ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЗЕРНА Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

Vestnik of OmskSAU, 2022, no. 2(46) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

Научная статья УДК 631.362.36

DOI 10.48136/2222-0364 2022 2 167

Исследование работы пневматической машины для очистки зерна А.В. Черняков, М.А. Бегуновн, В.С. Коваль, Д.Н. Коростелев

Тарский филиал Омского государственного аграрного университета имени П.А. Столыпина, Тара, Россия

Аннотация. Статья посвящена исследованию движения частиц зернового вороха в пневматической машине для очистки зерна предложенной конструкции. При производстве зерновых культур послеуборочная обработка - одна из наиболее ответственных и энергоемких операций. Большинство эксплуатируемых в настоящее время машин воздушно-решетного типа, их главный орган - решетная часть, а дополнительный - пневмосистема. По результатам теоретических и практических исследований можно отметить: при сортировке зернового вороха применение пневматических машин положительно отражается на качественных и количественных показателях очистки, а их повышение весьма актуально. Для сепарирования зернового материала это наиболее распространенный прием при предварительной очистке. Результаты исследований ученых показывают, что более половины примесей, содержащихся в исходном зерновом материале, можно выделить воздушным потоком. Предложена модель новой пневматической машины для очистки зернового вороха - технического устройства, принцип действия которого основан на разделении отдельных частиц зернового вороха по таким признакам, как масса, удельное сопротивление воздушному потоку и форма поверхности. Поставлены опыты по определению количественных и качественных показателей работы. Получены зависимости полноты разделения и потерь зерна от подачи и результирующей скорости воздушного потока. Выполнен анализ полученных зависимостей и составлены рекомендации по использованию пневматической машины для очистки зерна. Определены рациональные режимы работы для предварительной, первичной и вторичной очистки.

Ключевые слова: зерноочистка, пневматическая машина, воздушный поток, зерновой ворох

Original article

Study of the operation of a pneumatic grain cleaning machine

A.V. Chernyakov, M.A. BegunovH, V.S. Koval', D.N. Korostelev

Tara Branch of the Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Tara, Russia

Abstract. The article is devoted to the study of the movement of grain heap particles in a pneumatic machine for grain cleaning of the proposed design. In the production of grain crops, post-harvest processing is one of the most critical and energy-intensive operations. Most of the currently operated machines are of the air-screen type, the main body of which is the screen part, and the pneumatic system is an additional one. According to the results of theoretical and practical studies, it can be noted that the use of pneumatic machines for sorting grain heaps has a positive effect on the qualitative and quantitative indicators of cleaning, and the increase in such indicators is a very topical issue. The use of pneumatic machines for separating grain material is the most common method for pre-cleaning. The research results of scientists show that more than half of the impurities contained in the original grain material can be separated by air flow. This article proposes a model of a new pneumatic machine for cleaning grain heaps. A pneumatic grain cleaning machine is a technical device, the principle of which is based on the separation of individual particles of a grain heap according to such characteristics as mass, specific resistance to air flow and surface shape. Experiments were set up to determine the quantitative and qualitative indicators of work. The dependences of the separation completeness and grain losses on the supply and the resulting speed of the air flow were obtained. The obtained dependences were analyzed and rec-

© Черняков А.В., Бегунов М.А., Коваль В.С., Коростелев Д.Н., 2022

Vestnik of Omsk SAU, 2022, no. 2(46) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

ommendations were made on the use of a pneumatic machine for grain cleaning. Rational modes of operation for preliminary, primary and secondary cleaning have been determined.

Keywords: grain cleaning, pneumatic machine, air flow, grain heap

Введение

Сельское хозяйство севера Омской области переживает далеко не самые лучшие времена. Техника СПК и КФХ стареет и изнашивается, выходит из строя. Материально-техническая база явно устарела и не отвечает современным требованиям рыночной экономики. Особенно это касается базы зернотокового хозяйства [1].

Многие агрегаты и комплексы, поставлявшиеся в колхозы и совхозы в 60-е, 70-е годы ХХ в. (в основном ЗАВ-10, ЗАВ-20, КЗС-10, КЗС-20) устарели морально и материально. Машины, которыми их укомплектовывали изначально, выходят из строя вследствие износных явлений, ржавеют из-за прохудившейся кровли [2]. Все это ухудшает качество зерна, как продовольственного, так и семенного назначения [3]. В настоящее время существуют проекты модернизации устаревших агрегатов и комплексов, в основном касающиеся оснастки новыми машинами, замены кровли и стен. Однако эта модернизация зачастую дорого обходится хозяйствам [4].

В последние годы СПК и КФХ, заменившие колхозы и совхозы, отказываются от части посевных площадей. Соответственно и зерноочистительно-сушильного оборудования, рассчитанного на большие посевные площади по производительности, сейчас явно в избытке. Если в былые годы КЗС работали в 2-3 смены, то сегодня - в течение светового дня [5]. Назревает время для создания принципиально новых машин для очистки зерна: это гравитационные сепараторы, пневматические сепараторы зерна типа САД, Алмаз и другие. Развивается магнитная, диэлектрическая и другие виды очистки. С применением современных технологий очистки зерна забываются кружала, струнные решета и другие новинки былых лет [6].

По результатам теоретических и практических исследований отметим, что в сортировке зернового вороха применение пневматических машин положительно отражается на качественных и количественных показателях очистки, а их повышение весьма актуально. Также отметим, что у пневматических машин более простая конструкция, несомненно, это снижает их стоимость. Однако повышение качественных и количественных показателей невозможно без проведения теоретических исследований [6].

В результате ранее проведенных исследований выяснена целесообразность применения пневматических машин для очистки зерна при его сортировке по массе [7].

При разработке сепаратора были проанализированы особенности различных существующих конструкций. Пневматическая машина для очистки зерна - это техническое устройство, его принцип действия основан на разделении отдельных частиц зернового вороха по признакам массы, удельного сопротивления воздушному потоку и форме поверхности.

Цель исследования: определить зависимость разделения и потерь зерна от подачи и результирующей скорости воздуха, а также выполнить анализ работы машины для получения рекомендаций по использованию рациональных режимов работы.

Задачи исследования:

- на основе анализа технических решений предложить схему конструкции пневматической машины для очистки зерна;

- описать процесс работы пневматической машины;

- определить силы, действующие на частицы зернового вороха, при движении в воздушном потоке;

Vestnik of Omsk SAU, 2022, no. 2(46)

PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

- установить зависимость разделения и потерь зерна от подачи и результирующем скорости воздуха;

- выполнить анализ работы машины для получения рекомендаций по использованию ее рациональных режимов.

Объекты и методы

Предложенная конструкция пневматической машины для очистки зерна состоит из корпуса 1 (рис. 1), дозирующего бункера 2, рассекательного корпуса 3, крыльчатки 4, приемника тяжелой фракции (очищенное зерно) 5, приемника фуражной фракции 6, приемника легких примесей 7, отводного канала для запыленного воздуха 8.

Предлагаемое техническое устройство работает следующим образом: зерно с примесями подается из питающего бункера 2 на рассекательный конус 3. На нем имеются винтовые лопатки для раскручивания потока зерна и поступления его в раздувоч-ную камеру с начальной скоростью. При поступлении зерновой материал разделяется по критической скорости витания и объемному весу. Самая тяжелая фракция, состоящая из семян основной культуры, выпадает в приемник фракций 5. Фуражные примеси разносятся на большую величину и поступают в приемник фракций 6. Дальше всех фракций отлетают легкие примеси, попадающие в приемник 7. Запыленный воздух выходит через отводной канал 8. В отводном канале может быть устанавлен отсасывающий вентилятор (на схеме не показан).

Рис. 1. Схема пневматической машины для очистки зерна: 1 - корпус; 2 - дозирующий бункер; 3 - рассекательный конус; 4 - крыльчатка вентилятора; 5 - приемник тяжелой фракции (очищенное

зерно); б - приемник фуражной фракции; 7 - приемник легких примесей; 8 - отводной канал

' - фуражные примеси;

для запыленного воздуха;

легкие примеси;

- очищенное зерно;

запыленный воздух

Vestnik ofOmskSAU, 2022, no. 2(46) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

Предложенная пневматическая машина для очистки зерна имеет следующие регулировки:

1. Скорость воздушного потока. Величина имеет две взаимно перпендикулярные составляющие: касательную и нормальную. Первая стремится раскрутить зерновоз-душную смесь, вторая - отбросить частицы от центра вращения под действием центробежной силы. Величина скорости регулируется частотой вращения рабочего колеса вентилятора путем изменения напряжения подаваемого на двигатель постоянного тока. Измеряется величина скорости воздушного потока на расстоянии 100 мм от цилиндрической поверхности в точке, где пропадает турбулентное явление, зависящее от количества и формы лопаток. Измерение скорости воздушного потока происходит в радиальном и касательном направлениях с помощью трубки Пито-Прандтля с точностью до 0,5 м/с. Для проведения экспериментов рассчитывали результирующую скорость, получаемую как геометрическую сумму касательной и нормальной скоростей. Эксперимент проведен со значениями результирующей скорости, фиксированной для значений: 4,5 ± 0,25 м/с; 6,0 ± 0,25 м/с; 7,5 ± 0,25 м/с; 9,0 ± 0,25 м/с; 10,5 ± 0,25 м/с [7].

2. Нагрузка зерновой массы на сепаратор регулируется механизмом подачи при открытии дозирующей заслонки. Фиксированные значения нагрузки составляют: 60 ± 2,5 кг/ч, 90 ± 2,5 кг/ч, 120 ± 2,5 кг/ч, 150 ± 2,5 кг/ч, 180 ± 2,5 кг/ч. Измеряется нагрузка путем определения массы выданной зерновой смеси за время опыта (30 секунд) и пересчетом часовой работы установки.

Зерновой ворох, подлежащий очистке, состоял из основной культуры - пшеницы Росинка, районированной для севера Омской области, и смеси сорняков: овсюга - 2,4%, семян пырея - 2,8%, повоя заборного - 0,9%, костреца безостого - 0,5%, половы -0,5%, сбоины - 1,5%. Исходный ворох забирался в виде проб из бункеров зерноуборочных комбайнов Енисей-954 и являлся урожаем 2020 г. Оценивали состав зернового вороха весовым методом, осуществляемым на электронных весах с точностью до 0,5 г [8].

Экспериментальная часть

В качестве критериев оптимизации приняты полнота выделения сорных примесей (полнота разделения) и потери основной культуры. Первый критерий оценивался количеством сорных примесей, выделенных сепаратором по отношению ко всем сорным примесям в исходном ворохе. Второй критерий - по массе зерна основной культуры, попавшей в отходы вместе с легкими примесями. Полноту разделения и потери измеряют в процентах. В зависимости от их значений выделяют предварительную, первичную и вторичную очистки зерна, а также зерноочистительные машины [9].

Опыты проведены по классическому эксперименту методом перебора факторов при одном фиксированном. Каждый опыт проводился в четырехкратной повторности. Каждая повторность - в следующей последовательности: в бункер засыпалось тщательно перемешанное зерно в необходимом для проведения эксперимента количестве, включали вентилятор, устанавливали необходимую скорость воздушного потока по напряжению питания и по трубке Пито-Прандтля, включали подачу исходного зернового материала в соответствии с планом опытов. Одновременно включался секундомер на 30 секунд. По истечении времени опыта выключали подачу зерна, а затем - вентилятор. По окончании опыта взвешивались фракции зернового материала и разбирались вручную. Рассчитывалось среднее арифметическое полноты разделения и потерь основной культуры, а также среднеквадратическое отклонение [10].

По результатам проведения эксперимента строили зависимости полноты разделения зерна от подачи и результирующей скорости (рис. 2) и потерь зерна от подачи и результирующей скорости (рис. 3).

Vestnik ofOmskSAU, 2022, no. 2(46) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

Полнота

\S0 6

Подача зерна, кг/ч 4,s

Результирующая скорость, м/с

Рис. 2. Зависимость полноты разделения зерна от подачи и результирующей скорости Потери

Рис. 3. Зависимость потерь зерна от подачи и результирующей скорости

Заключение и выводы

Из полученных результатов экспериментальных исследований можно сделать выводы:

• зависимость полноты разделения от подачи зерна при всех значениях результирующей скорости воздушного потока - обратно пропорциональная, что не противоречит здравому смыслу и результатам экспериментов других ученых;

• зависимость полноты разделения от результирующей скорости воздушного потока прямо пропорциональная. С увеличением последней большее количество примесей выдувается из зернового вороха, что также логично.

Vestnik ofOmskSAU, 2022, no. 2(46) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

Потери зерна практически в равной степени зависят от подачи зерна и результирующей скорости. На малых подачах зерна его потери выше, объясняется это большим выносом примесей и вместе с ними семян основной культуры. В приемник легких примесей больше попадает щуплых семян основной культуры, что подтверждено и визуальным наблюдением. С увеличением подачи возрастает и количество примесей, отделяемых на сепараторе в единицу времени.

С увеличением результирующей скорости воздуха потери зерна возрастают, поскольку у щуплых зерновок критическая скорость ниже, чем у полноценных, и воздушный поток с легкостью поднимает и их.

Далее определимся, какой очистке зерна соответствует в большей степени испытуемая машина. Для этого обратимся к таблице.

Характеристика очистки зерна

Очистка, сортирование зерна и семян Показатель, %

Полнота разделения Потери основной культуры

Предварительная 50 0,05

Первичная 60 1,5

Вторичная и специальная 80 1,0

Отмечено при сопоставлении результатов экспериментального исследования с табличными:

Предварительную очистку зерна выгоднее осуществлять на подачах зерна, равных 150 и 180 кг/ч, при скоростях воздуха 4,5-6,0 м/с. В этих случаях легкие и грубые примеси отделяются, а полнота разделения превышает 50%. Потери зерна не превышают установленные 0,05%.

Выгоднее первичную очистку осуществлять на подачах зерна, равных 120-180 кг/ч при скоростях воздуха 4,5-9,0 м/с. С увеличением подачи зерна рациональная скорость пропорционально возрастает.

Вторичную очистку выгоднее осуществлять на подачах зерна, равных 60-120 кг/ч при скоростях воздуха 4,5-7,5 м/с. С увеличением подачи зерна рациональная скорость также пропорционально возрастает.

Список источников

1. Koval V., Chemyakov A., Shevchenko A., Begunov M., Demchuk E. Determination of Separator Constructive Parameters, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 582. no 1.

2. Авдеев А.В. Современный технический уровень машин для послеуборочной обработки зерна // Механизация и электрификация сел. хозяйства. 2002. № 6. С. 20-22.

3. Евтягин В.Ф. Связь экспериментальных и теоретических показателей работы решета // Сб. науч. тр. / Ом.с.-х. ин-т. Омск, 1992. С. 45-48.

4. Головин А.Ю. Модернизация решетного стана зерноочистительной машины // Перспективы технического сервиса для предприятий АПК : материалы Региональной науч.-практ. конф., посвящ. 95-летию ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А. Столыпина. Омск, 2013. С. 4-5.

References

1. Koval V., Chemyakov A., Shevchenko A., Begunov M., Demchuk E. Determination of Separator Constructive Parameters, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 582. no 1.

2. Avdeev A.V. Sovremennyj tehnicheskij uroven' mashin dlja posleuborochnoj obrabotki zerna. Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya sel. Khozyaystva = Mechanization and electrification of agriculture. 2002;(6):20-22. (In Russ.).

3. Evtjagin V.F. Svjaz' jeksperimental'nyh i teoreticheskih pokazatelej raboty resheta. Sb. nauch. tr. Collection of scientific papers / Omsk Agricultural Institute. Omsk. 1992; 45-48. (In Russ.).

4. Golovin A.Ju. Modernizacija reshetnogo stana zernoochistitel'noj mashiny. Perspektivy tekhni-cheskogo servisa dlya predpriyatiy Agropromyshlen-nogo kompleksa: materialy Regional'noy nauch. -prakt. konf., posvyashch. 95-letiyu FGBOU VPO Om-

Vestnik of OmskSAU, 2022, no. 2(46) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

5. Головин А.Ю., Сабиев У.К., Союнов А.С. Траектория движения зерновки по решету, совершающему круговые движения // Вестник Омского государственного аграрного университета. 2017. № 4(28). С. 204-210.

6. Ахметов С.Г., Отто А.С., Садбеков Д.Ж., Демчук Е.В. Сравнительный анализ технических характеристик машин для очисткизерна // Роль научно-исследовательской работы обучающихся в развитии АПК. Сборник всероссийской (национальной) научно-практической конференции. 2020. С. 10-15.

7. Хололенко А.А. Исследование пневматического сепаратора зерна с Х-образным воздушным каналом // Студенческая наука об актуальных проблемах и перспективах инновационного развития регионального АПК : Материалы XVIII науч.-практ. конф. обучающихся. 2019. С. 44-49.

8. Тишанинов К.Н. Основные тенденции развития решетных сепараторов // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для АПК : сб. науч. докл. XX Международной науч.-практ. конф. 2019. С. 91-97.

9. Chemyakov A., Koval V., Begunov M., Algazin D., Petrov N. Experimental study of a pneumatic separator: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Сер. "Innovative Technologies in Agroindustrial, Forestry and Chemical Complexes and Environmental Management, ITAFCCEM 2021". 2021. С. 012016.

10. Мяло В.В., Мяло О.В., Демчук Е.В. [и др.]. Механизация растениеводства. Омск, 2016.

GAU imeni P.A. Stolypina = In the collection: Prospects for technical service for enterprises of the agro-industrial complex materials of the Regional scientific and practical conference dedicated to the 95th anniversary of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education OmSA U named after. P.A. Stolypin. 2013: 4-5. (In Russ.).

5. Golovin A.Ju., Sabiev U.K., Sojunov A.S. Traektorija dvizhenija zernovki po reshetu, soversha-jushhemu krugovye dvizhenija. Vestnik Omskogo go-sudarstvennogo agrarnogo universiteta = Bulletin of the Omsk State Agrarian University. 2017;4(28):204-210. (In Russ.).

6. Ahmetov S.G., Otto A.S., Sadbekov D.Zh., Demchuk E.V. Cravnitel'nyj analiz tehnicheskih ha-rakteristik mashin dlja ochistkizerna. Rol' nauchno-issledovatel'skoj raboty obuchajushhihsja v razvitii APK. Sbornik vserossijskoj (nacional'noj) nauchno-prakticheskoj konferencii = In the collection: The role of research work of students in the development of the Agro-industrial complex. Collection of the All-Russian (national) scientific-practical conference. 2020: 10-15. (In Russ.).

7. Hololenko A.A. Issledovanie pnevmati-cheskogo separatora zerna s H-obraznym vozdushnym kanalom. Studencheskaja nauka ob aktual'nyh prob-lemah i perspektivah innovacionnogo razvitija regio-nal'nogo APK. materialy XVIII nauchno-prakticheskoj konferencii obuchajushhihsja = In the collection: Student science about current problems and prospects for innovative development of the regional agro-industrial complex : materials of the XVIII scientific-practical conference of students. 2019: 44-49. (In Russ.).

8. Tishaninov K.N. Osnovnye tendencii razvi-tija reshetnyh separatorov. Povyshenie jeffektivnosti ispol'zovanija resursov pri proizvodstve sel'skoho-zjajstvennoj produkcii - novye tehnologii i tehnika novogo pokolenija dlja APK. Sbornik nauchnyh dokla-dov XX Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj kon-ferencii = In the collection: Increasing the efficiency of resource use in the production of agricultural products -new technologies and new generation equipment for the agro-industrial complex. Collection of scientific reports of the XX International Scientific and Practical Conference. 2019: 91-97. (In Russ.).

9. Chernyakov A., Koval V., Begunov M., Algazin D., Petrov N. Experimental study of a pneumatic separator: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Ser. "Innovative Technologies in Agroindustrial, Forestry and Chemical Complexes and Environmental Management, ITAFCCEM 2021"; 2021: 012016. (In Russ.).

10. Mjalo V.V., Mjalo O.V., Demchuk E.V., Sojunov A.S., Golovanov D.A. Crop mechanization. Omsk. 2016. (In Russ.).

Vestnik of Omsk SAU, 2022, no. 2(46) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

Для цитирования: Черняков А.В., Бегунов М.А., For citation: Chemyakov A.V., Begunov M.A.,

Коваль В.С., Коростелев Д.Н. Исследование рабо- Koval' V.S., Korostelev D.N. Study of the operation

ты пневматической машины для очистки зерна // of a pneumatic grain cleaning machine. Vestnik of

Вестник Омского ГАУ. 2022. № 2 (46). С. 167-174. Omsk SAU. 2022;2(46):167-174, DOI 10.48136/2222-

DOI 10.48136/2222-0364 2022 2 167. 0364 2022 2 167.

Информация об авторах

Черняков Алексей Витальевич, канд. техн. наук, доц., [email protected];

Бегунов Максим Алексеевич, канд. техн. наук, доц., ma.beguш[email protected]н;

Коваль Владимир Сергеевич, канд. техн. наук, доц., [email protected];

Коростелев Денис Николаевич, учебный мастер кафедры агрономии и агроинженерии, [email protected].

Статья поступила в редакцию 04.03.2022.

Information about the authors

Chernyakov Alexey V., Cand. of Techn. Sci., Ass. Prof., [email protected];

Begunov Maxim A., Cand. of Techn. Sci., Ass. Prof., [email protected];

Koval' Vladimir S., Cand. of Techn. Sci., Ass. Prof., [email protected];

Korostelev Denis N., Educational Master of the Department of Agronomy and Agroengineering, [email protected].

The article was submitted 04.03.2022.