CC BY
32
УДК 631.362
Д.Н. Овчинников. Ю.И. Овчинникова
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗЕРНООЧИСТИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Т.С. МАЛЬЦЕВА», КУРГАН, РОССИЯ
D.N. Ovchinnikov. Yu.l. Ovchinnikova IMPROVING THE EFFICIENCY OF GRAIN CLEANING SYSTEMS FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «KURGAN STATE AGRICULTURAL ACADEMY BYT.S. MALTSEV», KURGAN, RUSSIA
Дмитрий Николаевич Овчинников
Dmitry Nikolaevich Ovchinnikov кандидат технических наук, доцент odn_ksa@mail.ru
Юлия Ивановна Овчинникова
УиМуа |уапоупа ОусМпткоуа кандидат экономических наук, доцент odn_ksa@mail.ru
Аннотация. В общей структуре затрат на производство семян затраты на их послеуборочную обработку и хранение достигают 40 %, что в первую очередь определяется низкой производительностью и качеством очистки зерна машинами зерноочистительных линий. В хозяйствах требуемое качество обработки семенного материала достигается путем многократного пропуска его через зерноочистительные агрегаты, что приводит к увеличению затрат на обработку при получении одного и того же количества готового продукта повышенным потерям и травмированию семян. Создание зерноочистительных линий на базе известных принципов построения технологических схем не позволяет снизить травмирование семян и затраты на единицу продукции и приводит к увеличению стоимости линий практически в прямо-пропорциональной зависимости от их производительности.
Одним из путей решения проблемы повышения эффективности послеуборочной обработки зерна при одновременном снижении материальных и трудовых затрат является разработка и внедрение технологии предварительного фракционирования зерновой смеси, заключающейся в получении разнокачественных фракций перед подачей на дальнейшую очистку.
Внедрение предварительного фракционирования по комплексу физико-механических свойств для получения наиболее качественных фракций на начальных этапах очистки, разработка и создание на этой основе устройств, повышающих качество семян при минимальных затратах, является актуальной задачей в научном и практическом плане.
Ключевые слова: зерноочистительные машины, качество очистки, предварительное фракционирование, повышение эффективности, полнота разделения.
Введение. Эксплуатация существующих агрегатов и комплексов в большинстве рядовых хозяйств Курганской области не позволяет достичь в процессе послеуборочной обработки требуемого качества очистки зерна, в результате чего высевается только около 45-50 % семян 1-го и 2-го класса [5, 6]. Третья часть от общего объема семян - некондиционное зерно. Вследствие низкой эффективности очистки приходится неоднократно пропускать зерновой материал через зерноочистительные агрегаты, что приводит к повышенному травмированию семян. Увеличиваются затраты на обработку зерна, составляющие 30-40% от общих затрат на производство. Все это делает получение высококачественных семян для хозяйств практически невозможным и экономически нецелесообразным. Низкая эффективность послеуборочной обработки связана с недостатком современных технологических и конструктивных решений в этой области [7].
Существующая поточная технология послеуборочной обработки семян зерновых культур не обеспечивает требуемого качества конечного продукта, по причине низкой эффективности очистки зерна плоскими сепарирующими
Abstract. In the general structure of seed production costs, the cost of their post-harvest processing and storage reaches 40%, which is primarily determined by the low productivity and quality of grain cleaning by machines of grain cleaning lines. In farms, the required quality of seed treatment is achieved by repeatedly passing it through the grain cleaning units, which leads to an increase in processing costs in obtaining the same quantity of the finished product, increased losses and injury to seeds. Creating grain-cleaning lines based on well-known principles of construction of technological schemes does not allow to reduce seed injury and costs per unit of production, and leads to an increase in the cost of lines almost in direct proportion to their performance.
One of the ways to solve the problem of increasing the efficiency of post-harvest processing of grain while reducing material and labor costs is the development and implementation of the technology of pre-fractionation of the grain mixture, which consists in obtaining different-quality fractions before serving for further purification.
The introduction of pre-fractionation of a complex of physicomechan-ical properties to obtain the highest quality fractions in the initial stages of cleaning, the development and creation of devices on this basis that improve the quality of seeds at minimal cost is an urgent task in scientific and practical terms.
Keywords: grain cleaning machines, cleaning quality, pre-fractionation, efficiency increase, separation completeness.
поверхностями из-за неравномерности их загрузки, низкой ориентирующей способности, повышенной засоренности исходного материала и т. д.
Для повышения делительной способности зерноочистительных машин и сокращения количества пропусков обрабатываемого материала через рабочие органы целесообразно выделить в процессе предварительной очистки разнокачественные фракции зерна для их раздельной обработки. Анализ многочисленных исследований показывает, что для повышения эффективности процесса фракционирование целесообразно осуществлять по совокупности комплекса признаков: форма, коэффициент трения, состояние поверхности частиц. К устройствам с наименьшими материальными и энергетическими затратами на предварительное фракционирование зерновой смеси, перед подачей ее на дальнейшую очистку, относятся гравитационные статические поверхности [4-14].
Методика. Для разделения компонентов зернового вороха на фракции в зависимости от комплекса физико-механических свойств необходимо знать положение различных частиц в пространстве. Определив наибольшую разность в
Вестник Курганской ГСХА №4,2018 Технические науки Q9
траекториях частиц, можно более эффективно проводить их разделение [1, 2, 8].
В проведенных исследованиях рассматривалось движение отдельной частицы эллиптической формы по наклонной плоскости, которая переходит по касательной в сферическую поверхность, в зависимости от комплекса свойств частиц и параметров устройства.
При движении частицы по наклонной поверхности на нее действуют: сила тяжести - G; сила нормального давления - N и сила трения - Fv зависящая от формы, коэффициента трения fv\ состояния поверхности частицы. Сила трения Fv возникающая в зоне контакта частицы с плоскостью, направлена в противоположную сторону от направления движения.
На основе анализа результатов теоретических расчетов скорости движения частиц было выявлено следующее. Скорость частиц резко возрастает от нуля на начальном этапе движения по плоскости и далее продолжает повышаться с увеличением длины скатной поверхности. При увеличении угла наклона плоскости скорость движения также возрастает. Однако увеличение угла наклона поверхности свыше а=40° не окажет влияния на характер разгона частицы, так как прирост скорости постепенно стабилизируется и лишь приведет к изменению конечного значения скорости и. По той же причине оптимальной длиной рабочей плоскости S определен диапазон 1,2-1,8 м [3].
Рассмотрим движение частицы на криволинейном участке (трамплине) ABC центрального угла 2а. На дуге произвольно выбрана точка D и проведена ось т натурального триэдра по касательной к сферической поверхности и п - перпендикулярно к касательной (рисунок 1, а).
б)
На частицу действуют те же силы, что и на наклонной плоскости. На участке дуги АВ горизонтальная составляющая силы тяжести и сила трения направлены в разные стороны, а на участке дуги ВС эти силы действуют в одном направлении. Поэтому движение частицы рассматривается на каждом участке в отдельности. По известной скорости иА определяется скорость ив в точке В, а затем по скорости ив - скорость ис в точке С.
Скорость частицы определяется, исходя из теоремы изменения кинетической энергии, равной сумме работ всех сил 1АК, приложенных к частице на заданном перемещении. Скорость частицы в конечной точке С криволинейного трамплина, в зависимости от радиуса кривизны Р и угла схода частицы ср2=а, определится выражением:
ив 2 • g- R■ sin а ■ tgp 1 + 2 ■ tgp ■ sin а
(1)
где р - угол трения частицы, р = агсХср. Из анализа полученных результатов следует, что с увеличением радиуса кривизны поверхности скорость движения частиц уменьшается, вследствие увеличения длины дуги перемещения и при некотором значении Р становится равной нулю. На участке дуги ВС доминирующим фактором, влияющим на дальнейший полет частицы, будет не столько радиус Р, сколько угол ср2, отсчитываемый отточки В. От значения угла ф2 зависит величина скорости, с которой частица переходит в свободный полет, и ее направление к горизонту.
При сходе частицы с поверхности на нее действуют сила тяжести в и сила аэродинамического сопротивления Р, пропорциональная скорости и направленная в сторону, противоположную направлению полета частицы. После подстановки исходных величин, разделения переменных и интегрирования определено уравнение траектории движения частицы после ее схода с кромки поверхности:
. .к
у- х- tgy + -
к■ и0 ■ cosf к2
-+4-W1-
X
(2)
и0 ■ cos у
где к - коэффициент сопротивления; у - угол наклона вектора скорости к горизонту (рисунок 1, б).
Анализ траекторий движения различных частиц (рисунок 2) свидетельствует о возможности разделения частиц при использовании поверхности для предварительного фракционирования. Различие в траекториях движения частиц дает возможность при установке делительной планки выделить из зерновой смеси часть примесей.
Рациональное положение делителя
У, M 0,03 0,02 0,01 0,0 -0,01 -0,02 -0,0
i
чЧ/ /
3 \
АУ\
а) - сферическая поверхность; б) - свободный полет, Рисунок 1 - Расчетная схема сил, действующих на частицу при ее перемещении по сферической плоскости и при свободном полете
0,08
1 - зерновка пшеницы; 2
X, м
0,16 0,24 0,32 недомолоченное зерно; 3 - дроблёное зерно; 4 - щуплое зерно,
Рисунок 2 - Траектории движения различных частиц при сходе с кромки поверхности (сферический трамплин, Ф2=20°, Р=0,01 М)
Результаты. При прохождении частицей отрезка поверхности 3=0,9-1,0 м и до момента ее схода с кромки плоскости скорость практически не изменяется, что подтверждает результаты теоретических исследований, свидетельствующих о неэффективности увеличения длины скатной поверхности свыше 1,2 м. Рациональными параметрами наклонной поверхности определены: угол наклона 35-40°; длина поверхности 3=1,0-1,2 м; радиус кривизны Р=0,01-0,05 м.
В результате проведения экспериментальных исследований получены эмпирические формы траекторий полета зерновок в зависимости от комплекса физико-механических свойств (зависимость 5 и 6, рисунок 3). Теоретические зависимости получены в результате решения выражений 1, 2 и соответствуют зависимостям, полученным в ходе теоретических исследований (кривые 1 и 4, рисунок 2). Расчеты критерия Пирсона показали соответствие результатов экспериментальных и теоретических исследований.
0,8 0,6 0,4 0,2
1
4
2 X*
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 ч,т/ч 1 и 3 - полнота разделения и потери зерна при очистке фракционированного зернового вороха; 2 и 4 - полнота разделения и потери при очистке зернового вороха исходной засоренности
Рисунок 4 - Результаты испытания зерноочистительной машины К-531 при работе с фракционированным зерновым ворохом
Проведенный расчет экономической эффективности фракционирования на стадии предварительной обработки зернового вороха показал, что при очистке равных объемов семян в равные сроки при равной производительности серийной и экспериментальной линий приведенные затраты снижаются на 203 р./т или 24% (таблица).
Таблица - Сравнительный расчет энергетических затрат на очистку зернового вороха
Показатель Ед. изм. Технологические линии
серийная экспериментальная
1. Затраты энергии овеществленного труда ГДж 2189 1139
2. Затраты энергии живого труда ГДж 0,5 0,2
3. Затраты энергии, потребляемой электродвигателями ГДж 133 74
4. Удельная энергоемкость ГДж/т 2,3 1,2
5. Снижение удельной энергоемкости % - 47
6. Экономия энергоресурсов ГДж/сез - 1100
0,08 0,16 0,24 0,32 Дм 1 - теоретический диапазон перемещения зерновки пшеницы; 2 - теоретический диапазон перемещения щуплого зерна; 3 - усредненная траектория перемещения зерновки пшеницы; 4 - усредненная траектория перемещения щуплого зерна; 5 -экспериментальная траектория перемещения зерновки пшеницы;
6 - экспериментальная траектория перемещения щуплого зерна Рисунок 3 - Результаты сопоставления теоретических и экспериментальных исследований траектории перемещения частиц после схода с кромки криволинейного трамплина
Сравнительные испытания, проведенные на зерноочистительной машине К-531, при подаче на обработку зернового вороха исходной засоренности и зернового вороха, предварительно фракционированного на наклонной поверхности с криволинейным трамплином (рисунок 4), свидетельствуют о повышении эффективности сепарации за счет предварительного выделения части примеси. Е
П т/ч 0,1 0,05
Удельная энергоемкость процесса очистки зернового вороха уменьшается на 47%, а экономия энергоресурсов составляет 1100 ГДж/сез.
Выводы. Поскольку поточная технология послеуборочной обработки не обеспечивает требуемого качества очистки зернового вороха при однократном пропуске материала по зерноочистительным машинам технологической линий, повышение эффективности технических средств послеуборочной обработки семян обеспечивается применением гравитационных статических поверхностей для предварительного фракционирования зерновой смеси.
Предварительное фракционирование зернового вороха на наклонной поверхности с криволинейным трамплином повышает эффективность работы зерноочистительных машин за счет снижения на 40-50% засоренности поступающей на обработку смеси.
Список литературы
1. Овчинников Д. Н. Затраты на обработку зерна снижаются // Сельский механизатор. 2003. № 12. С. 18.
2. Овчинников Д.Н. Исследование процесса сепарации семян по комплексу признаков // Информационный листок. № 41-007-01. Курган: Курганский межотраслевой территориальный центр научно-технической информации и пропаганды, 2001. С. 214.
3. Овчинников Д.Н. Методика экспериментальных исследований процесса сепарации зерновых смесей с использованием наклонной поверхности // Аграрная наука: проблемы и перспективы: материалы региональной научно-практической конференции. Курган: ГИПП «Зауралье», 2002. С. 431-434.
4. Овчинников Д.Н. Новые технологии и технические средства очистки мелкого зернового вороха в зерноуборочном комбайне / Д.В. Лопарев, А.М. Суханов // Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии хранения и переработки сельскохозяйственной продукции: сборник статей по материалам международной научно-практиче-
У, м 0,03 0,02 0,01 0,0
-0,01 -0,02 -0,03
Вестник Курганской ГСХА №4,2018 Технические науки f \
ской конференции, посвященной 75-летию Курганской области. Курган: Изд-во Курганской ГСХА, 2018. С. 542-545.
5. Овчинников Д.Н. Послеуборочная обработка урожая: проблемы и перспективы // Научные результаты - агропромышленному производству, материалы международной научно-практической конференции. - Курган: ФГУИПП «Зауралье». 2004. С. 383-384.
6. Овчинников Д.Н. Проблемы послеуборочной обработки зерна / А.С. Архипов // Проблемы АПК в условиях перехода на устойчивое развитие региона: материалы Всероссийской научно-практической конференции. Секция 4, 5. Курган: ЗАО ПП «Дамми», 2000. С. 182-183.
7. Овчинников Д.Н. Энергосберегающие технологии на стадиях уборки и послеуборочной обработки зерна / А.М. Суханов // Техническое обеспечение технологий производства сельскохозяйственной продукции: материалы I Всероссийской научно-практической конференции. Курган: Изд-во Курганской ГСХА, 2017. С. 125-128.
8. Овчинников Д.Н. Эффективность автоматизации процесса сушки зерна / Ю.И. Овчинникова, Ю.Н. Мекшун., А.А. Городских//Техническое обеспечение технологий производства сельскохозяйственной продукции: сборник статей по материалам II Всероссийской (национальной) научно-практической конференции. Курган: Изд-во Курганской ГСХА, 2018. С. 85-88.
9. Устройство для сепарации зерна / Патент РФ № 2238804 В07В 13/00. 2004. Бюл. № 30.
10 Овчинников Д.Н. Повышение эффективности зерноочистительных систем на основе использования фрикционных наклонных поверхностей для предварительного фракционирования: автореферат дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01. Челябинский ГАУ. Челябинск, 2004. 22 с.
11 Зерносушилка: пат. 105727 Рос. Федерация, №2003103841; заявл. 17.12.2010; опубл. 20.06.2011, Бюл. № 17. 5 с.
12 Суханов А.М., Овчинников Д.Н., Лопарев Д.В. Новые технологии и технические средства очистки мелкого зернового вороха в зерноуборочном комбайне // Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии хранения и переработки сельскохозяйственной продукции: сборник статей по материалам международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию Курганской области / под общей редакцией С.Ф. Сухановой. Курган: Изд-во Курганской ГСХА, 2018. С. 542-545.
13 Овчинников Д.Н. Повышение эффективности зерноочистительных систем на основе использования фрикционных наклонных поверхностей для предварительного фракционирования. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Курган, 2004. С. 28-35.
14 Овчинников Д.Н. Затраты на обработку зерна снижаются//Сельский механизатор. 2003. № 12. С. 18.
List of references
1. Ovchinnikov D.N. Costs of grain processing are reduced // Rural mechanization. 2003. № 12. P. 18.
2. Ovchinnikov D.N. Investigation ofthe process of séparation of seeds by the complex of features // Information sheet. № 41-007-01. Kurgan: Kurgan inter-branch territorial center for scientific and technical information and propagande, 2001. P. 214.
3. Ovchinnikov D.N. Methods of experimental studies of the separation of grain mixtures using an inclined surface // Agrarian science: problems and prospects: materials ofthe regional scientific-practical conference. Kurgan: GIPP «Zauralie», 2002. Pp. 431-434.
4. Ovchinnikov D.N. New technologies and technical means of cleaning a small grain pile in a combine harvester / D.V. Loparev, A.M. Sukhanov // Resource-saving, environmentally friendly technologies for the storage and processing of agricultural products: a collection of articles based on materials from the international scientific-practical conference dedicated to the 75th anniversary ofthe Kurgan region. Kurgan: Publishing house of Kurgan State Agricultural Academy, 2018. Pp. 542-545.
5. Ovchinnikov D.N. Post-harvest processing ofthe crop: problems and prospects // Scientific results for agro-industrial production, materials of the international scientific-practical conference. Kurgan: FSUE "Zauralie". 2004. Pp. 383-384.
6. Ovchinnikov D.N. Problems of post-harvest grain processing / A.S. Arkhipov// Problems ofthe AIC in the conditions of transition to a sustainable development ofthe region: materials ofthe All-Russian scientific-practical conference. Section 4, 5. Kurgan: CJSC "Dammi", 2000. Pp. 182-183.
7. Ovchinnikov D.N. Energy-saving technologies at the stages of harvesting and post-harvest processing of grain / A.M. Sukhanov // Technical support of agricultural production technologies: materials ofthe I All-Russian Scientific and Practical Conference. Kurgan: Publishing house of Kurgan State Agricultural Academy, 2017. Pp. 125-128.
8. Ovchinnikov D.N. Efficiency of automation of the grain drying process / Yu.l. Ovchinnikova, Yu.N. Mekshun., A.A. Urban // Technical support of agricultural production technologies: a collection of articles based on materials of the II All-Russian (National) Scientific Practical Conference. Kurgan: Publishing house of Kurgan State Agricultural Academy, 2018. Pp. 85-88.
9. A device for separating grain / Patent of the Russian Federation No. 2238804 B07B 13/00. 2004. Bull. № 30.
10 Ovchinnikov D.N. Improving the efficiency of grain cleaning systems based on the use of friction sloping surfaces for pre-fractionation: abstract of thesis. Cand. tech. Sciences: 05.20.01. Chelyabinsk GAU. Chelyabinsk, 2004. 22 p.
11 Zernosushilka: Pat. 105727 Ros. Federation, No. 2003103841; declare 12/17/2010; publ. 06/20/2011, Bull. № 17. 5 p.
12 Sukhanov A.M., Ovchinnikov D.N., Loparev D.V. New technologies and technical means of cleaning small grain pile in a combine harvester// Resource-saving, environmentally friendly technologies for the storage and processing of agricultural products: a collection of articles on the materials ofthe international scientific-practical conference dedicated to the 75th anniversary of the Kurgan region / edited by S.F. Sukhanova. Kurgan: Publishing house of Kurgan State Agricultural Academy, 2018. Pp. 542-545.
13 Ovchinnikov D.N. Improving the efficiency of grain cleaning systems based on the use of friction sloping surfaces for pre-fractionation. Thesis for the degree of candidate of technical sciences. Kurgan, 2004. Pp. 28-35.
14 Ovchinnikov D.N. Costs of grain processing are reduced // Rural mechanization. 2003. № 12. P. 18.
