Характеристики экспериментального исследования плоского решета, подверженного поперечным колебаниям

Как известно, ключевой целью послеуборочной обработки является достижение зерном необходимых характеристик, соответствующих его предназначению и зафиксированных в государственных стандартах [1]. Улучшение качества зерна достигается посредством очистки и обработки, которые признают одними из наиболее затратных по времени и ресурсам операций. Анализ научной литературы показывает, что принцип действия большинства отечественных зерноочистительных машин базируется на возвратно-поступательном движении решет [2]. Традиционные методы повышения эффективности подобных машин достигли своего предела. В связи с этим сельскохозяйственный сектор нуждается в инновационных машинах для очистки зерна после уборки урожая, которые не имеют недостатков устаревших аналогов. Наряду с этим активно развиваются технологии очистки и создаются новые, современные по конструкции машины для очистки зерна. Важно подчеркнуть, что в данном направлении развития техники использование вибрационных технологий и машин рассматривается как перспективный подход, позволяющий значительно улучшить показатели качества [3]. В настоящее время существует множество различных подходов и решений данной задачи, подробно описанных в ряде исследований [4–6].

Объекты и методы

Объектом научного исследования выступает технологический процесс очистки и определения полноты разделения зернового материала на решете с поперечными колебаниями.

Серия экспериментов была проведена на специальной лабораторной установке.

Конструкция предлагаемой установки разработана с целью обеспечить максимально широкий диапазон регулировки основных параметров, таких как: удельная нагрузка, угол продольного наклона решета и параметры вибрации, включая амплитуду и частоту колебаний решетного стана. Подача зерна на решето осуществляется плавной регулировкой посредством механизма дозирования. Кроме того, созданная установка позволяет собирать отделённые фракции зерна в отдельные контейнеры в течение заданного временного интервала при устойчивом режиме работы. В рамках данного исследования каждый эксперимент проводился в течение 30 секунд.

В качестве главного показателя эффективности технологического процесса, осуществляемого на плоском решете с поперечными колебаниями, выбрана полнота разделения (ε) [7; 8]. Для её количественной оценки применяется формула [9]:

ε = P/P 0 ⋅a,                                             (1)

где P – масса зерна, отделённого решетом в ходе эксперимента, кг;

P 0 – общая масса зерна, поступившего на решето за время эксперимента, кг;

a – доля проходовой фракции в исходной зерновой смеси.

Vestnik of Omsk SAU, 2026, no. 2 (62)

AGROENGINEERING

Результаты исследования и анализ

Экспериментальное изучение функционирования плоского решета, подвергающегося поперечным вибрациям, было организовано в виде  двух последовательных шагов.

Первый шаг включал поисковое исследование, выполненное по общепринятой схеме. Задача этих опытов заключалась в определении диапазона параметров поперечных вибраций решета, способствующих улучшению процесса разделения зерна, а также в установлении пределов и содержания отсеивающего и будущего многофакторного эксперимента [10]. Практическая ценность экспериментального исследования, включая поисковые опыты, обусловлена тем, что для каждого конкретного значения удельной нагрузки на решето существует оптимальная величина ее ускорения. В нашем случае, при использовании плоского решета с поперечными колебаниями, происходит значительная вариабельность ускорения, это усложняет поиск его оптимального значения. Кроме того, при широком диапазоне значений удельной нагрузки определить экстремумы функции отклика для всех фиксированных режимов подачи – сложная, дорогостоящая и ресурсоемкая задача. Поэтому у проведения поисковых опытов важная роль в установлении наиболее эффективных режимов работы плоского решета с поперечными колебаниями.

В результате первого этапа поискового эксперимента получены наглядные графики (рис. 1.1...1.3). Представлены зависимости степени разделения (ε) как индикатора качества работы решета от варьируемых параметров эксперимента, построенные на основе полученных данных.

Рис. 1.1 . Зависимость ε от α для G (◊ – 0,335; □ – 0,838; ∆ – 1,34) кг/(м² • с) при n = 300 минˉ¹

Рис. 1.2. Зависимость ε от α для G (◊ – 0,335; □ – 0,838; ∆ – 1,34) кг/(м² • с) при n = 400 минˉ¹

Vestnik of Omsk SAU, 2026, no. 2 (62)

AGROENGINEERING

а, град.

Рис. 1.3 . Зависимость ε от α для G (◊ – 0,335; □ – 0,838; ∆ – 1,34) кг/(м² • с) при n = 500 минˉ¹

Анализ графических данных, представленных на рис. 1.1–1.3, позволяет выделить следующие особенности:

В пределах выбранного диапазона для экспериментальных исследований увеличение угла наклона решета α способствует повышению показателя эффективности разделения ε при разных уровнях удельной нагрузки G. Однако, как показано на графиках, дальнейшее увеличение α ведет к ухудшению качества очистки зерна. Вероятно, это обусловлено тем, что с ростом угла ускоряется перемещение зерна по поверхности решета, а при достижении определенного критического значения происходит превышение оптимальной скорости, это вызывает прохождение частиц над отверстиями и, следовательно, снижение эффективности отделения.

В исследуемом диапазоне наблюдается рост полноты разделения при увеличении частоты колебаний n. Это объясняется тем, что для каждого уровня удельной нагрузки, выбранного в рамках исследования, существует оптимальное значение ускорения решета с поперечными колебаниями. Следовательно, при увеличении G требуется соответствующее повышение n для достижения максимальной эффективности. Такой тренд подтверждается представленными графиками и достигается за счет увеличения n в заданном диапазоне экспериментальных параметров.

Влияние угла наклона решета с поперечными колебаниями на эффективность разделения существенно снижается при увеличении удельной нагрузки. Как видно из рис. 1.1 – 1.3, при G = 1,34 кг/(м²·с) изменение угла наклона оказывает менее заметное влияние на полноту разделения по сравнению с режимами, при которых G имеет значения в интервале 0,335–0,838 кг/(м²·с). Это имеет объяснение: при более высокой нагрузке на решето образуется более толстый зерновой слой, превышающий толщину зерновки в 2–3 раза. В таких условиях взаимодействие происходит преимущественно с нижним слоем, находящимся в контакте с отверстиями. Исходя из полученных данных, можно предположить, что данное решето наиболее эффективно применимо для первичной и вторичной очистки зерна.

Для изучения влияния амплитуды поперечных колебаний решета на полноту разделения зерна (ε) в определённом диапазоне были выполнены серии экспериментов с использованием разных радиусов эксцентриков. Предварительные исследования

Vestnik of Omsk SAU, 2026, no. 2 (62)

AGROENGINEERING

показали: при нагрузке G = 1,34 кг/(м²•с) прирост полноты разделения не наблюдается, вследствие этого данный режим исключен из последующих испытаний. Частота колебаний решета была зафиксирована на уровне 500 мин⁻¹, а амплитуда вибрации изменялась в пределах (7,5; 8,1; 8,7; 9,3; 9,9) × 10⁻³ м при различных углах наклона поверхности решета.

После проведения серии опытов и обработки данных получены зависимые кривые вида ε = f(R), показывающие связь между полнотой разделения и радиусом эксцентрика при разных углах наклона решета с поперечными колебаниями (рис. 1.4–1.6).

Рис. 1.4. Зависимость ε от радиуса эксцентрика для величины удельных нагрузок(G): (◊ – 0,335; □ – 0,838) кг/(м² • с) при α = 10º

Рис. 1.5 . Зависимость ε от радиуса эксцентрика для величины удельных нагрузок(G): (◊ – 0,335; □ – 0,838) кг/(м² • с) при α = 12º

AGROENGINEERING

Vestnik of Omsk SAU, 2026, no. 2 (62)

Рис. 1.6 . Зависимость ε от радиуса эксцентрика для величины удельных нагрузок(G): (◊ – 0,335; □ – 0,838) кг/(м² • с) при α = 14º

При анализе графических зависимостей (рис. 1.4–1.6) выявлены характерные тенденции:

• 1.    Установлено, что увеличение амплитуды поперечных колебаний решета способствует повышению эффективности разделения. Особенно это заметно и ярко выражено при значениях G = 0,838 кг/(м²·с) по сравнению с G = 0,335 кг/(м²·с). Это объясняется тем, что при больших нагрузках увеличенная амплитуда вызывает активное перемещение зерновой массы по поверхности решета с поперечным колебанием, что облегчает прохождение мелких частиц. А при низкой удельной нагрузке (0,335 кг/(м²)) слой зерна на поверхности решета мал и эффект увеличения амплитуды практически не влияет на качество разделения. Дальнейшее же повышение амплитуды, по графикам, становится нерентабельным, поскольку снижает эффективность сепарации и ухудшает качество очистки.

• 2.    Зафиксировано, что увеличение угла наклона решета, подвергшегося поперечным колебаниям, способствует росту полноты разделения, достигая своего пика при определённых режимах (рис. 1.6). Увеличение этого угла ведёт к ускорению движения зернового потока по поверхности, свидетельствуя о существующей прямой зависимости между скоростью потока и эффективностью очистки. Повышение скорости движения компенсирует удлинение траектории между зерном и решетом, сохраняя стабильность процесса и обеспечивая более высокое качество сепарации.

• 3.    Отмечено, что в исследуемом интервале амплитуд колебаний (от 8,75 до 9,5 × 10⁻³ м) наблюдается стабилизация показателя полноты разделения. Поэтому дальнейшее увеличение амплитуды уже не имеет смысла и нецелесообразно, может только негативно сказаться на общей эффективности.

Итак, проведённый комплексный анализ экспериментальных данных по использованию плоского решета с поперечными колебаниями позволил определить значимые факторы, оказывающие влияние на результат (на уровне статистической значимости 5%). К таким факторам относят удельную нагрузку, угол наклона решетной поверхности и параметры колебаний, включая амплитуду и частоту [5].

Диапазоны вариации экспериментальных параметров следующие:

• – удельная нагрузка (G)0,335 … 1,34 кг/(м² • с) (соответствует режимам первичной и вторичной очистки);

  – угол наклона (α): 8° – 16° (компенсация скорости движения материала);

Vestnik of Omsk SAU, 2026, no. 2 (62)

AGROENGINEERING

– частота колебаний (n): 300 - 500 минˉ¹;

– амплитуда: 7,5 • 10 ̄ 3 м (аналогична режимам очистки СМ-4 и МС-4,5).

Выводы

Экспериментально установлены основные закономерности сепарации зерна на решете с поперечными колебаниями.

Определены оптимальные диапазоны факторов: G – 0,335 …0,838 кг/(м2 • с); α – 10… 16°; R – (7,25…9,25) х 10ˉ3 м; n – 450…550 минˉ¹.

Представлены графики, показывающие влияние факторов на полноту разделения, отражающие закономерности процесса сепарации.