и оборудование послеуборочной обработки зерна и подготовки семян из влажного комбайнового вороха: рекомендации. Пермь: ИПЦ «Прокростъ», 2020. 47 с.
EFFICIENCY ASSESSMENT OF SEED SEPARATION
BY SORTING HIGH-SPEED CYLINDRICAL SIEVE
V. D. Galkin, Dr. Techn. Sci., Professor; A. D. Galkin, Dr. Techn. Sci.; V. A. Khandrikov, Cand. Techn. Sci.; S. G. Maslennikov, Graduate Student, Perm State Agro-Technological University 113, Geroev Khasana St., Perm, Russia, 614025 E-mail: [email protected]
ABSTRACT
The research was carried out on an experimental cylindrical screen with an uneven rotation with a diameter of 0.25 m and a length of 0.94 m at the Department of Agricultural Machinery and Equipment of the Engineering Faculty of the Perm State Agro-Technological University. Cleaning of the screen was carried out with a fixed brush, and the drive allowed for uneven rotation of the screen. The experiments were carried out on Yekaterina wheat seeds, which were pre-cleaned and dried. The average value of fine impurities (weeds and cereals) passing through holes of oblong shape with width of 2 mm was 3.3%. The seeds were fed from a separate hopper with an adjustable rectangular hole. The studies were carried out at a tuned supply value of 500 kg/h using single-factor experiments and experiments using a two-factor experiment technique. The angle of inclination of the sieve and the amount of eccentricity were chosen as factors. The evaluation of the operation of the sieve was conducted on the degree of release of small impurities. The experiments found that the maximum degree of extraction of fine impurities of 74.2% was achieved with an indicator of kinematic mode of operation of the sieve 1.81, its inclination angle of 4 degrees and eccentricity of 10 mm, which exceeds this indicator for a sieve with uniform rotation. At the same time, the specific productivity exceeded 670 kg/h * m2. Key words: wheat seeds, cleaning, sorting cylindrical screen, non-uniform rotation, parameters, degree of impurities extraction.
References
1. Grigor'ev S. M., Kireev M. V., Mullayanov R. G. Grafoanaliticheskoe issledovanie dvizheniya tochki po vnutrennei poverkhnosti vrashchayushchegosya tsilindra (Graphoanalytic study of point motion on inner surface of rotating cylinder), Zapiski Leningradskii s.-kh. in-t, 1959, T. XIV, Vyp. 76, pp. 30-48.
2. Eroshenko L. I. Izyskanie i issledovanie vysokoproizvoditel'nykh reshet dlya ochistki zerna na zernoochis-titel'nosushil'nykh kompleksakh (Survey and research of high-performance grain cleaning solutions in grain cleaning and drying complexes), avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk, Leningrad, 1974, 24 p.
3. Kireev M. V. Issledovanie protsessov ochistki i sortirovaniya semyan po vnutrennei poverkhnosti bystrov-rashchayushchegosya (Study of seed cleaning and sorting processes on the inner surface of fast-growing), avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk, Leningrad, Leningrad. s.-kh. in-t, 1962, 17 p.
4. Letoshnev M. N. O dvizhenii s postoyannym skol'zheniem po friktsionnoi poverkhnosti gorizontal'no raspolozhennogo vrashchayushchegosya tsilindra (On movement with constant sliding along friction surface of horizontally located rotating cylinder), Sb. trudov po zemledel'cheskoi mekhanike, M. - L., Sel'khozizdat, 1961, T. IV, pp. 315-347.
5. Mullayanov R. G. K analizu raboty bystrokhodnogo tsilindricheskogo resheta (To analyze the operation of the high-speed cylindrical sieve), Zapiski Leningradskogo s.-kh. in-ta, 1958, T. XIII, pp. 84-88.
6. Feofanova A. S., Eroshenko L. I. Analiz protsessa separatsii na bystrokhodnom tsilindricheskom reshete (Analysis of separation process on high-speed cylindrical screen), Zapiski Leningradskogo s.-kh. in-ta, 1974, T. 231, pp. 32-37.
7. Patrin V. A. Razrabotka teorii vzaimodeistviya obrabatyvaemogo zerna s rabochimi organami zernoochis-titel'nykh mashin s pozitsii sinergetiki (Development of the theory of interaction of processed grain with working bodies of grain cleaning machines from the point of view of synergy), avtoref. dis. ... d-ra tekhn. nauk, Novosibirsk, 2015, 38 p.
8. Sukhoparov A. A. Parametry i rezhimy raboty tsilindricheskogo resheta s vintovym raspredelitelem dlya predvaritel'noi ochistki zerna (Parameters and operation modes of cylindrical screen with screw distributor for preliminary grain cleaning), dis. ... kand. tekhn. nauk, Novosibirsk, 2014, 160 p.
9. Zakharov S. E. Parametry i rezhimy raboty gorizontal'nogo tsilindricheskogo resheta s planetarnym vrash-cheniem (Parameters and operating modes of horizontal cylindrical sieve with planetary rotation), dis. ... kand. tekhn. nauk, Novosibirsk, 2020, 156 p.
10. Krum V. A. Intensifikatsiya protsessa separatsii gorizontal'nym tsilindricheskim reshetom s avtore-zonansnym rezhimom dvizheniya obrabatyvaemogo zerna (Intensification of separation process by horizontal cylindrical sieve with autoresonance mode of processed grain movement), dis. ... kand. tekhn. nauk, Novosibirsk, 2020, 171 p.
11. Dolgov I. A. Raschet rabochikh organov uborochnykh mashin (Calculation of working tools of harvesting machines), uchebnoe posobie, Zernograd, FGBOU VPO AChGAA, 2013, 560 p.
12. Reznichenko M. Ya. Tsilindricheskie barabany zernoochistitel'nykh mashin (Cylindrical drums of grain cleaning machines), Moskva, Mashinostroenie, 1964, 216 p.
13. Yakimov A. V. Povyshenie effektivnosti funktsionirovaniya separatora zernovogo materiala putem sovershenstvovaniya tekhnologicheskogo protsessa i parametrov tsilindricheskikh reshet (Improving the efficiency of the grain separator by improving the process and parameters of cylindrical grids), dis. ... kand. tekhn. nauk, Kirov, 2017, 169 p.
14. Model 51A Rotery grain cleaner owner's and operator's manual, Nebraska Engine ering Co., 1990, 35 p.
15. Seed cleaner scores 100% buy again rating, Farming Ahead, August 2009, No. 211.
16. Trufab. Grain Bins with Additional In-Cab Controls, Power Farming, 2010, Vol. 120, No. 4, pp. 47.
17. Burkov A. I., Sychugov N. P. Zernoochistitel'nye mashiny. Konstruktsiya, issledovanie, raschet i ispytanie (Grain cleaning machines. Design, study, calculation and test), Kirov, NIISKh Severo-Vostoka, 2000, 261 p.
18. Galkin V. D., Galkin A. D., Khandrikov B. A., Basalgin C. E. Modelirovanie protsessov posleuborochnoi obrabotki zerna i semyan i tekhnologii ikh podgotovki (Modeling of post-harvest grain and seed processing processes and technology of their preparation), Permskii agrarnyi vestnik, 2018, N o. 3 (23), pp. 19-29.
19. Galkin A. D., Galkin V. D. Mashiny i oborudovanie posleuborochnoi obrabotki zerna i podgotovki semyan iz vlazhnogo kombainovogo vorokha (Machines and equipment for post-harvest processing of grain and preparation of seeds from wet harvester), rekomendatsii, Perm', IPTs «Prokrost"», 2020, 47 p.
