CC BY
12
Vestnik OmskSAU, 2022, no. 1(45)
ПРОЦЕССЫ И МАШИНЫ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
Научная статья
УДК 631.361.025/.027
DOI 10.48136/2222-0364 2022 1 121
ВЫДЕЛЕНИЕ ДЛИННЫХ ПРИМЕСЕЙ ИЗ ЗЕРНОВОГО МАТЕРИАЛА
НА ПЛОСКИХ РЕШЕТАХ
М.В. ЗАПЕВАЛОВ1, Н С. СЕРГЕЕВ1, Г.В. РЕДРЕЕВ2®, Н.В. КОВАЛЕНКО1
1 Южно-Уральский государственный аграрный университет, Челябинск, Россия
2Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина, Омск, Россия
Аннотация. Наличие в посевном материале семян сорных растений, таких как овсюг, гречиха татарская, а также культурных растений (овес и ячмень) существенно снижает его качество. Выделение этих примесей - зачастую сложная задача, это приводит к дополнительным энергетическим и материальным затратам. Анализ показывает, что затраты на подготовку семян составляют около 25% от общих затрат на производство зерна. В настоящее время разделение зернового материала на две фракции по длине частиц выполняется в основном ячеистыми поверхностями триеров, удельная производительность которых остается низкой. Обеспечить повышение производительности выделения из зернового материала длинных примесей возможно при применении плоских решет с круглыми отверстиями. При этом обязательным условием является перемещение зерна по рабочей поверхности решета. Разделение происходит при прохождении коротких частиц через круглые отверстия, а длинные остаются на его поверхности. Для обеспечения качественного разделения зернового материала на длинные и короткие частицы необходимо предотвратить прохождение длинных частиц через круглые отверстия решета. В результате исследований получено уравнение вероятности прохождения длинной частицы через отверстие решета, показывающее, что эта вероятность существенно зависит от длины частицы L, радиуса отверстия решета R и максимального расстояния между поверхностью решета и концом частицы h; вероятность значительно зависит от отношения диаметра отверстия к длине семян Я, так при Л1 = 0,50 эта вероятность будет составлять Р = 0,410, а при Я2 = 0,44 уже Р = 0,039.
Ключевые слова: зерновые культуры, семена, примеси, овсюг, плоские решета, сепарация зерновой смеси, кинематические параметры, вероятность прохождения частиц в отверстия
Original article
ISOLATION OF LONG IMPURITIES FROM GRAIN MATERIAL
ON FLAT SIEVES
M.V. ZAPEVALOV1, N.S. SERGEEV1, G.V. REDREEV2®, N.V. KOVALENKO1
1South Ural State Agrarian University, Chelyabinsk, Russia
2
2Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk, Russia
Abstract. The presence of weed seeds in the seed material, such as oatgrass, Tatar buckwheat, as well as cultivated plants such as oats and barley, significantly reduce its quality. The isolation of these impurities is of-
© Запевалов М.В., Сергеев Н.С., Редреев Г.В., Коваленко Н.В., 2022
Vestnik OmskSAU, 2022, no. 1(45) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
ten a difficult task, which leads to additional energy and material costs. The analysis shows that the cost of seed preparation is about 25% of the total cost of grain production. Currently, the separation of grain material into two fractions along the length of the particles is carried out mainly by cellular surfaces of triers, the specific productivity of which remains low. It is possible to ensure an increase in the productivity of the separation of long impurities from the grain material by using flat sieves with round holes. In this case, a prerequisite is the movement of grain on the working surface of the sieve. Separation occurs when short particles pass through round holes, while long ones remain on its surface. In order to ensure high-quality separation of grain material into long and short particles, it is necessary to prevent the passage of long particles through the round holes of the sieve. As a result of the research, an equation of the probability of a long particle passing through the hole was obtained. It shows that the probability significantly depends on the length of the particle L, the radius of the sieve hole R and the maximum distance between the surface of the sieve and the end of the particle h. The probability of a long particle passing through the hole depends significantly on the ratio of the diameter of the hole to the length of the seeds X, so when X1 = 0.50 the probability of a long particle passing through the hole will be P = 0.410, and when X2 = 0.44, the probability is P = 0.039.
Keywords: grain crops, seeds, impurities, oatgrass, flat sieves, separation of grain mixture, kinematic parameters, passage probability of particles
Введение
В России более 90% всех посевных площадей занято под зерновыми и зернобобовыми культурами. Завершающий этап в технологии их возделывания - послеуборочная обработка зерна, один из наиболее трудоемких процессов в технологии производства зерновых культур. Основу высокого урожая составляют высококачественные семена. Однако на современных зерноочистительных комплексах бывает трудно получить семена высокой чистоты за один пропуск. Качество семян снижается в основном за счет таких сорных и культурных растений, как овсюг, гречиха татарская, овес и ячмень. Для доведения семян по чистоте до базисных кондиций требуются дополнительные пропуски через всю зерноочистительную линию. Это приводит к дополнительным энергетическим и материальным затратам, а также к существенным потерям полноценного зерна в составе фуражной фракции и его повреждению. Затраты на подготовку семян составляют около 25% от общих затрат на производство зерна [1]. Большие затраты особенно при обработке семян на устаревших машинах, снизить их позволяет создание современных зерноочистительных машин и семяобрабатывающих поточных линий [2].
Разделение зернового материала на две фракции по длине частиц выполняется ячеистыми поверхностями триеров, их удельная производительность в 3-4 раза меньше удельной производительности машин с плоскими решетами [3]. Из-за низкой производительности триеров значительная часть зерна свежеубранного урожая не может быть своевременно обработана. В связи с этим, разработка и обоснование конструктивно-технологических параметров отделителя овсюга с плоскими решетами - актуальная научная и производственная задача.
Цель исследования: повышение эффективности выделения длинных примесей из зерновой смеси. Для ее достижения следует решить задачи: определить факторы, влияющие на прохождение зерновой частицы в отверстия плоских решет; обосновать вероятность прохождения длинных примесей в круглые отверстия решета.
Материалы и методы
Технологический процесс разделения зерновой смеси на длинные и короткие частицы может осуществляться с помощью плоских решет. Взаимодействие решета и зерновой смеси исследовано достаточно [4-6]. Предполагается обязательное условие - перемещение зерновой смеси по рабочей поверхности решета. По пути перемещения зерна по решету с круглыми отверстиями оно может встретить отверстия, через которые короткие частицы проходят свободно, прохождение же длинных частиц будет затруднено.
Vestnik Omsk SAU, 2022, no. 1(45) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
Это прохождение будет происходить прежде всего при определенном соотношении размеров рабочих элементов решета, кинематических параметров сепаратора и зерновой частицы, которые влияют на расположение длинной частицы относительно отверстия в момент прохождения. В рассматриваемый момент расположение частицы на решете относительно отверстия может быть различным, это обусловлено рядом причин. Учесть эти причины по числу и значению каждой из них отдельно практически невозможно. Различное расположение частицы относительно отверстия решета может происходить от случайных толчков, полученных при взаимодействии друг с другом, от направления и силы толчка, от состояния рабочей поверхности решета, от формы и массы самих частиц и т.д. В связи с этим прохождение длинной частицы в круглое отверстие решета носит случайный характер, поэтому для его изучения возможно применение теории вероятностей [7]. Установление вероятности прохождения длинной частицы в круглое отверстие при учете значений определенных условий даст возможность получения наибольшего эффекта очистки. Схема расположения длинной частицы относительно круглого отверстия решета представлена на рис. 1.
п
Рис. 1. Схема расположения длинной частицы относительно круглого отверстия решета:
L - длина частицы; R - радиус отверстия решета; h - расстояние между поверхностью решета и концом частицы; mn - линия, проходящая через центр масс частицы перпендикулярно площадке;
В - диаметр круглой площадки с одним отверстием
Вероятность прохождения длинной частицы в круглое отверстие определяется из следующих условий и допущений:
• Решето должно совершать возвратно-поступательные колебания, обеспечивающие безотрывное движение зерновой смеси по нему.
• Отверстия на решете должны быть круглыми, одного диаметра, который больше ширины зерновой частицы.
• Отверстия располагаются в рядах. Расстояние между рядами и центрами отверстий в рядах одинаковое, т.е. рабочая поверхность сепаратора рассматривается как составленная из одинаковых площадок, каждая из которых имеет круглое отверстие диаметром 2Я.
• Для упрощения решения задачи площадки принимаются округлыми, с диаметром, равным величине В.
Vestnik Omsk SAU, 2022, no. 1(45)
PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
• Частица проходит по указанной площадке и находится в постоянном соприкосновении с какой-либо его частью.
• Центр масс частицы располагается посередине ее длины (X = 21).
• Движение зерновой смеси по рабочей поверхности сепаратора осуществляется слоем в одно зерно.
• При определенных кинематических параметрах сепаратора частица имеет возможность располагаться продольной осью под некоторым углом относительно поверхности решета, при этом полностью не отрываясь от его поверхности [8].
С учетом вышесказанного расстояние между поднятым концом частицы и поверхностью решета должно удовлетворять условию Я< И < 2Я, где Я - радиус отверстия; И - максимальное расстояние между поверхностью решета и концом частицы.
Результаты исследований
1
Если половина длины частицы (- Ь = I) больше или равна диаметру отверстия решета 2Я, то угол наклона частицы длиной I к прямой тп может принимать значения от р до л/2, при этом должно выполняться условие р < л/2. Таким образом вероятность того, что частица пройдет в отверстие, определится отношением
р 2 . Я + х
■ = —arcsin-п/ 2 п
l
(1)
где р- угол наклона длинной частицы к вертикальной прямой, град.; I - половина длины частицы, м;
х - расстояние между центром масс частицы и серединой отверстия решета, м. Вероятность сложного события прохождения частицы через отверстие согласно теории вероятностей оформится как
12 • Я + х (2)
Рх =---arcsin-
х 2R ж l
Тогда вероятность Р прохождения частицы через отверстие решета при положении прямой тп в пределах отверстия будет определяться
Я
Я
P =
2
ж-2R
l2-(h / 2)2 - R
. R + х , 2
arcsin--ах = —
l ж
2R
2
arcsin — + V (l/2R)2 -1 -
4R
2-1 - arcsin-Jl - (h/ 2l)2 -— v 4R
(3)
Прохождение частицы в отверстие решета, прежде всего, определяется величиной Я, характеризующей отношение диаметра отверстия ё = 2Я к длине семян X.
2Я
При отношении Я =— и И = 2Я, Р = /(Я) вероятность прохождения частицы бу-
дет определяться выражением
p=1
ж
arcsin 22 +
д/(1/2Я)2
-1 -
-^(1/2)2 -1 - arcsin V1 -22 - -
2
2
(4)
Используя выражение (3), установим возможность прохождения длинной частицы в круглое отверстие, исходя из заданных параметров решета и частицы. Из рис. 2 видно, что при постоянных значениях 2Я и 21 эта вероятность через отверстие Р возрастает с увеличением расстояния между поверхностью решета и концом длинной частицы И, а
при уменьшении отношения Я вероятность Р будет уменьшаться. Так, например, при
Vestnik OmskSAU, 2022, no. 1(45) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
4 5 4 5
Я = 0,50 вероятность будет составлять Р = 0,410, а при Яо = 0,44 составит 1 9,0 2 10,1
Р = 0,039.
Для исключения возможности прохождения длинных частиц через отверстия следует подбирать кинематические параметры сепаратора и решета с соответствующим диаметром отверстий.
Выражение (3) применимо при условии, что центр масс частицы находится посередине ее длины. На самом деле положение центра масс зерновой частицы не совпадает с ее геометрическим центром и делит зерно на две неравные части [9].
Приняв за ¡1 и ¡2 соответственно короткое и длинное плечи наибольшего размера Ь зерновой частицы, можно ввести понятие коэффициента симметрии [10]
ас = -
1
L -1
2
• (5)
Ь -11 ¡2 ( )
При условии, что ас - есть постоянный коэффициент для одного вида зерновых частиц, можно принять
ll =
а
1 + аг
■ L; 12 =
1
1 + аг
■ L,
(6)
С 1 1 "С
т.е. длины ¡1 и ¡2 пропорциональны длине Ь зерновых частиц.
При перемещении зерновой частицы по рабочей поверхности сепаратора она может подойти к отверстию концом (¡1) либо (¡2). После определения вероятности Р для обоих случаев выражение полной вероятности прохождения частицы длиной Ь в отверстие будет иметь вид
Р1 + Р2
Р =
2
(7)
Если частица располагается над отверстием коротким плечом, которое меньше диаметра отверстия, вероятность ее прохождения отверстия не может быть определена из выражения (3).
При ¡1 < 2Я всегда имеется расположение прямой тп на расстоянии х0 от середины отверстия, равном ¡1 - Я (рис. 2).
Рис. 2. Схема прохождения длинной частицы со смещенным центром масс в круглое отверстие решета
Vestnik Omsk SAU, 2022, no. 1(45)
PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
При изменении х от 0 до хо область расположения отрезка /у, способствующая его прохождению в отверстие, определяется пределом изменения угла наклона р отрезка /у к прямой тп, удовлетворяющим неравенству
. Я + х
р < агоБт-. (8)
1
где - предельная величина длины зерновой частицы, которая может пройти в отверстие решета. Угол р для всех значений х > х0 будет постоянным - л/2. Тогда вероят-
ность прохождения отрезка в отверстие при изменениях х от хо, и от хо до Я определяется интегралом
а„
1 + а
-V L2 - h 2 - R до
P = ■
2
ж- 2R
а
1+а,
h - R
Vl2 - h 2 - R
arcsin -
R + х
h
R
- dx + — J dx
h - R
(9)
Проинтегрировав данное выражение в указанных пределах, получим выражение вероятности прохождения частицы через отверстие решета
P = 1 -
а
(1 + ac )ж- R
l
L - h2 - arcsin л/1 -
тд/1 - (h /L)2 + h
(10)
Таким образом, вероятность прохождения длинной частицы через отверстие решета существенно зависит от длины частицы X, радиуса отверстия решета Я и максимального расстояния между поверхностью решета и концом частицы И.
Выводы
Выявлены основные факторы, определяющие условия прохождения зерновой частицы в отверстия.
Выяснено, что качественное разделение зернового материала на короткие и длинные частицы возможно производить на плоских решетах с круглыми отверстиями.
Установлено, что вероятность прохождения длинной частицы Р через круглое отверстие решета возрастает с увеличением расстояния между поверхностью решета и концом длинной частицы И, а при уменьшении отношения диаметра отверстия к длине семян Я вероятность Р будет уменьшаться.
Расчетами определена зависимость вероятности прохождения длинной частицы через отверстие от отношения диаметра отверстия к длине семян Я . Так при Л1 = 45 = 0,50
вероятность прохождения длинной частицы через отверстие будет составлять Р = 0,410, 4 5
при Я2 = = 0,44 вероятность снижается до Р = 0,039.
Библиографический список
1. Московский, М.Н. Интенсификация процесса сепарации семян зерновых в зерноочистительных агрегатах : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -05.20.01 / М.Н. Московский. - Ростов-на-Дону, 2005. - 218 с. - Текст : непосредственный.
2. Патент на полезную модель № 159569 Российская Федерация, МПК В07В 4/08. Воздуш-
References
1. Moskovskij, M.N. Intensifikaciya processa separacii semyan zernovyh v zernoochistitel'nyh agregatah : dissertaciya na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tekhnicheskih nauk. - 05.20.01 / M.N. Moskovskij. - Rostov-na-Donu, 2005. - 218 s. -Tekst : neposredstvennyj.
2. Patent na poleznuyu model' № 159569 Ros-sijskaya Federaciya, MPK V07V 4/08. Vozdushno-
Vestnik OmskSAU, 2022, no. 1(45) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
но-решетная зерноочистительная машина : опубл. 10.02.16 / Запевалов М.В., Сергеев Н.С., Коваленко Н.В. - Текст : непосредственный.
3. Галкин, В.Д. Технологии, машины и агрегаты послеуборочной обработки зерна и подготовки семян : монография / В.Д. Галкин, А.Д. Галкин ; Пермский аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова. - Пермь : Прокростъ, 2021. - 234 с. - ISBN 978-5-94279-505-4. -Текст : непосредственный.
4. 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.
5. Sabiev, U.K., Demchuk, E.V., Golovin, A.Yu. and Skysanov, I.V. (2018), "Experimental Registrations of Plain Sieve Operation, Making Transverse Fluctuations", Journal of Physics: Conference Series, pp. 012074.
6. Экспериментальные показатели работы плоского решета, совершающего поперечные колебания / У.К. Сабиев, Е.В. Демчук, А.Ю. Головин [и др.]. - Текст : непосредственный // Проблемы машиноведения : материалы II Международной научно-технической конференции. Министерство образования и науки России, Омский государственный технический университет; научный редактор П.Д. Балакин. - 2018. - С. 108-113.
7. Летошнев, М.Н. Теория вероятностей (в приложении к исследованию рабочего процесса плоского сортировального решета) / М.Н. Летошнев. - Текст : непосредственный // Теория, конструкция и производство. - Том 1 . - Москва ; Ленинград, 1935.
8. А.с. № 1761305. МПК В 07 В 1/00. Способ разделения зернового вороха по длине частиц / Н.И. Косилов, Н.В. Коваленко [и др.]. - Текст : непосредственный.
9. Шмигель, В.Н. Положение центра тяжести зерен различных культур / В.Н. Шмигель. - Текст : непосредственный // Труды ЧИМЭСХ. - Челябинск, 1967. - Вып. 27.
10. Баскаков, И.В. Зерноочистительные машины и элеваторное оборудование производства ООО «Воронежсельмаш» : учебное пособие / И.В. Баскаков, Р.Н. Карпенко, В.И. Оробинский. -Воронеж : ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ, 2018. -308 с. - ISBN 978-5-7267-1011-2. - Текст : непосредственный.
reshetnaya zemoochistitel'naya mashina : opubl. 10.02.16 / Zapevalov M.V., Sergeev N.S., Kovalen-ko N.V. - Tekst : neposredstvennyj.
3. Galkin, V.D. Tekhnologii, mashiny i agrega-ty posleuborochnoj obrabotki zerna i podgotovki se-myan : monografiya / V.D. Galkin, A.D. Galkin ; Permskij agrarno-tekhnologicheskij universitet imeni akademika D.N. Pryanishnikova. - Perm' : Prokrost", 2021. - 234 s. - ISBN 978-5-94279-505-4. - Tekst : neposredstvennyj.
4. 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.
5. Sabiev, U.K., Demchuk, E.V., Golovin, A.Yu. and Skysanov, I.V. (2018), "Experimental Registrations of Plain Sieve Operation, Making Transverse Fluctuations", Journal of Physics: Conference Series, pp. 012074.
6. Eksperimental'nye pokazateli raboty plosko-go resheta, sovershayushchego poperechnye koleba-niya / U.K. Sabiev, E.V. Demchuk, A.Yu. Golovin [i dr.]. - Tekst : neposredstvennyj // Problemy mashi-novedeniya : materialy II Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii. Ministerstvo obrazovaniya i nauki Rossii, Omskij gosudarstvennyj tekhnicheskij universitet; nauchnyj redaktor P.D. Balakin. - 2018. -S. 108-113.
7. Letoshnev, M.N. Teoriya veroyatnostej (v prilozhenii k issledovaniyu rabochego processa ploskogo sortiroval'nogo resheta) / M.N. Letoshnev. -Tekst : neposredstvennyj // Teoriya, konstrukciya i proizvodstvo. - Tom 1. - Moskva ; Leningrad, 1935.
8. A.s. № 1761305. MPK V 07 V 1/00. Sposob razdeleniya zernovogo voroha po dline chastic / N.I. Kosilov, N.V. Kovalenko [i dr.]. - Tekst : neposredstvennyj.
9. Shmigel', V.N. Polozhenie centra tyazhesti zeren razlichnyh kul'tur / V.N. Shmigel'. - Tekst : neposredstvennyj // Trudy ChIMESH. - Chelyabinsk, 1967. - Vyp. 27.
10. Baskakov, I.V. Zernoochistitel'nye mashiny i elevatornoe oborudovanie proizvodstva OOO "Voro-nezhsel'mash" : uchebnoe posobie / I.V. Baskakov, R.N. Karpenko, V.I. Orobinskij. - Voronezh : FGBOU VO Voronezhskij GAU, 2018. - 308 s. - ISBN 978-57267-1011-2. - Tekst : neposredstvennyj.
Для цитирования: Запевалов М.В., Сергеев Н.С., Редреев Г.В., Коваленко Н.В. Выделение длинных примесей из зернового материала на плоских решетах // Вестник Омского ГАУ. 2022. № 1 (45). С. 121-128. Б01 10.48136/22220364 2022 1 121.
For citation: Zapevalov, M.V., Sergeev, N.S., Redreev, G.V. and Kovalenko, N.V. (2022), "Isolation of long impurities from grain material on flat sieves", Vestnik Omsk SAU, no. 1(45), pp. 121-128, DOI 10.48136/2222-0364 2022 1 121.
PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
Vestnik Omsk SAU, 2022, no. 1(45)
Информация об авторах
Запевалов Михаил Вениаминович, д-р техн. наук, доц., mv.zapevalov@mail.ru;
Сергеев Николай Степанович, д-р техн. наук, проф., s.n.st@mail.ru;
Редреев Григорий Васильевич, д-р техн. наук, доц., gv.redreev@omgau.orgH;
Коваленко Николай Васильевич, инженер, nv.kovalenko@mail.ru.
Статья поступила в редакцию 28.02.2022.
Information about the authors
Zapevalov Mikhail V., Doc. of Techn. Sci., Ass. Prof., mv.zapevalov@mail.ru;
Sergeyev Nikolay S., Doc. of Techn. Sci., Prof., s.n.st@mail.ru;
Redreev Grigory V., Doc. of Techn. Sci., Ass. Prof., gv.redreev@omgau.orgH;
Kovalenko Nikolay V., engineer, nv.kovalen-ko@mail.ru.
The article was submitted 28.02.2022.
