Анализ процесса движения компонентов зернового материала в приемной камере зерноочистительной машины Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МЕХАНИЗАЦИЯ

УДК 631.362

Анализ процесса движения компонентов зернового материала в приемной камере зерноочистительной машины

Глушков Андрей Леонидович, кандидат техн. наук, ст. научный сотрудник ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока», г. Киров, Россия

E-mail: [email protected]

При разработке пневмосепарирующих устройств зерноочистительных машин необходимо проведение теоретических исследований процесса движения компонентов зернового вороха под действием воздушного потока и анализ полученныгх траекторий движения. Здесь можно выделить два варианта расчета траекторий движения компонентов зернового вороха: без учета взаимодействия частиц между собой и с учетом данного взаимодействия. Процесс движения компонентов зернового вороха рассмотрен на примере приемной камеры машины предварительной очистки зерна МПЗ-50. По результатам анализа полученныгх траекторий движения компонентов зернового вороха установлено, что сила сопротивления слоя материала уменьшает смещение траекторий компонентов зернового материала в сторону канала основной очистки на 0,005...0,007м Легкие примеси с коэффициентом парусности кП = 1,09 м'1 при начальные условиях ввода частицы в приемную камеру x0 = -0,025.0 м под действием бокового воздушного потока удаляются из зоны сепарации через канал предварительной очистки в осадочную камеру пневмосистемы машины МПЗ-50, а примеси при x0 = -0,050 м попадают на наружную стенку канала основной очистки и под действием силы тяжести скатываются по ней в желобки питающего валика поверх полноценного зерна, что повышает вероятность их выделения в канале основной очистки. Что касается применения первого или второго варианта расчета траекторий движения, то здесь можно сделать вывод, что для предварительных расчетов пневмосепарирующих устройств, например, определения расположения их рабочих органов, достаточно рассмотреть процесс движения компонентов зернового материала без учета силы сопротивления слоя материала, что позволит значительно упростить данные исследования. Для определения оптимальных параметров рабочих органов необходимо проведение теоретических исследований с учетом силы сопротивления слоя материала.

Ключевые слова: зерно, легкие примеси, зерноочистительная машина, приемная камера, загрузочно-распределительное устройство, питающий валик, пневмосепарирующий канал, воздушный поток

При разработке конструктивно-технологических схем пневмосепарирующих устройств зерноочистительных машин и определении оптимальных параметров их рабочих органов необходимо проведение теоретических исследований процесса движения компонентов зернового вороха под действием воздушного потока в данных устройствах и анализ полученных траекторий движения. При этом многие исследователи [1, 2] рассматривают движение отдельно взятой частицы, приняв допущение, что частицы не взаимодействуют между собой. Часть исследователей [3] учитывают взаимодействие частиц друг с другом.

Цель исследования - изучение процесса движения компонентов зернового вороха в приемной камере машины предварительной очистки зерна МПЗ-50

Методы исследований. В исследованиях применены известные законы классической механики и метод Рунге-Кутта численного решения дифференциальных уравнений [2].

Результаты и их обсуждение. Рассмотрим движение компонентов зернового вороха в приемной камере машины предварительной очистки зерна МПЗ-50 (рис. 1).

При подводе воздуха к зерновой струе по воздухоподводящему каналу 3 плоская струя набегает на зерновой слой, проходит сквозь него и всасывается в канал предварительной очистки 6. Согласно теории изотермической плоской струи [4], боковой угол вН расширения струи на начальном участке длиной 7,2 НВП составляет 8,6 град.

Растекания воздушной струи по поверхности разрыхленного зернового материала практически не происходит [5], а угол раскрытия струи воздуха в плотном зернистом слое зависит от средневзвешенного диаметра зерновки и составляет примерно 55...65 град [6]. В результате воздушный поток проходит через зерновую струю не по всему фронту приемной камеры, а на участке, ширина которого зависит от глубины НВП воздухоподводящего канала, расстояния между воздухоподводящим каналом и зерновым материалом и толщины зерновой струи.

Рассмотрим движение частицы зернового материала в приемной камере, предположив, что воздушный поток равномерен по сечению канала.

а б

Рис. 1. Движение частицы зернового материала в приемной камере машины предварительной очистки зерна МПЗ-50: а - схемы сил, действующих на движущуюся частицу с учетом взаимодействия частиц друг с другом; б и в - схемы сил, действующих на движущуюся частицу на участках II и III без учета взаимодействия частиц друг с другом; 1 - загрузочно-распределительное устройство; 2 - приемная камера; 3 - воздухоподводящий канал; 4 - питающий валик; 5 - канал основной очистки; 6 - канал предварительной очистки

Движение частицы от загрузочно-рас-пределительного устройства до питающего валика происходит на трех участках: участок I - движение частицы от загрузочно-распреде-лительного устройства до начала взаимодействия ее с боковым воздушным потоком; участок II - движение частицы в зоне действия бокового воздушного потока; участок III -движение частицы после выхода ее из зоны действия бокового воздушного потока до питающего валика.

На участке I (рис.1, а) частицы зернового материала движутся вертикально вниз под действием силы тяжести О и аэродинамической силы Я . На данном участке взаимодействие частиц между собой не оказывает влияние на смещение траекторий движения частиц, поэтому мы не будем его учитывать. Значения силы тяжести О и аэродинамической силы Я определяются по выражениям:

О = т ■ g; (1)

R = m • кп • V2

(2)

где т - масса частицы, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2; кП - коэффициент парусности частицы, м-1; V - скорость движения частицы, м/с.

Составим дифференциальное уравнение движения частицы на участке I:

m • a = G + R,

(3)

где а - ускорение частицы, м/с .

В проекции на выбранную ось Оу системы координат получим уравнение:

dV

m-

iy

dt

= m • g - m • кn • V

(4)

Решая уравнение (4) при начальных условиях у0 = 0, V1y0 = 0, получаем выражение для определения скорости движения частицы на участке I:

Viy =

g • (1 - g'2кдy) .

кп

Рассмотрим два варианта процесса движения частицы зернового материала на участке II.

1. Движение частицы зернового материала без учета взаимодействия частиц друг с другом (рис. 1, б).

На частицу действуют сила тяжести О и сила сопротивления воздушного потока, направленная противоположно относительной скорости ^ частицы, а по величине пропорциональна квадрату этой относительной скорости:

RB = -m • кп • VR • ^,

(6)

где V = V - ^ - вектор относительной скорости частицы;

^ - модуль относительной скорости, м/с;

V - абсолютная скорость частицы, м/с; Ув - скорость воздушного потока, м/с.

Дифференциальное уравнение движения частицы имеет вид:

(7)

m • a = G + RB.

В проекциях на выбранные оси Ох и Оу системы координат получим систему дифференциальных уравнений:

|m • x = RB 1 m • y = G - R

(8)

By'

где Явх = -т • кп • V • ^ и

^ =-т • кп • V • - проекции силы сопротивления ЯБ воздушного потока на оси координат.

Проекции относительной скорости на оси Ох и Оу будут равны:

\VRx = * - Vb • cosA Vy = y - Vb • sm&

(9)

где X и у - проекции абсолютной скорости

частицы на оси координат, м/с; в - угол между осью Ох и направлением воздушного потока, град.

Модуль относительной скорости частицы определяется из выражения:

Vr =v Vr* + vry =

(10)

= *-VA • cose)2 + (y-VA • sine)2.

После подстановки выражений (9) и (10) в систему уравнений (8) и сокращения на т получаем:

x = -kj • (x - Va • cos в) •

• V(* - Va • cos в)2 + (y - VÁ • sin в)2; (11) У = g + kj • (y - Va • sine) •

• V( * - Va • cos в)2 + (y - Va • sin в)2.

2. Движение частицы зернового материала с учетом взаимодействия частиц друг с другом (рис.1, а).

На частицу, кроме силы тяжести G и силы сопротивления R воздушного потока, действует сила сопротивления R слоя материала, направленная противоположно относительной скорости v движения слоя материала:

Rcu = рV •m,

(12)

где <р - коэффициент сопротивления слоя материала; у = V -V - вектор относительной скорости движения слоя; V - скорость движения слоя материала, м/с.

При этом следует отметить, что на частицы, находящиеся на поверхности зернового материала со стороны канала предварительной очистки, сила сопротивления слоя материала не оказывает влияния.

Дифференциальное уравнение движения частицы имеет вид:

(13)

m • a = G + R„ + R .

В сл

Для определения скорости движения слоя материала представим весь слой в виде отдельной частицы и рассмотрим процесс ее движения под действием силы сопротивления воздушного потока и силы тяжести. Данный процесс движения можно описать уравнениями (7).(11).

Решая численно систему уравнений (11), определяем значения скорости слоя материала V и V по осям Ох и Оу.

слх ' слу ^

Коэффициент сопротивления слоя материала, исходя из равенства работ по перемещению частицы по поверхности зернового слоя и по перемещению частицы внутри зернового слоя, определяется по выражению [5]:

р =

g • f

(14)

V \1 £

Г IV

где /- коэффициент трения частицы о зерновой слой, / = 0,47.0,73 [7]; £ , £ - скважность зерновой струи в насыпном и движущемся состоянии,

__ V (V + V); V, V - объемы, занимаемые соответственно воздухом и зерном.

Тогда, уравнение (12) с учетом выражения (14) примет вид:

— g • f ls R, =- —- • з H1 • к • m.

(15)

Запишем уравнение (13) в проекциях на выбранные оси Ох и Oy:

(16)

где r =-

)m•x=rbx -Rcx;

^ • y = G - RBy - Ry ,

g • f • ке-m • Vx и Vr

g • f • к • m • v r = ö J s_z. - проекции силы

сопротивления Я слоя материала на оси координат; £ _ _н. - коэффициент скважности

_ Л

зерновой струи.

Проекции относительной скорости движения слоя на оси координат Ох и Оу будут равны:

= Х - Vc. \Vy = y - Vcn

(17)

Модуль относительной скорости движения слоя определяется из выражения:

V, =4VI + V; (X - ГСх)2 + (у - Услу)2. (18)

После подстановки выражений (17) и (18) в систему уравнений (16) и сокращения на т получаем:

x = -кп • (x - VB • cos ß) • ^(x - V • cos ßf + (y - V • sin ßf + . g • f • К ■ (i - VcJ ,

V(x - VcJ + (y - Kj' (19)

У = g + кп ■ (У - Vb ■ sin ß) •j(i - Vb ■ cos ß)2 + (y - Vb • sin ß)2 +

g • f • кг • (y - VcJ

^ V(i - VcJ2 + (y - Vcy)2'

Рассмотрим процесс движения частицы зернового материала на участке III.

1. Движение частицы зернового материала без учета взаимодействия частиц друг с другом (рис. 1, в).

На частицу действуют сила тяжести G и аэродинамическая сила R, определяемая по выражению (2).

Дифференциальное уравнение движения частицы имеет вид:

m • a = G + R.

(20)

В проекциях на выбранные оси Ох и Оу системы координат получим систему дифференциальных уравнений:

|m •x = - R2 x;

\m • y = G - R2 y,

(21)

где Я2х _ т ■ £П ■ X2 и Я2у _ т ■ кп ■ у2 - проекции аэродинамической силы R на оси координат.

Проведя соответствующие преобразования, получаем:

•2 .

x = -кп • x . Ь = g - кп • y 2•

(22)

2. Движение частицы зернового материала с учетом взаимодействия частиц друг с другом (рис. 1, а).

На частицу, кроме силы тяжести О и аэродинамической силы R, действует сила

сопротивления Я слоя материала.

Дифференциальное уравнение движения частицы имеет вид:

т ■ а _ О + Я + Ясл. (23)

Решая систему уравнений (22), определяем значения скорости слоя материала V и

V по осям Ох и Оу.

сну

Уравнение (23) в проекциях на выбранные оси Ох и Оу системы координат будет иметь вид:

x = -кТ

,±2 + g • f • ке- (x - Vc„ )

y = g - кп • y 2 +

4(x - Vcx)2 + (у - Vcy )2'

g • f • ке- (y - Vcy )

V(x - Vcx)2 + (У - Vcy )2

(24)

Системы дифференциальных уравнений второго порядка (11), (19), (22) и (24) не имеют точного аналитического решения. Поэтому будем искать их численные решения методом Рунге-Кутта [2], предварительно дополнив данные системы уравнений начальными условиями: для участка II - х0 = 0...-0,05 м; Уо = 0,078 - 2,552хо; X _ 0; у0 _ V ; для участка III (по результатам расчетов участка II) -Х0 = -0,045.0,056 м; у, = 0,348 - 1,253x0;

x

= ' Уо = Угу. Кроме того, для решения

V

r

V

r

данных систем задаемся коэффициентами трения / = 0,4, скважности зерновой струи к = 0,84, углом наклона в = 60 и глубиной кП = 0,07 м канала предварительной очистки.

Результаты расчетов траекторий движения частиц легких примесей с коэффициентом парусности к/ = 1,09 1 -1 и зерна -к/ = 0,12 1 -1 в приемной камере при скорости воздушного потока в зерновом слое ^ = 7 м/с представлены на рисунке 2.

На представленных зависимостях видно, что при начальных условиях движения частицы в приемной камере х0 = -0,050.-0,025 м и высоте ее падения у = 0,480 м траектории движения полноценного зерна с коэффициентом парусности щ = 0,12 1 -1 смещаются в

сторону канала основной очистки на 0,013.0,023 м без учета силы сопротивления слоя материала и на 0,008.0,016 м с учетом силы сопротивления. Таким образом, сила сопротивления слоя материала уменьшает смещение траекторий полноценного зерна в сторону канала основной очистки на 0,005.0,007 м.

Легкие примеси с коэффициентом парусности к! = 1,09 1 -1 при х0 = -0,025.0 м

независимо от учета силы сопротивления слоя материала под действием бокового воздушного потока удаляются из зоны сепарации через канал предварительной очистки в осадочную камеру пневмосистемы машины МПЗ-50.

Легкие примеси при х0 = -0,050 м попадают на наружную стенку канала основной очистки и под действием силы тяжести скатываются по ней в желобки питающего валика поверх полноценного зерна, что повышает вероятность их выделения в канале основной очистки.

По результатам анализа полученных зависимостей установлено, что сила сопротивления слоя материала уменьшает смещение траекторий компонентов зернового материала в сторону канала основной очистки. Что касается учета данной силы в теоретических исследованиях, то, например, в работе [3] автор рассматривает процесс движения компонентов зернового материала в приемной камере с учетом силы сопротивления слоя материала и делает вывод, что окно загрузочно-распреде-лительного устройства должно располагаться над вторым квадрантом питающего валика,

наружный диаметр которого должен быть не менее толщины струи основного зерна в месте его падения на валик (в рассматриваемом варианте 50 ~ 0,08 м). Однако такой же вывод можно сделать, проанализировав траектории движения компонентов зернового материала, представленные на рисунке 2, без учета силы сопротивления слоя материала.

Рис. 2. Траектории движения компонентов зернового материала в приемной камере машины предварительной очистки зерна МПЗ-50 при скорости воздушного потока в зерновом слое Ув = 7 м/с: - - полноценное зерно

(к/ =0,121 М;---- легкие примеси

(к/ = 1,09 1 1 - движение частицы зернового материала без учета силы сопротивления слоя материала; 2 - движение частицы зернового материала с учетом силы сопротивления слоя материала

Выводы. На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что для предварительных расчетов пневмосепари-рующих устройств, например, определения расположения их рабочих органов, достаточно рассмотреть процесс движения компонентов зернового материала без учета силы сопротивления слоя материала, что позволит значительно упростить данные исследования. Для определения оптимальных параметров рабочих органов необходимо проведение теоретических исследований с учетом силы сопротивления слоя материала.

Список литературы 1. Бурков А.И., Глушков А.Л. Анализ траекторий движения компонентов зернового вороха в наклонном пневмосепарирующем канале // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: Межвузовский сб. науч. тр. Киров: Вятская ГСХА, 2005. Вып. 5. С. 102-108.

2. Сысуев В.А. Алешкин А.В. Кормщиков А.Д. Методы механики в сельскохозяйственной технике. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 1997. 218 с.

3. Булдаков Д.С. Обоснование технологической схемы и основных параметров малогабаритной пневмосистемы машины предварительной очистки зерна: дис.... канд. техн. наук. Киров, 2013. 229 с.

4. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции. М.: Стройиздат, 1979. 295 с.

5. Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. (Подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов). М.: Машиностроение, 1983. 351 с.

6. Чукин В.В., Кузнецов Р.Ф., Антуганова Г.М. Угол раскрытия струи газа в плотном слое гранулированного материала // Химия и технология топлив и масел. 1970. № 1. С. 41-43.

7. Машины для послеуборочной обработки семян / Под общ. ред. З.Л. Тица. М.: Машиностроение, 1967. 447 с.

Analysis of moving process of grain material components in suction chamber of grain-cleaning machine

Glushkov A.L., PhD in engineering, senior researcher North-East Agricultural Research Institute, Kirov, Russia

Conducting of theoretical investigations of moving process of grain heap under the action of air flow and analysis of obtained trajectories of moving is necessary at design of pneumo-separating devices of grain-cleaning machines. There are two variants of calculation of moving trajectories of components: taking into account of interaction between particles and without this interaction. The aim of the given study was comparison of both variants of accounting. Process of moving of grain heap components is considered on the example of suction chamber of machine for preliminary grain cleaning MPZ-50. By results of analysis of obtained moving trajectories of grain heap components it is established that resistance force of material layer reduces shift of moving trajectories of grain heap components toward channel of main cleaning (0.005.0.007 m). Light impurities with the factor of a sail-kn=1.09 m-1 with initial conditions of particles entering the receiving chamber in x0=0 -0.025...0 m under the action of lateral air flow is removed from the separation zone through the channel in the sedimentary pre-treatment chamber of the pneumatic system of the machine MPZ -50, and impurity at x0=-0.050 m fall on the outer wall of the main channel clean and under the action of gravity slide down into grooves of the supply roller on top of the full grain, which increases the probability of their selection in the main channel clean. As to usage of first or second variant of calculation of moving trajectories than the conclusion may be accepted that for preliminary calculation of pneumo-separating devices for example, determination of location of their working parts, it is enough to consider moving process of grain heap components without accounting of resistance force of material layer that allow to simplify similar investigation significantly. Conducting of theoretic investigations with accounting of resistance force is necessary for determination of optimal parameters of working organs.

Key words: grain, light additives, grain-cleaning machine, suction chamber, load-distributing device, feeding roll, pneumo-separating channel, air flow

References

1. Burkov A.I., Glushkov A.L. Analiz traek-toriy dvizheniya komponentov zernovogo vorokha v naklonnom pnevmosepariruyushchem kanale. [Analysis of moving trajectories of grain heap components in sloping pneumo-separating channel]. Uluchshenie ekspluatatsionnykh pokazateley sel'sko-khozyaystvennoy energetiki: Mezhvuzovskiy sb. nauch. tr.. Kirov: Vyatskaya GSKhA, 2005. Iss. 5. pp. 102-108.

2. Sysuev V.A. Aleshkin A.V. Kormshchikov A.D. Metody mekhaniki v sel'skokhozyaystvennoy tekhnike. [Methods of mechanics in agricultural technik]. Kirov: NIISKh Severo-Vostoka, 1997. 218 p.

3. Buldakov D.S. Obosnovanie tekhnologiches-koy skhemy i osnovnykh parametrov malogabaritnoy pnevmosistemy mashiny predvaritel'noy ochistki zerna: dis.... kandidata tekhn. nauk. [Basing of technological scheme and main parameters of compact pneumo-system of machine for preliminary grain cleaning. PhD Thesis in engineering]. Kirov, 2013. 229 p.

4. Taliev V.N. Aerodinamika ventilyatsii. [Aerodynamics of ventilation]. Moscow: Stroyizdat, 1979. 295 p.

5. Idel'chik I.E. Aerogidrodinamika tekhnologi-cheskikh apparatov. (Podvod, otvod i raspredelenie potoka po secheniyu apparatov). [Aerohydrodynamics of technological apparatus (supply, conducting and distribution of flow on apparatus profile)]. Moscow: Mashinostroenie, 1983. 351 p.

6. Chukin V.V., Kuznetsov R.F., Antuganova G.M. Ugol raskrytiya strui gaza v plotnom sloe granulirovannogo materiala. [Apperture angle of fluid jet in solid layer of granulated material]. Khimiya i tekhnologiya topliv i masel. 1970. no. 1. pp. 41-43.

7. Mashiny dlya posleuborochnoy obrabotki semyan. [Machines for post-harvesting treatment of seeds]. Pod obshch. red. Z.L. Titsa. M.: Mashinostroenie, 1967. 447 p.

УДК 636.085.65

Режимы и параметры технологии обработки сенажа углекислым газом в условиях Республики Коми

Лобанов Александр Юрьевич, аспирант, мл. научный сотрудник, Триандафилов Александр Фемистоклович, кандидат техн. наук, доцент, директор ФГБНУ «НИИСХ Республики Коми», г. Сыктывкар, Республика Коми, Россия

E-mail: [email protected]

Заготовка кормов в Республике Коми сталкивается с множеством климатических и технических проблем. Длительность стойлового периода составляет 240 дней, в то время как заготовить корма на весь период необходимо в течение двух-трех недель в период пока их питательная ценность максимальна. Неустойчивые погодные условия в летний период увеличивают продолжительность заготовки в ущерб качеству кормов. Изношенность и низкая численность тракторного парка, в свою очередь, приводит к срыву сроков проведения отдельных операций. В данных условиях применение различных консервантов способно минимизировать последствия данных нарушений. Применение жидких химических и биологических консервантов в сельском хозяйстве Республики Коми ограничено из-за высокой стоимости, низкой эффективности и отсутствия средств механизации. Результаты исследований по консервированию силоса углекислым газом В.Н. Бакановым в 80-х годах прошлого века свидетельствовали о возможности применения газа в качестве консерванта для сенажа. В ФГБНУ «НИИСХ Республики Коми» были произведены лабораторные и полевые исследования внесения углекислого газа в сенаж с различной плотностью прессования, произведен подбор оптимальной дозы консервирующего вещества и определены технологические параметры для его внесения (расход и количество зон подачи). В результате исследований подтверждена гипотеза об эффективности диффундирования углекислого газа внутри сенажной массы, позволяющей ингибировать микробиологические процессы в сырье Исследования показали, что наиболее эффективно углекислый газ действует при заготовке сенажа плотностью 290.330 кг/м3 в дозе 0,40. 0,5010-3 м3/кг. Расход в 0,50. 0,60 м3/ч обеспечивает равномерное распределение консерванта внутри упакованного сенажа.

Ключевые слова: заготовка кормов, сенаж, консерванты, углекислый газ, протеин, кормовые единицы

Неустойчивые погодные условия в Республике Коми создают большие проблемы при заготовке высококачественного корма для крупного рогатого скота. Частые дожди в период оптимального укоса травы на корма не позволяют просушить ее до необходимой для сенажа влажности. А ведь именно сенаж является наиболее оптимальным кормом для молочного стада [1]. Так, по данным испытательной лаборатории почв, кормов, агрохими-катов, сельскохозяйственной и пищевой продукции ФГУ САА «Сыктывкарская» в 2012 г. из всех заготовленных по новой технологии кормов, лишь 34% относятся к I классу. В связи с этим для получения высококачественного корма зачастую необходимо применять консерванты ингибирующие процессы внутри травяной массы. Однако широко распространенные химические консерванты на основе муравьиной кислоты оказывают вредное кор-

розионное воздействие на рабочие органы машин для заготовки кормов, а биологические малоэффективны ввиду особенностей микробиологических процессов, протекающих внутри сенажной массы, и могут привести к силосованию заложенного на хранение корма. В связи с этим становится актуальным изучение точечной подачи не оказывающего коррозионного воздействия на агрегаты консерванта внутрь запрессованной травяной массы, способного быстро и эффективно ингибировать микробиологические процессы в период брожения [2].

Исследования в области внесения химических консервантов в травяное сырье показали, что для установившегося процесса диффузии химических элементов во влажном растительном сырье является справедливым уравнение первого закона Фика [3]:

, Cн + C ^

na = - DABF

-K

t,