Performance Evaluation of Grain Cleaning Machine Sieves With a Zigzag Hole Arrangement
DOI:
https://doi.org/10.32515/2664-262X.2026.13(44).151-166Keywords:
grain cleaning machines, Sieve separation, zigzag (staggered) holes, cleaning efficiency, specific productivity, mathematical model, factorial experiment, optimization of parametersAbstract
The study aims to enhance the efficiency of preliminary and primary cleaning of grain heaps through a scientifically substantiated selection of design parameters for flat oscillating sieves with a zigzag (staggered) hole arrangement. The necessity of this work is driven by the discrepancy between the capabilities of traditional screening equipment and the requirements of the current DSTU 3768:2019 standard, which regulates the maximum impurity content in commercial grain. Furthermore, there is a lack of scientifically verified recommendations regarding the rational operational parameters of sieves with inclined holes in both domestic and foreign technical literature.
The study develops a mathematical model of the dynamics of a non-passing particle moving along an inclined rectangular sieve hole. Unlike existing approaches, the proposed model simultaneously accounts for four components: gravity, sliding friction, normal reaction of the supporting surface, and the resistance force of the grain layer, which is proportional to the instantaneous velocity of the particle. The solution to the differential equation of motion is obtained in analytical form – as a functional dependence of the squared velocity on the displacement coordinate, the sieve inclination angle α, and the hole axis deviation angle β from the longitudinal axis. A critical condition ensuring stable movement of the grain mass without stalling on the surface has been established. The experimental part of the work was conducted on a Petkus Wutha K 294A laboratory separator using a winter wheat heap (Podolianka variety) with a natural moisture content of 14–15%, obtained after direct combining. A second-order central composite design (CCD) of the 23 type was implemented, varying three factors: specific feed rate (600–1200 kg/(m·h)), oscillation frequency (350–550 strokes/min), and hole axis deviation angle (0–10°). The total number of experimental points was 48. Based on statistical processing in the STATISTICA 12 environment, a second-order regression model was obtained with a coefficient of determination R2=0.94, its adequacy confirmed by the Fisher criterion (Fcalc=2.34<Ftab=3.29). Using the Harrington desirability function with a complex optimality criterion, the rational combination of design and technological parameters was determined: specific feed rate – 900–1000 kg/(m·h), oscillation frequency – 450–480 strokes/min, and hole axis deviation angle – 9–10°.
Comparative tests proved that implementing sieves with a zigzag hole arrangement at a deviation angle of β = 10° provides significant technological and energy advantages over traditional designs (β = 0°): separation efficiency increases by 12–15% (from 68% to 78–80%); specific productivity rises by 15–18% without increasing the machine's overall dimensions; the orifice clogging rate (blinding intensity) is reduced by 20–25% due to the guiding effect of the inclined channels; and the specific energy consumption for separating one ton of grain is reduced by 16–18% – from 0.51–0.54 to 0.42–0.45 kWh/t. The results obtained form the theoretical foundation and practical basis for designing new and modernizing existing screening units of general-purpose grain cleaning machines.
References
Список літератури
1 Машини, агрегати та комплекси для післязбиральної обробки і зберігання врожаю (за ред. Халіна С. В., Лебедєва С. А.) / [Колектив авторів]; Міністерство аграрної політики та продовольства України; УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого. – Дослідницьке, 2023. – 323 с. – (Серія «Сільськогосподарська техніка ХХІ: моніторинг, випробування, прогнозування»).
2 Алієв Е. Б., Лупко К. О. Методика симуляції процесу сепарації насіннєвого матеріалу дрібнонасіннєвих культур на циліндричному чарунковому трієрі. Вібрації в техніці та технологіях. 2023. № 1 (108). С. 36-44. https://doi.org/10.37128/2306-8744-2023-1-4.
3 ДСТУ 3768:2019. Пшениця. Технічні умови. К.: УкрНДНЦ, 2019. 14 с.
4 Бажан І.М., Васильковський О.М., Лещенко С.М., Амосов В.В. Інтенсифікація процесу сепарації зерна на плоскому коливальному решеті із зигзаговидним розташуванням отворів. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник. Вип. 54. 2024. С. 192-202. https://doi.org/10.32515/2414-3820.2024.54.192-202.
5 Завгородній О. І. Наукові основи процесів очищення отворів решіт зерноочисних машин: автореф. дис. на здобуття ступеня д–ра техн. наук: спец. 05.05.11 , Харків, 2001. 20 с.
6 Бажан І.М. Результати експериментального дослідження сепарації зерна на плоскому коливальному решеті із зигзаговидним розташуванням отворів. Центральноукраїнський науковий вісник. Технічні науки. 2025. Вип. 12(43), ч. І. 2025. С. 164-174. https://doi.org/10.32515/2664-262X.2025.12(43).1.164-174.
7 Бажан І.М. Аналіз руху частки по решету з загзаговидно розташованими отворами. Вісник Сумського національного аграрного університету. Серія механізація та автоматизація виробничих процесів. Вип. 4 (62), 2025. С. 8-13. https://doi.org/10.32782/msnau.2025.4.2.
8 Тіщенко Л. М. Наукові основи процесів вібровідцентрового сепарування зернових сумішей : дис. ... д-ра техн. наук : 05.05.11. Харків, 2004. 403 с.
9 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. міжвід. наук.-техн. зб. 2003. Вип. 33. С.53-59.
10 Ольшанський В. П. Про рух неоднорідної дрібнозернистої суміші по плоскому віброрешету. Інженерія переробних і харчових виробництв. 2017. № 2 (1). С. 17-22.
11 Bracacescu C., Gageanu I., Popescu S., Selvi K.C. Researches concerning impurities separation process from mass of cereal seeds using vibrating sieves in air flow currents. Engineering for Rural Development. Jelgava, 2016. P. 364–370.
12 Богомолов О.В. Аналіз конструкцій сепараторів для сепарації важкороздільних зернових сумішей. Інженерія переробних і харчових виробництв. 2017. № 1. С. 47-51.
13 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). 4383. https://doi.org/10.3390/app11104383.
14 Kharchenko S. Modeling the dynamics of the grain mixtures with the screening on cylindrical vibrating sieve separators. ТЕКА. Commission of motorization and energetics in agriculture. 2015. Vol. 15, No. 3. P. 87-93.
15 Chen Y.H., Tong X. Application of the DEM to screening process: a 3D simulation. Min Sci Technol. 2009. Vol. 19, No. 4. P. 493-497. https://doi.org/10.1016/S1674-5264(09)60092-2.
16 Chen Y.H., Tong X. Modeling screening efficiency with vibrational parameters based on DEM 3D simulation. Min Sci Technol. 2010. Vol. 20, No. 4. P. 615-620. https://doi.org/10.1016/S1674-5264(09)60254-4.
17 Cleary P.W. Large scale industrial DEM modeling. Eng Comput. 2004. Vol. 21. P. 169-204. https://doi.org/10.1108/02644400410519730.
18 Cleary P.W. Prediction of coupled particle and fluid flows using DEM and SPH. Miner Eng. 2015. Vol. 73. P. 85-99. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2014.09.005.
19 Wang G., Tong X. Screening efficiency and screen length of a linear vibrating screen using DEM 3D simulation. Min Sci Technol. 2011. Vol. 21, No. 3. P. 451-455. https://doi.org/10.1016/j.mstc.2011.05.026.
20 Котов Б. І., Степаненко С. П., Калініченко Р. А. Теоретичне обґрунтування руху частинки зерна на вібропневморешеті при дії розпушуючих робочих органів. Науковий вісник Національного аграрного університету. 2007. Вип. 115. С. 112–117.
21 Степаненко С.П. Аналіз взаємодії пасивного розпушувача із віброзрідженим зерновим шаром. Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України. Дослідницьке. 2005. Вип. 8(22). Кн. 2. С. 290-297.
22 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: [Загальнодержавний збірник]. 2021. Вип. №14 (113). / [ННЦ“ІМЕСГ”]. Глеваха, 2021. С. 77–87. DOI:10.37204/0131-2189-2021-14-8.
23 Васильковский О. М. Розробка конструкції та обґрунтування параметрів відцентрового решітного сепаратора зерна: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.05.11. Кіровоград, 2001. 18 с.
24 Васильковський О. М., Лещенко С. М., Мороз С. М., Нестеренко О. В. До створення концепції «ідеального» решета зернового сепаратора. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник. Вип. 50. 2020. С. 52-58. https://doi.org/10.32515/2414-3820.2020.50.52-58.
25 Lawinska K., Wodzinski P., Modrzewski R. A method for determining sieve holes blocking degree. Physicochem. Probl. Miner. Process. 2015. Vol. 51, No. 1. P. 15-22.
26 Lawinska K., Wodzinski P., Modrzewski R. Mathematical and empirical description of screen blocking. Granul. Matter. 2016. Vol. 18, No. 1. P. 1-10. DOI: https://doi.org/10.1007/s10035-016-0622-4.
27 Спосіб підвищення ефективності сепарації сипких матеріалів на решетах: пат. 158059 Україна: МПК B07B 13/04 (2006.01). № u 2024 02571. М. В. Бакум, О. Б. Козій, В. Г. Маруськов, А. Д. Михайлов, М. М. Майборода, М. М. Крекот, О. В. Сіняєва; власник Держ. біотехн. ун-т.; заявл. 14.05.2024; опубл. 25.12.2024, Бюл.№ 52. 4 с.
28 Методи визначення показників надійності рифлених перфорованих просіювальних поверхонь / С. О. Харченко, О. І. Біловод, Ф. М. Харченко [та ін.] // Центральноукраїнський науковий вісник. Технічні науки : наук. зб. – Кропивницький : ЦНТУ, 2025. – Вип. 12(43), ч. 1. – С. 265-271. https://doi.org/10.32515/2664-262X.2025.12(43).1.265-271.
29 Патент на корисну модель № 154304 Україна, МПК B07B 1/00. Плоске решето / Олексієнко Д. С., Бажан І. М., Лещенко С. М., Васильковський О. М., Петренко Д. І., Мороз С. М.; заявник та власник Центральноукраїнський національний технічний університет. – № u202302258; заявл. 12.05.2023; опубл. 01.11.2023, Бюл. № 44. https://sis.nipo.gov.ua/uk/search/detail/1769156/.
30 Кравчук, В. І. та ін.. Машини для збирання та первинної переробки сільськогосподарських культур. Дослідницьке: УкрНДІПВТ ім. Л. Погоорілого. 2010. 280 с.
References
1. Khalin, S. V., & Lebediev, S. A. (Eds.). (2023). Mashyny, ahrehaty ta kompleksy dlia pisliazbyralnoi obrobky i zberihannia vrozhaiu [Machines, units and complexes for post-harvest processing and storage of crops]. UkrNDIPVT im. L. Pohoriloho. [in Ukrainian].
2. Aliev, E. B., & Lupko, K. O. (2023). Metodyka symuliatsii protsesu separatsii nasinnievoho materialu dribnonasinnievykh kultur na tsylindrychnomu charunkovomu triieri [Methodology for simulating the process of separation of seed material of small-seeded crops on a cylindrical indented cylinder]. Vibratsii v tekhnitsi ta tekhnolohiiakh [Vibrations in Engineering and Technology], (1), 36–44. https://doi.org/10.37128/2306-8744-2023-1-4. [in Ukrainian].
3. DSTU 3768:2019. (2019). Pshenytsia. Tekhnichni umovy [Wheat. Specifications]. UkrNDNTS. [in Ukrainian].
4. Bazhan, I. M., Vasylkivskyi, O. M., Leshchenko, S. M., & Amosov, V. V. (2024). Intensyfikatsiia protsesu separatsii zerna na ploskomu kolyvalnomu resheti iz zyhzahovydnym roztashuvanniam otvoriv [Intensification of the process of grain separation on a flat vibrating sieve with a zigzag arrangement of holes]. Konstruiuvannia, vyrobnytstvo ta ekspluatatsiia silskohospodarskykh mashyn [Design, production and operation of agricultural machines], (54), 192–202. https://doi.org/10.32515/2414-3820.2024.54.192-202. [in Ukrainian].
5. Zavhorodnii, O. I. (2001). Naukovi osnovy protsesiv ochyshchennia otvoriv reshit zernoochysnykh mashyn [Scientific basis of the processes of cleaning the holes of sieves of grain cleaning machines] [Author's abstract of Doctoral dissertation, Kharkiv State Technical University of Agriculture]. [in Ukrainian].
6. Bazhan, I. M. (2025). Rezultaty eksperymentalnoho doslidzhennia separatsii zerna na ploskomu kolyvalnomu resheti iz zyhzahovydnym roztashuvanniam otvoriv [Results of experimental research on grain separation on a flat vibrating sieve with a zigzag arrangement of holes]. Tsentralnoukrainskyi naukovyi visnyk. Tekhnichni nauky [Central Ukrainian Scientific Bulletin. Technical Sciences], 12(43), 164–174. https://doi.org/10.32515/2664-262X.2025.12(43).1.164-174. [in Ukrainian].
7. Bazhan, I. M. (2025). Analiz rukhu chastky po reshetu z zahzahovydno roztashovanymy otvoramy [Analysis of particle movement on a sieve with zigzag-arranged holes]. Visnyk Sumskoho natsionalnoho ahrarnoho universytetu. Seriia mekhanizatsiia ta avtomatyzatsiia vyrobnychykh protsesiv [Herald of Sumy National Agrarian University. Series: Mechanization and Automation of Production Processes], (4), 8–13. https://doi.org/10.32782/msnau.2025.4.2. [in Ukrainian].
8. Tishchenko, L. M. (2004). Naukovi osnovy protsesiv vibrovidtsentrovoho separuvannia zernovykh sumishei [Scientific basis of the processes of vibro-centrifugal separation of grain mixtures] [Doctoral dissertation, Kharkiv State Technical University of Agriculture]. [in Ukrainian].
9. Kotov, B. I., Stepanenko, S. P., & Pastushenko, M. H. (2003). Tendentsii rozvytku konstruktsii mashyn ta obladnannia dlia ochyshchennia i sortuvannia zerno materialiv [Trends in the development of designs of machines and equipment for cleaning and sorting grain materials]. Konstruiuvannia, vyrobnytstvo ta ekspluatatsiia silskohospodarskykh mashyn [Design, production and operation of agricultural machines], (33), 53–59. [in Ukrainian].
10. Olshanskyi, V. P. (2017). Pro rukh neodnoridnoi dribnozernystoi sumishi po ploskomu vibroreshetu [On the movement of a non-homogeneous fine-grained mixture on a flat vibrating sieve]. Inzheneriia pererobnykh i kharchovykh vyrobnyctv [Engineering of Processing and Food Productions], (2), 17–22. [in Ukrainian].
11. Bracacescu, C., Gageanu, I., Popescu, S., & Selvi, K. C. (2016). Researches concerning impurities separation process from mass of cereal seeds using vibrating sieves in air flow currents. Engineering for Rural Development, 364–370. [in English].
12. Bohomolov, O. V. (2017). Analiz konstruktsii separatoriv dlia separatsii vazhkorozdilnykh zernovykh sumishei [Analysis of separator designs for separation of difficult-to-separate grain mixtures]. Inzheneriia pererobnykh i kharchovykh vyrobnytstv, (1), 47–51. [in Ukrainian].
13. 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. https://doi.org/10.3390/app11104383. [in English].
14. Kharchenko, S. (2015). Modeling the dynamics of the grain mixtures with the screening on cylindrical vibrating sieve separators. TEKA. Commission of Motorization and Energetics in Agriculture, 15(3), 87–93. [in English].
15. Chen, Y. H., & Tong, X. (2009). Application of the DEM to screening process: A 3D simulation. Mining Science and Technology (China), 19(4), 493–497. https://doi.org/10.1016/S1674-5264(09)60092-2. [in English].
16. Chen, Y. H., & Tong, X. (2010). Modeling screening efficiency with vibrational parameters based on DEM 3D simulation. Mining Science and Technology (China), 20(4), 615–620. https://doi.org/10.1016/S1674-5264(09)60254-4. [in English].
17. Cleary, P. W. (2004). Large scale industrial DEM modeling. Engineering Computations, 21(2/3/4), 169–204. https://doi.org/10.1108/02644400410519730. [in English].
18. Cleary, P. W. (2015). Prediction of coupled particle and fluid flows using DEM and SPH. Minerals Engineering, 73, 85–99. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2014.09.005. [in English].
19. Wang, G., & Tong, X. (2011). Screening efficiency and screen length of a linear vibrating screen using DEM 3D simulation. Mining Science and Technology (China), 21(3), 451–455. https://doi.org/10.1016/j.mstc.2011.05.026. [in English].
20. Kotov, B. I., Stepanenko, S. P., & Kalinichenko, R. A. (2007). Teoretychne obgruntuvannia rukhu chastynky zerna na vibropnevmoresheti pry dii rozpushuiuchykh robochykh orhaniv [Theoretical substantiation of grain particle movement on a vibro-pneumatic sieve under the action of loosening working bodies]. Naukovyi visnyk Natsionalnoho ahrarnoho universytetu, (115), 112–117. [in Ukrainian].
21. Stepanenko, S. P. (2005). Analiz vzayemodiyi pasyvnoho rozpushuvacha iz vibrozridzhenym zernovym sharom [Analysis of the interaction of a passive loosener with a vibro-fluidized grain layer]. Tekhniko-tekhnolohichni aspekty rozvytku ta vyprobuvannya novoyi tekhniky i tekhnolohiy dlya silskoho hospodarstva Ukrayiny, 8(22), 290–297. [in Ukrainian].
22. Stepanenko, S. P., Kotov, B. I., & Popadiuk, I. S. (2021). Doslidzhennia protsesu pnevmovibratsiinoho podilu zerna za hustynoiu pid chas odnomirnoho peremishchennia zernovoho potoku [Investigation of the process of pneumovibrational separation of grain by density during one-dimensional movement of the grain flow]. Mekhanizatsiia ta elektryfikatsiia silskoho hospodarstva, 14(113), 77–87. DOI:10.37204/0131-2189-2021-14-8. [in Ukrainian].
23. Vasylkivskyi, O. M. (2001). Rozrobka konstruktsii ta obhruntuvannia parametriv vidtsentrovoho reshitnoho separatora zerna [Development of the design and substantiation of the parameters of the centrifugal sieve grain separator] (Unpublished doctoral dissertation summary). Kirovohrad National Technical University, Kirovohrad, Ukraine.
24. Vasylkovskyi, O. M., Leshchenko, S. M., Moroz, S. M., & Nesterenko, O. V. (2020). Do stvorennia kontseptsii “idealnoho” resheta zernovoho separatora [On the creation of the concept of an "ideal" sieve of a grain separator]. Konstruiuvannia, vyrobnytstvo ta ekspluatatsiia silskohospodarskykh mashyn, (50), 52–58. https://doi.org/10.32515/2414-3820.2020.50.52-58. [in Ukrainian].
25. Lawinska, K., Wodzinski, P., & Modrzewski, R. (2015). A method for determining sieve holes blocking degree. Physicochemical Problems of Mineral Processing, 51(1), 15–22. [in English].
26. Lawinska, K., Wodzinski, P., & Modrzewski, R. (2016). Mathematical and empirical description of screen blocking. Granular Matter, 18(1), 1–10. DOI: https://doi.org/10.1007/s10035-016-0622-4.
27. Bakum, M. V., Kozii, O. B., Maruskov, V. H., Mykhailov, A. D., Maiboroda, M. M., Krekot, M. M., & Siniaieva, O. V. (2024). Sposib pidvyshchennia efektyvnosti separatsii sypkykh materialiv na reshetakh [Method for increasing the efficiency of separation of bulk materials on sieves] (Ukrainian Patent No. 158059). State Biotechnical University. [in Ukrainian].
28. Kharchenko, S. O., Bilovod, O. I., Kharchenko, F. M., et al. (2025). Metody vyznachennia pokaznykiv nadiinosti ryflenykh perforovanykh prosiuvalnykh poverkhon [Methods for determining reliability indicators of corrugated perforated screening surfaces]. Tsentralnoukrainskyi naukovyi visnyk. Tekhnichni nauky, 12(43/1), 265–271. https://doi.org/10.32515/2664-262X.2025.12(43).1.265-271. [in Ukrainian].
29. Oleksiienko, D. S., Bazhan, I. M., Leshchenko, S. M., Vasylkovskyi, O. M., Petrenko, D. I., & Moroz, S. M. (2023). Ploske resheto [Flat sieve] (Ukrainian Patent No. 154304). Central Ukrainian National Technical University. https://sis.nipo.gov.ua/uk/search/detail/1769156/. [in Ukrainian].
30. Kravchuk, V. I. ta in. (2010). Mashyny dlia zbyrannia ta pervynnoi pererobky silskohospodarskykh kultur [Machines for harvesting and primary processing of agricultural crops]. Doslidnytske: UkrNDIPVT im. L. Pohoriloho, 280 p. (in Ukrainian)
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Copyright (c) 2026 Ihor Bazhan, Serhii Leshchenko, Oleksii Vasylkovsky
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
