Efficiency Analysis of a cAscade Sieve Separator for Grain Mixtures
DOI:
https://doi.org/10.32515/2664-262X.2026.13(44).250-260Keywords:
gravity-cascade separator, separation efficiency, arc-shaped sieve, rod profile, mathematical modelingAbstract
The study aims to investigate the technological process and substantiate the parameters of a gravity-cascade sieve separator equipped with arc-shaped rod-profile sieves to improve the post-harvest grain processing efficiency.
The research is based on mathematical modeling of grain mixture separation processes. The kinematic characteristics of particle motion along arc-shaped sieves were analyzed considering gravitational, frictional, and centrifugal forces. The separation efficiency was evaluated using a Markov process model with continuous time to determine the probability of particles passing through the sieve gaps.
Mathematical analysis established the rational number of sieve stages required to maximize separation quality while minimizing resource consumption. It was determined that the total system efficiency increases exponentially, reaching a maximum of approximately 99,59% at six stages. Further increasing the number of stages is impractical as the efficiency increment drops below 2%. For highly efficient sieves (E = 0,60…0,70), 3…4 stages are sufficient, while for lower efficiency sieves (E = 0,50…0,60), 4…5 stages are required.
The study substantiates that the optimal configuration for a gravity-cascade separator includes 7…9 stages in total (3…4 scalping and 4…5 sifting sieves), ensuring an overall efficiency E > 90%. This configuration achieves the best balance between separation quality, specific energy consumption, and equipment compactness.
References
Список літератури
1. Моделювання технологічних процесів в типових об'єктах післязбиральної обробки і зберігання зерна (очищення, сепарація, сушіння, активне вентилювання, охолодження) : колект. монографія / Котов Б. І. та ін.; Нац. акад. аграр. наук України, Нац. наук. центр "Ін-т механізації та електрифікації сіл. госп-ва". Київ; Ніжин : Лисенко М. М. [вид.], 2017. 551 с.
2. Золотарьов П. Г. Інженерія надійності в аграрній техніці. Київ: Агропром, 2020. 310 с.
3. Feng, Xin & Gong, Zhenping & Wang, Lijun & Yu, Yongtao & Liu, Tianhua & Song, Lianglai. (2021). Behavior of maize particle penetrating a sieve hole based on the particle centroid in an air-screen cleaning unit. Powder Technology. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.02.035.
4. Lijun Wang, Shuai Zhang, Yunpeng Gao, Tao Cui, Zhao Ma, Bo Wang. (2023). Investigation of maize grains penetrating holes on a novel screen based on CFD-DEM simulation. Powder Technology. Volume 419. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2023.118332.
5. Stepanenko, S. P., Kotov, B. I. Theoretical research of separation process grain mixtures. Machinery & Energetics. 2019. 10 (4). P. 137-143.
6. Патент №139435 Україна, МПК В07В1/00, В07В13/00. Сепаратор гравітаційно-каскадного типу / Дударєв І.М.; Заявлено 20.05.2019; Опубл. 10.01.2020; Бюл. № 1.
7. Dudarev I., Zabrodotska L., Satsiuk V., Taraymovich I., Olkhovskyi V. Research on seed separation process on a gravity-cascade separator. INMATEH – Agricultural engineering. Vol. 62, No. 3. 2020. Рр. 173-180.
8. Розробка нової конструкції пневморешітної зерноочисної машини. Том 1. Обґрунтування параметрів транспортера-сепаратора : монографія / В. М. Сало, С. М. Мороз, О. М. Васильковський [та ін.] ; М-во освіти і науки України, Кіровоград. нац. техн. ун-т. Кіровоград : Лисенко В.Ф., 2014. 108 с.
9. Стаценко Д.І. Куянов Ю.Ю., Кошулько В.С., Олексієнко В.О. Сепарування зернових сумішей з використанням сил гравітації. Збірник наукових праць магістрантів та студентів. Мелітополь: ТДАТУ, 2019. С. 69-70.
10. Голячук С.Є. Сепарування зернових мас з використанням сил гравітації. Міжвузівський збірник "НАУКОВІ НОТАТКИ". Луцьк, 2012. Випуск №39. С. 27-33.
11. The mathematical modeling of changes in grain moisture and heat loss on adsorption drying from parameters of grain dryer / I.L. Rogovskii, S.P. Stepanenko, A.V. Novitskii, V.I. Rebenko. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 13. рр.1-7.
12. Васильковський О.М., Лещенко С.М., Мороз С.М., Нестеренко О.В., Молокост Л.А. До створення концепції «ідеального» решета зернового сепаратора. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. Вип. 50, 2020. – Кропивницький: ЦНТУ. – С. 52-58. https://doi.org/10.32515/2414-3820.2020.50.52-58.
13. Васильковський О.М., Лещенко С.М., Петренко Д.І., Мороз С.М., Нестеренко О.В. Попередні дослідження пасивного струнного решета. Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин, 2022 вип. 52. С. 73-80. https://doi.org/10.32515/2414-3820.2022.52.73-80.
14. Васильковский О. М. Розробка конструкції та обґрунтування параметрів відцентрового решітного сепаратора зерна: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.05.11. Кіровоград, 2001. 18 с.
15. Лузан П.Г., Лузан О.Р., Петренко Д.І. Обґрунтування параметрів решета для сепарації зерна. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація: зб. наук. пр. Кіровогр. нац. техн. ун-ту. 2016. Вип. 29. С. 46-53.
References
1. Kotov, B. I., et al. (2017). Modeling of technological processes in typical objects of post-harvest processing and grain storage (cleaning, separation, drying, active ventilation, cooling). National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine. [in Ukrainian].
2. Zolotarov, P. H. (2020). Reliability engineering in agricultural machinery. Kyiv: Ahroprom. [in Ukrainian].
3. Feng, Xin & Gong, Zhenping & Wang, Lijun & Yu, Yongtao & Liu, Tianhua & Song, Lianglai. (2021). Behavior of maize particle penetrating a sieve hole based on the particle centroid in an air-screen cleaning unit. Powder Technology. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.02.035.
4. Lijun Wang, Shuai Zhang, Yunpeng Gao, Tao Cui, Zhao Ma, Bo Wang. (2023). Investigation of maize grains penetrating holes on a novel screen based on CFD-DEM simulation. Powder Technology. Volume 419. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2023.118332.
5. Stepanenko, S. P., & Kotov, B. I. (2019). Theoretical research of separation process grain mixtures. Machinery & Energetics. Kyiv, 10(4), 137-143.
6. Dudarev, I. M. (2020). Gravity-cascade type separator (Ukrainian Patent No. 139435). Ukrpatent. [in Ukrainian].
7. Dudarev, I., Zabrodotska, L., Satsiuk, V., Taraymovich, I., & Olkhovskyi, V. (2020). Research on seed separation process on a gravity-cascade separator. INMATEH – Agricultural Engineering, 62(3), 173–180.
8. Salo, V. M., Moroz, S. M., Vasylkovskyi, O. 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. Kirovohrad: Lysenko V. F. [in Ukrainian].
9. Statsenko, D. I., Kuianov, Yu. Yu., Koshulko, V. S., & Oleksiienko, V. O. (2019). Separation of grain mixtures using gravitational forces. Zbirnyk naukovykh prats mahistrantiv ta studentiv. Melitopol: TSATU, 69-70. [in Ukrainian].
10. Holachuk, S. Ye. (2012). Separation of grain masses using gravitational forces. Mizhvuzivskyi zbirnyk "Naukovi notatky", (39), 27-33. Lutsk. [in Ukrainian].
11. Rogovskii, I. L., Stepanenko, S. P., Novitskii, A. V., & Rebenko, V. I. (2020). The mathematical modeling of changes in grain moisture and heat loss on adsorption drying from parameters of grain dryer. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 13, 1-7.
12. Vasylkovskyi, O. M., Leshchenko, S. M., Moroz, S. M., Nesterenko, O. V., & Molokost, L. A. (2020). To the creation of the concept of an "ideal" sieve of a grain separator. Konstruiuvannia, vyrobnytstvo ta ekspluatatsiia silskohospodarskykh mashyn, (50), 52-58. [in Ukrainian] https://doi.org/10.32515/2414-3820.2020.50.52-58.
13. Vasylkovskyi, O. M., Leshchenko, S. M., Petrenko, D. I., Moroz, S. M., & Nesterenko, O. V. (2022). Preliminary studies of passive string sieve. Konstruiuvannia, vyrobnytstvo ta ekspluatatsiia silskohospodarskykh mashyn, (52), 73-80. [in Ukrainian] https://doi.org/10.32515/2414-3820.2022.52.73-80.
14. Luzan, P. H., Luzan, O. R., & Petrenko, D. I. (2016). Substantiation of the parameters of the sieve for grain separation. Tekhnika v silskohospodarskomu vyrobnytstvi, haluzeve mashynobuduvannia, avtomatyzatsiia, (29), 46–53. Kirovohrad: KNTU. [in Ukrainian].
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Copyright (c) 2026 Dmytro Petrenko, Vasyl Salo, Dmytro Nedelsky
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
