Meeting the ecological requirements at the development of a clover thresher-separator

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Производство семян многолетних злаковых и бобовых трав играет важную роль в системе кормопроизводства. Однако сельское хозяйство обеспечивает только 70% ежегодной потребности в семенах кормовых трав. Бобовые травы, такие как клевер, люцерна и лядвенец рогатый, также играют важную роль в повышении плодородия почвы, обеспечивая биологический азот и органическое вещество. Одной из проблем при уборке семян бобовых трав является сложность их отделения от растений с помощью молотильного аппарата комбайна [1, 2].

При работе комбайнов без специальных тёрочных приспособлений содержание невытёртых семян может достигать 20–65%, а дроблёных — 50–60%. Это зависит от погодных условий, физико-механических свойств растений, технологии уборки и последующей обработки [3]. В настоящее время широко применяется прямое комбайнирование с получением пыжины, которая затем обрабатывается на стационарных пунктах [4]. Такой подход позволяет снизить потери семян в два-пять раз и уменьшить их дробление на 20–30%. Технология обработки семян трав на стационарном пункте включает три основных этапа: сушку вороха, вытирание семян на специальных тёрочных устройствах и их очистку. В промышленном семеноводстве для вытирания семян трав применяются клеверотёрки, такие как К-310А и К-0,5. Клеверотёрка К-310А предназначена только для вытирания семян клевера и имеет производительность до 0,75 тонн в час. Её установленная мощность составляет 7,5 кВт. Клеверотёрка К-0,5, помимо вытирания, также осуществляет очистку вытёртых семян от лёгких примесей. Она имеет производительность 0,59–0,67 тонн в час при вытирании семян клевера, степень вытирания до 98% и дробление семян не более 2,5%. Установленная мощность этой модели составляет 9,0 кВт [3, 5, 6].

Однако следует отметить, что клеверотёрка К-0,5 не имеет устройства для очистки отработанного воздуха, что может нарушать экологическую безопасность при автономной работе и делает невозможным её использование в закрытых помещениях [7].

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Отличительной особенностью клеверотёрки-сепаратора КС-1,0 является наличие пылеуловительной системы, поэтому необходимо проверить её качество работы.

МЕТОДЫ

В ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока была разработана новая машина для сельскохозяйственной обработки семян — клеверотёрка-сепаратор КС-1,0. Эта машина имеет производительность от 1,0 до 1,3 тонн в час и выполняет три важные операции: вытирание семян, обработку вытёртой пыжины воздухом и очистку отработанного воздуха от лёгких примесей и пыли [8].

Клеверотёрка-сепаратор КС-1,0 состоит из нескольких ключевых компонентов, которые обеспечивают его эффективную работу (рис. 1). Во-первых, есть тёрочное устройство, которое осуществляет первичную обработку семян. Оно состоит из бильного барабана диаметром 0,6 м и 12 бичей с V-образными лопатками. Эти лопатки выполняют две функции: они служат и лопатками диаметрального вентилятора, и лопатками ротационного пылеуловителя. Кроме того, в клеверотёрке-сепараторе присутствует пневмосепаратор, который дополнительно обрабатывает вытертую пыжину воздухом, удаляя из неё лёгкие примеси и пыль. Это способствует повышению экологической безопасности процесса и улучшает качество конечной продукции. Для обеспечения безопасной работы и защиты окружающей среды, клеверотёрка-сепаратор оснащена ротационным поперечно-поточным пылеуловителем. Он эффективно улавливает пыль и другие мелкие примеси, предотвращая их попадание в окружающую среду. Это позволяет улучшить условия работы оператора и снизить вредные выбросы в атмосферу. Клеверотёрка-сепаратор КС-1,0 имеет также устройства для загрузки исходного материала и выгрузки очищенных семян и отходов. Это позволяет автоматизировать процесс работы и повысить его производительность. Важным компонентом клеверотёрки-сепаратора являются механизмы привода и электрооборудование, которые обеспечивают надёжную и эффективную работу всей системы.

Процесс работы этого устройства включает несколько этапов. Сначала обрабатываемый материал загружается в приёмный бункер, который может быть заполнен вручную или с помощью специального механизма. Затем, при открытии заслонки, материал скатывается по наклонному дну бункера и попадает в норию. Оттуда он поднимается вверх и поступает на питающий барабан, который передает его в тёрочное устройство. Когда бильный барабан начинает вращаться, материал протаскивается по тёрочной поверхности, где происходит его вытирание. Затем материал выбрасывается в приёмную камеру. Далее он подаётся в пневмосепарирующий канал с помощью питающего валика. В этом канале материал очищается от мелких, щуплых, дроблёных семян, а также лёгких примесей и пыли с помощью воздушного потока, создаваемого специальными лопатками. Тяжелая фракция материала падает вниз и направляется в выход I через переключатель потока. Лёгкие примеси, пыль, мелкие, щуплые, дроблёные семена поднимаются вверх и направляются в осадочную камеру с помощью ротационного поперечно-поточного пылеуловителя. Затем они выводятся из машины через шлюзовой затвор и переключатель потока в выход II. Часть лёгких примесей и пыли, вместе с отработанным воздухом, попадает в ротационный поперечно-поточный пылеуловитель и выводится в выходной патрубок, откуда они направляются через воздухопровод в циклон, где происходит их эффективное улавливание. Очищенный воздух, содержащий незначительное количество пыли, проходит через электровентилятор и направляется в тканевый фильтр для окончательной очистки. После этого воздух удаляется из помещения. Уловленная пыль и лёгкие примеси выводятся из циклона и тканевого фильтра через выходы III и IV соответственно.

Таким образом, клеверотёрка-сепаратор КС-1,0, разработанная в ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока, представляет собой модернизированную машину, объединяющую несколько технологических операций и обеспечивающую высокую производительность, качество и экологическую безопасность. Это значительно упрощает процесс обработки семян и способствует повышению эффективности сельскохозяйственного производства.

Пневмосепаратор — это устройство, которое используется для очистки воздуха от пыли и других лёгких частиц. Он состоит из нескольких основных компонентов, включая: приёмную камеру, питающий валик, пневмосепарирующий канал и осадочную камеру. В системе присутствует ротационный поперечно-поточный пылеуловитель, который состоит из тёрочного барабана, его поверхности, корпуса и выходного патрубка вентилятора. Для эффективной очистки отработанного воздуха в закрытых помещениях в систему включён циклон с электровентилятором и тканевым фильтром. Циклон отделяет более крупные частицы, а фильтр задерживает более мелкую пыль. Это позволяет значительно улучшить качество воздуха в помещении. Исследования клеверотёрки-сепаратора проводились на экспериментальном образце машины, которая имела натуральные размеры всех компонентов и рабочих органов. Ширина тёрочного устройства составляла 0,22 м, а пневмосепаратора — 0,25 м.

 

Рис. 1. Технологическая схема клеверотёрки-сепаратора КС-1,0: 1, 22 — переключатели потока; 2 — питающий валик; 3 — пневмосепарирующий канал; 4 — приёмная камера; 5 — V-образная лопатка барабана; 6 — бильный барабан; 7 — тёрочная поверхность; 8 — питающий барабан; 9 — нория; 10 — дроссельная заслонка; 11 — циклон; 12 — электровентилятор; 13 — тканевый фильтр; 14 — мешкодержатель; 15 — клапан; 16 — загрузочный бункер; 17 — выходной патрубок; 18— воздухопровод; 19 — корпус вентилятора; 20 — осадочная камера; 21 — шлюзовый затвор; I, II — выходы очищенных семян и второго сорта; III, IV — выходы легких примесей и пыли: □→— исходный материал; —ɞ→ — чистый воздух; ⋯→ — вытёртые семена; ⊸→ — отработанный воздух; ⇻ — легкие примеси; ⇢ — пыль; → — очищенные семена.

Fig. 1. Technological diagram of the KS-1.0 clover thresher-separator: 1, 22 — flow switches; 2 — a feeding roller; 3 — a pneumatic separating channel; 4 — a suction chamber; 5 — a V-shaped drum vane; 6 — a beater drum; 7 — a threshing surface; 8 — a feeding drum; 9 — a bucket elevator; 10 — a throttle; 11 — a cyclone; 12 — an electric fan; 13 — a fabric filter; 14 — a bag holder; 15 — a valve; 16 — a loading hopper; 17 — an outlet; 18 — an air supply pipe; 19 — a fan body; 20 — a sediment chamber; 21 — a sluice valve; I, II —outlets for cleaned seeds and second-quality seeds; III, IV — outlets for light pollutants and dust.

 

Для проверки эффективности работы пылеулавливающих устройств использовался метод определения эффекта очистки отработанного воздуха. Этот эффект выражается в отношении массы уловленных лёгких частиц к общей массе всех лёгких частиц, выделенных в пневмосепарирующем канале, и измеряется в процентах.

Эффект очистки воздуха ротационным поперечно-поточным пылеуловителем, циклоном и тканевым фильтром определяли по формулам [9–11]:

${Э}_{Р}=\frac{{т}_{Р}}{{т}_{Р}+{т}_{Ц}+{т}_{ТФ}}\cdot \mathrm{100,}\%;$                                                 (1)

${Э}_{Ц}=\frac{{т}_{Ц}}{{т}_{Р}+{т}_{Ц}+{т}_{ТФ}}\cdot \mathrm{100,}\%;$                                                (2)

${Э}_{ТФ}=\frac{{т}_{Ц}}{{т}_{Р}+{т}_{Ц}+{т}_{ТФ}}\cdot \mathrm{100,}\%,$                                               (3)

где ${т}_{Р},{т}_{Ц},{т}_{ТФ}$ — масса уловленных лёгких частиц соответственно в ротационном пылеуловителе, циклоне, тканевом фильтре.

Таким образом, можно оценить эффективность работы пневмосепаратора и его способность улавливать пыль. В эксперименте использовался опытный образец клеверотёрки-сепаратора КС-1,0, который тестировался при вытирании семян клевера красного сорта Дымковский.

Результаты показали, что пневмосепаратор успешно улавливает пыль и другие лёгкие частицы, что подтверждается высоким процентом эффекта очистки отработанного воздуха. Таким образом, пневмосепараторы являются эффективными устройствами для очистки воздуха, особенно в закрытых помещениях. Они способны значительно улучшить качество воздуха, улавливая пыль и другие лёгкие частицы. Это особенно важно для обеспечения здоровья и комфорта людей, работающих или проживающих в таких помещениях.

При этом пропуск пыли тканевым фильтром не превышал 1,0%.

РЕЗУЛЬТАТЫ

После того, как были определены оптимальные параметры бильного барабана, включающие число лопаток (Z_Л = 12), длину лопаток (l_Л = 0,13 м) и угол установки лопаток на наружном диаметре (β₂ = 102,5°), а также параметры пневмосепарирующего канала, включающие глубину канала (h_К = 0,2 м), угол наклона канала от вертикали (К = 30°) и частоту вращения питающего валика диаметром 0,1 м (n = 210 мин-1), были сняты аэродинамические характеристики ротационного поперечно-поточного пылеуловителя и циклона с встроенным центробежным вентилятором (рис. 2).

 

Рис. 2. Аэродинамические характеристики клеверотёрки-сепаратора и циклона.

Fig. 2. Aerodymanic curves of the clover thresher-separator and the cyclone.

 

Ротационный поперечно-поточный пылеуловитель, который функционирует как диаметральный вентилятор, имеет некоторые особенные характеристики. При частоте вращения бильного барабана равной 1300 оборотов в минуту, он достигает максимального расхода воздуха на холостом ходу, равного 0,38 м³/с при полном давлении 60 Па. Это соответствует скорости воздуха в пневмосепарирующем канале, равной 7,5 м/с. Форма характеристики полного давления P_Vкл в зависимости от расхода Q имеет монотонно убывающий характер. Максимальное полное давление P_Vmax, которое достигается при Q = 0, составляет 105 Па. Центробежный вентилятор циклона, который используется вместе с пылеуловителем, имеет внешний диаметр колеса 0,21 м и 32 загнутые вперед цилиндрические лопатки. При частоте вращения колеса 3000 оборотов в минуту и работе на всасывающей и нагнетательной ветвях сети, вентилятор развивает расход воздуха Q_Ц, равный 0,23 м³/с при полном давлении P_VЦ, равном 130 Па. Наибольшее полное давление P_VЦ, которое достигается при Q = 0, составляет 980 Па.

Характеристика полного давления P_VЦ в зависимости от расхода Q является крутопадающей и не имеет перегибов. Аэродинамическая характеристика всей установки, включающей ротационный пылеуловитель и вентилятор циклона, получена путём суммирования полных давлений P_Vкл и P_VЦ. Крутопадающий характер этой аэродинамической характеристики обеспечивает стабильную подачу воздуха в пневмосепарирующий канал и циклон при изменении сопротивления пневмосистемы, вызванного колебаниями подачи материала и износом тканевого фильтра в процессе работы. В результате испытаний опытного образца клеверотёрки-сепаратора КС-1,0, проведённых в закрытом помещении при вытирании семян клевера сорта Дымковский, была определена эффективность работы всех пылеулавливающих устройств при различных подачах материала. Ниже приведена табл. 1 с результатами испытаний.

 

Таблица 1. Эффект пылеулавливания, %

Table 1. The dust collecting efficiency, %

Пылеулавливающее устройство	Подача, q, т/ч
	0,9	1,1	1,3
Ротационный поперечно-поточный пылеуловитель, ЭР	66,7	64,6	65,7
Циклон, ЭЦ	29,6	32,7	31,3
Тканевый фильтр, ЭТФ	3,7	2,7	3,0

 

Ротационный поперечно-поточный пылеуловитель является эффективным средством для удаления примесей из воздуха. Он обладает высокой эффективностью улавливания и способен удалять до 64,6–66,7% примесей из пневмосепарирующего канала лёгких примесей. Кроме того, циклон и тканевый фильтр также играют важную роль в процессе очистки воздуха, улавливая 29,6–32,7% и 2,7–3,7% примесей соответственно. Однако основная часть тяжёлых частиц, таких как невытёртые бобики, щуплые семена и мякина, осаждаются в осадочной камере. Это позволяет снизить количество примесей, попадающих в циклон и тканевый фильтр. Важным фактором, влияющим на пропускную способность пыли и примесей, является скорость воздуха в проточной части пылеуловителя. Она регулируется с помощью дроссельной заслонки 10, чтобы обеспечить допустимые потери семян в отходы, составляющие 1,5%. Также была измерена концентрация запылённости воздуха, выходящего из ротационного поперечно-поточного пылеуловителя и циклона, составляющая соответственно 112–185 г/м³ и 9–15 г/м³. Эти показатели свидетельствуют о высокой эффективности работы пылеуловителя и циклона в удалении примесей из воздуха. Тем не менее, стоит отметить, что в зоне обслуживания машины концентрация запыленности воздуха близка к нормативному показателю, который составляет 6 мг/м³ [12, 14, 15, 16, 17]. Фактическая концентрация запылённости равна 6,8 мг/м³.

ОБСУЖДЕНИЕ

Таким образом, при автономной работе клеверотёрки-сепаратора в закрытых помещениях обеспечиваются нормальные условия работы обслуживающему персоналу, а при удалении отработанного воздуха из циклона наружу (тканевый фильтр снят) соблюдается экологическая безопасность окружающей среды. При установке клеверотёрки-сепаратора в технологическую линию, снабжённую централизованной воздушной системой, необходимость в циклоне и тканевом фильтре отпадает. Для этого необходимо учитывать концентрацию запылённости отработанного воздуха. При расчётах концентрацию запылённости воздуха целесообразно принять на уровне 200 г/м³, а подачу отработанного воздуха — 0,25 м³/с

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Клеверотёрка-сепаратор КС-1,0, содержащая последовательно установленные ротационный поперечно-поточный пылеуловитель, циклон и тканевый фильтр, обеспечивает качественную очистку отработанного воздуха и может быть использована при работе в закрытых помещениях. При удалении отработанного воздуха за пределы помещения экологическая безопасность достигается без тканевого фильтра (концентрация запылённости воздуха не превышает 15 г/м³). При удалении отработанного воздуха из ротационного поперечно-поточного пылеуловителя в централизованную воздушную систему расчётную концентрацию запыленности целесообразно принимать на уровне 200 г/м³, а подачу — 0,25 м³/с.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. М.В. Симонов ― поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи; А.И. Бурков ― редактирование текста рукописи; В.Ю. Мокиев ― редактирование текста рукописи, создание изображений. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Раскрытие интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источники финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contributions. M.V. Simonov ― search for publications, writing the text of the manuscript; A.I. Burkov ― editing the text of the manuscript; V.Yu. Mokiev ― editing the text of the manuscript, creating images. Authors confirm the compliance of their authorship with the ICMJE international criteria. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Disclosure of interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding sources. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Maksim V. Simonov

Vyatka State University

Email: simaksim@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3805-9246
SPIN-code: 1216-7568
Scopus Author ID: 57209273813
ResearcherId: F-7895-2018

Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor, Professor of the Mechanical Engineering Technology Department

Russian Federation, Kirov

Alexander I. Burkov

Federal Agricultural Research Center of the North-East named after N.V. Rudnitsky

Email: burkov.46@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5287-1532
SPIN-code: 6469-1959

Dr. Sci. (Engineering), Professor, Senior Researcher of the Laboratory of Grain and Seed Cleaning Machines

Russian Federation, 166A Lenin st, Kirov, 610007

Valentin Yu. Mokiev

Federal Agricultural Research Center of the North-East named after N.V. Rudnitsky

Author for correspondence.
Email: dizel154@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-3368-1151
SPIN-code: 2330-1404

Cand. Sci. (Engineering), Researcher of the Laboratory of Grain and Seed Cleaning Machines

Russian Federation, 166A Lenin st, Kirov, 610007

References

Supplementary files