В течение продолжительного хранения зерна возникает множество проблем, связанных с его перемещением, существенными финансовыми затратами, отсутствием соответствующих машин и механизмов. Важным показателем во время хранения зерна в складах являются его температурные значения, поскольку самосогревание зерна внутри самой насыпи нарушает его сохранность. Для исключения самосогревания нужно качественно сушить зерно, вентилировать и т.д. Одним из лучших методов исключения самосогревания зернового материала в складах и его повреждения становится перемешивание насыпи зерна устройством ворошения.
Разработка современного, простого и надежного в эксплуатации технического средства ворошения зерновой насыпи устройством со спирально-винтовым рабочим органом становится актуальной задачей [1, 2].
Зерно, занимающее пространство между витками спирали, оказывается в ограниченных положениях, поэтому теоретическое рассмотрение перемещения зерна спиральным винтом представляется одним из комплексных решений, представляющих собой экспериментальные и теоретические задачи.
Переходя к движению сыпучего потока зерна, запишем формулу которой определим пропускную способность (кг/с) устройства [3]:
, (1)
где kn – безразмерный параметр способности технического средства пропускать через себя количество зерновой насыпи; F – сечение спирального винта, где происходит перемещение зернового материала, м2; υ0ср – средняя осевая скорость материала, м/с; ρ – насыпная плотность зерна, кг/м3.
Параметром способности технического средства пропускать через себя количество зерновой насыпи – это число kn ≤ 1, которое показывает часть поперечного сечения рабочего органа (спирального винта) F, где происходит перемещение зернового материала, при средней скорости υ0ср.
Представим выражение (1) в развернутом виде:
, (2)
где r2 – наружный радиус спирали, м; r1 – радиус по внутренней образующей спирали по, м.
Для дальнейших расчетов технологического процесса рассмотрим проекцию элементарной площадки спирали на плоскость, перпендикулярной к оси спирального винта 
, где r – расстояние от центра вращения спирали до элементарной площадки, м (рис. 1).
Рис. 1. К определению средней скорости зерна
Для площадки dF будем считать, что υ0 и υs будут постоянными, тогда получим значения средней осевой скорости зернового материала на элементарной площадке dr [4–6] (рис. 1):
, (3)
где υ0 – осевая скорость каждого единичного зерна, находящегося на площадке dr, м/с.
Средняя окружная скорость единичного зерна по площади сечения спирали
, (4)
где υs – переносная скорость каждого единичного зерна, находящегося на площадке dr, м/с.
Заменим в формулах (3) и (4) тригонометрические функции зависимостями, которые можно записать, рассмотрев развертку винтовой линии (рис. 2).
Винтовая линия образуется при вращении точки М с постоянной угловой скоростью с одновременным движением точки в направлении оси вращения также с постоянной скоростью (рис. 2). Из подобия треугольников ΔABC и ΔАМК имеем
,
или
Рис. 2. Схема винтовой линии
Поскольку 
то 
.
Обозначив 
, получим z = aφ, имеем
, 
,
где s – шаг винта, м.
Для упрощения математических преобразований выразим значения sinα и cosα через a:
Тогда соответственно осевая и переносная скорости
(5)
(6)
где ω – частота вращения спирали, мин-1; β – угол между векторами скоростей υ0 и υs, град.
Обозначив q = tgβ и подставив значения υ0 и υs в выражения (5) и (6), получим
(7)
Средняя окружная скорость зерна:
(8)
Формулы (7) и (8) выведены с учетом того, что пространство между витками полностью заполнено зерновым материалом.
Для спиральных винтов, применяющихся для перемешивания зернового материала в насыпи, с длиной шага спирали 50…100 мм при коэффициенте 
, формуле (7) можно придать более простой вид, а выражение 
запишется в следующем виде [7–9]:
Тогда выражения (7) и (8) примут вид:
(9)
(10)
Подставив υ0cp в (2), имеем
. (11)
Пропускная способность исследуемого технического средства представляет собой сложную функцию значения шага спирали [10, 11]. При известных геометрических и кинематических параметрах спирального винта, насыпной плотности зерновой насыпи, тогда, подставив значения этих данных в выражение (11), можно определить пропускную способность устройства ворошения зерновой насыпи.
В исследуемом устройство устанавливали спиральный винт со следующими параметрами: наружный радиус спирали r2 = 35 мм; шаг спирального винта s = 0,07 м и диаметром проволоки dп = 0,008 м, полная высота спирали H = 2 м. Техническое средство исследовали в бурте пшеницы, насыпная плотность которой ρ = 780 кг/м3. По итогам исследований построены соотношения скорости движения υ технического средства для ворошения по зерновой насыпи при вычислении способности технического средства пропускать через себя количество зерновой насыпи Q при разных частотах вращения ω спирального винта, в сравнении с теоретическими исследованиями (рис. 2).
Тогда уравнение регрессии для скорости перемещения технического средства ворошения зерновой насыпи имеет вид
(12)
Рис. 3. Скорость движения υ технического средства ворошения зерновой насыпи и пропускная способность Q устройства в зависимости от различной частоты вращения ω спирального винта
Рис. 4. Соотношение значений способности технического средства пропускать через себя количество зерновой насыпи Q при различном винтовом шаге спирали s и частоты вращения ω
Рис. 3 изображает зависимость пропускной способности Q (сплошная линия) и скорость перемещения υ устройства (точки) ворошения зерновой насыпи при разных частотах вращения ω.
Также был проанализирован экспериментальный анализ по влиянию шага спирального винта с учётом её диаметра на производительность технического средства ворошения зерна от различной частоты вращения рабочего органа (рис. 4).
По результатам исследований по изучению зависимости шага s рабочего органа (спирали) на производительность устройства и частоты вращения ω также получено выражение (13) в текущих значениях факторов:
(13)
Уравнение регрессии (13) в кодированной форме:
y = 0,606 + 0,235x1+ 0,041x12 + 0,218x1 + 0,104x1x2, (14)
где у – пропускная способность технического средства, кг/c; x1 – частота вращения рабочего органа; x2 – винтовой шаг спирали.
Выражения (13) и (14) дают возможность выбрать необходимую частоту вращения спирального винта для получения необходимой производительности технического средства при различном шаге спирали.
При линейном шаге спирали s = 0,070 м оптимальная скорость движения устройства для ворошения υ = 0,68 м/мин составляет при частоте вращения спирали ω = 930 мин-1. Тогда пропускная способность устройства Q = 1,1 кг/с. Сравнение полученных экспериментальных и теоретических данных показало, что сходимость результатов составляет 94 %. Следовательно, данные экспериментальных исследований доказывают справедливость предложенных теоретических зависимостей.