CC BY
14
ПРОЦЕССЫ И МАШИНЫ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ
Научная статья УДК 631.362
doi: 10.47737/2307-2873_2022_37_4
ПАРАМЕТРЫ И РЕЖИМЫ ОЧИСТКИ СЕМЯН ПШЕНИЦЫ ОТ ОВСЮГА НА ВИБРОПНЕВМОСЕПАРАТОРЕ С УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ДЕКОЙ
© 2022. Василий Дмитриевич Галкин1н, Виктор Анатольевич Хандриков2, Андрей Федорович Федосеев3, Михаил Сергеевич Накаряков4, Дарья Алексеевна Шихова5,
1 2, з, 4, 5Пермский государственный аграрно-технологический университет, Пермь, Россия '[email protected]
Аннотация. Опыты проведены на кафедре сельскохозяйственных машин и оборудования инженерного факультета ФГБОУ ВО Пермский ГАТУ на экспериментальной установке для исследования процесса разделения компонентов под действием вибрации и воздушного потока. В опытах использовали семена пшеницы урожая 2021 года. Средние значения характеристик семян и примесей составляли: влажность - 13,8%, натура - 804 г/дм3, относительное содержание овсюга - 100 шт./кг с натурой 424 г/дм3. Целью опытов явилось определение параметров и режимов работы вибропневмосепаратора с усовершенствованной декой. Для достижения цели поставлен двухфакторный эксперимент по трехуровнему плану. В процессе опытов изменяли режим работы усовершенствованной деки с направителем и угол ее установки. Частоту вибрации деки изменяли путем управления двигателя частотным регулятором в пределах 420-480 мин-1. Скорость наклонного воздушного потока регулировали заслонкой входного окна вентилятора, а контролировали анемометром в пределах 1,0-1,1 м/с. Оценками работы машины служили: выход семян с повышенной натурой - тяжелая фракция (ТФ), степень выделения овсюга из тяжелой фракции, степень выделения овсюга из промежуточной фракции (ПФ) и потери семян в отходы. Опыты проведены при среднем значении удельной нагрузки на деку 1,5 кг/см2. При удельной нагрузке 1,5 кг/см2 на деку вибропневмосепаратора с поперечным углом её наклона, равным 0°, при амплитуде колебаний 15 мм, при очистке семян пшеницы от овсюга, при средних значениях потерь низконатурных семян основной культуры, не превышающих 12%, рекомендуются следующие рациональные настроечные параметры: частота вибраций деки, наклоненной в продольном направлении по углом 3° - 420...450 мин-1 при скорости воздушного потока над декой 1,0-1,1 м/с.
Ключевые слова: вибропневмоожиженный слой, семена пшеницы, овсюг, дека усовершенствованной конструкции, режимы.
Введение. На протяжении многих десятилетий известно, что посев семян с высокой натурой, а, следовательно, и высокой массой 1000 зерен, очищенных от трудноотделимых примесей, при прочих равных условиях, дает существенную прибавку урожая [2, 3, 4].
Разработкой машин окончательной очистки семян от трудноотделимых примесей с одновременным доведением основной фракции семян до высоких посевных кондиций (высокие масса 1000 семян и натура) занимались многие ученые и исследователи [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]. Однако эти машины, ввиду сложности настройки, высокой энергоемкости и металлоемкости, высокой цены, до настоящего времени практически не используются для получения семенного материала.
Поэтому вопросы, направленные на упрощение настройки, снижение энергоемкости и металлоемкости машин для окончательной очистки семян, являются важными и актуальными.
Цель исследований - определение настроечных параметров и режимов разделения компонентов семенного материала на деке машины окончательной очистки с усовершенствованным процессом работы.
Методика. Исследования проведены на экспериментальном образце машины с усовершенствованной декой,
обеспечивающей очистку семян под действием вибрации и наклонного воздушного потока. В опытах использовали элитные семена пшеницы урожая 2021 года
сорта Каменка. Средние значения характеристик основной культуры и примесей составляли: влажность - 13,8%, натура -804 г/дм3, относительное содержание овсюга - 100 шт./кг с натурой 424 г/дм3.
Исследование проведено с
использованием двухфакторного
эксперимента по трехуровнему плану. В опытах изменяли параметры вибрации деки с направителем в пределах 420-480 мин-1 с использованием частотного регулятора и угол её продольного наклона. Скорость наклонного воздушного потока регулировали заслонкой входного окна вентилятора, а контролировали анемометром в пределах 1,0-1,1 м/с.
Оценками работы машины служили: выход семян с повышенной натурой -тяжелая фракция (ТФ), степень выделения овсюга из тяжелой фракции, степень выделения овсюга из промежуточной фракции (ПФ) и потери семян в отходы. Опыты проведены при среднем значении удельной нагрузки на деку 1,5 кг/см2.
Рабочий процесс машины [1] осуществляется следующим образом. Зерновая смесь, под воздействием колебаний деки и наклонного воздушного потока в процессе движения по деке машины (рис. 1 и 2) разделяется по высоте слоя на компоненты, в зависимости от их плотности. При взаимодействии движущегося расслоенного материала со стенкой деки, примеси, имеющие меньшую плотность и находящиеся в верхних слоях, перемещаются к противоположной стенке и продолжают движение вдоль нее. В процессе работы машины, по длине кромки приемника
фракций, имеющего регулируемые клапаны, происходит распределение семян и примесей с различными плотностями. Получаемые фракции различной плотности, а, следовательно, и натуры, раздельно выводятся из машины. Опыты проведены согласно матрице (табл. 1). При каждом значении настроечных параметров и режимов работы машины опыты проведены в трехкратной повторности. Расходные характеристики фракций рассчитывали на основе взвешивания отобранных проб в
течение 15 секунд на установившемся режиме работы. Засоренность семян определяли путем разбора навесок массой 1 кг из отобранных проб. Натуру фракций измеряли литровой пуркой с последующим взвешиванием на весах с точностью до 1 грамма. На основе полученной информации рассчитывали средние значения степеней выделения овсюга из каждой фракции, расходных характеристик очищенных фракций в процентах от подачи и потерь семян в отходы.
Рис. 1. Схема вибропневмосепаратора: 1 - дека; 2 - рама; 3 - воздуховод; 4 - заслонка; 5 - вентилятор; 6 - эксцентрик; 7, 10 - шкив; 8 - ремень; 9 - шатун; 11 - электродвигатель; 12 - стойка; 13 - рамка; 14 - воздуховыравнивающая поверхность; 15 - механизм регулирования продольного угла наклона деки; 16 - приемники фракций Fig. 1. Scheme of the vibropneumoseparator: 1 - deck; 2 - frame; 3 - air duct; 4 - damper; 5 - fan; 6 - eccentric; 7, 10 pulley; 8 - belt; 9 - connecting rod; 11 - electric motor; 12 - rack;
13 - frame; 14 - air leveling surface; 15 - mechanism for regulating the longitudinal angle of the deck; 16 fraction receivers
Рис. 2. Опытный образец вибропневмосепаратора Fig. 2. An experimental sample of a vibrating pneumatic separator
Результаты. В таблице 1 приведены матрица эксперимента и средние значения технологических оценок эффективности работы машины. С использованием программы Statgraphics Plus 3.0 получены уравнения регрессии для оценок: выхода тяжелой фракции, %; степени выделения овсюга из тяжелой
фракции, %; степени выделения овсюга из промежуточной фракции, %; потерь семян в отходы, %. Определена степень адекватности полученных уравнений, построены поверхности откликов и двумерные сечения.
Таблица 1
Матрица эксперимента и результаты опытов
№ опыта Факторы Среднее значение выхода тяжелой фракции, % Среднее значение степени выделения овсюга из тяжелой фракции, % Среднее значение степени выделения овсюга из промежуточной фракции, % Среднее значение потерь семян в отходы, %
Продольный угол наклона деки, град Частота колебаний деки, мин-1
Yi У2 Г3 Y4
1 3 420 62,27 100 48 10,75
2 3 450 61,98 99 38 10.93
3 3 480 56,00 98 44 12.49
4 5 420 57,58 99 33 12.82
5 5 450 60.93 96 43 12.39
6 5 480 58.84 95 56 11.88
7 7 420 52.04 84 33 13.72
8 7 450 52.37 91 44 13.75
9 7 480 53.82 86 53 13.59
Для выхода тяжелой фракции получено ка (рис. 3) и двумерное сечение (рис. 4). уравнение (1), построены поверхность откли-
Y1 = 59,22 - 0,66X1 - 3,66X2 - 1,33X12 + 1,75X1X2 - 2,33X22
R2= 93,5%
Рис. 3. Поверхность отклика для выхода тяжелой фракции семян Fig. 3. Response surface for the output of the heavy fraction of seeds
<N
0,6 0,2 -0,2 -0,6
_ — — ----
- - - __ \
\ \ 1 \
\ \ / 1 1 / / / /
Y1
51,2 52,4 53,6 54,8 56,0 57,2 58,4 59,6 60,8
-0,6
-0,2 0,2 XI
0,6
Рис.4. Двумерное сечение для выхода тяжелой фракции семян Fig. 4. Two-dimensional cross-section for the output of the heavy fraction of seeds
(1)
Для степени выделения овсюга из тяжелой фракции получено уравнение (2),
построены поверхность отклика (рис. 5) и двумерное сечение (рис. 6).
Y2 = 97,77 - 0,66X1 - 6,0X2 - 1,66X12 + 1,0X1X2 - 3,66667X22;
(2)
R2= 91,2%
XI
Рис. 5. Поверхность отклика для степени выделения овсюга из тяжелой фракции Fig. 5. Response surface for the degree of separation of wild oat from the heavy fraction
ci
X
1
0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1
— — — —
--------- --------- --------- -----
---------
—- - —-- ---- ~ —---—
___- -__
\
\ ] J ) f У
Y2
87,5 89,0 90,5 92,0 93,5 95,0 96,5 98,0 99,5
-1
-0,6
0,6
1
-0,2 0,2 XI
Рис. 6. Двумерное сечение для степени выделения овсюга из тяжелой фракции Fig. 6. Two-dimensional section for the degree of separation of wild oat from the heavy fraction
Для степени выделения овсюга из про- (3), построены поверхность отклика (рис. 7) межуточной фракции получено уравнение и двумерное сечение (рис. 8).
Y3 = 42,05 + 6,56X1 - 0,216X2 + 3,06X12 + 6,17X1X2 - 0,58X22
R2=80.9%
(3)
Рис. 7. Поверхность отклика для степени выделения овсюга из промежуточной фракции Fig. 7. Response surface for the degree of separation of wild oat from the intermediate fraction
/ : i ! [ > 1 \ \ \ \ \ \
/ \ \ \ \
/ 1 1 1 \ \ \ \
\ \ \ ч 4 \
4
1 -0,6 -0,2 0,2 0,6 1
XI
Рис. 8. Двумерное сечение для степени выделения овсюга из промежуточной фракции Fig. 8. Two-dimensional section for the degree of separation of wild oat from the intermediate fraction
Для расчета потерь семян в отходы по- отклика (рис. 9) и двумерное сечение (рис. лучено уравнение (4), построены поверхность 10).
Y4 = 12,05 + 0,17X1 + 1,09X2 + 0,326X12 - 0,542X1X2+ 0,316X22,
(4)
R2=85.3%
-0.6 -0,2 XI
Рис. 9. Поверхность отклика для потерь семян в отходы Fig. 9. Response surface for seed loss to waste
ri
1
0,6 0,2 -0,2 -0,6 -1
-1
---- ______ ----- ■—_______
— ----"
--------- --- ._ \
_____________ " "X 4 \
-0,6
-0,2 0,2 XI
0,6
Y4
11,0 11,5 12,0 12,5 13,0 13,5 14,0
Рис. 10. Двумерное сечение для потерь семян в отходы Fig. 10. Two-dimensional cross-section for seed loss to waste
Из анализа полученных уравнений, поверхностей отклика и двумерных сечений следует, что для условий эксперимента, при очистке семян пшеницы от овсюга на вибро-пневмосепараторе с усовершенствованной декой можно выделить около 60% тяжелой фракции со средней степенью отделения овсюга около 98% при средних значениях потерь семян в отходы, не превышающих 12%. Промежуточную фракцию при ее расходной характеристике 26-28% от подачи и среднем значении степени выделения овсюга - 42%, можно направить на повторную очистку или на рециркуляцию.
Выводы. Для экспериментального об-
разца машины окончательной очистки малых партий семян пшеницы от овсюга при их удельной нагрузке на деку 1,5 кг/см2, с поперечным углом её наклона, равным 0°, при амплитуде колебаний деки 15 мм рекомендуется устанавливать частоту колебаний деки 420...450 мин-1 при продольном угле её наклона 3°, скорости воздушного потока над слоем зерна 1,0-1,1 м/с. Эти параметры позволяют выделить около 60% семян пшеницы со средним значением натуры 823 г/дм2, отделив их от овсюга с вероятностью -100.98%, при потерях низконатурных семян основной культуры, не превышающих 12%.
Список источников
1. Галкин В.Д., Хандриков В.А., Хавыев А.А. Сепарация семян в вибропневмоожиженном слое: технология, техника, использование: монография. Пермь: ИПЦ «ПрокростЪ». 2017. 170 с.
2. Майсурян Н.А. Биологические основы сортирования семян по удельному весу // Труды ТСХА. 1947. Вып. 3. С.12-20 с.
3. Гладков Н.Г. Зерноочистительные машины. Конструкция, расчет, проектирование и эксплуатация. Машгиз. 1961. 246 с.
4. Дринча В.М., Борисенко И.Б. Применение и функциональные возможности пневмосортировальных столов // Научно-практический журнал НВ НИИСХ. №2 (83). 2008. С. 33-35.
5. Дринча В.М. Исследование сепарации семян и разработка машинных технологий их подготовки. Воронеж. Издательство НПО «МОДЭК», 2006. 384с.
6. Поздняков В.М., Зеленко С.А. Экспериментальные исследования влияния скорости воздушного потока на эффективность сортирования зернового материала в установках вибропневматического принципа действия // Техническое и кадровое обеспечение инновационных технологий в сельском хозяйстве: материалы Международной научно-практической конференции. Минск: БГАТУ, 2014. C. 208-210.
7. Vladimir Pozdnyakov, Sergei Zelenko. The mathematical description of grain weight with gravity separator s constructive elements // Ukrainian Food Journal. 2013. №2(2). pp. 221-229.
8. Marian Panasiewicz, Pawel Sobczak, Jacek Mazur, Kazimitr Zawislak, Dariusz Andrejko. The technique and analy of the process of separation and cleaning grain materials // Journal of Food Engineering. 2012. №109(3), pp. 603-608.
9. Тарасенко А.П., Оробинский В.И., Мироненко Д.Н. Качество очистки семян на пневмосортировальных столах // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2009. №3. С. 10-11.
10. Бортников А.И., Шафоростов В.Д. Определение формы деки пневмосортировального стола // Бюллетень научно-технической информации по масличным культурам ВНИИМК. Краснодар. 1980. Вып. 30. С. 36-43.
11. Корн А.М. ВИМ: от ручной веялки до зернообрабатывающего завода - развитие и реализация технической мысли по зерноочистке. М.: ВИМ. 2006. 72 с.
12. Космовский Ю.А. Сепарация зернового материала на пневматических сортировальных столах // Труды ВИМ. М. 1977. Т.74. С. 122-129.
13. Вибропневмосепаратор: пат. Рос. Федерация № 190119 / В.Д. Галкин, А.Д. Галкин, В.А. Хандриков, А.Ф. Федосеев, М.С. Накаряков; заявка №2018138406/10/(063850); опубл. 14.06.2019; бюл. №17.
14. Вибропневмосепаратор семян: пат: Рос. Федерация № 200350 / В.Д. Галкин, А.Д. Галкин, В.А. Хандриков и др.; заявка №2019145531; опубл. 20.10.2020; бюл. №29.
15. Саитов А.В., Сысуев В.А., Саитов В.Е. Исследование погружения зерна потоком в жидкость различной плотности методами планирования эксперимента // Инженерные системы. 2021. Т. 31. С. 414-429.
16. Оробинский В.И., Кондобарова Е.А., Головин А.Д., Подорванов Д.А. Улучшение качества семян при послеуборочной обработке // Проблемы ресурсообеспеченности и перспективы развития агропромышленного комплекса: материалы национальной научно-практической конференции. Воронеж. 2021. С 13-18.
PARAMETERS AND MODES OF CLEANING WHEAT SEEDS FROM WILD OUT ON THE VIBROPNEUMOSEPARATOR WITH ADVANCED DECK
© 2022. Vasily D. Galkin10, Viktor A. Khandrikov2, Andrey F. Fedoseev3, Mikhail S. Nakaryakov4, Daria A. Shikhova5,
i. 2, 3, 4, 5 perm gtate Agro-Technological University, Perm, Russia :[email protected]
Abstract. The experiments were carried out at the Department of Agricultural Machinery and Equipment of the Faculty of Engineering of the Perm State Agro-Technological University on an experimental set for studying the process of separation of components under the influence of vibration and air flow. In the experiments, wheat seeds of the 2021 harvest were used. The average values of the characteristics of seeds and impurities were: humidity - 13.8%, nature - 804 g/dm3, relative content of wild oat - 100 pieces/kg with nature 424 g/dm3. The purpose of the experiments was to determine the parameters and modes of operation of the vibropneumoseparator with an improved deck. To achieve the goal, a two-factor experiment was set up according to a three-level plan. During the experiments, we changed the mode of operation of the improved deck with a guide and the angle of its installation. The vibration frequency of the deck was changed by controlling the engine with a frequency controller in the range of 420-480 min-1. The speed of the sloping air flow was regulated by the shutter of the fan inlet window, and controlled by an anemometer within 1.0-1.1 m/s.
Key words: vibro-pneumatically fluidized bed, wheat seeds, wild oat, deck of improved design, modes.
References
1. Galkin V.D., Handrikov V.A., Havyev A.A. Separacija semjan v vibropnevmoozhizhennom sloe: tehnologija, tehnika, ispol'zovanie: monografija (Separation of seeds in a vibro-pneumatic bed: technology, technique, use: monograph), Perm': IPC «Prokrost», 2017, 170 p.
2. Majsurjan N.A. Biologicheskie osnovy sortirovanija semjan po udel'nomu vesu (Biological bases for sorting seeds by specific gravity), Trudy TSHA, 1947, Vyp. 3, Pp.12-20.
3. Gladkov N.G. Zernoochistitel'nye mashiny. Konstrukcija, raschet, proektirovanie i jekspluatacija (Grain cleaning machines. Design, calculation, design and operation), Mashgiz, 1961, 246 p.
4. Drincha V.M., Borisenko I.B. Primenenie i funkcional'nye vozmozhnosti pnevmosortiroval'nyh stolov (Application and functionality of pneumosorting tables), Nauchno-prakticheskij zhurnal NV NIISH, №2 (83), 2008, Pp. 33-35.
5. Drincha V.M. Issledovanie separacii semjan i razrabotka mashinnyh tehnologij ih podgotovki (Research of seed separation and development of machine technologies for their preparation), Voronezh. Izdatel'stvo NPO «MODJeK», 2006, 384 p.
6. Pozdnjakov V.M., Zelenko S.A. Jeksperimental'nye issledovanija vlijanija skorosti vozdushnogo potoka na jeffek-tivnost' sortirovanija zernovogo materiala v ustanovkah vibropnevmaticheskogo principa dejstvija (Experimental studies of the effect of air flow velocity on the efficiency of sorting grain material in vibropneumatic installations), Tehnicheskoe i kadrovoe obespechenie innovacionnyh tehnologij v sel'skom hozjajstve: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Minsk, BGATU, 2014, Pp. 208-210.
7. Vladimir Pozdnyakov, Sergei Zelenko. The mathematical description of grain weight with gravity separator s constructive elements, Ukrainian Food Journal, 2013, №2(2), Pp. 221-229.
8. Marian Panasiewicz, Pawel Sobczak, Jacek Mazur, Kazimitr Zawislak, Dariusz Andrejko. The technique and analy of the process of separation and cleaning grain materials, Journal of Food Engineering. 2012, No. 109(3), Pp. 603-608.
9. Tarasenko A.P., Orobinskij V.I., Mironenko D.N. Kachestvo ochistki semjan na pnevmosortiroval'nyh stolah (The quality of seed cleaning on pneumatic sorting tables), Mehanizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajstva, 2009, No. 3, Pp. 10-11.
10. Bortnikov A.I., Shaforostov V.D. Opredelenie formy deki pnevmosortiroval'nogo stola (Determining the shape of the air sorting table deck), Bjulleten' nauchno-tehnicheskoj informacii po maslichnym kul'turam VNIIMK, Krasnodar, 1980, Vyp. 30, Pp. 36-43.
11. Korn A.M. VIM: ot ruchnoj vejalki do zernoobrabatyvajushhego zavoda - razvitie i realizacija tehnicheskoj mysli po zernoochistke (VIM: from a hand winnower to a grain processing plant - the development and implementation of technical ideas for grain cleaning), M, VIM, 2006, 72 p.
12. Kosmovskij Ju.A. Separacija zernovogo materiala na pnevmaticheskih sortiroval'nyh stolah (Separation of grain material on pneumatic sorting tables), Trudy VIM, M. 1977, T. 74, Pp. 122-129.
13. Vibropnevmoseparator (Vibration pneumatic separator), pat. Ros. Federacija № 190119 / V.D. Galkin, A.D. Gal-kin, V.A. Handrikov, A.F. Fedoseev, M.S. Nakarjakov; zajavka №2018138406/10/(063850); opubl. 14.06.2019; bjul. No. 17.
14. Vibropnevmoseparator semjan (Vibrating pneumoseparator of seeds), pat: Ros. Federacija № 200350 / V.D. Galkin, A.D. Galkin, V.A. Handrikov i dr.; zajavka №2019145531; opubl. 20.10.2020; bjul. No. 29.
15. Saitov A.V., Sysuev V.A., Saitov V.E. Issledovanie pogruzhenija zerna potokom v zhidkost' razlichnoj plotnosti metodami planirovanija jeksperimenta (Investigation of Grain Immersion by a Flow into a Liquid of Different Density by Methods of Experiment Planning), Inzhenernye sistemy, 2021, T. 31, Pp. 414-429.
16. Orobinskij V.I., Kondobarova E.A., Golovin A.D., Podorvanov D.A. Uluchshenie kachestva semjan pri posleuborochnoj obrabotke (Improving the quality of seeds during post-harvest processing), Problemy resur-soobespechennosti i perspektivy razvitija agropromyshlennogo kompleksa: materialy nacional'noj nauchno-prakticheskoj konferencii, Voronezh, 2021, Pp. 13-18.
Сведения об авторах
В.Д. Галкин1н - д-р техн. наук, профессор; В.А. Хандриков2 - канд. техн. наук; А.Ф. Федосеев3 - инженер; М.С. Накаряков4 - аспирант; Д.А. Шихова5 - аспирант,
12, з, 4, 5 Пермский государственный аграрно-технологический университет, ул. Героев Хасана 113, Пермь, Россия,614025 1 [email protected]
Information about the authors
V.D. Galkin1H - Dr. Tech. Sci., Professor; V.A. Khandrikov2 - Cand. Tech. Sci.; A.F. Fedoseev3 - Engineer; M.S. Nakaryakov4 - Postgraduate Student; D.A. Shikhova5 - Postgraduate Student,
12, з, 4, 5 Perm State Agro-Technological University, 113 Geroev Khasana St., Perm, Russia, 614025 1 [email protected]
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interest: the authors declare that they have no conflicts of interest.
Статья поступила в редакцию 09.03.2022; одобрена после рецензирования 10.03.2022; принята к публикации 14.03.2022. The article was submitted 09.03.2022; approved after reviewing 10.03.2022; accepted for publication 14.03.2022.
