CC BY
3DOI 10.53980/24131997_2024_4_69
С.С. Ямпилов, д-р техн. наук, проф., e-mail: [email protected]
Н.А. Нехуров, ассистент Ж.Б. Цыбенов, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] В.Б. Балданов, канд. техн. наук, доц., e-mail: [email protected] А.О. Жигжитов, канд. техн. наук, доц.
А.В. Стукалова, аспирант, e-mail: [email protected] Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 631.362
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦ ЗЕРНОВОГО МАТЕРИАЛА ПО ЛОТКУ СЕПАРАТОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ
Сепараторы, использующие техническое зрение, применяются для очистки зернового материала от различных примесей, в частности от примесей, которые отличаются от частиц зерна размерами, цветом, формой, коэффициентом трения и др. С целью обоснования параметров лотка для обработки зерна от примесей была разработана математическая модель, описывающая движения частиц по лотку. Рассмотрено математическое описание движения различных частиц по лотку и представлен принцип работы сепаратора с техническим зрением. Частицы отличаются коэффициентом трения. При математическом моделировании найдено выражение, рассчитывающее интервал между частицами, движущимися по наклонному лотку, учитывающее различие коэффициентов трения частиц, а также длину лотка и угол его наклона.
Ключевые слова: сепаратор, техническое зрение, движение частиц по лотку, коэффициент трения.
S.S. Yampilov, Dr. Sc. Engineering, Prof.
N.A. Nekhurov, Assistant Lecturer Zh.B. Tsybenov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
V.B. Baldanov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof. A.O. Zhigzhitov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
A.V. Stukalova, PG student East Siberian State University of Technology and Management, Ulan-Ude
MATHEMATICAL MODEL OF GRAIN MATERIAL PARTICLES MOVEMENT ALONG
SEPARATOR TRAY USING MACHINE VISION
Separators using machine vision are used to clean grain material from various impurities, in particular from impurities that differ from grain particles in size, color, shape, friction coefficient, etc. In order to substantiate parameters of the tray for processing grain from impurities, a mathematical model is developed describing movement of particles along the tray. The study considers mathematical description of various particles movement along the tray and presents operating principle ofseparator with machine vision. Particles differ in friction coefficient. In mathematical modeling, an expression is found calculating interval between particles that move along an inclined tray and taking into account difference in friction coefficients of particles, as well as tray length and angle.
Key words: separator, machine vision, particle movement along tray, friction coefficient.
Введение
Одним из основных способов снижения влажности зернового материала является его очистка от примесей. Низкая влажность зерна снижает активность и количество микроорганизмов, а также время его хранения без ухудшения товарных и потребительских качеств. Удаление примесей из зернового материала - это основной технологический процесс послеуборочной обработки, осуществляющийся на зернотоках. Очистка зернового материала осуществляется на зерноочистительных устройствах, находящиеся в зерноперерабатывающих хозяйствах. Увеличение эффективности работы данных устройств обеспечит сохранность зернового материала и прибыль хозяйств при реализации продуктов высокого качества.
Сегодня во многих регионах увеличилось количество трудноотделимых примесей, находящихся в поступающем исходном зерне из-под комбайна. Отделить их от зерна (большую часть) на существующих зерноочистительных машинах практически невозможно. Однако появились за рубежом и в нашей стране сепараторы для очистки зерна. Данные сепараторы вобрали в себя современные достижения науки и техники. Упомянутые сепараторы применяют для очистки зерна с использованием технического зрения. Поэтому их назвали фотосепараторами, способными очистить зерновой материал от всех видов сорняков и примесей [1-5]. В настоящее время ведутся научные работы по созданию сепаратора, использующего техническое зрение для очистки зерна от трудноотделимых частиц [6-14].
Цель работы - обоснование параметров лотка (длины, угла наклона, промежутка времени скатывания различных частиц по лотку) сепаратора для очистки зерна с использованием технического зрения.
Материалы и методы исследования
Чтобы эффективно отделить частицы примеси от частиц основного зерна, необходимо иметь промежуток времени между частицами при скатывании частиц по лотку, для распознавания частиц (по размеру, по свету) видеокамерами для увеличения эффективности очистки зерна от примесей. Для обоснования параметров лотка при скатывании частиц различных компонентов зернового материала по лотку, определения разницы интервала движения различных частиц по лотку при обработке поступающего исходного зернового вороха разработано аналитическое описание движения частиц зернового материала в сепараторе, использующего техническое зрение. При математическом описании процесса перемещения частиц зернового материала по лотку были приняты следующие допущения: сопротивление воздуха не учитывалось; подача частиц зернового материала рассматривалась в один зерновой слой; частицы всех компонентов зернового материала считались одинаковыми по размеру и массе. Чтобы понимать движение частиц по лотку, следует рассмотреть схему их перемещения и воспользоваться известным выражением [15]:
йр (1) — = д^та — /соза), (1)
где д = 9,81 м/с2; f - коэффициент трения; а - угол наклона к горизонту, град.; V - скорость перемещения зерна, м/с; ^ - время перемещения зерна, с.
Рисунок 1 - Описание перемещения зерна по наклонной поверхности: 1 - накопитель; 2 - наклонная поверхность
Выражение представим в упрощенном виде:
дзта — д[соБа = к. (2)
Выражениями представим перемещение двух зерен относительно наклонной поверхности для математического описания:
к, = д • Бта — д^соБа; (3)
к2 = д • Бта — д[2соза, (4)
где Ди - коэффициенты трения соответствующих зерен, перемещающихся по наклонной поверхности.
Поскольку угол наклона поверхности к горизонту, по которой перемещаются два зерна намного выше их угла трения, зерна будут спускаться, причем, неравномерно, приближаясь или удаляясь друг от друга в зависимости от их коэффициента трения/1 и/2. Дистанция между зернами будет возрастать по мере движения, если коэффициент трения первого зерна /1 будет меньше, чем у зерна следующего за ним/2. При равном коэффициенте трения двух зерен расстояния между ними будет оставаться одинаковым по мере движения по наклонной поверхности. Дистанция между зернами будет сокращаться в случае, если коэффициент трения первого зерна /1 будет больше, чем у зерна следующего за ним /2. При данных условиях, когда зерна догоняют друг друга при движении по наклонной поверхности, возникают трудности для технического зрения при идентификации различий и дефективных зерен, а также затрудняется обнаружение примесей для их выделение из зернового материала. При вышерассмот-ренном условии эффективность очистки снизится.
Таким образом, следует учитывать, что ситуация, когда /1 больше /2, является наихудшим сценарием при использовании сепаратора с техническим зрением.
Скорости перемещения зерен по наклонной поверхности от ее приемной части до момента вылета с нее различаются, поскольку обладают различными коэффициентами трения. Следующие уравнения позволяют найти скорости движения зерен по наклонной поверхности:
р1 = р0+к1• V, (5)
Р2=Ро + к2^^ — г0), (6)
где I - время перемещения первого зерна по наклонной поверхности, с; 1о - промежуток времени, в течение которого поступает следующее зерно, с; р0 - исходная скорость зерна при поступлении его на наклонную поверхность, м/с; Р1 и х>2 - скорости перемещения первого и второго зерен, м/с.
Время ^ рассчитывается по следующему уравнению с учетом того, что зерновой материал движется в один слой:
_ + 2 • к-1 • й — у0 *° = к, , (7 ) где d - размер компонентов зернового материала, м.
Траектория частиц, обрабатываемых в лотке, может быть определена следующими выражениями:
к1 • ^
з1 = Р0^1+ ; (8 )
В2=Уо^2+^~, (9)
где и з2 - путь первого и второго зерен на наклонной поверхности, м; 11и12- время движения зерен по пути s, с.
Обычно длина пути £ или длина лотка уже известны, поэтому можно определить время 11 и (2 следующим образом:
^ =---; (10)
к,
гг = у 0 ' " ,'"2 _(11)
Длину маршрута, пройденного частицами по лотку за определенный промежуток времени, можно вычислить с использованием следующих формул:
(12)
2 '
— 2 (2 0) , (13)
где и 52 - расстояние, преодоленное зернами, движущимися по наклонной поверхности, за время ^ м.
В формуле (13) заменив ^ на 11 и вычтя полученное уравнение из выражения (8), получим уравнение нахождения расстояния между зернами в конце наклонной поверхности:
к! • г2 к2 • (Ь —12)2 ^ин = -----, (14)
где 5ин - интервал между первой и второй частицами в конце лотка, м.
Результаты исследования и их обсуждение
Рассчитали путь, пройденный горохом и пшеницей в зависимости от угла наклона лотка к горизонту. Для этого по выражениям 3 и 4 определили значения kl и k2, подставляя значения коэффициентов трения пшеницы по стали ^ = 0,65 и коэффициент трения гороха f2 = 0,32. Затем по формуле (7) нашли время ^ при начальной скорости частиц по скатному лотку р0 = 0,95 м/с и размера гороха d = 0,005 м.
Анализ результатов показал (рис. 2), что с увеличением угла наклона лотка к горизонту увеличивался путь, пройденный частицами зернового материала. Поэтому рациональным достаточным углом наклона лотка к горизонту приняли 60°, при котором наблюдалось устойчивое скатывание частиц зернового материала.
Угля наклона,: рад
Рисунок 2 - Зависимость пройденного пути частицами зернового материала по лотку от угла наклона лотка
# Пшениц 11
/ /
/ у
Рисунок 3 - Зависимость от коэффициента трения пути, пройденного пшеницей и горохом
72
Математическая модель позволила получить графические зависимости интервала между частицами пшеницы и гороха в конце наклонной поверхности от разницы коэффициентов трения частиц компонентов зерна по поверхности (рис. 3). По формуле 14 рассчитали интервал пути между пшеницей и горохом при длине наклонной поверхности S = 1 м и угле наклона поверхности к горизонту а = 60°.
Анализ результатов показал, что при скатывании частиц гороха и пшеницы по стальному листу интервал между этими частицами достаточен при длине лотка 1 м и угле наклона лотка 60° и составляет 0,56 м, когда время скатывания равно 0,33 с. Это позволило вовремя распознать частицы разных компонентов зернового материала видеокамерами и дать команду эжектору для удаления примеси в емкость отходов.
Заключение
Разработана математическая модель движения частиц зернового материала по лотку сепаратора с использованием технического зрения, которая позволяет обосновать основные параметры скатного лотка. Длина скатного лотка 1 м и угол наклона лотка к горизонту 60°.
Библиография
1. Стукалова А.В., Ямпилов С.С. Обзор современных фотосепараторов // Вестник ВСГУТУ. -2024. - № 1. - С. 62-71.
2. Толмачев В.Д., Лебедев Д.В. Актуальность применения фотосепараторов в технологическом процессе // Символ науки. - 2019. - № 6. - С. 234-238.
3. Абидуев А.А., РаднаевД.Н, Тогмидон А.Ю., и др. Очистка семенного зерна ячменя в условиях Республики Бурятия // Вестник ВСГУТУ. - 2023. - № 1. - С. 46-55.
4. Иванов А.М., Шаронова Т.В., Иванов Д.В. Фотосепараторы для зерна // Студенческая наука -первый шаг в академическую науку: материалы конф. - Чебоксары: Изд-во Чувашской гос. с.-х. академии, 2018. - С. 78-81.
5. Ямпилов С.С. Технологическое и техническое обеспечение ресурсо- и энергосберегающих процессов очистки и сортирования зерна и семян. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2003. - 196 с.
6. Гиевский А.М., Мяснянкин К.В. Влияние фрикционных свойств обрабатываемых частиц на их фотосепарирование // Вестник Воронежского ГАУ. - 2020. - Т. 13, № 2. - С. 32-38.
7. Мекшун Ю.Н., Овчинников Д.Н., Новикова В.А. и др. Применение фотосепаратора при выделении трудноотделимых примесей // Приоритетные направления развития энергетики в АПК: матери-алылы конф. - Лесниково: Изд-во Курганской гос. с.-х. академии им. Т.С. Мальцева, 2017. - С. 79-82.
8. Лерке В.В., Надвоцкая В.В. Анализ технических характеристик фотосепараторов для технического переоснащения технологической линии // Программно-техническое обеспечение автоматизированных систем: материалылы конф. - Барнаул: Изд-во Алтайского гос. техн. ун-та им. И.И. Ползу-нова, 2019. - С. 17-20.
9. Патент RU №2468872. В07С 5/342 Устройство для сортировки зерна /Ямпилов С.С. Цыдыпов Ц.Ц., Жигжитов А.О.// Патентообладатели: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления». - Заявка № 2011144345, заявл. 1. 11. 2011, опубл. 10.12.2012.
10. Патент RU №2607537 В07С 5/300 Фотосепаратор / Савинков М.В., Галкин Е.В., Никулин Ю.Н. // Патентообладатели: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Чувашской государственной сельскохозяйственной академии». - Заявка № 207611445, заявл. 17. 11. 2016, опубл. 10.01.2017.
11. Тищенко А.И. Повышение качества сыпучих зерновых продуктов на основе разработки и применения многокритериальных фотоэлектронных сепараторов: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.02 / А.И. Тищенко. - Барнаул, 2000. - 304 с.
12. Мяснянкин К.В., Агеев А.А., Тарасенко А.П. Влияние типа лотков на качество очистки гречихи фотосепаратора // Техника в сельском хозяйстве. - 2014. - № 6. -С. 5-7.
13. Патент RU №2495728 В07В 13/00 Устройство для сортировки зерна /Ямпилов С.С., Цыды-пов Ц.Ц., Жигжитов А.О., Хаптагаева С.И., Будаев А.Б. // Патентообладатели: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления». - Заявка № 2012121083/03 заявл. 22.05.2012, опубл. 20.10.2013.
14. Мяснянкин К.В. Влияние фотосепаратора на качество семян гречихи // Инновационные технологии и технические средства для АПК: тр. Воронежского ГАУ. - Воронеж, 2014. - С. 54-60.
15. Василенко П.М. Теория движения частиц по шероховатым поверхностям сельскохозяйственных машин. - Киев: Изд-во Укр. академии c.-х. наук, 1960. - 283 с.
Bibliography
1. Stukalova A.V., Yampilov S.S. Review of modern photoseparators // ESSUTM Bulletin. - 2024. -N 1 - P. 62-71.
2. Tolmachev V.D., Lebedev D.V. Relevance of photo separators application in technological process // Symbol of science. - 2019. - N 6. - P. 234-238.
3. Abiduev A.A., Radnaev D.N., Togmidon A.Yu. et al. Barley seed grain cleaning under conditions of the Republic of Buryatia // ESSUTM Bulletin. - 2023. - N 1. - P. 46-55.
4. Ivanov A.M., Sharonova T.V., Ivanov D.V. Grain photoseparators // Student science - the first step into academic science: conference materials. - Cheboksary: Publishing House of the Chuvash State Agricultural Academy, 2018. - P. 78-81.
5. Yampilov S.S. Technological and technical support for resource-saving processes of cleaning and sorting grain and seeds. - Ulan-Ude: Publishing House of ESSUTM, 2003. - 196 p.
6. Gievskiy A.M., Myasnyankin K.V. Influence of frictional properties of processed particles on their photoseparation // Vestnik of Voronezh State Agrarian University. - 2020. - Vol. 13, N 2. - P. 32-38.
7.Mekshun Yu.N., OvchinnikovD.N., Novikova V.A.et al. Application of photoseparator in separation of difficult-to-separate impurities // Priority areas for energy development in agro-industrial complex: conference materials. - Lesnikovo: Publishing House of Kurgan State Agricultural Academy after T.S. Maltsev, 2017. - P. 79-82.
8. Lerke V.V., Nadvotskaya V.V. Analysis of technical characteristics of photoseparators for technical re-equipment of a process line // Software and hardware for automated systems: conference materials. - Barnaul: Publishing House of Polzunov Altai State Technical University, 2019. - P. 17-20.
9. Patent RU N 2468872 B07C 5/342 Grain sorting device / Yampilov S.S. Tsydypov Ts.Ts., Zhigzhi-tov A.O. Patent Holders: Federal State Educational Institution of Higher Professional Education «East Siberian State University of Technology and Management». - Application N 2011144345, appl. 1.11.2011, publ. 10.12.2012.
10. Patent RU N 2607537 B07C 5/300 Photoseparator / Savinkov M.V., Galkin E.V., Nikulin Yu.N. Patent Holders: Federal State Educational Institution of Higher Professional Education «Chuvash State Agricultural Academy». - Application N 207611445, appl. 17.11.2016, publ. 10.01.2017.
11. Tishchenko A.I Improving bulk grain products quality based on development and use of multi-criteria photoelectronic separators: diss. ... Cand. Sc. Engineeering: 05.20.02. - Barnaul, 2000. - 304 p.
12. Myasnyankin K. V., Ageev A. A., Tarasenko A.P. Influence of trays type on the quality of buckwheat cleaning by photoseparator // Machinery in Agriculture. - 2014. - N 6. - P. 5-7.
13. Patent RU N 2495728 B07B 13/00. Grain sorting device / Yampilov S.S. Tsydypov Ts.Ts., Zhig-zhitov A.O., Khaptagaeva S.I., Budaev A.B. Patent Holders: Federal State Educational Institution of Higher Professional Education «East Siberian State University of Technology and Management». - Application N 2012121083/03, appl. 22.05.2012, publ. 20.10.2013.
14.Myasnyankin K.V. Effect of photoseparator on buckwheat seeds quality // Innovative technologies and technical means for the agro-industrial complex. Proceedings of Voronezh State Agrarian University. -Voronezh, 2014. - P. 54-60.
15. Vasilenko P.M. Theory of particle motion on rough surfaces of agricultural machinery. - Kiev: Publishing House of Ukrainian Academy of Agriculture, 1960. - 283 p.
