Моделирование движения воздушного потока в распределительной пневматической системе горизонтального типа

№106-1,

технические науки

В данной статье приводятся результаты моделирования процесса движения воздушного потока в распределительной системе пневматической зерновой сеялки. Для реализации модели использован программный комплекс FlowVision.

Похожие материалы

Любая зерновая сеялка с пневматическим распределением семян состоит из следующих основных компонентов, необходимых для процесса высева: бункеры для семян и удобрения, посевные или дозирующие устройства для семян и удобрений, семяпроводов, сошников и устройств для засыпания борозд. Кроме того, имеются вспомогательные узлы, такие как устройства для настройки нормы высева, устройства для регулирования глубины высева и т. д. В соответствии с расположением этих узлов различаются моноблочные, раздельные и секционные сеялки.[1,2,3].

На сеялках с пневматической системой распределения семян подача семян в поток движущегося воздуха имеет определенные трудности. Поэтому имеются различные технологические схемы для ввода семян в поток воздуха [1]:

  • системы с наддувом, когда необходимо иметь герметичный бункер и там создать такое же давление, как и в пневмосистеме;
  • система без наддува; в этих системах семена подаются в пневмопровод через шлюзовые затворы и питатели;
  • эжекторные питатели, когда семена захватываются за счет разрежения в эжекторной системе.

В России наибольшее применение находят пневматические зерновые се- ялки Агромастер и Кузбасс. Схема пневматической системы подобных посевных комплексов представлена на рисунке 1.

Пневматическая система посевного комплекса Кузбасс
Рисунок 1. Пневматическая система посевного комплекса Кузбасс

Пневматическая система состоит из вентилятора 1, раструба 2 с регулятором воздуха, который разделяет воздушный поток для транспортировки семян и для внесения удобрений, и высевающих устройств 4 (одно установлено в бункере для семян, одно в бункере для удобрений), шесть головки 5 и 6 (три для семян, две для удобрений). Между собой эти узлы соединены гибкими трубами.

Поток воздуха поступает из выпускного отверстия вентилятора и поступает в раструб 2, где воздух распределяется на два потока — один для транспортировки семян, второй для транспортировки удобрений. В раструбе установлен регулятор воздуха, с помощью которого подаваемый воздух делится на потоки пропорционально скорости витания высеваемых семян и удобрений, что позволяет рационально использовать воздушный поток. Далее воздушные делители 3 направляют поток воздуха на высевающий аппарат. Поток воздуха с семенами или удобрениями из высевающих машин через гибкие трубопроводы поступает в распределители 5, откуда они направляются на сошники.

Данная система позволяет индивидуально регулировать подачу воздуха для семян и удобрений, норму высева для каждого модуля, что позволяет повысить качество посева.

Однако эти сеялки оснащены вертикальными распределителями семян по сошникам типа Аккорд. Из полученных данных опубликованных в работе [2], можно сказать что вертикальный распределитель семян требует больше затрат энергии при транспортировке.

При использовании горизонтального распределителя требуется меньшая мощность вентилятора. Кроме того, посевной комплекс можно использовать для посева на склонах, так как его наклоны уменьшаются в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Однако при использовании горизонтального распределения семян труднее равномерно распределить горизонтальный поток воздушно-зерновой смеси в пневматической системе сеялки [1, 2].

В связи с этим мы предлагаем установить горизонтальный распределитель семян. У них, в свою очередь, есть недостаток — неравномерное распределение семян по ширине, что сказывается на неравномерности посева на сошники [4,5,6].

Предлагаемое нами распределительное устройство зерновой смеси пневматических сеялок содержит подводящий трубопровод, раструб, состоящий из верхней и нижней стенок, боковых криволинейных стенок, рассекателя и отводящие патрубки. Для повышения равномерности семян нами выдвинута гипотеза, что установленный рассекатель в нижней части раструба от подводящего трубопровода к отводящим патрубкам, способствует повышению равномерности распределения семян по выходам.

Для подтверждения данной гипотезы нами разработана математическая модель процесса работы такого распределителя в программном комплексе FlowVision.

На рисунках 2 и 3 показана трехмерная модель разработанного горизонтального распределителя.

Трехмерная модель горизонтального распределителя (вид сверху)
Рисунок 2. Трехмерная модель горизонтального распределителя (вид сверху)
Трехмерная модель горизонтального распределителя (вид снизу)
Рисунок 3. Трехмерная модель горизонтального распределителя (вид снизу)

1 — отводящие патрубки, 2 — раструб, 3 — входное отверстие(подводящий трубопровод), 4 — расскатель.

На основе трехмерной модели распределителя нами смоделирован процесс движения воздуха и семян (частиц) в программе FlowVision. Для моделирования потока воздуха и частиц в рапределителе в FlowVision решаются только уравнения Навье–Стокса с учетом шероховатости поверхности.

Перед началом расчета придерживались некоторых данных:

  • плотность воздуха 1,2 кг/м3;
  • плотность зерна пшеницы 1,25…1,4 г/см3;
  • размер частиц — средний диаметр 6…8 мм [8];
  • коэффициент трения при движении частицы зерна пшеницы 0,3;
  • массовый расход зерна 0,33…0,4 кг/с, при норме высева 200…250 кг/га и ширине захвата сеялки 10 м;
  • скорость воздушного потока для транспортировки семян 16…27 м/с;
  • максимальный расход воздуха, развиваемый вентилятором 0,8 м3/с;
  • максимальная скорость на выходе из вентилятора без нагрузки 73 м/с. Для моделирования нестационарного состояния потока воздуха и семян в

FlowVision воспользуемся моделями «Слабосжимаемая жидкость» и «Слабосжимаемая жидкость» + «Частицы» (рисунок 3). Методика моделирования в программе Flow Vision подробна описана в работах [7-13].

Модель «Слабосжимаемая жидкость» позволяет моделировать процессы движения воздушного потока, а модель «Слабосжимаемая жидкость» + «Частицы» позволяет моделировать совместное движение воздушного потока и семян [8,9,10].

На рисунке 4 представлены траектории движения воздушного потока в распределителе с установленной вставкой, полученные в результате реализации модели.

Визуализация движения воздуха и семена в программе Flow Vision.
Рисунок 4. Визуализация движения воздуха и семена в программе Flow Vision.

В таблице 1 представлено распределение скоростей частиц по выходам, полученные в результате реализации модели «Слабосжимаемая жидкость» (воздух) и модели «Слабосжимаемая жидкость» + «Частицы» (воздух с частицами).

Таблица 1. Распределение скоростей по выходам

Вариант опыта

Скорость потока на выходах распределителя, м/с

Коэф. вариации, %

Воздух

13,6

13,57

13,63

13,55

13,6

13,6

13,71

13,64

1,3

Воздух с частицами

13,8

13,7

13,9

13,8

13,9

14

14,1

13,9

3,5

На рисунке 5 представленa гистограммa распределения скоростей воздушного потока.

Гистограмма распределения скоростей воздушного потока</p><p>
Рисунок 5. Гистограмма распределения скоростей воздушного потока
На рисунке 6 представленa гистограммa распределения скоростей воздушного потока с семенами.
Гистограмма распределения воздушного потока с семенами
Рисунок 6. Гистограмма распределения воздушного потока с семенами

Хотя распределение семян по ширине распределителя соответствует агротехническим требованиям, установленным для зерновых сеялок не более 5 %, однако из гистограмм распределения видно, что в средние выхода поступает больше воздушного потока и, соответственно, семян. В реальных условиях работы, где на рабочий процесс будут накладываться внешние ограничения в виде вибраций, колебаний из-за рельефа поля, неравномерность распределения семян по сошникам может существенно возрасти. В связи с чем, в дальнейшем необходимо работать над совершенствованием конструкции распределителя.

Выводы

В целях снижения энергоемкости процесса распределения семян в пневматических системах зерновых сеялок и повышения равномерности высева на склоновых агроландшафтах нами предлагается использовать распределители семян горизонтального типа. Для повышения равномерности распределения семян в распределителях такого типа предлагается устанавливать в нижней части раструба вставку в форме усеченной капли. Разработанная модель процесса работы распределителя в программном комплексе FlowVision позволила установить эффективность использования предлагаемой вставки для повышения равномерности распределения семян по выходам. Коэффициент вариации скорости воздушного потока по выходам распределителя составляет 3,6%, что ниже агротехнических требований (5%) однако из гистограмм распределения видно, что в средние выхода поступает больше воздушного потока и, соответственно, семян. В реальных условиях работы, где на рабочий процесс будут накладываться внешние ограничения в виде вибраций, колебаний из-за рельефа поля, неравномерность распределения семян по сошникам может существенно возрасти. В связи с чем, в дальнейшем необходимо работать над совершенствованием конструкции распределителя.

Список литературы

  1. Мударисов С.Г. и др. Отчет: Разработка пневмосистемы для раздельного разноглубинного высева семян и удобрений к почвообрабатывающему посевному агрегату для тракторов класса тяги 20-30 кН. — Уфа, Башкирсикй ГАУ, 2016, — 125 с.
  2. Рахимов Р.С. Обоснование конструктивной схемы и параметров почвообрабатывающих посевных машин на основе обобщенной математической модели / Рахимов Р.С., Хлызов Н.Т. // Вестник ЧГАА. 2013. Т. 65. С. 104-113.
  3. Бледных В.В. Ресурсосберегающая техника для возделывания зерновых культур / Бледных В.В., Мазитов Н.К., Рахимов Р.С., и др. // Техника в сельском хозяйстве. 2007. № 3. С. 19-22.
  4. Гареев Р.Т. Экспериментальная посевная секция сеялки для посева по нулевой технологии / Р.Т. Гареев, С.Г. Мударисов // СТУДЕНТ И АГРАРНАЯ НАУКА Материалы IX студенческой научной конференции. Башкирский государственный аграрный университет. Уфа, 26-27 марта 2015г.
  5. Гареев Р.Т. Моделирование потокораспределения в программе AFT FATHOM / В сборнике: Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве Сборник докладов XII Международной научно-практической конференции молодых учёных. Министерство сельского хозяйства РФ, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия». 2017. С. 33-40.
  6. Гареев Р.Т. Обзор конструкций распределителей воздушной-зерновой смеси / Р.Т. Гареев, А.М. Мухаметдинов // В сборнике: Наука молодых — инновационному развитию АПК Материалы IX Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. 2016. С. 30-33.
  7. Мударисов С.Г. Определение возможности математического описания процесса работы пневматических систем сельскохозяйственных машин как гетерогенная двухфазная среда «газ — твердые частицы» / С.Г. Мударисов, З.С. Рахимов, И.Д. Бадретдинов, А.В. Шарафутдинов, А.М. Мухаметдинов. В сборнике: Достижения науки — агропромышленному производству материалы XLIX Международной научно-технической конференции. 2010. С. 80-82.
  8. Мударисов С.Г. Моделирование движения воздушного потока в пнев- мосистемах сельскохозяйственных машин. С.Г. Мударисов, А.В. Шарафутдинов, И.Д. Бадретдинов. В сборнике: Достижения науки — агропромышленному производству Материалы XLVIII Международной научно-технической конференции. Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, Департамент научно-технологической политики и образования, ФГОУ ВПО Челябинский государственный агроинженерный университет. 2009. С. 148-151.
  9. Мударисов С.Г. Моделирование пневматической системы зерновой сеялки / С.Г. Мударисов, И.Д. Бадретдинов, А.В. Шарафутдинов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2010. № 2. С. 10-12.
  10. Мударисов С.Г. Численная реализация математической модели технологического процесса работы диаметрального вентилятора во вращающейся системе координат / С.Г. Мударисов, И.Д. Бадретдинов // Известия Международной академии аграрного образования. 2013. № 17. С. 79-83.
  11. Мударисов С.Г. Моделирование распределителя семян пневматической сеялки / С.Г. Мударисов, И.Д. Бадретдинов, А.В. Шарафутдинов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2010. № 3. С. 8-9.
  12. Мударисов С.Г. Моделирование технологического процесса работы пневматических систем сельскохозяйственных машин / Мударисов С., Бадретдинов И. // САПР и графика. 2011. № 7 (177). С. 87-88.
  13. Мударисов С.Г. Экспериментальные исследования аэродинамического сопротивления зерновой смеси в двухфазном потоке / Мударисов С.Г., Бадретдинов И.Д., Шарафутдинов А.В. // В сборнике: Достижения науки — агропромышленному производству материалы XLIX Международной научно-технической конференции. 2010. С. 266-270.