В составе зерноочистительно-сушильных комплексов хозяйств Северо-Востока европейской части России применяются виброцентробежные сепараторы Р8-БЦС-50(25), МЗП-50(25), удельная производительность цилиндрических решет которых в 2–5 раз выше по сравнению с широко используемыми плоскими решетами [8].
Однако данные серийные машины оборудованы пневмосистемами, кольцевой аспирационный канал в которых образован дисковым питателем и корпусом. Зерновой материал в аспирационном канале обрабатывается с повышенной скоростью воздушного потока, но непродолжительное время, так как имеет небольшую длину, в результате чего не все легкие примеси успевают выделяться из очищаемого материала [1].
Исследованиями центробежных сепараторов, преимущественно решетной частью, занимались в Московском государственном университете пищевых производств [3, 7, 12]. Помимо решетной части, изучалось перемещение частицы вдоль лопаток распределительного диска.
Между тем, для определения оптимальных параметров пневмосистемы с кольцевым аспирационным каналом представляет закономерный интерес характер перемещения частицы после схода с распределителя.
Для повышения эффективности очистки зерна и семян виброцентробежными сепараторами разработана пневмосистема с вертикальным кольцевым аспирационным каналом, устройство ввода материала в пневмосепарирующий канал которой выполнено в виде вращающегося дискового распределителя [5].
Результаты исследований и их обсуждение
Частица после схода с дискового распределителя поступает в вертикальный кольцевой аспирационный канал, где на нее действует сила 
тяжести и сила 
сопротивления воздуха (рис. 1).
Сила 
тяжести действует вертикально вниз, а сила 
сопротивления воздуха направлена противоположно относительной скорости 
движения частицы, пропорциональна ее квадрату и определяется по формуле [4, 9]
, (1)
где 
– вектор относительной скорости; Vr – ее модуль; 
– скорость частицы; 
– скорость воздушного потока; m – масса частицы; kn – коэффициент парусности.
Дифференциальное уравнение движения частицы в векторной форме запишется в виде
. (2)
В проекциях на декартовы оси координат 
, 
и 
получим:
(3)
Учитывая выражение (1) для силы 
, запишем ее проекции на оси координат:
(4)
где Vrx, Vry , Vrz – проекции относительной скорости на оси координат 
, 
и 
, определяемые выражениями
(5)
Тогда модуль относительной скорости можно вычислить по формуле
. (6)
Принимая допущение, что поток воздуха от вращения дискового распределителя не оказывает влияния на поток воздуха, создаваемый вентилятором пневмосистемы, имеем
; 
; 
(7)
Тогда уравнения (3) принимают вид
(8)
Рис. 1. Схема движения частицы в вертикальном кольцевом аспирационном канале
Систему уравнений (8) решаем методом Рунге-Кутта [9] с помощью программы, написанной на языке Visual Fortran 5.0.
За нулевую точку отсчета декартовых осей координат принимаем: по осям 
и 
– начало схода частицы с дискового распределителя, по оси 
– точку выхода частицы тяжелой фракции из вертикального кольцевого аспирационного канала.
При расчете траекторий движения частиц с отличающимися аэродинамическими свойствами при различных значениях скоростей VB воздуха в канале, изменяемых частоте nр вращения, длине l и угле a наклона секторов дискового распределителя считаем, что частица покидает зону сепарации при z ≤ 0 и z ≥ Zк (Zк = 0,55 м) или при достижении частицы наружной стенки канала (rк = 0,1 м).
Расстояние ri от внутренней стенки вертикального кольцевого аспирационного канала до частицы определяем по формуле
, (9)
где xi и yi – координаты частицы по осям 
и 
во время ti .
Начальными условиями движения частицы при этом являются
(10)
где Zδ = 0,2 м – координата установки диска распределителя.
Расчеты показывают, что скорость 
схода частиц с дискового распределителя оказывает существенное влияние на траектории их движения в вертикальном кольцевом аспирационном канале.
Рис. 2. Траектории движения частицы в вертикальном кольцевом аспирационном канале в зависимости от конструкционных параметров дискового распределителя: 1 – угол наклона секторов α = 60 °, длина l = 0,150 м; 2 – α = 30 °, l = 0,150 м; 3 – α = 60 °, l = 0,075 м; α = 30 °, l = 0,075 м; 5 – при отсутствии секторов; 
– np = 100 мин-1; 
– np = 150 мин-1; 
– np = 200 мин-1; 
– np = 250 мин-1
Рис. 3. Зависимости координаты ri частицы в вертикальном кольцевом аспирационном канале от времени ti и конструкционных параметров дискового распределителя: 1 – при отсутствии наклонных секторов; 2 – угол наклона секторов α = 30 %, их длина l = 0,075 м; 3 – α = 30 %, l = 0,15 м; 4 – α = 45 %, l = 0,075 м; 5 – α = 45 %, l = 0,150 м; 6 – α = 60 %, l = 0,075 м; 7 – α = 60 %, l = 0,150 м;
– np = 100 мин-1; 
– np = 150 мин-1; 
– np = 200 мин-1; 
– np = 250 мин-1
На рис. 2 приведены траектории движения частиц в кольцевом канале (скорость воздушного потока VB = 7 м/с) при коэффициенте их трения f = 0,3 и скорости витания Vвит = 7 м/с в зависимости от конструкционных параметров дискового распределителя. При увеличении частоты вращения распределителя в изученном интервале np = 100…250 мин-1 координаты zi принимают бóльшие значения в любой момент времени ti из-за увеличения составляющей скорости 
.
Частицы при np = 100–250 мин-1 после перемещения по распределителю без секторов (только горизонтальный участок) имеют примерно одинаковые траектории движения в аспирационном канале, так как без участка торможения их скорости в момент схода с распределителя являются значительными (составляют соответственно значения 
= 2,8–7,4 м/с). Поэтому при глубине канала hк = 0,1 м в момент достижения наружной стенки канала (rк = 0,1 м) различия координат по вертикали (ось 
) составляют Δzк = 0,5–3,7 мм. Скорости частицы при достижения наружной стенки и np = 100–250 мин-1 имеют соответственно значения 
= 2,8…7,3 м/с, 
= 4,1–10,4 м/с, 
= – 0,3– – 0,1 м/с.
При секторах с углом наклона a = 30 ° и различных частотах np вращения распределителя траектории движения частиц также практически не изменяются. При длине сектора l = 0,075 м и np = 100–250 мин-1 (
= 1,8–5,1 м/с) изменения координаты по оси 
составляют Δzк = 1,4…8,9 мм, а скорости частицы у наружной стенки соответственно имеют значения 
= 1,8–5,0 м/с, 
= 4,2–10,4 м/с, 
= 0,6–2,7 м/с. При l = 0,150 м (
= 1,8…5,4 м/с) изменения координаты составляют Δzк = 1,6–10,1 мм, а скорости соответственно – 
= 1,8–5,4 м/с, 
= 4,2–10,4 м/с, 
= 0,6–2,9 м/с.
При угле наклона α = 60 ° секторов частота np вращения оказывает значительное влияние на траектории движения частиц. При длине секторов l = 0,075 м и np = 100–250 мин-1 (
= 0,2–1,4 м/с) изменения координаты по оси 
составляют Δzк = 2,2–54,4 мм, скорости соответственно – 
= 0,2–1,4 м/с, 
= 4,2–10,4 м/с, 
= – 0,3–2,1 м/с. При l = 0,150 м (
= 0–1,7 м/с) изменения координаты по оси 
составляют Δzк = 5,0–90,2 мм), а скорости соответственно – 
= 0–1,6 м/с, 
= 4,2–10,4 м/с, 
= – 0,7–2,6 м/с.
На эффективность выделения примесей из зерновой смеси в вертикальном кольцевом аспирационном канале также значительное влияние оказывает время tк нахождения частицы в зоне сепарации, которое зависит от конструкционных параметров дискового распределителя.
На рис. 3 приведены зависимости координаты ri частицы в вертикальном кольцевом аспирационном канале в зависимости от времени ti и конструкционных параметров дискового распределителя при скорости витания частицы Vвит = 7 м/с, скорости воздушного потока VB = 7 м/с и коэффициенте трения частицы о сталь f = 0,3, которые показывают, что наибольшее время нахождения частицы в зоне сепарации при данных условиях обеспечивается при частоте вращения дискового распределителя np = 100 мин-1, угле наклона секторов α = 60 ° и их длине l = 0,150 м.
При данных физико-механических свойствах частиц и скорости VB воздушного потока наибольшее время tк нахождения их в зоне сепарации обеспечивается при частоте вращения np = 100 мин-1, угле наклона секторов α = 60 ° и их длине l = 0,150 м.
Дальнейшие расчеты показывают, что при уменьшении частоты np вращения дискового распределителя время tк нахождения частицы в зоне сепарации увеличивается. Наилучшие условия сепарирования зерновой смеси в вертикальном кольцевом аспирационном канале обеспечиваются при малых значениях скоростей схода частиц с дискового распределителя, которые зависят от физико-механических свойств частиц зерновой смеси и конструкционно-технологических параметров распределителя зерна. Наличие секторов дискового распределителя длиной l = 0,075 и 0,150 м способствует увеличению времени tк нахождения частицы в зоне сепарации, но длина l оказывает мéньшее влияние на tк по сравнению с частотой np вращения и углом α наклона секторов.
Полученные результаты исследований позволяют приблизиться к оптимальным конструктивным параметрам одного из конструктивных элементов пневмосистемы с вертикальным кольцевым аспирационным каналом – дискового распределителя зерна, следовательно, повысить эффективность работы применяемых в зерноочистительно-сушильных комплексах виброцентробежных сепараторов.
После проведения выше описанных исследований на основе серийного сепаратора МЗП-25 была разработана виброцентробежная машина первично-вторичной очистки семян МЗП-25/10, оснащенная пневмосистемой с вертикальным кольцевым аспирационным каналом и дисковым распределителем зерна с наклонными секторами (рис. 4).
а б
Рис. 4. Общий вид виброцентробежной машины первично-вторичной очистки МЗП-25/10: а – вид спереди слева; б – вид сзади справа
Машина МЗП-25/10 предназначена для очистки, сортирования семян зерновых, крупяных и бобовых культур от легких, крупных, мелких примесей, щуплого зерна и применяется в составе технологических линий для первичной и вторичной очистки зерна и семян. В семенном режиме ее производительность составляет 10 т/ч (очистка пшеницы влажностью до 16 % и содержанием сорной примеси, выделяемой рабочими органами машины, до 3 %), а продовольственном – 25 т/ч (очистка зерна пшеницы влажностью до 16 % и содержанием сорной примеси до 5 %).
Машина МЗП-25/10 имеет корпус, вращающийся внутри него, и совершающий колебания ротор с ситовым барабаном из трех отдельных цилиндрических решет, механизмы очистки решет, загрузочное устройство, вращающийся распределитель зерна, вертикальный кольцевой аспирационный канал, образованный наружной и внутренней стенками. Отвод отработанного воздуха осуществляется из верхней части пневмосистемы.
Разработанная для виброцентробежной машины первично-вторичной очистки семян МЗП-25/10 пневмосистема с кольцевым аспирационным каналом имеет увеличенную зону аспирации в сравнении с серийной и оснащена дисковым распределителем. Параметры последнего оптимизированы после проведенных исследований. Пневмосистема обеспечивает эффективность выделения легких примесей 54,4–70,8 % при очистке озимой ржи сорта Вятка 2 с чистотой исходного материала 95,88–98,23 %, содержанием семян других растений 760–2880 шт./кг, в том числе семян сорняков – 700–2840 шт./кг, при потерях полноценного зерна в отходы 1,91–2,75 % [2].
Заключение
Технологическая линия, в которой в качестве машины первичной очистки функционирует виброцентробежная машина первично-вторичной очистки семян МЗП-25/10, позволяет получать семена 1 и 2 класса чистоты за один пропуск, кроме случаев, когда для выделения трудноотделимых примесей необходимо использовать специальные машины [6, 10, 11].
Разработанная с учетом результатов исследований пневмосистема с вертикальным кольцевым аспирационным каналом успешно применяется в машине первично-вторичной очистки семян МЗП-25/10 в составе зерноочистительно-сушильных комплексов.