CC BY
22
Кем Александр Александрович, канд. техн. наук, Омский аграрный научный центр, Омск, 55asc@bk.ru; Шевченко Анатолий Павлович, канд. техн. наук, доц., Тарский филиал Омского ГАУ, Тара, ap.shevchenko@omgau.org; Бегунов Максим Алексеевич, канд. техн. наук, доц., Тарский филиал Омского ГАУ, Тара, maksim-begunov@mail.ru; Коваль Владимир Сергеевич, канд. техн. наук, доц., Тарский филиал Омского ГАУ, Тара, koval_v.s@mail.ru.
Kem Aleksandr Aleksandrovich, Cand. Techn. Sci., Omsk Agrarian Scientific Center, Omsk, 55asc@bk.ru; Shevchenko Anatoliy Pavlovich, Cand. Techn. Sci., Ass. Prof., Tara branch of Omsk SAU, Tara, ap.shevchenko@omgau.org; Begunov Maksim Alekseevich, Cand. Techn. Sci., Ass. Prof., Tara branch of Omsk SAU, Tara, maksim-begunov@mail.ru; Koval Vladimir Sergeevich, Cand. Techn. Sci., Ass. Prof., Tara branch of Omsk SAU, Tara, koval_v.s@mail.ru.
УДК 631.173.4
У К. САБИЕВ, И В. СКУСАНОВ
Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина, Омск
СЕПАРАЦИЯ ЗЕРНА НА ПЛОСКОМ РЕШЕТЕ, СОВЕРШАЮЩЕМ ПОПЕРЕЧНЫЕ КОЛЕБАНИЯ
Статья посвящена разработке и созданию эффективного технического средства для послеуборочной обработки зерна. Подробно изложена схема предлагаемой лабораторной установки. Приведены методика, приборы и пределы измерения различных факторов при проведении экспериментальных исследований работы плоского решета, совершающего поперечные колебания. Принят критерий оптимизации технологического процесса сепарации зерна - полнота разделения (е). Выбран обоснованный симметричный композиционный ортогональный план второго порядка с четырьмя факторами для проведения многофакторного эксперимента. Получены результаты и анализ экспериментальных исследований данного плоского решета; адекватное на 5%-ном уровне значимости уравнение регрессии, описывающее процесс разделения зерна. Представлены наглядные графические зависимости полноты разделения зерна от параметров плоского решета, совершающего поперечные колебания, при установленных значениях удельной нагрузки, а также влияние наиболее значимых факторов на полноту разделения. Для практических рекомендаций обоснованы рациональные значения факторов: для величины удельной нагрузки -0,335-0,838 кг/(м2-с); для решета: угол продольного наклона (а) - 10-16°; амплитуда колебаний - (7,25-9,25) • 10-3 м; частота колебаний (п) - 450-550 мин-1.
Ключевые слова: плоское решето, поперечные колебания, факторы, уравнение регрессии, поверхность отклика, полнота разделения.
Введение
Послеуборочная обработка зерна является заключительным этапом при его производстве; выполняется поточными зерноочистительными линиями; ее цель - получение зерна требуемых кондиций, регламентированных государственными стандартами [1].
Работа основных выпускаемых отечественных зерноочистительных машин основана на возвратно-поступательном движении решетных станов [2]. Повышение производительности таких машин традиционными способами себя исчерпало, поэтому сельскохозяйственным товаропроизводителям страны разных форм собственности нужны инновационные зерноочистительные машины для послеуборочной обработки зерна с высокой производительностью. В настоящее время создание перспективных технологий и технических средств очистки зерна остается востребованным и актуальным. На
© Сабиев У.К., Скусанов И.В., 2019
наш взгляд, возможны различные пути решения этой проблемы. Достаточно подробно и детально они изложены в работах [3-5].
Объекты и методы
Заслуживает особого внимания один из возможных вариантов эффективного технического средства для сепарации зерна.
На кафедре агроинженерии Омского ГАУ для проведения экспериментальных исследований работы плоского решета, совершающего поперечные колебания, была разработана лабораторная установка, схема которой представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема предлагаемой лабораторной установки: 1 - бункер для исходной зерновой смеси;
2 - электродвигатель привода решета, совершающего поперечные колебания; 3 - шкаф управления;
4 - рама; 5 - редуктор; 6 - привод дозатора зерна; 7 - емкости для сбора проходовой фракции зерна;
8, 13 - клапаны; 9 - привод щеток решета; 10 - решетный стан; 11 - рычаг блокировки клапанов;
12 - лотки для сбора фракций зерна; 14 - емкости для сбора сходовой фракции зерна
Предлагаемая лабораторная установка включает раму 4, решетный стан 10, бункер 1 с устройством для дозирования зерна 6, лотки для подачи проходовой и сходовой фракций 12 в емкости 7, 14, механизм привода плоского решета 5. Подвески решетного стана изготовлены из высокопрочных стальных пластин. Для опытов применено плоское пробивное решето, его длина и ширина соответственно равны 415 и 150 мм с размерами отверстий: 2,0 x 25 мм.
Решетный стан совершает поперечные колебания от механизма привода с регулируемыми параметрами вибрации. Амплитуду колебаний регулировали изменением радиуса кривошипа плавно, в пределах от 0,0 до 10,5 мм. Частоту колебаний решета, совершающего поперечные колебания, - изменением напряжения, подаваемым на приводной электродвигатель. Значение частоты колебаний решета контролировали с помощью строботахометра СТ-МЭИ. Из бункера зерновой материал подавали на решето питающей лопастной катушкой, привод которой осуществляли от отдельного электродвигателя постоянного тока. Значение величины подачи зернового материала на решето, совершающее поперечные колебания, устанавливали путем изменения напряжения питания электродвигателя. Устройство для дозирования обеспечивало плавное регулирование подачи от 50 до 800 кг/дм.ч при замене сменных дозирующих катушек и изменении ее частоты вращения. Предельное отклонение подачи зернового материала (G) от заданной величины было принято с погрешностью ±2,5%.
Под решетом установлено очищающее устройство щеточного действия с приводом, включающим кривошипный механизм, и редуктором, соединенным с электродви-
гателем. Амплитуда колебаний щеток была принята равной 50 мм, а частота вращения кривошипа - 0,25 с1. Конструкция щеточного очищающего устройства позволяла плавное регулирование степени поджатия щеток к решету.
Полученное в результате разделения на фракции (проходовая и сходовая) зерно направлялось посредством скатных досок в соответствующие емкости. Выбраны две емкости для сбора каждой фракции зерна, первая - в режиме установившегося движения, а вторая - при входе в него. Подачу каждой фракции зерна в соответствующие емкости осуществляли с помощью сблокированных клапанов скатных досок. Конструкция лабораторной установки позволяла сбор фракций зерна в емкости за контрольное время эксперимента в установившемся режиме работы. В нашем случае продолжительность эксперимента по времени была принята равной 30 секундам.
Результаты исследований
Для экспериментальных исследований работы плоского решета, совершающего поперечные колебания, была выбрана методика, включающая однофакторные (поисковые), отсеивающие и многофакторный эксперименты. В качестве критерия оптимизации работы плоского решета, совершающего поперечные колебания, принята полнота разделения (в ) [6; 7].
По результатам выполненных однофакторных (поисковых) опытов по классическому плану определен диапазон регулирования основных факторов, влияющих на данный технологический процесс. Качественный показатель технологического процесса работы очистки зерна решетного стана зависит от выбраных основных контролируемых факторов. На основании отсеивающих экспериментов статистически значимыми по критерию Стьюдента на 5%-ном уровне следует считать факторы [8]: величину удельной нагрузки (Х1), угол продольного наклона решета (Х2), амплитуду колебаний решета (Х3), частоту его колебаний (Х4). С целью получения математической модели в виде уравнения регрессии необходимы дальнейшие экспериментальные исследования работы решета, совершающего поперечные колебания, методом планируемого эксперимента. Следует выбрать план, позволяющий оценить коэффициенты уравнения регрессии. Желательно, чтобы план был близок к насыщенному, т.е. содержал как можно меньше точек (экспериментов). Кроме того, план должнен обеспечивать достаточно точное описание исследуемого процесса сепарации зерна. Поэтому для описания зависимостей полноты разделения от целого ряда факторов принят симметричный композиционный ортогональный план второго порядка с четырьмя факторами. Выбран план по условию ортогональности коэффициентов уравнения регрессии. Эффект компози-ционности плана позволяет вначале получить простую (линейную) модель процесса первого порядка [9], а в случае ее неадекватности достроить до более сложной модели второго порядка. С целью расширения области охвата каждого из его факторов необходимо учесть звездные плечи плана а = 1,414 [10], это должно положительно отразиться на результатах исследования. Факторы и уровни их варьирования приведены в таблице.
Факторы и уровни варьирования
Уровни факторов Факторы и единицы их измерения
Удельная нагрузка на решето G, кг/м2-с Угол наклона решета а, град. Частота колебаний решета п, мин-1 Амплитуда колебаний решета R, мм
Кодированная величина фактора X! Х2 Хэ Х4
Верхний уровень (+1) 0,838 16 550 9,25
Основной уровень (0) 0,537 13 500 8,25
Нижний уровень (-1) 0,335 10 450 7,25
Звездная точка (+1,414) 0,9626 17,242 570,7 9,664
Звездная точка (-1,414) 0,2514 8,758 429,3 6,836
После реализации выбранного плана и обработки результатов эксперимента получено адекватное при 5%-ном уровне значимости уравнение регрессии (Брасч = 2,21 < Бтабл = 2,57), описывающее технологический процесс изменения качественного показателя работы решета (полноты разделения), совершающего поперечные колебания, в кодированных величинах:
е = 0,7223 - 0,0757Х1 + 0,0686Х2 + 0,0131Х4 - 0,046Х1Х2 - 0,0637Х12 - 0,0588Х32 - 0,0221Х42.
Предварительный анализ представленной модели процесса сепарации по коэффициентам уравнения регрессии позволяет сделать выводы:
1. Коэффициент Х1 наиболее значим и отображает влияние удельной нагрузки на качество работы плоского решета, совершающего поперечные колебания. Отрицательный знак перед Х1 указывает на ухудшение качества сепарации зерна.
2. Все квадратичные коэффициенты (Х12, Х22, Х42), присутствующие в уравнении, статистически значимы. В этом случае модель описывается кривыми второго порядка и является нелинейной. Кроме того, отрицательные знаки перед Х12, Х22 и Х42 указывают на выпуклость кривых, описывающих зависимости отклика от соответствующих значений факторов.
3. Качественный показатель (полнота разделения) прямо пропорционален величинам совместного влияния удельной нагрузки и угла поперечного наклона решета (Х1Х2).
4. Линейный фактор Х4 и смешанный Х1Х2 отрицательно сказываются на величине отклика.
Полученное уравнение регрессии проанализировали с помощью двумерных сечений поверхности отклика. В результате получены зависимости полноты разделения от параметров решета, совершающего поперечные колебания, при фиксированных значениях удельной нагрузки, представленные на рис. 2-6.
я
Рис. 2. Зависимость е от амплитуды R и частоты п колебаний решета. G = 0,335 кг/м2-с
Рис. 4. Зависимость е от амплитуды R и частоты п колебаний решета. G = 0,838 кг/м2х
в
Рис. 3. Зависимость е от амплитуды R и частоты п колебаний. G = 0,537 кг/м2х
Рис. 5. Зависимость е от угла поперечного наклона а и частоты п колебаний решета. G = 0,838 кг/м2-с
гч
Рис. 6. Зависимость е от угла поперечного наклона а и амплитуды R колебаний решета. G = 0,838 кг/м2-с
На представленных поверхностях отклика (рис. 2-6) наглядно видно:
Такие факторы, как амплитуды и частота колебаний решета, угол его поперечного наклона, существенно влияют на е зерна на решете, совершающем поперечные колебания, независимо от величины удельной нагрузки.
В установленном планом эксперимента диапазоне изменения вышеперечисленных параметров, полнота разделения зерна меняются в широких пределах. Чрезмерное увеличение параметров вибрации, особенно частоты колебаний решета, приводит к некоторому снижению полноты разделения.
Наибольшее значение е зерна находится в области варьирования принятых факторов планируемого эксперимента. При работе плоских решет с продолговатыми отверстиями перемещение частиц в поперечном направлении увеличивает их взаимодействие с продольными кромками отверстий и повышает ориентированность. Отметим, что подобные поверхности отклика - зависимости полноты разделения от параметров плоского решета, рассмотренные выше, типичны и их качественные особенности сохраняются для других значений удельной нагрузки в диапазоне варьирования выбранных факторов.
Выводы
Методом математического планирования многофакторного эксперимента исследованы факторы, влияющие на полноту разделения зерна как на выбранный критерий оптимизации.
В результате проведенных экспериментальных исследований получена математическая модель в виде адекватного при 5%-ном уровне значимости уравнения регрессии (Трасч = 2,21 < ртабл = 2,57), описывающего технологический процесс изменения качественного показателя работы решета (полноты разделения), совершающего поперечные колебания, и определяющего степень влияния каждого из принятых факторов на данный процесс сепарации.
Представленные графические зависимости в виде поверхностей отклика отражают основные закономерности процесса сепарации зерна на данном плоском решете, а также выявляют влияния наиболее значимых факторов на полноту разделения зерна.
Анализ уравнения регрессии позволил для практических рекомендаций обосновать значения исследуемых факторов: для величины удельной нагрузки (О) - 0,3350,838 кг/(м2-с); для решета: угол продольного наклона (а) - 10-16°; амплитуда колебаний (Я) - (7,25-9,25) • 10-3 м; частота колебаний (п) - 450-550 мин-1.
U.K. Sabiev, I.V. Skusanov
Omsk state agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk
Separation of grain on a flat sieve, performing transverse vibrations
The scientific article is devoted to the development and creation of an effective technical means for post-harvest processing of grain. The scheme of the proposed laboratory installation is described in detail. The technique, instruments and limits of measurement of various factors in the experimental studies of the flat sieve, performing transverse vibrations. The criterion of optimization of technological process of grain separation - completeness of separation (e) is accepted. Selected reasonable symmetric orthogonal compositional plan of second order with four factors for conducting a multi-factor experiment planning. The results and analysis of experimental studies of a plane sieve performing transverse oscillations are presented. An adequate regression equation describing the process of grain separation was obtained at the 5% significance level. Presents the graphical dependence of the completeness of separation of the grain from the parameters of a flat sieve, makes lateral vibrations, you set the values of specific load, and the impact of the most significant factors on the completeness of the separation. For practical recommendations, the rational values of the following factors are justified: for the value of the specific load (G) - 0.335-0.838 kg/(m2-s); the angle of longitudinal inclination of the sieve (a) - 1016°; the oscillation amplitude of the sieve (R) - (7.25-9.25) • 10-3 m; the oscillation frequency of the sieve (n) -450-550 min-1.
Keywords: sieve, transverse oscillations, factors, regression equation, response surface, completeness of separation.
Список литературы
1. Сабиев У.К. К вопросу интенсификации процесса сепарации зерна / У.К. Сабиев, И.В. Ску-санов, М.Ж. Хасеинов // Сб. тр., посвящ. 65-летию ФТС в АПК Омского ГАУ: научное и техническое обеспечение АПК, состояние и перспективы развития. - 2016. - С. 44-46.
2. Зильбернагель А.В. Интенсификация процесса сепарации зерна на плоских решетах с продолговатыми отверстиями, расположенными под углом : автореф. дис. ... канд. техн. наук /
A.В. Зильбернагель. - Новосибирск, 2005. - 16 с.
3. Головин А.Ю. Обоснование конструктивно-режимных параметров плоского подсевного решета, совершающего круговые движения : автореф. дис. ... канд. техн. наук / А.Ю. Головин. -Барнаул, 2018. - 21 с.
4. Головин А.Ю. Траектория движения зерновки по решету, совершающему круговые движения / А.Ю. Головин, У.К. Сабиев, А.С. Союнов // Вестн. Ом. гос. аграр. ун-та. - 2017. - № 4. -С. 204-210.
5. Скусанов И.В. Пути интенсификации процесса сепарации зерна // Роль научно-исследовательской работы обучающихся в развитии АПК : сб. материалов Междунар. науч. -практ. конф. обучающихся, посвящ. 90-летию со дня рождения Е.П. Огрызкова [Электронный ресурс] / И.В. Ску-санов. - Электрон. дан. - Омск : Изд-во ФГБОУ ВО Омский ГАУ, 2019. - 1 электрон. опт. диск. (CD-R). -С. 274-277.
6. Евтягин В.Ф. Изыскание оптимального режима бигармонических колебаний решета /
B.Ф. Евтягин // Сб. науч. тр. ; Ом. с.-х. ин-т. -Омск, 1992. - С. 48-53.
Referens
1. Sabiev U.K. K voprosu intensifikacii processa separacii zerna / U.K. Sabiev, I.V. Skusanov, M.Zh. Haseinov // Sb. tr., posvyashch. 65-letiyu FTS v APK Omskogo GAU: nauchnoe i tekhnicheskoe obes-pechenie APK, sostoyanie i perspektivy razvitiya. -2016. - S. 44-46.
2. Zil'bernagel' A.V. Intensifikaciya processa separacii zerna na ploskih reshetah s prodolgovatymi otverstiyami, raspolozhennymi pod uglom : avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk / A.V. Zil'bernagel'. - Novosibirsk, 2005. - 16 s.
3. Golovin A.Yu. Obosnovanie konstruktivno-rezhimnyh parametrov ploskogo podsevnogo resheta, sovershayushchego krugovye dvizheniya : avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk / A.Yu. Golovin. - Barnaul,
2018. - 21 s.
4. Golovin A.Yu. Traektoriya dvizheniya zer-novki po reshetu, sovershayushchego krugovye dvi-zheniya / A.Yu. Golovin, U.K. Sabiev, A.S. Soyunov // Vestn. Om. gos. agrar. un-ta. - 2017. - № 4. -S. 204-210.
5. Skusanov I.V. Puti intensifikacii processa se-paracii zerna // Rol' nauchno-issledovatel'skoj raboty obuchayushchihsya v razvitii APK : sb. materialov Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. obuchayushchihsya, posvyashch. 90-letiyu so dnya rozhdeniya E.P. Og-ryzkova [Ehlektronnyj resurs] / I.V. Skusanov. - Ehlek-tron. dan. - Omsk : Izd-vo FGBOU VO Omskij GAU,
2019. - 1 ehlektron. opt. disk. (CD-R). - S. 274-277.
6. Evtyagin V.F. Izyskanie optimal'nogo rezhi-ma bigarmonicheskih kolebanij resheta / V.F. Evtyagin // Sb. nauch. tr. ; Om. s.-h. in-t. - Omsk, 1992. -S. 48-53.
7. Евтягин 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.
8. Experimental registrations of plain sieve operation, making transverse fluctuations / U.K. Sabiev et al // IOPscience, the home of scientific content from IOP Publishing and our partners, 2018.
9. Новик Ф.С. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов / Ф.С. Новик, Я.Б. Арсов. - М. : София, 1980. - 304 с.
10. Мельников С.В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С.В. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Ро-щин. - М., 1980. - 168 с.
Сабиев Уахит Калижанович, д-р техн. наук, проф., Омский ГАУ, uk.sabiev@omgau.org; Скусанов Игорь Викторович, аспирант, Омский ГАУ, ig.ckycanov350604@omgau.org.
7. Evtyagin V.F. Svyaz' ehksperimental'nyh i teoreticheskih pokazatelej raboty resheta / V.F. Evtyagin // Sb. nauch. tr. ; Om. s.-h. in-t. - Omsk, 1992. -S. 45-48.
8. Experimental registrations of plain sieve operation, making transverse fluctuations / U.K. Sabiev et al // IOPscience, the home of scientific content from IOP Publishing and our partners, 2018.
9. Novik F.S. Optimizaciya processov tekhno-logii metallov metodami planirovaniya ehksperimen-tov / F.S. Novik, Ya.B. Arsov. - M. : Sofiya, 1980. -304 s.
10. Mel'nikov S.V. Planirovanie ehksperimenta v issledovaniyah sel'skohozyajstvennyh processov / S.V. Mel'nikov, V.R. Aleshkin, P.M. Roshchin. - M., 1980. - 168 s.
Sabiev Uakhit Kalizhanovich, Doc. Techn. Sci., Prof., Omsk SAU, uk.sabiev@omgau.org; Skusanov Igor Viktorovich, graduate student, Omsk SAU, ig.ckycanov350604@omgau.org.
УДК 631.372:631.51
НИ. СЕЛИВАНОВ, ЮН. МАКЕЕВА, ВВ. АВЕРЬЯНОВ
Красноярский государственный аграрный университет, Красноярск
ПАРАМЕТРЫ-АДАПТЕРЫ КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ И АГРЕГАТОВ К ЗОНАЛЬНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ ПОЧВООБРАБОТКИ
Цель работы - формирование системы адаптации колесных тракторов и агрегатов к зональным технологиям почвообработки. Достижение поставленной цели предусматривало разработку структуры, моделей и алгоритма системы адаптации энергонасыщенных колесных тракторов в составе почвообрабатывающих агрегатов к природно-производственным условиям Восточно-Сибирской агрозоны Сибирского федерального округа. По результатам моделирования и испытаний сформировали структуру и содержание основных этапов системы практической адаптации колесных тракторов и агрегатов к зональным технологиям основной обработки почвы с использованием совокупности параметров-адаптеров, критериев оптимизации и ограничений. В качестве базового фактора воздействия природных условий использовали класс длины гона, определяющий значение чистой производительности почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения при минимальных приведенных затратах как обобщенного показателя адаптации. По осредненным характеристикам сопротивления рабочих машин и установленным номинальным значениям рабочей скорости 2,20; 2,70 и 3,30 м/с для разных по энергоемкости трех групп операций почвообработки и основных комплектаций тракторов обосновали удельные параметры-адаптеры: массу трактора mуд (кг/кВт), энергозатраты Еп (кДж/м2) и ширину захвата агрегата Вуд (м/кВт). Оптимальные значения удельных параметров и рациональные тягово-скоростные режимы работы, ограниченные буксованием движителей 7-15%, были положены в основу структуры и содержания разработанного алгоритма практической адаптации отечественных и иностранных колесных тракторов 4к4а и 4к4б на одинарных и сдвоенных колесах разной комплектации к зональным технологиям почво-обработки с учетом превалирующих классов длины гона для использования на уровне региональных дилеров и инженерно-технической службы товаропроизводителей.
© Селиванов Н.И., Макеева Ю.Н., Аверьянов В.В., 2019
