Экспериментальные исследования процесса очистки зерна от примесей в пневмосепараторе пневматической молотковой дробилки

В течение многих лет одной из ключевых задач для сельскохозяйственных производителей является повышение продуктивности животных. Эта цель достигается благодаря использованию различных методов: селекции, улучшения условий содержания, оптимизации кормления и других технологических процессов.

Особое место в рационе животных занимают концентрированные корма. Процесс их производства, включающий в себя обработку доступных компонентов, представляет собой один из самых сложных и энергозатратных этапов в сельском хозяйстве [1].

В настоящее время малые и средние предприятия, занимающиеся производством комбикормов, активно используют мини-заводы. Один из основных механизмов на таких заводах – молотковая дробилка. Перед измельчением зерно проходит предварительную очистку в сепараторе, который установлен на крышке дробилки. Процесс направлен на удаление металломагнитных и минеральных примесей, это позволяет добиться более высокого качества комбикорма. Более того, существует возможность установки дополнительного оборудования, которое позволяет эффективнее очищать зерно от легких примесей [2].

Стоит отметить, что в этих устройствах не всегда достигается максимальная эффективность очистки зерна от металломагнитных и минеральных примесей. Этот показатель зависит от конструктивных и технологических характеристик пневмосепаратора, а также от степени очистки, которая должна соответствовать зоотехническим требованиям, предъявляемым к приготовлению комбикормов для сельскохозяйственных животных в соответствии с ГОСТ 9268 – 2015 [3; 4].

Анализ существующих конструкций встроенных пневматических сепараторов показал, что особое внимание было уделено сепараторам, которые встраиваются в дробилку и предназначены для удаления металлических и минеральных примесей. Также были рассмотрены стационарные сепараторы, эффективно удаляющие мелкие и легкие частицы [5; 6]. Было отмечено, что встроенные сепараторы оснащены магнитной ловушкой для очистки от металломагнитных примесей со степенью очистки до 95% и осадочной камерой, где минеральные примеси удаляются под действием силы тяжести со степенью очистки 60–95% [6; 7].

На основании этого мы предложили конструкцию пневмосепаратора с винтовым рабочим органом. Установка шнека на входном патрубке позволит задать такую траекторию движения зерновой массы, при которой тяжелые частицы примесей будут перемещаться по периферии патрубка, а зерно – ближе к центру [8]. Достигается это за

Vestnik of Omsk SAU, 2025, no. 1 (57)                                                              AGROENGINEERING счет центробежной силы, возникающей у частиц, что приводит к изменению их траектории движения в зависимости от массы.

Таким образом, полная очистка зерна от металломагнитных примесей значительно снизит риск возникновения заболеваний у животных. Удаление минеральных примесей в свою очередь продлит срок службы рабочих органов молотковой дробилки.

Цель исследования – определение рациональных параметров процесса очистки зерна от минеральных и металломагнитных примесей в пневмосепараторе пневматической молотковой дробилки.

Задачи исследования:

– получение математической модели процесса очистки зерна от примесей в пневмосепараторе на основе результатов экспериментальных исследований;

– определение рациональных параметров процесса очистки зерна в пневмосепараторе.

Объект и методы исследования

Объект исследования – пневмосепаратор пневматической молотковой дробилки с винтовым рабочим органом. В качестве методов исследования выбраны экспериментальный и теоретический. Для подтверждения основных теоретических положений исследования и выявления рациональных параметров процесса очистки зерна от минеральных и металлических примесей в пневмосепараторе пневматической молотковой дробилки были проведены экспериментальные исследования. Программа этих исследований включала в себя следующие этапы:

• 1.    Изучение влияния различных факторов на процесс очистки зерна в пневмосепараторе.

• 2.    Выбор оптимального плана проведения многофакторного эксперимента с установлением уровней и интервалов варьирования исследуемых параметров процесса.

• 3.    Разработка экспериментальной установки для лабораторных исследований, позволяющей эффективно очищать зерно от примесей.

• 4.    Определение рациональных технологических параметров пневмосепаратора для очистки зерна от минеральных и металлических примесей.

В качестве объекта исследования выбрана пневматическая молотковая дробилка c пневмосепаратором, представляющая собой входной патрубок, пневмосепаратор c установленным в нем шнеком и выходной патрубок (рис. 1).

Работа осуществляется следующим образом. При включении электродвигателя молотковой дробилки под действием вентилятора и ротора создается разрежение, благодаря которому продукт, предназначенный для дробления, забирается заборным устройством и с воздушным потоком поступает в сепаратор через входной патрубок. За счет витков шнека, установленного внутри входного патрубка, воздушный поток поворачивает слой зерна таким образом, что зерно проходит по внутренней части цилиндрического магнита, в результате чего происходит очистка от металломагнитных примесей. Двигаясь по шнеку, воздушно-зерновой поток изменяет траекторию движения легких и тяжелых примесей. В результате тяжелые примеси под действием центробежной силы движутся по периферии входного патрубка и направляются вниз, где попадают в камеру и под действием силы тяжести осаждаются. Легкие примеси направляются вверх, движутся по перфорированной решетке и выводятся в камеру отвода мелких и легких примесей, очищенное зерно попадает в камеру дробления через входное отверстие в крышке корпуса. Очистка сепаратора происходит следующим образом. После отключения электродвигателя молотковой дробилки открывают

Vestnik of Omsk SAU, 2025, no. 1 (57)

AGROENGINEERING

задвижки и очищают камеры от тяжелых и легких примесей. Цилиндрический магнит от металлических примесей очищают вручную, отсоединив от входного патрубка.

Рис.1. Факторы, влияющие на процесс очистки зерна от примесей в пневмосепараторе

Математическая модель пневмосепаратора с молотковой дробилкой представляет собой сложную функцию со множеством переменных, которые влияют на эффективность очистки зерна от примесей. Откликом системы будет являться эффективность очистки зерна от минеральных и металломагнитных примесей η, %.

На основе данных лабораторных исследований выявлены наиболее значимые факторы, оказывающие влияние на процесс очистки:

• 1.    Шаг витков рабочего органа (t): определяет расстояние между витками и оказывает влияние на интенсивность воздействия на зерно.

• 2.    Глубина осадочной камеры для крупных примесей (Н): влияет на способность камеры собирать крупные частицы, что способствует более качественной очистке зерна.

• 3.    Подача материала (q): определяет количество материала, поступающего в сепаратор, что непосредственно влияет на скорость и эффективность процесса очистки.

Уровни факторов эксперимента приведены в таблице 1.

Таблица 1

Уровни факторов экспериментов

Факторы	Условные обозначения	Код	Уровни факторов			Интервал варьирования
			-1	0	+1
Шаг витков шнека, t	t	X 1	40	60	80	20
Глубина осадочной камеры, Н	V	X 2	40	80	120	40
Подача материала, q кг/ч	q	X 3	1008	1908	2808	900

В качестве критерия оптимизации выбран общий коэффициент извлечения η (%), который определяется по формуле (1):

η = 1- (1-η 1 ),

Vestnik of Omsk SAU, 2025, no. 1 (57)

AGROENGINEERING

где η 1 – коэффициент извлечения примесей с осадочной камеры пневмосепаратора.

Коэффициент извлечения η 1 представляет собой отношение количества фактически извлеченных частиц П извл к общему количеству частиц в исходной смеси П исх . Он вычисляется по следующей формуле (2):

η 1 = (П извл /П исх )·100 (2)

Для того чтобы определить, в какой области исследований необходимо работать, сколько опытов нужно провести, чтобы найти рациональные параметры и режимы очистки зерна от примесей, были применены передовые методы планирования и анализа экспериментов. Эти методы позволяют проводить исследования с высокой точностью и избегать заведомо неэффективных и неудобных режимов, что экономит ресурсы и время. Составляется уравнение регрессии, которое должно выглядеть следующим образом (3):

Y = b 0 + b 1 x 1 + b 2 x 2 + b 3 x 3 + b 12 x 1 x 2 + b 13 x 1 x 3 + b 23 x 2 x 3 + b 123 x 1 x 2 x 3 , (3) где b 0 , b 1 , b 2 , b 3 , b 12 , b 13 , b 23 , b 123 – коэффициенты уравнения регрессии.

В качестве рабочих органов спроектированы и сконструированы 3 вида шнеков: 1 – шнек с шагом 40 мм, длиной 240 мм и диаметром 60 мм; 2 – шнек с шагом 60, длиной 240 мм и диаметром 60 мм; 3 – шнек с шагом 80 мм, длиной 240 мм и диаметром 60 мм (рис 2).

Рис.2. Винтовые рабочие органы: а – шаг 80 мм; б – шаг 60 мм; в – шаг 40 мм

Для исследования эффективности очистки зерна в пневмосепараторе

Приготовмли смесь зерна ячменя c примесями в соотношении 1:0,04 кг (рис. 3).

Рис. 3. Подготовка продукта к исследованию

Vestnik of Omsk SAU, 2025, no. 1 (57)

AGROENGINEERING

Результаты исследований и их обсуждение

В соответствии с задачами, принятыми в данной статье, проведены экспериментальные исследования пневмосепаратора пневматической молотковой дробилки, режим которой обеспечивал эффективность очистки зерна от примесей до 99%. Результаты экспериментальных исследований представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты экспериментальных исследований

№ опыта	Х 1	Х 2	Х 3	Y 1	Y 2	Y 3	Y	S2(Y u )
1	–1	–1	–1	99,2	98,85	99,14	99,06	0,035
2	–1	–1	+1	98,02	98,15	98,24	98,14	0,012
3	–1	+1	–1	99,2	98,9	98,86	98,99	0,035
4	–1	+1	+1	98,41	98,38	98,52	98,44	0,005
5	+1	–1	–1	98,4	98,2	97,8	98,13	0,093
6	+1	–1	+1	96,8	97,2	96,9	96,97	0,043
7	+1	+1	–1	95,62	95,81	95,66	95,70	0,010
8	+1	+1	+1	95,65	96,9	96,54	96,36	0,414
9	+1	0	0	94,7	95,2	94,8	94,90	0,070
10	–1	0	0	98,81	98,54	98,73	98,69	0,019
11	0	+1	0	97,61	97,43	97,8	97,61	0,034
12	0	–1	0	97,61	97,8	97,84	97,75	0,015
13	0	0	+1	95,6	96,1	95,98	95,89	0,068
14	0	0	–1	98,82	98,75	98,86	98,81	0,003
15	0	0	0	98,04	97,8	97,95	97,93	0,015
∑ S2(Y u )								0,8727

По результатам полнофакторного эксперимента уравнение регрессии примет вид (4): у = 97,558 – 1,126·Х 1 – 0,295·Х 2 – 0,489·Х 3 – 0,4088·Х 1 Х 2 + 0,1213·Х 1 Х 3 + 0,2738·Х 2 Х 3 + 0,1813·Х 1 Х 2 Х 3                                                                  (4)

Математическая модель процесса очистки зерна от примесей в пневмосепараторе с винтовым рабочим органом в исходных переменных выглядит следующим образом (5):

η = 99,74 +0,01t + 0,037Н – 1,256q – 0,001tН – 0,0487tq – 0,024qН + 0,0009tНq. (5)

Для анализа полученной математической модели была использована программа «Statistica 10», которая позволила построить зависимости, представленные в виде графической проекции и поверхности отклика.

На поверхности отклика, отображающей взаимосвязь между количеством витков и скоростью воздушного потока (рис. 4а), видно, что эффективность очистки зерна достигает 97,75% при шаге витков от 40 до 65 мм и глубине осадочной камеры от 40 до 60 мм. Однако при увеличении шага витков с 66 до 80 мм и глубины осадочной камеры с 61 до 120 мм эффективность снижается до 95,75%.

На поверхности отклика, иллюстрирующей взаимосвязь между количеством витков и подачей материала (рис. 4б), эффективность очистки зерна составляет до 98,25% при шаге витков от 40 до 65 мм и удельной подаче от 0,28 кг/с до 0,53 кг/с. Однако при увеличении шага витков до 66–80 мм и удельной подачи от 0,54 кг/с до 0,78 кг/с эффективность снижается до 95,25%.

На поверхности отклика, отображающей взаимосвязь между глубиной осадочной, в камеры и подачей материала (рис. 4, в), эффективность очистки зерна достигает 99%

Vestnik of Omsk SAU, 2025, no. 1 (57)

AGROENGINEERING

при глубине осадочной камеры от 40 до 75 мм и удельной подаче от 0,28 кг/с до 0,58 кг/с. При увеличении глубины осадочной камеры с 76 до 120 мм и удельной подаче от 0,59 кг/с до 0,78 кг/с эффективность снижается до 96,5%.

■ >99 ■ < 93.25 □ < 97.25 □ < 96.25 ■ < 95.25 ■ < 94.25

а                                            б

в

Рис. 4. Поверхность отклика взаимосвязи шага витков шнека и глубины осадочной камеры (а), шага витков шнека и удельной подачи материала (б) и глубины осадочной камеры и удельной подачи материала (в)

Адекватность математической модели, описывающей процесс очистки зерна, можно отобразить на сравнительном графике экспериментальных и расчетных значений эффективности очистки зерна на рис. 5.

Продифференцировав уравнение регрессии первого порядка (4), рассчитали рациональные значения шага витков рабочего органа, глубину осадочной камеры и подачу материала, при которых значение эффективности очистки зерна в пневмосепараторе будет максимальным.

Рациональные значения факторов равны: t = 52,6мм, Н = 43,72 мм, q = 2808 кг/ч.

Vestnik of Omsk SAU, 2025, no. 1 (57)

AGROENGINEERING

Рис.5. Сравнительный график экспериментальных и расчетных значений эффективности очистки зерна

Подставим рациональные значения факторов в математическую модель и получим максимальное значение эффективности очистки зерна (6):

η= 99,74 + 0,01 · 52,6 + 0,037 · 43,72 – 1,256 · 0,78 – 0,001 · 52,6 · 43,72 – 0,0487 · 52,6·0,7 – 80,024 · 0,78 · 43,72 + 0,0009 · 52,6 · 43,72 · 0,78 = 97,4%                   (6)

При подстановке рациональных значений основных факторов в математическую модель процесса очистки зерна в пневмосепараторе молотковой дробилки полученная эффективность очистки составила 97,4% при шаге витков 52,6 мм, глубине осадочной камеры 43,72 мм и подаче материала 2808 кг/ч.

Заключение

На основании проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:

– обоснованы рациональные конструктивно-технологические параметры пневмосепаратора молотковой дробилки. Получена математическая модель для оценки эффективности выделения примесей пневмосепаратором:

η = 99,74 + 0,01t + 0,037Н – 1,256q – 0,001tН – 0,0487tq – 0,024qН + 0,0009tНq;

– определены рациональные значения конструктивно-режимных технологических параметров пневмосепаратора: шаг витков – 52,6 мм; высота осадочной камеры для крупных примесей – 43,72мм; подача материала – 2808 кг/ч.