DOI: https://doi.org/10.32515/2414-3820.2025.55.287-297

Justification of the Structural Scheme of a Pneumatic Grain Separator

Yevhenii Koban, Oleksii Vasylkovskyi, Оlexandr Nesterenko

About the Authors

Yevhenii Koban, postgraduate student of the Department of Agricultural Mechanical Engineering, Central Ukrainian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0009-0009-2213-4679, e-mail: EvgeniyKoban@gmail.com

Oleksii Vasylkovskyi, Professor, PhD in Technical Sciences (Candidate of Technical Sciences), Central Ukrainian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9590-742X, e-mail: olexa74@ukr.net

Taras Lapenko, Associate Professor, PhD of technical sciences (Candidate in Technical Sciences), Associate Professor of Department Agricultural Engineering, Central Ukrainian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6297-8555, e-mail: nov_78@ukr.net

Abstract

The aim of this research is to develop a fundamentally new design scheme for a pneumatic separator of grain materials that will ensure a significant reduction in specific energy consumption of the preliminary grain cleaning process while maintaining high indicators of technological efficiency. The relevance of the work is determined by the necessity to solve a complex of problems in existing aspiration systems: high energy consumption (40–50% of total energy costs), significant non-uniformity in air flow velocity distribution (non-uniformity coefficient up to 25–35%), losses of full-value grain to waste (up to 3–5%), and insufficient adaptability to variable characteristics of grain material. The work presents a systematic analysis of existing designs of air systems for grain cleaning machines according to the principle of air flow creation (suction, pressure, combined), direction of air movement (ascending, horizontal, variable), and design features of aspiration channels (uniform cross-section, confusor, diffusor, variable cross-section). It has been established that the most energy-intensive are classical vertical systems with ascending flow, where air velocity approaches the floating velocity of the main crop grain (8.5–11.0 m/s depending on the crop). Three main directions for reducing energy consumption have been identified: ensuring air recirculation, optimization of geometric parameters, and using the method of indirect separation of light particles by deflecting their trajectory. An original design scheme of a pneumatic separator with a closed aspiration system has been proposed, implementing the principle of thin-layer movement of grain material with acceleration and deflection of light impurities trajectory by cross air flow. Theoretical justification of the acceleration chute parameters has been performed to ensure material movement in a single-grain layer, and mathematical dependencies between initial layer thickness, grain outflow velocity from the hopper, and required velocity at the entrance to the separation zone have been obtained. Research results showed that the most effective method for reducing specific energy consumption is the application of the light impurities deflection method combined with the use of closed aspiration. Reducing the grain flow thickness to a single layer allows minimizing resistance and pressure losses in the aspiration system. It has been established that accelerating grain material to a velocity of 2 m/s ensures the formation of a single-layer flow with specific productivity of 3.5 kg/(m·s), which corresponds to the indicators of general-purpose grain cleaning machines such as OVS-25. The proposed separator design combines structural simplicity, manufacturing efficiency, and the potential for significant reduction in energy consumption of the pneumatic separation process for grain materials.

Keywords

grain, air purification, aspiration, separator, separation efficiency, energy efficiency

Full Text:

PDF

References

1. Kotov, B. I., Stepanenko, S. P., & Pastushenko, M. H. (2003). Tendentsii rozvytku konstruktsii mashyn ta obladnannia dlia ochyshchennia i sortuvannia zerno materialiv. Konstruiuvannia, vyrobnytstvo ta ekspluatatsiia silskohospodarskykh mashyn: zahalnoderzh. mizhvidom. nauk.-tekhn. zb, 33, 53–59. [in Ukrainian].

2. Kotov, B. I., & Stepanenko, S. P. (2023). Osnovy teorii ta tekhnolohii povitrianoi separatsii zernovykh materialiv . Kyiv: TsP Komprynt [in Ukrainian].

3. Adamchuk, V., Bulgakov, V., Ivanovs, S., Holovach, I., & Ihnatiev, Y. (2021). Theoretical study of pneumatic separation of grain mixtures in vortex flow. Engineering for Rural Development, 20, 657–664. [in English].

4. Vasylkovskyi, O.M., & Vasylkovska, K.V. (2010). Ekonomichni aspekty vykorystannia zernoochysnykh mashyn v Ukraini. Mekhanizatsiia ta elektryfikatsiia silskoho hospodarstva : Mizhvidomchyi tematychnyi naukovyi zbirnyk. Hlevakha: Natsionalnyi naukovyi tsentr «IMESH», 94, 220–224 [in Ukrainian].

5. Bredykhin, V. V. (2024). Scientific foundations of the processes of vibropneumatic separation of seed materials by seed density . Extended abstract of doctor’s thesis. Kropyvnytskyi [in Ukrainian].

6. Stepanenko, S. P. (2008). Increasing the efficiency of vibro-pneumatic grain separators. Extended abstract of candidat’e thesis. Hlevakha [in Ukrainian].

7. Vasylkovskyi, M. I., Honcharova, S. Ya., & Leshchenko, S. M. (2007). Obgruntuvannia parametriv separatsii zerna v pokhylomu povitrianomu pototsi. Konstruiuvannia, vyrobnytstvo ta ekspluatatsiia silskohospodarskykh mashyn: zahalnoderzh. mizhvidom. nauk.-tekhn. zb., 37. 132–137 [in Ukrainian].

8. Nesterenko, O. V., Leshchenko, S. M., & Petrenko, D. I. (2015). Doslidzhennia yakisnykh pokaznykiv pnevmoseparatsii pry bahatorivnevomu vvedenni zerna. Silskohospodarski mashyny : zb. nauk. st. Lutsk : LNTU. 32. 143–151. [in Ukrainian].

9. Petrenko, D.I. (2011). Obgruntuvannia parametriv vidtsentrovopnevmatychnoho separatora zerna: dys. ... kand. tekhn. nauk: 05.05.11. Kirovohrad [in Ukrainian].

10. Bakum, M. V., Krekot, M. M., & Abduiev, M. M. (2016). Rezultaty doslidzhen vplyvu rehuliuvalnykh parametriv na efektyvnist rozdilennia nasinnievoi sumishi redysky pnevmatychnym separatorom z nakhylenym kanalom. Visnyk Sumskoho natsionalnoho ahrarnoho universytetu. Ser. Mekhanizatsiia ta avtomatyzatsiia vyrobnychykh protsesiv, 10 (2), 67–71. [in Ukrainian].

11. Yaschuk, A., Kirchuk, R., & Dudarev, I. (2013) Research of the process of aeration of a layer of bulk material. INMATEH - Agricultural Engineering, 40 (2), 73–78. [in English].

12. Nesterenko O. V., Leshchenko S. M., Vasylkovskyi O. M., Petrenko D. I. (2017) Analytical assessment of the pneumatic separation quality in the process of grain multilayer feeding. INMATEH. Agricultural Engineering. Romania, 53 (3), 65–70. [in English].

13. Melnyk, V. A., Popadiuk, I. S., Volyk, D. A., Stepanenko, S. P. (2024). Doslidzhennia rozvytku tekhnolohii ta tekhnichnykh zasobiv dlia pnevmovidtsentrovoho rozdilennia zernovykh materialiv. Pratsi Tavriiskoho derzhavnoho ahrotekhnolohichnoho universytetu imeni Dmytra Motornoho, 24(1). 75–88. [in Ukrainian].

14. Kharchenko, S., Borshch, Y., Kovalyshyn, S., Piven, M., Abduev, M., Miernik, A., Popardowski, E., & Kiełbasa, P. (2021). Modeling of Aerodynamic Separation of Preliminarily Stratified Grain Mixture in Vertical Pneumatic Separation Duct. Applied Sciences, 11(10), 4383 [in English].

15. Stepanenko, S. P. (2006). Vplyv parametriv pasyvnykh rozpushuvachiv na efektyvnist vibropnevmatychnoi separatsii zerna. Pratsi Tavriiskoi derzhavnoi ahrotekhnichnoi akademii, 41, 153–160 [in Ukrainian].

16. Vasylkovskyi, M. I., Vasylkovskyi, O. M., & Leshchenko, S. M. (2007). Obhruntuvannia osnovnykh parametriv zamknenoi dvokhstupenevoi pnevmoseparuiuchoi systemy ZOM. Visnyk Kharkivskoho natsionalnoho tekhnichnoho universytetu im. P. Vasylenka. 59. 177–86. [in Ukrainian].

17. Kotov, B. I., Stepanenko, S. P., & Shvydia, V. O. (2016). Tekhnolohichni aspekty separatsii zerna u vertykalnomu kanali. Konstruiuvannia, vyrobnytstvo ta ekspluatatsiia silskohospodarskykh mashyn: zahalnoderzh. mizhvidom. nauk.-tekhn. zb., 46, 154–159 [in Ukrainian].

18. Kotov, B. I., Spirin, A. V., Tverdokhlib, I. V., Stepanenko, S. P., & Shvydia, V. O. (2017). Do pytannia pnevmohravitatsiinoi separatsii zernovykh materialiv. Tekhnika, enerhetyka, transport APK, 4, 51–55. [in Ukrainian].

19. Shvydia, V. O. (2012). Increasing the efficiency of the pneumatic centrifugal separator and substantiating the parameters of the working elements. Extended abstract of candidat’e thesis . Hlevakha. 20 s. [in Ukrainian].

20. Vasylkovskyi, O. M., Honcharov, V. V., Petrenko, D. I., Leshchenko, S. M. (2010). Matematychna model roboty vidtsentrovo-pnevmatychnoho separatora zerna. Pratsi Tavriiskoho derzhavnoho ahrotekhnolohichnoho universytetu. 10. 94–104. [in Ukrainian].

21. Vasylkovskyi, O.M. (2001). Design development and justification of parameters of a centrifugal sieve grain separator. Extended abstract of candidat’e thesis . Kirovohrad [in Ukrainian].

Citations

1. Котов Б. І., Степаненко С. П., Пастушенко М. Г. Тенденції розвитку конструкцій машин та обладнання для очищення і сортування зерно матеріалів. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин: загальнодерж. міжвідом. наук.-техн. зб. Кіровоград. 2003. Вип. 33. С.53–59.

2. Котов Б. І., Степаненко С. П. Основи теорії та технології повітряної сепарації зернових матеріалів: Монографія. Київ: ЦП Компринт, 2023. 427 с.

3. Adamchuk V., Bulgakov V., Ivanovs S., Holovach I., Ihnatiev Y. Theoretical study of pneumatic separation of grain mixtures in vortex flow. Engineering for Rural Development. 2021. Vol. 20. P. 657–664.

4. Васильковський О.М., Васильковська К.В. Економічні аспекти використання зерноочисних машин в Україні. Механізація та електрифікація сільського господарства : Міжвідомчий тематичний науковий збірник, 2010. Вип. 94. С. 220–224.

5. Бредихін В. В. Наукові основи процесів вібропневматичного розділення насіннєвих матеріалів за густиною насіння : автореф. дис. … докт. техн. наук: 05.05.11. Кропивницький, 2024. 48 с.

6. Степаненко С. П. Підвищення ефективності вібропневматичних сепараторів зерна : автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.05.11. Глеваха, 2008. 21 с.

7. Васильковський, М. І., Гончарова, С. Я., Лещенко, С. М. Обґрунтування параметрів сепарації зерна в похилому повітряному потоці. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин: загальнодерж. міжвідом. наук.-техн. зб. 2007. Вип. 37. С. 132–137.

8. Нестеренко, О. В. Лещенко С. М., Петренко Д. І. Дослідження якісних показників пневмосепарації при багаторівневому введенні зерна. Сільськогосподарські машини : зб. наук. ст. 2015. Вип. 32. С. 143–151.

9. Петренко Д.І. Обґрунтування параметрів відцентровопневматичного сепаратора зерна: дис. ... канд., техн. наук: 05.05.11. Кіровоград, 2011. 157 с.

10. Бакум М. В., Крекот М. М., Абдуєв М. М. Результати досліджень впливу регулювальних параметрів на ефективність розділення насіннєвої суміші редиски пневматичним сепаратором з нахиленим каналом. Вісник Сумського національного аграрного університету. Сер. Механізація та автоматизація виробничих процесів. 2016. 10 (2). С. 67–71.

11. Yaschuk, A., Kirchuk, R., Dudarev, I. Research of the process of aeration of a layer of bulk material. INMATEH - Agricultural Engineering. 2013. 40 (2). P. 73–78.

12. Nesterenko O. V., Leshchenko S. M., Vasylkovskyi O. M., Petrenko D. I. Analytical assessment of the pneumatic separation quality in the process of grain multilayer feeding. INMATEH. Agricultural Engineering. Romania. 2017. 53 (3). P. 65–70.

13. Мельник, В. А., Попадюк, І. С., Волик, Д. А., Степаненко, С. П. Дослідження розвитку технологій та технічних засобів для пневмовідцентрового розділення зернових матеріалів. Праці Таврійського державного агротехнологічного університету імені Дмитра Моторного. 2024. 24(1). С. 75–88.

14. Kharchenko S., Borshch Y., Kovalyshyn S., Piven M., Abduev M., Miernik A., Popardowski E., Kiełbasa P. Modeling of Aerodynamic Separation of Preliminarily Stratified Grain Mixture in Vertical Pneumatic Separation Duct. Applied Sciences. 2021. Vol. 11(10). P. 4383.

15. Степаненко С. П. Вплив параметрів пасивних розпушувачів на ефективність вібропневматичної сепарації зерна. Праці Таврійської державної агротехнічної академії. 2006. Вип.41. С. 153–160.

16. Васильковський М. І., Васильковський О. М., Лещенко С. М. Обґрунтування основних параметрів замкненої двохступеневої пневмосепаруючої системи ЗОМ. Вісник Харківського національного технічного університету ім. П. Василенка. 2007. Вип. 59. С. 177–186.

17. Котов Б. І., Степаненко, С. П., Швидя, В. О. Технологічні аспекти сепарації зерна у вертикальному каналі. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин: загальнодерж. міжвідом. наук.-техн. зб. 2016. Вип. 46. С. 154–159.

18. Котов Б. І., Спірін, А. В., Твердохліб, І. В., Степаненко, С. П., Швидя, В. О. До питання пневмогравітаційної сепарації зернових матеріалів. Техніка, енергетика, транспорт АПК. № 4. 2017. С. 51–55.

19. Швидя В. О. Підвищення ефективності пневмовідцентрового сепаратора та обґрунтування параметрів робочих органів: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Глеваха, 2012. 20 с.

20. Васильковський, О. М., Гончаров, В. В., Петренко, Д. І., Лещенко, С. М. (2010). Математична модель роботи відцентрово-пневматичного сепаратора зерна. Праці Таврійського державного агротехнологічного університету. Вип. 10. С. 94–104.

21. Васильковський О.М. Розробка конструкції та обґрунтування параметрів відцентрового решітного сепаратора зерна: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.05.11 «Машини та засоби механізації сільськогосподарського виробництва». Кіровоград, 2001. 18 с.

Copyright (c) 2025 Yevhenii Koban, Oleksii Vasylkovskyi, Оlexandr Nesterenko