Исследование параметров движения зерна в жидкости устройства для удаления спорыньи

С древнейших времен зерно использовалось людьми для приготовления пищи. Впоследствии с увеличением урожайности зерновых культур за счет применения агротехники и, следовательно, с ростом производства зерно стало применяться также в качестве необходимого корма для сельскохозяйственных животных с целью повышения их продуктивности1.

В настоящее время технология производства зерна в достаточной степени механизирована и предусматривает применение различных сельскохозяйственных машин. Поступающая с полей от зерноуборочных комбайнов на пункты и комплексы послеуборочной обработки бункерная зерновая масса кроме полновесного зерна содержит зерновую примесь, а также различные сорные и вредные примеси, что обусловлено невозможностью полной очистки обмолачиваемой хлебной массы молотилкой комбайна [1].

К зерновой примеси относятся мелкие, щуплые или битые и поврежденные молотилкой комбайна зерна основной культуры, а также зерна других сельскохозяйственных культур. Зерновая примесь после соответствующей переработки является ценным продук- том для вскармливания сельскохозяйственных животных [Там же].

В бункерной зерновой массе могут также содержаться песок, комки земли, галька и камешки, которые попадают туда в основном при подборе хлебной массы из валков, лежащих на поверхности поля, и подаче ее на платформу жатки комбайна. Подобные компоненты бункерной зерновой массы относятся к минеральным примесям и могут оказывать болезненное влияние на желудочно-кишечный тракт людей и животных. Полова, частицы листьев, стержней, стеблей, колоса и соцветий различных растений и трав также не могут быть полностью удалены из бункерной зерновой массы в процессе очистки комбайном. Данные органические примеси также ухудшают качество зерна и изменяют цвет, вкус и запах продуктов его переработки [1].

К вредной примеси относятся ядовитые семена вязеля, горчака, мышатника, плевела, куколя и других ядовитых растений, а также паразитические грибки, в том числе склероции (рожки) спорыньи, мешочки и споры головни [2–6].

Спорами спорыньи часто заражаются основные злаковые культуры (рожь, пшеница, овес и ячмень). Степень пора- жения особенно возрастает во влажные годы. В период созревания колосьев данных культур вместо зерен образуются склероции (рожки), по форме схожие с зерном. Склероции спорыньи достаточно ядовиты даже при небольшой их концентрации в готовом продукте. При употреблении такого продукта происходит отравление, признаками которого являются головокружение, слабость, судороги и наркотические галлюцинации. Результатом постоянного употребления хлеба, зараженного спорыньей, является развитие гангрены конечностей у человека и животных. Попадание значительной дозы яда спорыньи в организм может привести к летальному исходу в результате паралича дыхательного центра [2; 4].

Таким образом, очистка бункерной зерновой массы от всех примесей, в особенности вредных, является первоочередной задачей сельскохозяйственного производителя для получения элитного посевного материала, экологически чистого продовольственного и фуражного зерна.

Для очистки бункерной зерновой массы от примесей в технологической линии зерноочистительного пункта или комплекса применяют сложные по конструкции и технологическим регулировкам воздушно-решетные машины предварительной и первичной очистки, на конечной стадии - воздушно-решетно-триерные машины, а для извлечения трудноотделимых сорных примесей – специальные машины. Существующие зерноочистительные устройства в ходе одного технологического процесса не обеспечивают полного выделения всех зерновых и сорных примесей, в том числе и склероциев спорыньи2 [1; 7].

Целью статьи является создание несложного по конструкции устройства для удаления склероциев спорыньи из зерна в ходе одного технологического процесса при снижении энергоемкости работы.

Обзор литературы

Анализ научно-технической литературы показал, что существующие конструкции машин для послеуборочной очистки не обеспечивают полного выделения из зерна различных примесей, в том числе ядовитых склероциев спорыньи, поскольку линейные размеры (ширина, толщина и длина) и аэродинамические свойства (скорость витания) данных примесей вследствие мутаций приблизились к параметрам зерен основной культуры или сравнялись с ними. Так, зерна ржи, пшеницы, ячменя, овса имеют скорость витания ʋ_ʋit от 7,0 м/с до 11,5 м/с, толщину δ от ' 1,2 • 10^-3 м до 4,5 • 10^-3 м, ширину b от 1,4 • 10^-3 м до 5,0 • 10^-3 м и длину l от 4,2 • 10^-3 м до 18,6 • 10^-3 м. У склероциев спорыньи скорость витания у_ой составляет от 4,5 м/с до 9,6 м/с, толщи ^. на δ – от 0,8 • 10^-3 м до 1,8 • 10^-3 м, ширина b -от 1,0 • 10^-3 м до 3,0- 10^-3 м, длина l - от 3,4 • 10^-3 м до 14,6 • 10^-3 м [7-11]. "

Для очистки различных сыпучих материалов (в том числе зерна) от примесей разработаны фотоэлектронные сепараторы на основе инновационных технологий. Процесс очистки в них заключается в скоростном фотосканировании зернового потока, ускоренно движущегося по наклонному лотку, и удалении некондиционных компонентов, цвет которых не соответствует цвету очищаемого зерна, воздушным импульсом узкого сжатого воздуха. Однако при получении в ходе одного технологического процесса очистки зерна, соответствующего агротехническим требованиям, в отходы отправляется значительное количество полновесного зерна. Для снижения подобных потерь фракция отходов должна направляться на очистку вторично. Это обусловливает снижение производительности, возрастание энер- гоемкости рабочего процесса фотосепаратора и увеличение количества зерна, травмированного необходимыми транспортирующими органами. Также следует отметить, что склероции (рожки) спорыньи зачастую мутируют и подстраиваются под цвет зерна основной культуры. Поэтому современные фотоэлектронные сепараторы, очищающие зерновой материал по способу разности цветов примесей и зерна, не способны выделять ядовитые склероции спорыньи, схожие по цвету с зерном основной культуры. К тому же фотосепаратор является достаточно сложным оборудованием, его стоимость достигает нескольких миллионов рублей, а время эксплуатации производитель ограничивает лишь пятью годами. При этом эксплуатация таких машин должна осуществляться в беспыльном помещении с температурой воздуха 25 °С. Следовательно, большинство сельскохозяйственных предприятий не имеет финансовых возможностей для приобретения и эксплуатации фотосепараторов, поэтому требуется дальнейший поиск способа отделения склероциев спорыньи от зерна основной культуры [12; 13].

Зерна основных зерновых культур (ржи, пшеницы, ячменя, овса) имеют большую плотность p_z (от 1,2 • 10³ кг/м³ до 1,5 • 10³ кг/м³), чем склероции (рожки) спорыньи (p_s составляет от 0,9 • 10³ кг/м³ до 1,15 • 10³ кг/м³). Поэтому практически 100-процентная очистка зерна, предназначенного для пищевых и семенных целей, от ядовитых склероциев спорыньи в ходе одного технологического процесса возможна в водных растворах различных неорганических солей (например, в растворе поваренной или калийной соли). Пребывание семян ржи в вод-

Том 29, № 2. 2019 ном растворе калийной соли обогащает их калием и очищает от вредных микроорганизмов, что повышает процент и скорость всхожести, улучшает соло-мистость зерновой культуры, снижает ее полеглость и, следовательно, увеличивает урожайность при работе зерноуборочных комбайнов³.

Мокрый способ очистки зерна от ядовитых примесей также может использоваться для протравливания семян перед посевом. Способ мокрого протравливания по сравнению с сухим и мелкодисперсным способами обеспечивает более глубокое и полное обеззараживание семян, при этом не происходит загрязнения воздуха. Преимущества данного метода заключаются в его высокой биологической эффективности против широкого спектра заболеваний за счет обработки всей поверхности семян и активации их прорастания путем увеличения влажности семени [3; 5].

При закладке на хранение семян, очищенных мокрым способом, удаление лишней влаги с поверхности зерен, побывавших в водном растворе соли не более минуты, происходит за 10 секунд с помощью продувки воздухом наружной температуры, что исключает применение сложных и энергоемких сушильных агрегатов4 [1].

Поэтому для механизации выделения ядовитых склероциев спорыньи из семян зерновых культур мокрым способом актуальной задачей является разработка несложного по конструкции устройства для очистки зернового материала при малой энергоемкости технологического процесса (в сравнении с существующими зерноочистительными машинами). Следовательно, при разработке такой машины очистки зернового материала по плотности мокрым способом и выполнении ею процесса выделения ядовитых склероциев спорыньи с надлежащей эффективностью требуется обоснование ее конструктивно-технологических параметров, для чего необходимо исследование показателей движения зерновок в жидкостях различной плотности.

Материалы и методы

Рассматривается движение отдельно взятых зерен ржи в жидкостях различной плотности устройства для отделения спорыньи от зерна мокрым способом. Теоретические исследования проведены на основе методов математического моделирования с использованием законов гидродинамики.

При проведении практических экс-периментов5 исследовалось движение в воде (плотность ρzh = 1,0 ∙ 103 кг/м3) и водных растворах хлористого натрия NaCl (плотность ρzh = 1,09 ∙ 103 кг/м3 и ρzh = 1,15 ∙ 103 кг/м3) зерен озимой ржи сорта Фаленская 4 плотностью ρz от 1,1 ∙ 103 кг/м3 до 1,3 ∙ 103 кг/м3, длиной lz от 5,0 ∙ 10–3 м до 8,0 ∙ 10–3 м, шириной b от 1,4 ∙ 10–3 м до 3,6 ∙ 10–3 м и толщиной δ от 1,2 ∙ 10–3 м до 3,5 ∙ 10–3 м [1; 14].

Для этого использован прозрачный стеклянный сосуд, имеющий длину 0,35 м, ширину 0,20 м и высоту 0,15 м. Объем налитой в него воды составлял 9,6 л. За высоту h_{п 1} столба воды или водного раствора соли в нем принято значение 0,135 м между метками. Метки располагались на расстоянии 0,01 м от верхней кромки жидкости и от дна сосуда (рис. 1).

Высота h падения зерновок в воду или водные растворы соли обеспечивалась при помощи набора металлических пластин, устанавливаемых над сосудом. Каждая пластина имела толщину 1,5 ∙ 10^–3 м, длину 0,28 м и ширину 0,04 м. Зерновки в количестве 20 штук устанавливались на пластинку и сбрасывались в воду или в водный раствор соли с высоты h = 0,050 м, при которой происходило 100-процентное преодоление поверхностного натяжения жидкости зерновками без захвата пузырьков воздуха и погружение их в жидкость⁶ [15].

а)

b)

Р и с. 1. Экспериментальная установка для исследования погружения зерна в жидкость:

• а)    стеклянный сосуд с установленными на нем металлическими пластинами;

• b)    компьютерный секундомер

F i g. 1. The experimental unit for studying grain immersion in liquid:

• a) glass vessel with metal plates mounted on it; b) computer stopwatch

Геометрические параметры прозрачного стеклянного сосуда, высоту h_n 1 столба воды или водного раствора соли между метками, а также высоту h сбрасывания зерновок в воду или в водный раствор соли измеряли при помощи линейки с миллиметровым делением. Время t_п движения зерновки в воде или водном растворе соли между метками определяли при помощи компьютерного секундомера; оно отображалось на экране до тысячных долей секунды. Процесс движения зерновки в жидкости и показания секундомера фиксировались с помощью видеосъемки телефоном OnePlus 3T с частотой 120 кадров в секунду и просматривались покадрово. В результате время падения зерновки между метками столба жидкости определялось с точностью до 0,02 с с учетом фиксации двух кадров, соответствующих касанию зерновкой двух меток.

Относительную погрешность 5_z скорости погружения зерновки в жидкость в опытах оценивали из соотношения⁷:

§ z^v=^ +^ h n1 , (1) ^U z sr exper . t zsr h n 1

где А у - абсолютная погрешность определения скорости погружения зерновки в жидкость, м/с; u z _sr exper. - средняя скорость погружения зерновки в жидкость (по результатам предварительных экспериментов u _zsr exper. <0,10 м/с); А t z -абсолютная погрешность определения времени падения зерновки в жидкости (А t z = 0,02 с); t z _sr - среднее время падения зерновки в жидкости в опытах ( t z _sr > 1,0 с); А h_n j - абсолютная погрешность определения высоты столба жидкости (половина цены деления линейки; А h_n 1 = 0,5 • 10^-3 м).

Том 29, № 2. 2019

Тогда относительная погрешность δ_z определения скорости погружения зерновки в жидкость в опытах, согласно выражению (1), составляет 0,02.

Оценка сверху абсолютной погрешности Δ ʋ_z скорости погружения зерновки в жидкость, определяемая по формуле

∆ υ z = δ z ⋅ υ zsr exper. , (2)

согласно вышеприведенным данным, равна 0,002 м/с. Поэтому результаты по скорости падения зерновки в жидкость были в последующих расчетах выполнены в соответствии с данной точностью.

Обработка полученных теоретических и экспериментальных данных проведена на персональном компьютере при помощи пакета программ офисной документации по статистической обработке информации Microsoft Excel 2013 и специальной программы по статистической обработке данных Sigma Plot 8.08.

Результаты исследования

Скорость y_z и длительность t_n погружения зерна в жидкость являются одними из основных параметров, учитываемых при разработке машины для очистки зернового материала от скле-роциев спорыньи мокрым способом. Значения данных величин определяют конструктивно-технологические параметры разрабатываемого устройства.

Для определения данных параметров необходимо учесть геометрические формы зерновок, которые весьма разнообразны. Наиболее близок к зерновке по форме эллипсоид с малой 2 c_z = 5 , средней 2 b_z = b и большой 2 a z = l_z осями.

Результаты наблюдений свидетельствуют о том, что при падении зернов- ки на поверхность жидкости и преодолении силы поверхностного натяжения она двигается в жидкости, ориентируясь в основном плашмя вследствие асимметричности расположения в ней центра тяжести. Поэтому движение в жидкости эллипсоидальной зерновки рассматриваем вдоль малой оси 2cz (плашмя).

Общий вид навески зерен озимой ржи сорта Фаленская 4 и схема сил, действующих на зерновку при движении в жидкости, приведены на рис. 2.

После падения зерновки на поверхность жидкости и преодоления поверхностного натяжения на нее будут действовать сила тяжести m z g , сила Архимеда F A и сила гидродинамического сопротивления F _C .

Основной закон динамики движения зерновки вдоль оси у имеет вид⁹:

m^g - Fa - Fс = m^a, (3)

где m_z - масса зерновки, кг; g - ускорение свободного падения ( g = 9,81 м/с²); а - ускорение зерновки при ее движении в жидкости, м/с².

Масса эллипсоидальной зерновки будет равна10:

mz = Vz Pz = 3 nazbzcz Pz,      (4)

где V z - объем зерновки, м³; p z - плотность массы зерновки, кг/м³.

Сила Архимеда F _А, выталкивающая зерновку из жидкости, выражается следующим образом:

^F A = m zh g = 3 ⁿ a z b z c z P zh g , ⁽⁵⁾

где m_zh – масса жидкости, вытесняемая зерновкой, кг; p zh - плотность жидкости, кг/м³.

а)                                                      b)

Р и с. 2. Озимая рожь сорта Фаленская 4: а) общий вид навески зерен;

b) схема сил, действующих на зерновку при погружении ее в жидкость

F i g. 2. The variety of the winter rye Falenskaya 4: a) the general view of the weighed portion of grains; b) the diagram of the forces acting on grains when immersing in liquid

Сила гидродинамического сопротивления F _С, действующая со стороны жидкости на зерновку, определяется по формуле¹¹:

Fc =

cS P zh ^ Z

где c - коэффициент гидродинамического сопротивления, зависящий от геометрической формы зерновки, скорости ее движения в жидкости и вязкости жидкости; S - площадь проекции зерновки на плоскость, перпендикулярную направлению ее движения (миделевое сечение), м².

При движении зерновки в жидкости вдоль малой оси 2 c_z эллипсоида (плашмя) площадь миделевого сечения (эллипса) равна¹²:

5 = n a z b z . (7)

Тогда уравнение (3) с учетом (4–7) примет вид:

С учетом обозначений (10) получим выражение для определения ускорения зерновки при ее движении в жидкости после преодоления поверхностного натяжения:

а = dU = ь2 — d U2, (11) dt где ʋ – скорость движения зерновки в жидкости как функция времени t, м/с; t – текущее время, с.

Скорость υ движения зерновки в жидкости находим интегрированием дифференциального уравнения (11):

1 dt=,=1 -Ц^=

b2 - dU2

= —In

2bd

b

л + и d

b

d U

+ Ci,

3πazbzczρzg-3πazbzczρzhg-

cπazbzρzhυz2

=3 πazbzczρza. (8)

где С 1 - постоянная интегрирования.

Полагаем, что после падения зерновки и преодоления ею поверхностного натяжения жидкости ее скорость будет нулевой ( и (0) = 0), что предотвращает захват зерновкой пузырька воздуха. Тогда постоянная интегрирования С ₁ = 0. После введения обозначений

Выразим ускорение а зерновки из уравнения (8):

а = g(Р. - Р») - 3CP» и и

P z        8 C z P z    ■

Введем следующие обозначения:

_ 1т = 2 bd

2 cz pZ

3cgPzh (Pz - Pzh ) ,

b

uo =T7 d

18 czg (Pz — Pzh ) 3cPzh

b 2 = g ( ^p z ^p zh ) , d ² = 3 c£^ . (10) P z           ^{8 C}z P

и преобразований уравнения (12) получим:

• ¹¹    Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: учеб. пособ. для вузов : в 10 т. Т. VI. Гидродинамика. ‒ 5-е изд., стер. М. : Физматлит, 2001. 736 с.; Курс физики : учеб. пособ. Т. 1. Механика. Акустика. Теплота и молекулярная физика / Сост. Н. Н. Андреев, С. Н. Ржевкин, Г. С. Горелик ; ред. Н. Д. Папалекси. М. : Гостехиздат, 1948. 600 с.

• ¹²    Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М. : Наука, 1980. 976 с.

256                                   Технологии и средства механизации сельского хозяйства

ln

Uo+u

U 0 - u

t

,

T

где υ ₀ – скорость зерновки, к которой после преодоления поверхностного натяжения жидкости стремится скорость υ (с ней в дальнейшем зерновка будет двигаться в жидкости), м/с; τ – параметр, определяющий время движения зерновки с момента преодоления поверхностного натяжения жидкости до установления постоянной скорости υ ₀, с.

Время τ является характерным временем для ускоренного или замедленного (если скорость зерновки после преодоления поверхностного натяжения жидкости будет больше υ ₀) движения каждой зерновки и определяется геометрической формой и физико-механическими свойствами зерновки ( ρ_z , с_z ), плотностью жидкости p zh , коэффициентом с гидродинамического сопротивления жидкости.

Скорость υ зерновки в жидкости будет возрастать от нуля до υ ₀, поэтому модуль в уравнении (15) при его преобразовании можно отбросить; тогда

за которое зерновка проходит расстояние h ₁, с.

Получим зависимость расстояния h ₁, пройденного зерновкой в жидкости, от затраченного на это времени 1 1 :

)

h = и0 2т ln(eт +1) - t, I                 )

Заменяя в уравнении (18) расстояние h ₁ на высоту столба жидкости кп, в ванне машины выделения склероциев спорыньи, а t ₁ - на время погружения зерновки t в жидкость от момента преодоления поверхностного натяжения до дна ванны, получим выражение:

2т ln

(

V

t n

eт +1|-tn

hn

.

^U 0

dy     eT -1

и = dt ⁼ и о ”--      ( )

ет +1

Интегрируем дифференциальное уравнение (16):

h 1             t 1 _e τ^t _{- 1}

∫dy =υ0∫ t    dt,      (17)

0         0eτ+1

Уравнение (19) дает зависимость времени погружения зерновки t_п до дна от высоты столба жидкости h_п в ванне.

Найдем значение времени т из выражения (13) для промежуточных значений физико-механических свойств зерновки ^{( c} z sr = ^1,17 • ^10-3 М, P z sr = ^1,3 • 10^{3 кг/}м³⁾ и жидкости (p_zh = 1,0 • 10³ кг/м³), а также от коэффициента с = 0,9 гидродинамического сопротивления¹³ [15], которое составит 0,02 с.

Результаты проведенных экспери-

где h 1 - текущее расстояние, пройденное зерновкой в жидкости, м; 1 1 - время,

ментов свидетельствуют, что если время погружения зерновки в жидкость до дна ванны машины для выделения склероциев спорыньи составляет больше одной секунды, то - >> 1 и, следо-т tn вательно, eт >> 1; тогда уравнение (19) примет вид:

¹³ Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление : справ. пособ. М. : Энергоатомиздат, 1990. 367 с.; Идельчик И. Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. (Подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов). М. : Машиностроение, 1983. 351 с.; Справочник по гидравлическим расчетам. ‒ 5-е изд., перераб. и доп. / П. Г. Киселев [и др.] ; под ред. П. Г. Киселева. М. : Энергия, 1974. 312 с. URL: http://books.totalarch.com/handbook_of_hydraulic_ calculations

1 .          (21)

e

2т • — - tn = — или τυ0

t n = h n .              (20)

^u 0

С точки зрения проектирования и создания машины для выделения склероци-ев спорыньи из зерна ржи важно знать время t ₀ (время переходного процесса), за которое зерновка достигнет постоянного значения скорости υ ₀. Как принято в исследованиях по физике¹⁴, это время t ₀ достижения скоростью ʋ зерновки ( 1 - ¹ ) части скорости и 0 в формуле (16):

t ₀

eт -1

t0 eт +1

После преобразования выражения (21) получим:

• t 0 = ln ( 2 e - 1 ) -т = 1,49 т .    (22)

Найдем значение времени 1 0 переходного процесса по формуле (22) и расстояние h 0 , на котором происходит этот процесс, из выражения (18). Для τ = 0,02 с и скорости υ ₀ = 0,1 м/с, определенной в ходе предварительных опытов, получим следующие значения: t ₀ = 0,03 с; h 0 = 4,0 • 10^-3 м.

При других возможных значениях c z , p z и p zh время t 0 достижения постоянной скорости будет иметь тот же малый порядок; то же можно сказать и о расстоянии h ₀, пройденном зерновкой в переходном процессе.

Из приведенных выше результатов следует, что время t0 и расстояние h0, на котором происходит достижение постоянной скорости и0, малы в сравнении со временем tn погружения зерновки в жидкость до дна ванны машины выделения склероциев спорыньи (оно составляет больше секунды), а высота hn столба жидкости в ванне может достигать десятков сантиметров. Тогда скорость зерновки можно считать постоянной (и0 = uz), а ускорение а в уравнении (3) - равным нулю. Следовательно, в течение всего времени tп движения зерновки от начала погружения до падения на дно ванны ее скорость uz можно определять по формуле (14).

Соответствующие формуле (14) зависимости скорости y z погружения эллипсоидальной зерновки в жидкость плотностью 1,0 • 10³ кг/м³,1,09 • 10³ кг/м³ и P_zh = 1,15 • 10³ кг/м³ от величины малой полуоси c_z и плотности ρ_z зерна представлены в виде поверхностей на рис. 3.

Из рис. 3 следует, что для зерновки при возрастании величины малой полуоси c z и ее плотности p z значение скорости ʋ_z повышается. При увеличении плотности жидкости p_zh значения скорости погружения зерновок y z уменьшаются. Это объясняется тем, что противодействующие падению зерновки сила Архимеда F A (5) и сила гидродинамического сопротивления F C (6) растут с ростом плотности жидкости ρ_zh .

Минимальные скорости y z min погружения зерновок в жидкость определяются при значениях параметров зерна ржи c z = 0,6 • 10^-3 м и p z = 1,2 • 10³ кг/м³. При данных параметрах y z min составляет 0,059 м/с, 0,042 м/с и 0,028 м/с для жидкостей плотностью p_zh 1,0 • 10³ кг/м³, 1,09 • 10³ кг/м³ и 1,15 • 10³ кг/м³ соответственно.

Максимальные скорости погружения зерновок y zmax в жидкость определя-

Р и с. 3. Зависимости скорости ʋ_z погружения эллипсоидальной зерновки в жидкости плотностью ρ_zh = 1,0 ∙ 10³ кг/м³, ρ_zh = 1,09 ∙ 10³ кг/м³ и ρ_zh = 1,15 ∙ 10³ кг/м³ от величины малой полуоси c_z и плотности ρ_z зерна

F i g. 3. The dependence of the speed ʋz of immersing ellipsoidal grains in the liquids with a density of ρzh = 1,0 ∙ 103 kg/m3, ρzh = 1,09 ∙ 103 kg/m3 and ρzh = 1,15 ∙ 103 kg/m3 on the value of the minor semiaxis cz and density of grains ρz ются при значениях параметров зерна ржи cz = 1,75 ∙ 10–3 м и ρz = 1,5 ∙ 103 кг/м3. При данных параметрах ʋz max составляет 0,159 м/с, 0,138 м/с и 0,124 м/с для жидкостей плотностью ρzh 1,0 ∙ 103 кг/м3, 1,09 ∙ 103 кг/м3 и 1,15 ∙ 103 кг/м3 соответственно.

При движении в жидкости зернового материала потоком вследствие столкновения зерновок между собой их скорости будут усредняться. Для 28 пар значений малой полуоси c_z и плотности ρ_z (рис. 3) расчетное среднее арифметическое значение скорости погружения зерновок υ _{zsr theor.} (14) в воду плотностью 1,0 ∙ 10³ кг/м³ составляет 0,106 м/с; в водный раствор соли плотностью 1,09 ∙ 10³ кг/м³ и 1,15 ∙ 10³ кг/м³ – 0,087 и 0,072 м/с соответственно.

Результаты проведенных практических экспериментов представлены в виде зависимости скорости погружения зерновок ʋ_z озимой ржи Фаленская 4 в воду и водные растворы хлористого натрия (NaCl) на глубину h_{п 1} = 0,135 м между метками от номера проведенного опыта х_№ (рис. 4).

Зависимость скорости погружения зерна ʋ_z озимой ржи сорта Фаленская 4 в воду ( ρ_zh = 1,0 ∙ 10³ кг/м³) от номера проведенного опыта х_№ показывает, что минимальная скорость погружения зерна υ_{z min. 1000} равна 0,074 м/с, а максимальная скорость ʋ_{z max 1000} составляет 0,121 м/с. Среднее арифметическое значение скорости зерновок υ _{zsr exper.1000} , согласно экспериментальным данным, составляет 0,091 м/с.

Пределы варьирования скорости v_z в опытах при погружении зерен в водный раствор хлористого натрия (NaCl) плотностью p_zh = 1,09 • 10 3 кг/м³ составляют 0,061–0,096 м/с. Среднее арифметическое значение скорости зерновок υ _{zsr exper.1090} при данной плотности равно 0,078 м/с.

В ходе практических опытов при погружении зерен в водный раствор хлористого натрия (NaCl) плотностью p_zh = 1,15 • 10 3 кг/м³ выявлено, что минимальная скорость погружения зерна u z _{min 1150} равна 0,053 м/с, а максимальная скорость v_{z max 1150} составляет 0,083 м/с. Среднее арифметическое значение скорости зерновок υ _{zsr exper1150} из полученных опытных данных равно 0,067 м/с.

Сопоставление значений скорости погружения зерновок в жидкости различной плотности, полученных в экспериментах и рассчитанных для эллипсоидальной модели зерновки, показало, что они относятся к одному порядку. Относительное отличие данных скоростей в процентах, определяемое по формуле

δ

υ z srtheor. - υ z sr exper .

⋅100 , (23)

υ zsrtheor.

показывает, что при погружении зерновки в воду (p_zh = 1,0 • 10 3 кг/м³) оно составляет не более 14 %; при погружении в водные растворы хлористого натрия (NaCl) плотностью 1,09 ∙ 10³ кг/м³ и 1,15 ∙ 10³ кг/м³ – 10 % и 7 % соответственно. Относительное отличие скорости погружения зерновок в жидкости различной плотности, полученной экспериментально и теоретически, уменьшается с увеличением плотности жидкости p_zh . Это связано с тем, что зерновки имеют неосесимметричную геометрическую форму, поэтому многие зерновки погружаются по волнистой

Х№, pcs

—•---вода плотностью p_zh = 1,0 • 10 3 кг/м³ / water with a density of p zh = 1,0^10 3 kg/m³;

— —ф— — водный раствор хлористого натрия (NaCl) плотностью p_zh = 1,09 • 10 3 кг/м³ / water with a density of p_zh = 1,0 • 10 3 kg/m³

ф......водный раствор хлористого натрия (NaCl) плотностью p_zh = 1,15 • 10 3 кг/м³ / aqueous solution of sodium chloride (NaCl) with a density of p_zh = 1,09 • 10 3 kg/m³

Р и с. 4. Зависимость скорости c_z погружения зерновок озимой ржи сорта Фаленская 4 в воду и водные растворы хлористого натрия (NaCl) от номера х_№ проведенного опыта

F i g. 4. The dependence of the speed v_z of immersing the grains of the variety of the winter rye Falenskaya 4 in water and in an aqueous solution of sodium chloride (NaCl) on the number x_№ of the experiment

260                                  Технологии и средства механизации сельского хозяйства траектории. Скорость зерновки при волнистой траектории имеет вертикальную и горизонтальную составляющие. В горизонтальном направлении движению зерновки противодействует только сила гидродинамического сопротивления FC (6), которая возрастает с увеличением плотности жидкости ρzh. Это приводит к уменьшению амплитуды волнистой траектории и приближению ее длины к длине теоретической прямолинейной траектории и, следовательно, к приближению скорости падения зерновки в эксперименте к теоретически рассчитанной скорости и уменьшению относительного отличия данных скоростей в процентах при увеличении плотности жидкости ρzh.

В устройствах для удаления спорыньи из ржи должно осуществляться погружение зерна в водные растворы неорганических солей. Как показано в статье, в таком случае относительное отличие скоростей составляет не более 10 %. Это свидетельствует о том, что проведенные эксперименты по погружению зерен в жидкости различной плотности согласуются с теоретическими исследованиями для эллипсоидальных зерновок. Относительное отличие объясняется принятой моделью и погрешностями эксперимента15.

Обсуждение и заключение

В результате проведенных исследований получены выражения (формулы), по которым можно определить одни из основных параметров движения зерна в жидкости устройства очистки ржи от спорыньи. Это скорость падения зерна ржи υz

⁸ c z g ⁽ P z - P zh )

в жидкости

³ c P zh

устройства, время 10 достижения зерновкой постоянного значения скоро- сти ʋz после падения и преодоления ею поверхностного натяжения жидкости, а также расстояние h0, на котором данный переходный процесс происходит.

Для устройств удаления спорыньи из ржи теоретически показано, что в воде время t ₀ = 0,03 с и расстояние h 0 = 4,0 • 10^-3 м переходного процесса малы. В данных устройствах в качестве жидкости применяются водные растворы солей, плотность которых больше плотности воды. Для них, как показано в статье, параметры переходного процесса будут иметь тот же порядок малости. При разработке машины для очистки ржи от спорыньи значения величин скорости ʋ_z падения зерна необходимы для расчета угла наклона днища ванны и конструктивно-технологических параметров устройства вывода очищенных семян. Полученные значения величин переходного процесса позволяют определить места расположения устройства для разрушения слипшихся в жидкости зерен и склероциев спорыньи; для отделения пузырьков воздуха, прилипших к зернам; для транспортера удаления спорыньи из ванны с водным солевым раствором [16; 17].

Параметры движения зависят от геометрической формы, физико-механических свойств зерновок с_z , ρ_z , плотности жидкостей p_zh , коэффициента с гидродинамического сопротивления жидкостей. Данные показатели присущи всем зерновым культурам и жидкостям, поэтому предложенный подход и полученные формулы можно применять при разработке устройств для очистки любого зернового материала по плотности мокрым способом с целью обоснования их конструктивно-технологических параметров, если геометрическая форма зерновок будет близка к форме эллипсоида.

Поступила 05.02.2019; принята к публикации 10.04.2019; опубликована онлайн 28.06.2019

262                                   Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.