Исследование технологического процесса очистки семян пшеницы от татарской гречихи на ленточном сепараторе

Качество семенного материала пшеницы в хозяйствах Забайкалья низкое в основном по засоренности, в частности из-за высокого содержания семян сорных растений. Из них наиболее трудноотделимой примесью семян является татарская гречиха [1]. Данный сорняк – один из распространенных засорителей посевов зерновых в Сибири [2].

Исследованием установлено, что семена пшеницы и татарской гречихи различаются по форме. Так, семена татарской гречихи имеют трехгранную форму с вогнутыми посередине гранями и соответственно острыми ребрами, а семена пшеницы – гладкую, округлую форму. Установлено также, что в качестве признака их разделения может быть использовано некоторое различие угла трения этих частиц по фрикционной поверхности [3].

Разделение зерновой смеси по форме и углу трения осуществляется на фрикционных сепараторах (горках) [4]. Однако эффективность очистки семян татарской гречихи на существующих фрикционных сепараторах низкая. Нами разработан и изготовлен экспериментальный образец ленточного сепаратора с закрепленными на гибкой ленте металлическими пластинами длинной стороной по ширине ленты, причем передний край каждой пластины опирается на нижний край соседней верхней пластины, образуя своей кромкой выступ для удержания семян татарской гречихи на рабочей поверхности. Пластины своей верхней кромкой удерживают семена татарской гречихи на рабочей поверхности сепаратора, и примеси выносятся ею вверх. Семена пшеницы, имеющие гладкую, округлую форму, соскальзывают с кромок пластин и скатываются по рабочей поверхности вниз.

Ленточный сепаратор состоит из рамы, нижнего и верхнего валиков диаметром 200 мм с горизонтальными осями вращения, гибкой ленты с металлическими пластинами, бункера, снабженного регулировочной заслонкой. Нижний валик приводится во вращение от электродвигателя посредством редуктора и ременной передачи (рис. 1).

Предварительными исследованиями обоснованы толщина и ширина металлических пластин. Значения их составляют соответственно 0,5 и 20 мм.

Для экспериментальных исследований были выбраны семена, прошедшие очистку и сортирование на поточной линии, и содержание татарской гречихи было доведено с 36 до 100 шт/кг. Предварительными исследованиями процесса очистки семян от татарской гречихи на ленточном сепараторе с новой рабочей поверхностью установлено, что качественные показатели обработки материала – полнота выделения примеси Е и потери семян в отходы П – зависят от угла α наклона рабочей поверхности к гори- зонту, ее скорости и и подачи материала на единицу (м) ширины рабочей поверхности q с размерностью соответственно град., м/с и кг/м • ч.

Рис. 1. Ленточный сепаратор: 1 - нижний валик; 2 - верхний валик; 3 - корпус валиков; 4 - гибкая лента; 5 - металлические пластины; 6 - бункер; 7 - винт крепежный; 8 - электродвигатель; 9 - редуктор;

10 - ременная передача; 11 - рама

Исследование технологического процесса очистки семян пшеницы от татарской гречихи на ленточном сепараторе осуществлено методом планирования эксперимента [5]. Поисковыми опытами обоснованы основные (нулевые) уровни указанных факторов и шаг их варьирования. В качестве критерия оптимизации выбраны полнота выделения примеси Е (У 1 ) и потери семян в отходы П (У₂) , измеряемые в %.

Для проведения многофакторного эксперимента был выбран трехуровневый план второго порядка Бокса-Бенкина [6] как менее трудоемкий при реализации по сравнению с другими планами. Матрица плана, уровни варьирования факторов а (Х 1 ) , и (Х₂) и q (Х₃) и результаты опытов приведены в таблице.

Таблица

Матрица плана, уровни варьирования факторов и результаты опытов

Уровень и интервал варьирования факторов	Факторы			Критерии оптимизации
	Х 1	Х 2	Х 3	У 1	У 2
Верхний уровень (+)	50	0,30	1500	-	-
Основной уровень (0)	45	0,25	1250	-	-
Нижний уровень (-)	40	0,20	1000	-	-
Интервал варьирования	5	0,05	250	-	-
План опытов:
1	+	+	0	73,5	0,14
2	-	-	0	89,5	1,37
3	+	-	0	82,5	0 68
4	-	+	0	80	0,51
5	+	0	+	76	1,21
6	-	0	-	88	0,74
7	+	0	-	82	0, 21
8	-	0	+	82,5	1,61
9	0	+	+	82	0,73
10	0	-	-	97	0,42
11	0	+	-	87,5	0,23
12	0	-	+	91,5	1,77
13	0	0	0	93	0,55
14	0	0	0	92	0,58
15	0	0	0	92,5	0,54

Опыты проводили в двух повторностях. После расчета коэффициентов уравнений регрессии получили квадратичные уравнения вида:

У 1 = 92,7 - 3,25 Х 1 - 4,52 Х ₂ - 3,25 Х ₃ + 0,71 Х 1 Х ₂ - 0,1 Х 1 Х ₃ - 0,21 Х ₂ Х ₃ - 9,21 Х 1² -

- 1,89 Х ,² - 1,32 Х _; ² ;                                                                                                   (1)

У ₂ = 0,56 - 0,241 Х 1 + 0,33 Х ₂ + 0,473 Х ₃ - 0,08 Х 1 Х ₂ - 0,0825 Х 1 Х ₃ + 0,2125 Х ₂ Х ₃ +

0,113 Х j² + 0,06 Х ₂ ² + 0,22 Х ₃ ² .                                                                                   ⁽²⁾

Адекватность представления результатов опытов полиномами второго порядка проверяли с помощью критерия Фишера (F - критерия). Так как Fэксп< F3,05, то гипотезу об адекватности описания уравнениями (1) и (2) результатов эксперимента можно считать верной с 95%-ной вероятностью. Значимость коэффициентов уравнений регрессии определяли путем расчета доверительных интервалов [7]. Расчеты показали, что в уравнении (1) оказались не значимыми коэффициенты при Х1Х3 и Х2 Х3,.

Для использования полученных уравнений в качестве расчетных формул и интерпретации результатов опытов необходимо их преобразовать к именованным величинам. После преобразования получили уравнения регрессии в виде:

E = - 633 ,5 + 31 ,796 a + 159 .6 u + 0,0398 q + 2,84 au - 0,3684 a ² - 756 ,0 u ² - 0,000021 q ² ;           (3)

П = 17 ,05 - 0,617 a + 12 ,87 u - 0,00557 q + 0,32 au + 0,000066 a q - 0,017 u q + 0,00452 a ² -

• - 25 ,2 u ² + + 0,0000035 q ².                                                                                                  ⁽⁴⁾

Поверхности качественных показателей процесса очистки семян при Х 1 =0 приведены на рисунке 2.

а                                                    б

Рис. 2. Поверхности качественных показателей процесса очистки семян при Х 1 =0 (а=45⁰): а - полнота выделения примеси, %; б - потери семян в отходы, %

При подаче материала на рабочую поверхность сепаратора q > 1250 кг/ м • ч ( Х 3 >0) резко снижается полнота выделения примеси Е и повышаются потери семян в отходы П (см. рис. 2). Поэтому подача материала принята на основном уровне, равном 1250 кг/ м • ч . После этого рассмотрели изменение качественных показателей процесса очистки семян пшеницы при принятой подаче (рис. 3). Анализ полученных поверхностей отклика показал, что полнота выделения примеси повышается при снижении скорости рабочей поверхности сепаратора, однако при этом возрастают потери семян в отходы.

а

б

Рис. 3. Поверхности качественных показателей процесса очистки семян при Х3=0 (q=1250 кг/м.ч): а - полнота выделения примеси, %; б - потери семян в отходы, %

Изучение найденных поверхностей отклика с помощью двухмерных сечений позволяет оценить значения качественных показателей процесса очистки семян при различных условиях проведения рас- сматриваемого процесса и решить компромиссную задачу, включающую определение рациональных параметров сепаратора при высоком качестве очистки и допустимых потерях семян в отходы. Так как при исследовании технологического процесса выбраны два критерия оптимизации, то для обоснования рациональных параметров сепаратора необходимо рассмотреть совместно сечения двух поверхностей отклика Е иП (рис. 4).

Рис. 4. Сечения поверхностей отклика при Х 3 =0

Анализ сечений поверхностей отклика показывает, что высокая полнота выделения примеси (9395%) при незначительных потерях семян в отходы (0,6-0,8:%) обеспечивается при значениях угла наклона рабочей поверхности сепаратора к горизонту α=43-45⁰ и скорости ее движения u =0,22-0,25м/с. Принимаем α = 44⁰ и u =0,23 м/с.

Таким образом, обоснованы параметры ленточного фрикционного сепаратора для окончательной очистки семян пшеницы от татарской гречихи. При диаметре валиков 200 мм толщина и ширина пластин составляют 0,5 и 20 мм, угол наклона рабочей поверхности сепаратора к горизонту равна 44⁰, скорость ее движения – 0,23 м/с, нагрузка – 1250 кг/ м ⋅ ч .