Очистка и сортирование зерна основаны на различии размеров, аэродинамических свойств, плотности, формы, состояния поверхности, электропроводности, цвета и других физических свойств компонентов зернового вороха. С учетом большого разнообразия свойств существует много способов очистки.
Разделение семян по размерам. Любое семя имеет форму эллипсоида, геометрические параметры которого определяются тремя размерами: толщиной 5 (рис. IX. 1, а), шириной b и длиной /. Если размеры зерна существенно отличаются от размеров частиц примесей, то разделение по этому признаку возможно.
По толщине и ширине зерна разделяют на плоских (рис. 9.1, б, в) или цилиндрических (рис. 9.1, г, д, е) решетах с отверстиями одинакового размера (продолговатыми или круглыми).
Рис. 9.1. Схемы разделения семян:
а - основные размеры семян; б, в - на плоских решетах; г, д, е - на цилиндрических решетах; 1, 2, 3 - семя проходит сквозь отверстия; 4 - семя не проходит сквозь отверстия; 5, 6 - плоские решета; 7 - цилиндрические решета
Плоское решето помещают в решетный стан, который подвешивают к раме горизонтально или наклонно на пружинных или шарнирных подвесках и приводят в колебательное движение от эксцентрика, кривошипа или коленчатого вала. Горизонтальное и наклонное цилиндрические решета устанавливают на подшипниках и приводят во вращательное движение, а вертикальное - во вращательное и колебательное.
Зерновой ворох подают на начало решета тонким слоем. Частицы начинают двигаться по его поверхности и много раз перемещаются над отверстиями. Если размеры зерен или частиц примесей меньше размеров отверстий, то они проходят сквозь отверстия и образуют массу, называемую проход Пр, а если их размеры больше, то они сходят с поверхности решета и образуют сход Сх. Зерна, размер которых близок к размеру отверстия, могут застревать в них и нарушать разделение. Чтобы исключить такие случаи, решета снабжают щеточным или шариковым очистителем. Воздействуя на нижнюю поверхность решета, щетки выталкивают, а эластичные шарики ударами выбивают застрявшие семена.
Качество очистки зерна на плоских решетах зависит от угла их наклона, частоты и амплитуды колебаний, а на цилиндрических - от частоты вращения и угла наклона. При больших значениях этих параметров зерновая смесь движется по решету быстро, часть зерна не успевает пройти сквозь отверстия, из-за чего качество разделения снижается.
По толщине семена делят на решетах с продолговатыми отверстиями. Сквозь продолговатое отверстие (см. рис. 9.1, 6) может пройти только такое зерно, толщина 5 которого меньше ширины отверстия. Длина зерна не имеет значения, она всегда меньше длины продолговатого отверстия. Так как ширина зерна всегда больше толщины, то зерно, которое не проходит сквозь продолговатое отверстие по толщине, тем более не пройдет по ширине. Размеры отверстий указаны на полях решета.
По ширине семена делят на решетах с круглыми отверстиями. Сквозь круглое отверстие (см. рис. 9.1, в) зерно может пройти только в том случае, если его ширина b меньше диаметра отверстия. Длина и толщина зерна не препятствуют его проходу сквозь круглое отверстие.
По длине семена делят в дисковых или цилиндрических триерах. Цилиндрический триер - это вращающийся стальной цилиндр 1 (рис. 9.2) с ячейками на внутренней поверхности и желобом 2, установленным внутри цилиндра по всей его длине. В желобе вращается шнек 3. Зерновой ворох подают на внутреннюю поверхность цилиндра. Частицы начинают скользить по поверхности цилиндра и взаимодействуют с ячейками. Мелкие и короткие семена полностью погружаются в ячейки, длинные - частично. При повороте цилиндра на небольшой угол (менее 90°) из ячеек выпадают длинные зерна, а при дальнейшем повороте цилиндра - короткие зерна, которые падают в желоб 2.
Рис. 1Х.2. Схема технологического процесса цилиндрического триера:
а, б - выделение соответственно коротких и длинных примесей; 1 - цилиндр с ячейками; 2 - желоб; 3 - шнек
Итак, принцип разделения зерен по длине заключается в том, что длинные зерна при повороте цилиндра выпадают из ячеек раньше, чем короткие.
Для одновременного выделения из зернового вороха длинных и коротких примесей применяют два цилиндра. Триер для выделения коротких примесей (кукольный) снабжен мелкими ячейками (рис. 9.2, а), для выделения длинных примесей (овсюжный) - крупными (рис. 9.2, б). В ячейки овсюжного триера западают семена основной культуры, в ячейки кукольного - короткие примеси.
При вращении кукольного цилиндра мелкие примеси поднимаются выше края неподвижного желоба 2 и выпадают из ячеек в желоб, из которого удаляются шнеком 3. Семена основной культуры перемещаются по дну цилиндра к выходу. Овсюжный цилиндр забрасывает семена основной культуры в желоб, а длинные примеси сходят по дну цилиндра. Чтобы отрегулировать полноту выделения примесей, поворачивают желоб, устанавливая его верхнюю кромку выше или ниже.
Частота вращения триерного цилиндра должна быть такой, чтобы все зерна выпадали из ячеек. Если частота вращения цилиндра выше критической, то центробежная сила удержит часть семян в ячейках и точность разделения зерна на фракции снизится. Обычно частота вращения триерного цилиндра находится в пределах 35...50 мин-1.
Триерные цилиндры устанавливают в сложных зерноочистительных машинах, зерноочистительных агрегатах и комплексах. Промышленность выпускает триерные цилиндры с ячейками диаметром 6,3; 8,5 и 11,2 мм для сортирования зерновых культур и диаметром 1,8; 2,8 и 3,5 мм для выделения мелких семян.
Разделение семян по аэродинамическим свойствам. Перемещаясь в воздушной среде, любое тело преодолевает сопротивление воздуха, зависящее от его размеров, формы, массы и расположения в воздушном потоке. Чем больше сопротивление воздуха, тем медленнее движется свободно падающее тело. На этом принципе основан процесс выделения примесей и разделения зерна горизонтальным или вертикальным воздушным потоком. Обычно разделяемую смесь вводят в воздушный поток, создаваемый вентилятором, или подбрасывают, заставляя двигаться в воздухе.
На тело, помещенное в вертикальном воздушном потоке (канале), действуют сила тяжести Q и сила сопротивления воздушному потоку R. Если Q > R, то тело падает. При R > Q тело движется вверх. Если Q = R, тело находится во взвешенном состоянии - оно неподвижно относительно стенок канала. Скорость вертикального воздушного потока, при которой тело находится во взвешенном состоянии, называют скоростью витания или критической скоростью vКР данного тела.
Смесь зерна можно разделить воздушным потоком только в том случае, если критические скорости семян и примесей различны. Значение vKp можно определять по формуле
где g -ускорение свободного падения; Кп - коэффициент парусности.
Так как КП зависит от нескольких изменяющихся факторов, то значение VKР обычно определяют на парусном классификаторе или в аэродинамической трубе. Критическая скорость семян зерновых культур 8...17 м/с (пшеницы 8...11,5 м/с, овса 8,1...9,1 м/с, гороха 15,5...16,5м/с).
Критическая скорость и коэффициент парусности одного и того же тела неправильной формы - непостоянные величины, так как зависят от площади поверхности тела, на которую действует поток воздуха. Площадь же поверхности тела зависит от его расположения относительно направления воздушного потока. Например, площадь поверхности зерна пшеницы будет наименьшей, если его продольная ось совпадает с направлением потока воздуха, и наибольшей, если продольная ось зерна перпендикулярна направлению потока.
Тела разделяют по аэродинамическим свойствам с помощью пневмосепараторов или аспирационных систем, встроенных в зерноочистительные машины. Пневмосепараторы применяют для предварительной очистки зерна, поступающего от комбайна. Воздушным потоком выделяют из зерна кусочки соломы, полову, пыль и семена некоторых сорных растений. Пневмосепараторы используют также для очистки плодов машинного сбора от примесей. Существует большое разнообразие схем и конструкций пневмосепараторов. По принципу действия их можно разделить на три типа: пневмогравитационные, пневмоимпульсные и пневмоцент-робежные.
Пневмогравитационные сепараторы с наклонным (рис. 9.3, а) или вертикальным (рис. 9,3, б, в) воздушным потоком состоят из вентилятора, воздушного канала, загрузочного устройства, осадочной камеры и приемника для сбора зерна. В этих сепараторах зерновой ворох подается в воздушный канал самотеком (см. рис. 9.3, а, в) или перемещается поперек канала колеблющимся решетом 10(см. рис. 9.3, б). Под воздействием воздушного потока расщепляются траектории движения частиц зерновой смеси: тяжелое зерно сохраняет первоначальное направление движения и сходит в приемники 5 и 9, а легкие примеси отклоняются от направления ввода и уносятся воздушным потоком.
Рис. 9.З. Схемы пневмосепараторов:
а, б, в - пневмогравитационные; г, д - пневмоимпульсные; е,ж - пневмоцентробежные; 1 - кожух; 2 - лопасть; 3, 12 - бункера; 4, 5, 9, 27 - приемники; 6 - крылач; 7, 19, 20, 28, 30 - вентиляторы; 8, 17 - воздушные каналы; 10, 14 – решета; 11, 13, 21 – осадочные камеры; 15, 24 - метатели; 16, 22, 26, 33 – делительные камеры,18, 23, 36 - шнеки; 31 - ротор-распределитель; 32 - корпус камеры разгона; 25 - винтовой желоб; 29, 34 - горловины; 35 - лопасть
В пневмогравитационных сепараторах, как отмечалось ранее, на частицу вороха действуют две силы: сила тяжести Q и аэродинамическая сила R. Направление аэродинамической силы может меняться в зависимости от направления движения воздушного потока. В таких сепараторах скорость ввода материала в камеру сепарации не превышает 1...2 м/с. Поэтому скорость воздушного потока vB должна быть меньше критической скорости зерна vKp, т. е. А, = vB/vKp < 1. В зависимости от обрабатываемой культуры скорость воздушного потока в канале изменяют, регулируя частоту вращения вентилятора, также перекрывая заслонкой канал или окна вентилятора.
В пневмоимпульсных сепараторах (рис. 9.3, г, д) ворох выбрасывается в камеру сепарации ленточными 15, 24 или роторным метателем. На частицу вороха также действуют сила тяжести и аэродинамическая сила. Скорость ввода материала в камеру сепарации может быть сколь угодно большая, а следовательно, частица будет иметь запас кинетической энергии для преодоления сопротивления воздуха. В таких сепараторах значение А. может быть больше 1. Увеличивая скорость воздуха и скорость вбрасывания, можно интенсифицировать рабочий процесс. Однако при этом возрастают размеры камеры сепарации.
В пневмоцентробежных сепараторах (рис. 9.3, е, ж) ворох раскручивается в камере разгона и подается в делительную камеру 26 или 33. Воздушный поток, всасываемый вентиляторами 28 и 30, взаимодействует с частицами, совершающими вращательное движение по поверхности делительной камеры. Воздух уносит легкие примеси к вентилятору и далее в осадочную камеру, а зерно сходит к горловине 29 или 34 и поступает в бункер. В пневмосепараторе (см. рис. 9.3, е) ворох раскручивается винтовыми желобами, а поток воздуха направлен вниз к горловине воздухопровода - приемника 27. В пневмосепараторе (см. рис. 9.3, ж) ворох раскручивает лопастной ротор-распределитель 31, а поток воздуха направлен вверх.
В том и другом варианте воздух обдувает рабочую перфорированную поверхность с кольцевыми каналами для его прохода. В данных сепараторах на частицы вороха действуют сила тяжести, аэродинамическая и центробежная силы. Придавая частицам вороха вращательное движение с любой угловой скоростью, можно увеличивать скорость воздушного потока до значений, при которых А, будет значительно больше 1. Камера сепарации имеет кольцеобразную форму. Поэтому габаритные размеры пневмоцентробежных сепараторов могут быть значительно меньше, чем пневмоимпульсных при одинаковой их пропускной способности.
Разделение семян по плотности в жидкостных сепараторах или на пневматических сортировальных столах обеспечивает выделение из зернового вороха наиболее жизнеспособных семян (сортирование по плотности) или очистку зерна от трудноотделимых примесей (например, дикой редьки от семян ячменя, гречихи и Др.). В жидкостных сепараторах используют жидкость заданной плотности, в которой тяжелые семена тонут, а легкие всплывают. На пневматических столах на слой зерна воздействуют одновременно колебаниями и воздушным потоком. При этом слой зерна на столах «псевдоожижается», т. е. приобретает свойства жидкости: тяжелые частицы опускаются, а легкие всплывают.
Разделение семян по состоянию поверхности и форме. Семена разных культур имеют различные поверхность (гладкую, шероховатую, пористую, бугристую, покрыты пленками, пушком) и форму (длинные, шарообразные, трехгранные). Коэффициент трения при движении таких семян по наклонной поверхности также различен. С учетом этого для разделения семян созданы устройства, имеющие наклонные фрикционные поверхности: горки, винтовые сепараторы, фрикционные триеры.
Обычно в качестве фрикционной поверхности применяют наклонное шероховатое полотно, движущееся равномерно вверх. Если на это полотно подавать зерновую смесь, частицы с малым коэффициентом трения, слабо сцепляющиеся с полотном, скатятся вниз. Частицы, сильнее сцепляющиеся с полотном, уносятся вверх. Таким способом можно выделить овсюг из овса, отделить клубочки семян сахарной свеклы от клубочков со стебельками, очистить семена льна и клевера.
Используют также способность шероховатых семян удерживать порошок тонкого помола. Для этого семена смешивают с порошком, содержащим железо, и пропускают смесь через электромагнитную очистительную машину, магнитный барабан которой притягивает порошок и вместе с ним шероховатые семена.
Длинные и круглые семена можно отделить одни от других, используя устройство с винтовой поверхностью (змейка). Семена высыпают небольшой равномерной струей на верхнюю часть винтовой поверхности. Длинные зерна (например, овес) из-за значительного сопротивления скользят по винтовой поверхности и сходят с нижнего витка в лоток. Круглые зерна (вика, куколь) движутся быстрее, скатываются к наружному краю винтовой поверхности и падают за ее пределы. Семена сорняков трехгранной формы выделяют на решете с треугольными отверстиями.
Разделение семян по упругости происходит на отражательных столах, на которые сбрасывают семена. После удара семена с различными упругими свойствами по-разному отражаются от поверхности стола и движутся по разным траекториям.
Разделение семян по цвету происходит на установках, снабженных фотоэлементами. Семена движутся мимо фотоэлементов дискретным потоком. Светлые зерна возбуждают в фотоэлементе электрический ток, вырабатывается сигнал и открывается клапан на пути этих семян в бункер. Темные семена клапан направляет в другой канал.
По электропроводности, диэлектрической проницаемости и другим электрическим свойствам семена разделяют в электрическом поле. При этом могут быть использованы электрический, коронный и диэлектрический методы разделения.
Типы зерноочистительных машин. Для очистки и сортирования зерна применяют безрешетные, воздушно-решетные, комбинированные и специальные машины, которые, в свою очередь, бывают стационарные и передвижные. Первые используют в поточных: линиях агрегатов и комплексов, вторые -на открытых токах и складах.