Исследование работы пневматической машины для очистки зерна

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 результирующей 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); 6 – приемник фуражной фракции; 7 – приемник легких примесей; 8 – отводной канал для запыленного воздуха;                – очищенное зерно;      н        – фуражные примеси;

– легкие примеси;                – запыленный воздух

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

PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

%

Подача зерна, кг/ч

1^5

Результирующая скорость, м/с

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

Потери зерна, % 2,5

1,5

0,5

Подача зерна, кг/ч

*^,5

Результирующая скорость, м/с

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 of Omsk SAU, 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.