Чисельне моделювання машини для відокремлення і очищення насінин рицини від плодів

Abstract

У сучасних стратегіях ЄС важливе місце займає розвиток біоекономіки, що передбачає поступову заміну нафтохімічної сировини біологічною. Аграрний сектор може зробити суттєвий внесок у цей процес шляхом використання технічних культур на малопродуктивних землях. Однією з перспективних культур є рицина (Ricinus communis L.), яку доцільно вирощувати для виробництва технічної олії. Однак її збирання та переробка ускладнені нерівномірним дозріванням плодів та відсутністю спеціалізованих машин. У роботі запропоновано нову конструкцію машини для очищення насіння рицини, яка поєднує механічне руйнування плодів із подальшим аеродинамічним очищенням. Запропонована машина поєднує дробильний та зворотний конуси з гумовими футеровками для руйнування оболонок плодів без пошкодження насіння, а також систему аеродинамічного очищення для видалення легких домішок. За допомогою чисельного моделювання у середовищі Simcenter Star-CCM+ з використанням DEM та CFD методів проведено аналіз взаємодії плодів із робочими органами машини та процесів сепарації. Побудовано рівняння регресії для визначення продуктивності відокремлення насіння, частки нерозлущених плодів та вмісту ліквідного насіння у забірнику залежно від технологічних параметрів. Оптимальні значення: відстань між дробильним і зворотним конусами – 8,6 мм; частота обертання дробильного конуса – 291 об/хв; діаметр отвору подачі – 98 мм; кут нахилу осі конуса – 3,6°; швидкість повітряного потоку – 6 м/с; кут нахилу решета – 20,3°. Запропонована машина забезпечує якісне очищення насіння рицини при мінімальних пошкодженнях, підвищує продуктивність і дозволяє знизити залежність від ручної праці, що є актуальним для промислової переробки цієї культури. In current EU strategies, the development of the bioeconomy plays an important role, aiming at the gradual replacement of petrochemical raw materials with biological resources. The agricultural sector can make a significant contribution to this process through the cultivation of industrial crops on marginal lands. One of the most promising crops is castor bean (Ricinus communis L.), which is widely used for the production of industrial oil. However, its harvesting and processing are complicated by the uneven ripening of fruits and the lack of specialized machinery. This study proposes a novel machine design for castor seed cleaning that combines the mechanical destruction of fruits with subsequent aerodynamic separation. The developed machine incorporates crushing and reverse cones equipped with rubber linings to break fruit shells without damaging the seeds, as well as an aerodynamic cleaning system for removing lightweight impurities. Numerical simulations were performed in the Simcenter Star-CCM+ environment using the Discrete Element Method (DEM) and Computational Fluid Dynamics (CFD) to analyze the interaction between castor fruits and the machine working elements, as well as the separation processes. Regression equations were developed to determine seed separation capacity, the proportion of unthreshed fruits, and the content of marketable seeds in the collection hopper as functions of technological parameters. The optimal operating parameters were determined as follows: distance between the crushing and reverse cones – 8.6 mm; crushing cone rotational speed – 291 rpm; feed opening diameter – 98 mm; cone axis inclination angle – 3.6°; airflow velocity – 6 m/s; and sieve inclination angle – 20.3°. The proposed machine ensures efficient cleaning of castor seeds with minimal damage, increases processing productivity, and reduces dependence on manual labor, making it highly suitable for the industrial processing of this crop.