Исследование пневматического сепаратора для фракционного разделения и очистки зерна

Послеуборочная обработка зерна – одна из важных операций в его производстве. Качественные очистка и сушка способствуют хранению зерна без значительных потерь [1].

Зерновой ворох после комбайновой уборки, протекающей по возможности в самые сжатые сроки, наиболее засорен. Это создает проблему в плане очистки [2].

Немаловажна также и проблема физического и морального устаревания очистительных машин, даже несмотря на сравнительно небольшие годовые нормативные нагрузки. Это в значительной степени уменьшает их производительность. В сельскохозяйственном производстве стараются ремонтировать до последнего, пока имеется возможность [3].

Отживающие свой век машины не могут достичь паспортных значений эффективности: пропускной способности и других показателей, функционально от нее зависящих. Последнее влечет за собой увеличение себестоимости производства зерна и снижение рентабельности его производства [4].

Приведенная выше информация просматривается во многих хозяйствах севера Омской области [5].

При очистке зерна от примесей наиболее часто применяют разделение зерна по аэродинамическим свойствам и размерам на решетах. В последнем случае весьма часто происходит взаимодействие зерновок с перемычками отверстий решет [6]. Нередко возникают случаи, когда движущиеся со скоростью 0,45…0,6 м/с в отдельные моменты решета травмируют зерновки. Это приводит к потере полевой всхожести семян и как следствие к снижению урожайности [7].

Решетные машины также обладают значительной металлоемкостью конструкции, и как следствие – энергоемкостью. При их использовании повышается себестоимость при производстве зерна.

Пневматические сепараторы, имеющие в конструкции вертикальный аспирационный канал, не обладают высокой эффективностью при отделении примесей. Тем не менее, применение воздуха при разделении зерна на фракции не утратило своей актуальности [8].

Одно из направлений при конструировании зерноочистительных машин – использование наклонного, или как частный случай, – горизонтального воздушного потока. Это позволит фракционировать исходный зерновой материал. Вкупе с блоком гравитационных решет просматривается перспектива создания простого, надежного, экономически целесообразного сепаратора для зерна [9].

Объекты и методы

Предложенный нами пневмогравитационный сепаратор зерна важен для сельскохозяйственного машиностроения как машина для очистки и сортирования. Задачей его создания является повышение эффективности первичной очистки [3].

Он имеет центробежный вентилятор, загрузочно-питательное устройство, находящееся над пневмоканалом, непосредственно сам пневмоканал с перфорированным днищем, устанавливаемый под углом к горизонту (10° ≤ α ≤ 40°), осадочную камеру. И установленным блоком решет с приемниками фракций, находящимся под пневмоканалом. Общий вид пневмогравитационного сепаратора представлен на рис. 1. На рис. 2 показано поперечное сечение канала.

AGROENGINEERING

Vestnik of Omsk SAU, 2025, no. 2 (58)

Рис. 1. Схема лабораторной установки сепаратора: 1 – несущая рама; 2 – пневмосепарационный канал; 3 – вентилятор; 4 – осадочная камера; 5 – бункер; 6 – дозирующая заслонка; 7 – днище пневмосепарационного канала; 8 – блок решет; 9, 10, 11 – емкости под фракции

Рис. 2. Сечение А-А пневмосепарационного канала

Пневмогравитационный сепаратор состоит из рамы 1, на которой закреплен пневмосепарационный канал 2 с возможностью изменения угла наклона последнего в пределах 10° ≤ α ≤ 40° к горизонтальной плоскости, центробежного вентилятора 3 и осадочной камеры 4. Между каналом и осадочной камерой имеется регулируемая заслонка (на схеме не показана). В питающем устройстве сепаратора бункер 5 и заслонка 6, регулирующая подачу зерна на сепарацию. Днище сепаратора перфорированное, с крупными отверстиями. Под пневмоканалом установлен решетный блок из нескольких решет (их число будет уточняться). Снизу под решетным блоком установлены приемники фракций 9, 10, 11.

Vestnik of Omsk SAU, 2025, no. 2 (58) AGROENGINEERING

Изменение угла наклона пневмосепарационного канала позволяет изменять перераспределение фракций по размерам частиц и аэродинамическим свойствам. Отверстия в днище канала, способные пропустить самые крупные частицы, предназначены для лучшего разделения отдельных фракций.

Работа пневмогравитационного сепаратора осуществляется следующим образом: вначале устанавливаются угол наклона пневмоканала и подача зерна на сепаратор, а также положение регулирующей заслонки. Затем включается вентилятор 3, регулируется подача воздуха в пневмоканал, открывается заслонка 6 подачи зерна из бункера 5. Зерно в раздувочной камере пневмоканала 2 под действием наклонного воздушного потока начинает витать. При этом самые тяжелые частицы падают в приемники фракций (10, 11). Более легкие примеси выносятся ближе к концу пневмоканала. Поток воздуха частично выходит через днище канала 7, увлекая при этом и частицы легких фракций, которые, скользя по решетной поверхности, попадают в отверстия. Причем последнее явление носит вероятностный характер: чем меньше частицы, тем раньше они попадут в отверстия в днище канала. Подача оставшегося воздушного потока перед осадочной камерой осуществляется регулировочной заслонкой. Попавшие в осадочную камеру 4 пылевые и легкие частицы оседают в ней, а воздух выходит через сетчатое отверстие в верхней части канала. Частицы зерновой фракции, попадающие на решетный блок 8, проходят дальнейшую сепарацию по размерам: более мелкие имеют траекторию движения на решетах практически вертикальную и попадают в приемники фракций 9. Более крупные раскатываются и попадают в приемники фракций 9, 10, находящиеся дальше от загрузочного устройства. Таким образом, происходит дальнейшее разделение зерна на примеси.

Результаты и обсуждение

Лабораторная установка «Пневмогравитационный сепаратор» изготовлена на базе кафедры «Агрономия и агроинженерия» Тарского филиала ФГБОУ ВО Омский ГАУ.

Для проведения эксперимента был выбран классический метод перебора факторов при неизменном одном. За основные показатели взяли «полноту разделения», «критическую скорость» и «потери основной культуры». Опыты проведены в четырехкратной повторности, затем находили средние значения показателей [10].

Последовательность опытов: устанавливали необходимый угол наклона блока решет 8; включали вентилятор 3 и устанавливали необходимую скорость воздушного потока, используя вольтметр для замера напряжения и трубки Пито – Прандтля для замера скорости воздушного потока. В бункер 5 выгружалась подготовленная зерновая смесь в необходимой для проведения опытов пропорции. Как только смесь подавалась в бункер и включался секундомер на 30 секунд; по завершении отсчета 30 секунд сначала прекращалась подача зерновой смеси, затем отключался вентилятор, проводилось взвешивание зернового материала в приемниках фракций, а также ручной разбор полученного зернового материала.

Затем все данные заносились в расчетные таблицы, рассчитывалось среднее арифметическое и среднеквадратическое отклонение. По полученным результатам строились диаграммы зависимостей, изображенные на рис. 3 и 4.

В качестве фракций очищенного зерна выбирали первые три приемника (начиная от вентилятора). По ним считали засоренность очищенного материала. Остальные приемники – для засорителей. По ним рассчитывались потери основной культуры и полнота разделения.

AGROENGINEERING

Vestnik of Omsk SAU, 2025, no. 2 (58)

Рис. 3. Диаграмма зависимости полноты разделения от подачи и результирующей скорости

Рис. 4. Диаграмма зависимости потерь основной культуры от подачи и результирующей скорости

Экспериментальные исследования показывают значительную эффективность разделения зернового вороха на всех стадиях очистки.

Заключение

Анализ приведенных диаграмм зависимостей (рис. 3 и 4) показывает:

• –    при увеличении результирующей скорости воздушного потока полнота разделения возрастает, но только в случае снижения подачи зернового материала;

• –    при увеличении результирующей скорости воздушного потока возрастает количество выдуваемых легких примесей, что способствует более качественной очистки от легких фракций, однако и потери основной культуры возрастают пропорционально увеличению результирующей скорости.

Наиболее рациональными режимами можно считать режимы нагрузки 90…120 кг/ч. Скорость воздушного потока должна составлять 7,5…9 м/с. Режим наиболее рационален для вторичной очистки зерна с заданными качественными параметрами: полнота разделения – 80%, потери – 1,5%.

Vestnik of Omsk SAU, 2025, no. 2 (58)

AGROENGINEERING