DOI: https://doi.org/10.32515/2664-262X.2025.12(43).1.206-216
Analysis of Vibro-Pneumatic Separation Processes of Grain Materials in the Context of Control Objectives
About the Authors
Borys Kotov, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Agricultural Engineering and Systems Engineering, Podilskyi State University, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0001- 6369-3025, e-mail: eetsapk@pdatu.edu.ua.
Valentyn Myronenko, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Agronavigation and Automation of Mobile Processes, Institute of Mechanics and Automation of Agroindustrial Production, National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1227-2471, e-mail: mironenko1952@ukr.net
Serhii Pohorylyi, Deputy Director for Scientific Work, Doctor of Technical Sciences, Senior Researcher, Head of the Department of Mobile Energy, Institute of Mechanics and Automation of Agroindustrial Production, National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9701-2678, e-mail: pogorilyy_sergiy@ukr.net
Volodymyr Hryshchenko, Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of the Department of Automation and Robotic Systems named after Academician I.I. Martynenko, National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7789-3650, e-mail: vlgr@nubip.edu.ua
Yurii Pantsyr, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Dean of the Faculty of Engineering and Technology, Podilskyi State University, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0003- 2969-1936, e-mail: panziryuriy@gmail.com
Abstract
The aim of the study is to determine the influence of kinematic and aerodynamic parameters on the movement of particles in a vibro-pneumatically fluidized layer and along an oscillating supporting surface.
This work addresses the enhancement of separation efficiency of grain materials in vibro-pneumatic separators by employing pulsating airflow and implementing a dual-loop automated control system for regulating separation parameters. It has been established that particle motion and stratification within the grain layer exhibit a probabilistic and statistical nature, which complicates the maintenance of stable and efficient operating modes in conventional screen-air cleaning systems. A regulation approach is proposed, involving coordinated variation of oscillation frequency of the working surface and airflow parameters, which enables intensification of stratification in the grain mass and improves separation accuracy based on aerodynamic properties and specific weight.
The analysis of experimental results demonstrates that the application of pulsating airflow significantly increases the divergence of particle trajectories for lighter and heavier fractions, thereby reducing their recombination prior to entering the pneumatic channel. This approach results in a 40–48% improvement in the efficiency of preliminary grain material separation compared to conventional systems utilizing horizontal, inclined, or vertical pneumatic ducts. Theoretical investigations substantiate the effect of kinematic and aerodynamic regimes on the particle settling velocity, which is a critical parameter for effective stratification. It is shown that increasing the oscillation frequency enhances the transport velocity of the grain layer along the supporting surface, while increased airflow rate has an inverse effect. This mutual interaction underlines the necessity of employing a dual-loop control system to optimize the separation process.
The research findings can be utilized in the design of new or modernization of existing vibro-pneumatic separators, aiming to improve throughput, final product quality, and energy efficiency in grain cleaning operations.
Keywords
mathematical modeling, vibrofluidic layer, algorithm, grain, semi-empirical dependences
Full Text:
PDF
References
1. Salo, V. M., et al. (2014). Development of a new design of a pneumatic-sieve grain cleaning machine. Vol. 1. Substantiation of the parameters of the conveyor-separator: Monograph. Kirovohrad: Lysenko V. F. [in Ukrainian].
2. Kotov, B. I., et al. (2017). Modeling of technological processes in typical objects of post-harvest processing and storage of grain (cleaning, separation, drying, active ventilation, cooling). Nizhyn: Lysenko M. M. Publishing [in Ukrainian].
3. Kotov, B., & Stepanenko, S. (2023). Fundamentals of the theory and technology of air separation of grain materials. Kyiv: CP Komprint [in Ukrainian].
4. Stepanenko, S. P., et al. (2023). Mathematical modeling of the process of grain material movement on the surface of a non-failing sieve of a vibropneumo-impulse separator. Vibrations in Engineering and Technology, 3(110), 22–34. https://doi.org/10.37128/2306-8744-2023-3-3 [in Ukrainian].
5. Kotov, B. I. (2005). Vibropneumatic separation of seed mixtures. Bulletin of Agricultural Science, (5), 55–58 [in Ukrainian].
6. Petrenko, N. N., Marchenko, I. V., & Marchenko, K. N. (2002). On the possibility of using a pulsating air flow for air- sieve cleaning of grain heap. Design, Production and Operation of Agricultural Machines, 117–121 [in Ukrainian].
7. Petrenko, N. N., Marchenko, I. V., & Marchenko, K. N. (2003). Analysis of the grain separation process on a sieve in a pulsating air flow environment. Design, Production and Operation of Agricultural Machines, (33), 141–149 [in Ukrainian].
8. Kotov, B. I. (2003). Identification of parameters of a bulk medium in a vibrofluidized state based on experimental data. Collection of Scientific Papers of the National Agrarian University, 161–163 [in Ukrainian].
9. Bohatyriov, D. V. (2005). Substantiation of parameters of a pneumo-impulse machine for seed separation by density (Candidate’s thesis). Kirovohrad [in Ukrainian].
10. Petrenko, M. M., & Bohatyriov, D. V. (2002). Theoretical studies of pneumo-impulse separation by density. Design, Production and Operation of Agricultural Machines, (32), 140–146 [in Ukrainian].
11. Stepanenko, S. P. (2008). Improving the efficiency of vibropneumatic grain separators (Extended abstract of candidate’s thesis). Hlevakha [in Ukrainian].
12. Stepanenko, S. P., Kotov, B. I., & Popadiuk, I. S. (2021). Study of the process of pneumatic-vibrational grain separation by density during one-dimensional movement of the grain flow. Mechanization and Electrification of Agriculture, (14), 77–87. https://doi.org/10.37204/0131-2189-2021-14-8 [in Ukrainian].
13. Bredykhin, V. V. (2023). Scientific foundations of vibropneumatic processes of seed material separation by seed density (Doctoral thesis). Kropyvnytskyi [in Ukrainian].
14. Stepanenko, S. P., & Volyk, D. A. (2023). Mathematical modeling and experimental studies of the process of vibropneumo-impulse seed separation by density. Design, Production and Operation of Agricultural Machines, (53), 138–148. https://doi.org/10.32515/2414-3820.2023.53.138-148 [in Ukrainian].
15. Volyk, D., Popadiuk, I., & Stepanenko, S. (2023). Analysis of designs and prospects for the development of technical means for seed separation by density. Mechanics and Automation of Agro-Industrial Production, 2(116), 100–110. https://doi.org/10.37204/2786-7765-2023-2-11 [in Ukrainian].
16. Kotov, B. I., & Stepanenko, S. P. (2004). Mechanical-mathematical model of solid particle movement in a vibrofluidized grain layer. Engineering in Agricultural Production, Mechanical Engineering, Automation, (15), 433–437 [in Ukrainian].
17. Kotov, B. I., & Stepanenko, S. P. (2016). Study of the influence of a pulsating air flow on movement in a vibrofluidized layer of grain-straw heap. Mechanization and Automation of Agriculture, 4(103), 38–46 [in Ukrainian].
Citations
1. Розробка нової конструкції пневморешітної зерноочисної машини. Т. 1. Обґрунтування параметрів транспортера-сепаратора : монографія / В. М. Сало та ін. Кіровоград : Лисенко В. Ф., 2014. 108 с.
2. Моделювання технологічних процесів в типових об’єктах післязбиральної обробки і зберігання зерна (очищення, сепарація, сушіння, активне вентилювання, охолодження) / Б. І. Котов та ін. Ніжин : Вид-во Лисенко М. М., 2017. 552 с.
3. Котов Б., Степаненко С. Основи теорії та технології повітряної сепарації зернових матеріалів. Київ : ЦП Компринт, 2023. 427 с.
4. Математичне моделювання процесу переміщення зернового матеріалу на поверхні безпровального решета вібропневмоімпульсного сепаратора / С. П. Степаненко та ін. Вібрації в техніці та технологіях. 2023. № 3 (110). С. 22–34. DOI: https://doi.org/10.37128/2306-8744-2023-3-3
5. Котов Б. І. Вібропневматичне розділення насіннєвих сумішей. Вісник аграрної науки. 2005. № 5. С. 55–58.
6. Петренко Н. Н., Марченко И. В., Марченко К. Н. О возможности использования пульсирующего воздушного потока для воздушно-решетной очистки зернового вороха. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. 2002. С. 117–121.
7. Петренко Н. Н., Марченко И. В., Марченко К. Н. Анализ процеса сепарации зерна на решете в среде пульсирующего воздушного потока. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. 2003. Вип. 33. С. 141–149.
8. Котов Б. І. Ідентифікація параметрів сипкого середовища у віброзрідженому стані за експериментальними даними. Збірник наукових праць Національного аграрного університету. Київ, 2003. С. 161–163.
9. Богатирьов Д. В. Обґрунтування параметрів пневмоімпульсної машини для сепарації насіння за густиною : дис. … канд. техн. наук. Кіровоград, 2005. 170 с.
10. Петренко М. М., Богатирьов Д. В. Теоретичні дослідження пневмоімпульсної сепарації за густиною. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. 2002. Вип. 32. С. 140–146.
11. Степаненко С. П. Підвищення ефективності вібропневматичних сепараторів зерна : автореф. дис. … канд. техн. наук. Глеваха, 2008. 20 с.
12. Степаненко С. П., Котов Б. І., Попадюк І. С. Дослідження процесу пневмовібраційного поділу зерна за густиною під час одномірного переміщення зернового потоку. Механізація та електрифікація сільського господарства. 2021. № 14. С. 77–87. DOI: https://doi.org/10.37204/0131-2189-2021-14-8
13. Бредихін В. В. Наукові основи процесів вібропневматичного розділення насіннєвих матеріалів за густиною насіння : дис. … д-ра техн. наук. Кропивницький, 2023. 50 с.
14. Степаненко С. П., Волик Д. А. Математичне моделювання та результати експериментальних досліджень процесу вібропневмоімпульсного поділу насіння за густиною. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. 2023. Вип. 53. С. 138–148. DOI: https://doi.org/10.32515/2414-3820.2023.53.138-148
15. Волик Д., Попадюк І., Степаненко С. Аналіз конструкцій та перспективи розвитку технічних засобів для розділення насіння за густиною. Механіка та автоматика агропромислового виробництва. 2023. Т. 2, № 116. С. 100–110. DOI: https://doi.org/10.37204/2786-7765-2023-2-11
16. Котов Б. І., Степаненко С. П. Механіко-математична модель руху твердої частинки у віброзрідженому шарі зерна. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. 2004. № 15. С. 433–437.
17. Котов Б. І., Степаненко С. П. Дослідження впливу пульсуючого повітряного потоку на переміщення у віброзрідженому шарі зерносоломистого вороху. Механізація та автоматизація сільського господарства. 2016. Т. 4, № 103. С. 38–46.
Copyright (©) 2025, Borys Kotov, Valentyn Myronenko, Serhii Pohorylyi, Volodymyr Hryshchenko, Yurii Pantsyr
Analysis of Vibro-Pneumatic Separation Processes of Grain Materials in the Context of Control Objectives
About the Authors
Borys Kotov, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Agricultural Engineering and Systems Engineering, Podilskyi State University, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0001- 6369-3025, e-mail: eetsapk@pdatu.edu.ua.
Valentyn Myronenko, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Agronavigation and Automation of Mobile Processes, Institute of Mechanics and Automation of Agroindustrial Production, National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1227-2471, e-mail: mironenko1952@ukr.net
Serhii Pohorylyi, Deputy Director for Scientific Work, Doctor of Technical Sciences, Senior Researcher, Head of the Department of Mobile Energy, Institute of Mechanics and Automation of Agroindustrial Production, National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9701-2678, e-mail: pogorilyy_sergiy@ukr.net
Volodymyr Hryshchenko, Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of the Department of Automation and Robotic Systems named after Academician I.I. Martynenko, National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7789-3650, e-mail: vlgr@nubip.edu.ua
Yurii Pantsyr, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Dean of the Faculty of Engineering and Technology, Podilskyi State University, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0003- 2969-1936, e-mail: panziryuriy@gmail.com
Abstract
Keywords
Full Text:
PDFReferences
1. Salo, V. M., et al. (2014). Development of a new design of a pneumatic-sieve grain cleaning machine. Vol. 1. Substantiation of the parameters of the conveyor-separator: Monograph. Kirovohrad: Lysenko V. F. [in Ukrainian].
2. Kotov, B. I., et al. (2017). Modeling of technological processes in typical objects of post-harvest processing and storage of grain (cleaning, separation, drying, active ventilation, cooling). Nizhyn: Lysenko M. M. Publishing [in Ukrainian].
3. Kotov, B., & Stepanenko, S. (2023). Fundamentals of the theory and technology of air separation of grain materials. Kyiv: CP Komprint [in Ukrainian].
4. Stepanenko, S. P., et al. (2023). Mathematical modeling of the process of grain material movement on the surface of a non-failing sieve of a vibropneumo-impulse separator. Vibrations in Engineering and Technology, 3(110), 22–34. https://doi.org/10.37128/2306-8744-2023-3-3 [in Ukrainian].
5. Kotov, B. I. (2005). Vibropneumatic separation of seed mixtures. Bulletin of Agricultural Science, (5), 55–58 [in Ukrainian].
6. Petrenko, N. N., Marchenko, I. V., & Marchenko, K. N. (2002). On the possibility of using a pulsating air flow for air- sieve cleaning of grain heap. Design, Production and Operation of Agricultural Machines, 117–121 [in Ukrainian].
7. Petrenko, N. N., Marchenko, I. V., & Marchenko, K. N. (2003). Analysis of the grain separation process on a sieve in a pulsating air flow environment. Design, Production and Operation of Agricultural Machines, (33), 141–149 [in Ukrainian].
8. Kotov, B. I. (2003). Identification of parameters of a bulk medium in a vibrofluidized state based on experimental data. Collection of Scientific Papers of the National Agrarian University, 161–163 [in Ukrainian].
9. Bohatyriov, D. V. (2005). Substantiation of parameters of a pneumo-impulse machine for seed separation by density (Candidate’s thesis). Kirovohrad [in Ukrainian].
10. Petrenko, M. M., & Bohatyriov, D. V. (2002). Theoretical studies of pneumo-impulse separation by density. Design, Production and Operation of Agricultural Machines, (32), 140–146 [in Ukrainian].
11. Stepanenko, S. P. (2008). Improving the efficiency of vibropneumatic grain separators (Extended abstract of candidate’s thesis). Hlevakha [in Ukrainian].
12. Stepanenko, S. P., Kotov, B. I., & Popadiuk, I. S. (2021). Study of the process of pneumatic-vibrational grain separation by density during one-dimensional movement of the grain flow. Mechanization and Electrification of Agriculture, (14), 77–87. https://doi.org/10.37204/0131-2189-2021-14-8 [in Ukrainian].
13. Bredykhin, V. V. (2023). Scientific foundations of vibropneumatic processes of seed material separation by seed density (Doctoral thesis). Kropyvnytskyi [in Ukrainian].
14. Stepanenko, S. P., & Volyk, D. A. (2023). Mathematical modeling and experimental studies of the process of vibropneumo-impulse seed separation by density. Design, Production and Operation of Agricultural Machines, (53), 138–148. https://doi.org/10.32515/2414-3820.2023.53.138-148 [in Ukrainian].
15. Volyk, D., Popadiuk, I., & Stepanenko, S. (2023). Analysis of designs and prospects for the development of technical means for seed separation by density. Mechanics and Automation of Agro-Industrial Production, 2(116), 100–110. https://doi.org/10.37204/2786-7765-2023-2-11 [in Ukrainian].
16. Kotov, B. I., & Stepanenko, S. P. (2004). Mechanical-mathematical model of solid particle movement in a vibrofluidized grain layer. Engineering in Agricultural Production, Mechanical Engineering, Automation, (15), 433–437 [in Ukrainian].
17. Kotov, B. I., & Stepanenko, S. P. (2016). Study of the influence of a pulsating air flow on movement in a vibrofluidized layer of grain-straw heap. Mechanization and Automation of Agriculture, 4(103), 38–46 [in Ukrainian].
Citations
1. Розробка нової конструкції пневморешітної зерноочисної машини. Т. 1. Обґрунтування параметрів транспортера-сепаратора : монографія / В. М. Сало та ін. Кіровоград : Лисенко В. Ф., 2014. 108 с.
2. Моделювання технологічних процесів в типових об’єктах післязбиральної обробки і зберігання зерна (очищення, сепарація, сушіння, активне вентилювання, охолодження) / Б. І. Котов та ін. Ніжин : Вид-во Лисенко М. М., 2017. 552 с.
3. Котов Б., Степаненко С. Основи теорії та технології повітряної сепарації зернових матеріалів. Київ : ЦП Компринт, 2023. 427 с.
4. Математичне моделювання процесу переміщення зернового матеріалу на поверхні безпровального решета вібропневмоімпульсного сепаратора / С. П. Степаненко та ін. Вібрації в техніці та технологіях. 2023. № 3 (110). С. 22–34. DOI: https://doi.org/10.37128/2306-8744-2023-3-3
5. Котов Б. І. Вібропневматичне розділення насіннєвих сумішей. Вісник аграрної науки. 2005. № 5. С. 55–58.
6. Петренко Н. Н., Марченко И. В., Марченко К. Н. О возможности использования пульсирующего воздушного потока для воздушно-решетной очистки зернового вороха. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. 2002. С. 117–121.
7. Петренко Н. Н., Марченко И. В., Марченко К. Н. Анализ процеса сепарации зерна на решете в среде пульсирующего воздушного потока. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. 2003. Вип. 33. С. 141–149.
8. Котов Б. І. Ідентифікація параметрів сипкого середовища у віброзрідженому стані за експериментальними даними. Збірник наукових праць Національного аграрного університету. Київ, 2003. С. 161–163.
9. Богатирьов Д. В. Обґрунтування параметрів пневмоімпульсної машини для сепарації насіння за густиною : дис. … канд. техн. наук. Кіровоград, 2005. 170 с.
10. Петренко М. М., Богатирьов Д. В. Теоретичні дослідження пневмоімпульсної сепарації за густиною. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. 2002. Вип. 32. С. 140–146.
11. Степаненко С. П. Підвищення ефективності вібропневматичних сепараторів зерна : автореф. дис. … канд. техн. наук. Глеваха, 2008. 20 с.
12. Степаненко С. П., Котов Б. І., Попадюк І. С. Дослідження процесу пневмовібраційного поділу зерна за густиною під час одномірного переміщення зернового потоку. Механізація та електрифікація сільського господарства. 2021. № 14. С. 77–87. DOI: https://doi.org/10.37204/0131-2189-2021-14-8
13. Бредихін В. В. Наукові основи процесів вібропневматичного розділення насіннєвих матеріалів за густиною насіння : дис. … д-ра техн. наук. Кропивницький, 2023. 50 с.
14. Степаненко С. П., Волик Д. А. Математичне моделювання та результати експериментальних досліджень процесу вібропневмоімпульсного поділу насіння за густиною. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. 2023. Вип. 53. С. 138–148. DOI: https://doi.org/10.32515/2414-3820.2023.53.138-148
15. Волик Д., Попадюк І., Степаненко С. Аналіз конструкцій та перспективи розвитку технічних засобів для розділення насіння за густиною. Механіка та автоматика агропромислового виробництва. 2023. Т. 2, № 116. С. 100–110. DOI: https://doi.org/10.37204/2786-7765-2023-2-11
16. Котов Б. І., Степаненко С. П. Механіко-математична модель руху твердої частинки у віброзрідженому шарі зерна. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. 2004. № 15. С. 433–437.
17. Котов Б. І., Степаненко С. П. Дослідження впливу пульсуючого повітряного потоку на переміщення у віброзрідженому шарі зерносоломистого вороху. Механізація та автоматизація сільського господарства. 2016. Т. 4, № 103. С. 38–46.
Copyright (©) 2025, Borys Kotov, Valentyn Myronenko, Serhii Pohorylyi, Volodymyr Hryshchenko, Yurii Pantsyr