CC BY
9УДК 631.352.99
АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУХА ВНУТРИ КОЖУХА БОТВОУДАЛЯЮЩЕГО РАБОЧЕГО ОРГАНА С ОБОСНОВАНИЕМ ОПТИМАЛЬНОГО УГЛА НАКЛОНА НОЖЕЙ
ФРОЛОВ Дмитрий Иванович, канд. техн. наук, доцент кафедры пищевых производств, surr@ bk.ru
КУРОЧКИН Анатолий Алексеевич, д-р техн. наук, профессор кафедры пищевых производств, anatolii_kuro@mail.ru
ШАБУРОВА Галина Васильевна, канд. техн. наук, доцент кафедры пищевых производств, shaburovs@mail.ru
Пензенский государственный технологический университет, г. Пенза
КАШИРИН Дмитрий Евгеньевич, д-р техн. наук, зав. кафедрой « Электроснабжение», Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева, kadm76@ mail.ru
Целью работы являлась разработка математической и компьютерной модели процесса движения воздуха внутри кожуха ботвоудаляющего рабочего органа с обоснованием оптимального угла наклона ножей. Анализ процесса движения воздуха внутри кожуха ботвоудаляющего рабочего органа производили с использованием современной расчетной компьютерной программы SolidWorksFlowSimulation, которая предназначена для проведения газо- и гидродинамического анализа в среде SolidWorks. В работе представлен анализ процесса движения воздуха внутри кожуха ботвоудаляющего рабочего органа. С учетом допустимых упрощений разработаны математическая и компьютерная модели процесса движения воздуха внутри кожуха ботвоудаляющего рабочего органа. В результате проведенного анализа процесса движения воздуха внутри кожуха ботвоуда-ляющего рабочего органа было установлено влияние угла установки ножей на скоростные характеристики воздушного потока. Построенные математическая и компьютерная модели работы ботвоудаляющего рабочего органа позволили установить (при различных углах установки ножей): распределение и траектории потоков скоростей в продольной плоскости внутри ботвоудаляю-щего рабочего органа; визуализацию векторов скоростей с распределением относительных давлений в горизонтальной плоскости; визуализацию линий тока скоростей воздуха в вертикальной плоскости.Получены оптимальные конструктивные (ширина ножа - 120 мм; длина ножа - 250 мм; угол установки ножей - 45 градусов; расстояние от поверхности поля до кожуха - 100 мм; диаметр кожуха - 280 мм; ширина ботвоотводящего окна - 90 мм) и режимные (угловая скорость вращения ножей 178 рад/с) параметры ботвоудаляющего рабочего органа, позволяющие повысить качество уборки листостебельной массы за счет интенсификации воздушного потока внутри кожуха.
Ключевые слова: ботвоудаляющий орган, листостебельная масса, ботва лука, воздушный поток.
Введение
Качество работы теребильных машин существенным образом зависит от готовности поля к проведению уборки. Как показали исследования, на начало уборки засоренность полей в большинстве случаев достигает 60...70 %, а высота сорных растений при этом доходит до 50 см. Объясняется это тем, что продолжительность периода между последней обработкой посевов гербицидами и началом уборки может достигать две-три недели, что приведет к весьма заметному росту сорных растений [1].
При уборке машинами теребильного типа, если поле предварительно не было подготовлено, происходит забивание вращающихся элементов теребильного аппарата, что приводит к снижению производительности машины, поломке, и увеличению количества остановок для очистки [2, 3]. В связи с этим возникает необходимость удаления сорной растительности перед уборкой.
Для решения проблемы удаления сорной растительности перед уборкой была разработана конструкция и изготовлен макетный образец бот-
воудаляющего устройства для удаления листостебельной массы перед уборкой лука [4].
Чтобы получить оптимальные конструктивные параметры ботвоудаляющего рабочего органа и оптимизировать воздушный поток внутри кожуха для повышения качества уборки ботвы лука необходимо построить математическую и компьютерную модели процесса.
Целью работы являлась разработка математической и компьютерной модели процесса движения воздуха внутри кожуха ботвоудаляющего рабочего органа с обоснованием оптимального угла наклона ножей.
Объект и методика исследований Анализ процесса движения воздуха внутри кожуха ботвоудаляющего рабочего органа производили с использованием современной расчетной компьютерной программы SolidWorksFlowSimulation, которая предназначена для проведения газо- и гидродинамического анализа в среде SolidWorks.
Пакет программы предлагает широкий спектр возможностей конечно-элементного анализа, на-
© Фролов Д. И., Курочкин А. А., Шабурова Г. В., Каширин Д. Е. 2015г.
чиная от простого линеиного стационарного анализа и заканчивая комплексным нелинейным анализом переходных процессов. Наличие в программе FlowSimulation конечных элементов для моделирования аэродинамики дает возможность применения численных методов для определения параметров потока, давления воздуха в изучаемой области.
Для моделирования турбулентного движения используются уравнения неразрывности, позволяющие вычислить общее давление, скорость потока и функции потока для движущейся среды изучаемого объекта.
Программа реализует раздельный последовательный алгоритм, который позволяет для каждой степени свободы (давления, скорости и т. д.) получить раздельное решение системы матриц, полученных при конечноэлементной дискретизации основного уравнения. В исследуемом объекте задача течения воздуха нелинейная и основные уравнения связаны между собой, поэтому.после-довательное решение уравнений с обновлением зависящих от давления параметров составляет глобальную итерацию. При этом количество глобальных итераций для достижения сходящегося решения может значительно варьироваться в зависимости от решаемой задачи.
Для моделирования вращения рабочего органа использовали вращающуюся область (Rotatingregion). Обычно ее используют для вычисления потока через вращающиеся компоненты модели (вентиляторы, рабочие колёса, миксеры и т.д.), окружённые неподвижными телами и компонентами, когда нельзя применить глобальную вращающуюся систему координат. Например, локальная вращающаяся область может быть использована при исследовании потока текучей среды в модели с несколькими компонентами, вращающимися вокруг разных осей и/или с разной скоростью, или если искомая область имеет несимметричную (по отношению к вращающемуся компоненту) внешнюю границу раздела твёрдой / текучей среды.
Система уравнений для решения задачи по анализу и оптимизации воздушного потока внутри кожуха ботвоудаляющего рабочего органа методом конечных объемов в декартовой системе координат представлена в виде системы уравнений (1).
8[ дх ду
8(ри) | | д(р) | др _ 5па | аггф
дt дх ду дх дх д}>
д(ру) | д(]у) | эру) | др _ дПху | дП}у
дг дх ду ду дх ду
дЕ 50аиуН) дqx дд.
— и--—-и--£----;
дг дх д\> дх
(1)
ду
- давление; х, у, - система координат; Е - полная энергия единицы объема; Н- полная удельная энтальпия; П - компоненты тензора вязких напряжений.
В приведенной системе первое выражение является уравнением непрерывности (неразрыв-ности).Второе и третье уравнения описывают движения сплошной среды. Последнее уравнение в аналитической форме выражает закон сохранения энергии.
н ' '/■ Рю
Система уравнений (1) дополняется законом сохранения момента импульса (2):
(2)
где х - координатная составляющая, р. -
портер тензор Р е - базис.
Разработанная компьютерная модель процесса движения воздуха внутри кожуха ботвоудаляю-щего рабочего органа (рис. 1) учитывает такие параметры воздушного потока как его скорость (м/с); давление (Па), а также завихренность (1/с).
Начальные параметры приняты следующими: статическое давление - 101325 Па; температура -20 °С; типы течения - ламинарное и турбулентное.
При моделировании учитывались только факторы воздушного потока, без учета срезаемой ли-стостебельной массы.
Исходные данные модели для расчета: ширина ножа - 120 мм; длина ножа - 250 мм; угол установки ножей - 30, 45, 60 градусов; расстояние от поверхности поля до кожуха - 100 мм; диаметр кожуха - 280 мм; угловая скорость вращения - 78 рад/с (1700 об/мин); ширина ботвоотводящего окна - 90 мм [5].
Результаты и их обсуждение
В результате проведенного конечно-элементного анализа в FlowSimulation были получены результаты распределения потоков скоростей в пространстве (рис. 2) внутри ботвоудаляющего рабочего органа при различных углах установки ножей 30, 45 и 60 градусов. Расчетная сетка: все ячейки - 20542, ячейки в текучей среде - 10487.
где и ,у - проекции скорости потока на оси координат; р - плотность газа; у- плотность потока;
Рис. 1 - 3D-модель ботвоудаляющего рабочего органа: 1 - кожух; 2 - ножи
Рис. 2 - Распределение и траектории потоков скоростей внутри ботвоудаляющего рабочего органа при различных углах установки ножей а) 30, б) 45, в) 60 град
На рисунке 3 изображены визуализация траекторий скоростей в вертикальной плоскости при различных углах установки ножей.
Рис. 3 - Распределение и траектории потоков скоростей в вертикальной плоскости внутри ботвоудаляющего рабочего органа при различных углах установки ножей а) 30, б) 45, в) 60 град
Рис. 4 - Визуализация векторов скоростей с распределением относительных давлений в горизонтальной плоскости при различных
углах установки ножей а) 30, б) 45, в) 60 град
Анализируя данное распределение скоростей воздушного потока в пространстве внутри кожуха, можно сделать вывод, что максимальная скорость потока наблюдается при угле установке ножей 45 градусов, причем усиливается завихренность потока вследствие его отражения от стенок кожуха.
На рис. 4 изображены визуализация векторов скоростей с распределением относительных давлений в горизонтальной плоскости отстоящей от поверхности земли на расстоянии 120 мм.
Как видно из представленных результатов моделирования, относительное давление при угловой скорости вращения 178 рад/с и углах установки ножей 45 и 60 градусов распределено более равномерно в сечении, а при 30 градусах происходит образование воронки завихрения с увеличением давления по периферии и понижением к ее центру.
При вращении рабочего органа ботвоудаляю-щего устройства под ним создается разрежение и поток воздуха, направленный от земли. Этот поток воздуха втягивает лежащую листостебель-ную массу, т. е. силовое взаимодействие потока воздуха с листостебельной массой сводится к одной силе лобового сопротивления, при этом эта
сила совпадает с направлением течения воздуха. Одновременно с создаваемым рабочим органом разрежением через щель между кожухом и землей всасывается воздух и образуется неравномерное поле скоростей в набегающем потоке воздуха, при этом на листостебельную массу начинает действовать еще подъемная сила и аэродинамический момент, которые способствуют поднятию листостебельной массы и подвода ее в зону резания ножей.
Элементы ножей, находящиеся на различных расстояниях от вала, вращаются с неодинаковыми скоростями. Вследствие этого ножи с по-
Как видно из таблицы 1 с возрастанием угла установки ножей рабочего органа возрастают средняя скорость потока воздуха. Максимальная скорость потока воздуха имеет максимальное значение при угле установке ножей 45 градусов, при 30 и 60 градусах она примерно одинакова. При угле 45 градусов разность относительных давлений максимальна в сравнении с другими значениями углов, также наблюдается минимальное значение относительного давления, что способствует увеличению завихренности потока воздуха, создавая необходимое разрежение для подъёма листо-стебельной массы. Негативным фактором повышения разрежения является подъем мельчайших частиц почвы и налипание ее на рабочий орган, что приводит к уменьшению скольжения срезанной массы по ножам и налипанию и наматыванию ее на рабочий орган.
Для анализа траекторий потока воздуха с распределением скоростей в горизонтальной плоскости при различных углах установки ножей 30, 45, 60 градусов были получены визуализации (рис. 4). По данным визуализациям видно, что при углах установки ножей 30 и 60 градусов возникает вихрь, что не способствует равномерному удалению листостебельной массы, а при угле 45 градусов распределение траекторий потока воздуха и скоростей более равномерно.
¡1
а)
стоянной шириной и углом наклона создают разрежение, изменяющееся по длине ножей. Это приводит к радиальным перемещениям воздуха и срезанной листостебельной массы в проточной полости ножей и отвода, что способствует откидыванию срезанной листостебельной массы к ботво-отводящему окну и укладки ее на междурядье [6].
В результате моделирования были получены следующие расчетные величины при различных углах установки ножей 30, 45 и 60 градусов: средняя скорость потока воздуха, максимальная скорость потока воздуха, относительное давление, завихренность потока воздуха (табл. 1).
6)
|
в)
Рис. 5 - Визуализация векторов скоростей с их распределением в горизонтальной плоскости при различных углах установки ножей а) 30, б) 45, в) 60 град
Были получены визуализации линий тока скоростей воздуха при различных углах установки ножей в горизонтальной (рис. 5) и вертикальной (рис. 6) плоскости. Из визуализации видно, что скорость потока на входе распределена неравномерно и имеет тенденцию на повышение у середин ножей, а понижение у вала и периферийной части ножей.
Оптимальный диапазон скоростей потока воздуха наблюдается у рабочего органа с расположе-
Таблица 1 - Влияние угла установки ножей на скоростные характеристики воздушного потока
Угол установки ножей, град Средняя скорость потока воздуха, м/с Максимальная скорость потока воздуха, м/с Относительное давление, Па Завихренность потока воздуха, 1/с
тт тах тт тах
30 1,444 4,857 -13,18 4,67 7,642 3107,353
45 1,774 5,146 -17,25 1,12 13,399 2519,960
60 2,129 4,828 -11,45 1,35 8,524 2280,311
нием ножей под углом 45 градусов.что подтверждает достоверность предыдущих результатов [7, 8].
Рис. 6 - Визуализация линий тока скоростей воздуха в вертикальной плоскости при различных углах установки ножей а) 30, б) 45, в) 60 град
Заключение
В результате проведенного анализа процесса движения воздуха внутри кожуха ботвоудаляю-щего рабочего органа было установлено влияние угла установки ножей на скоростные характеристики воздушного потока. Построенные математическая и компьютерная модели работы ботвоуда-ляющего рабочего органа позволили определить траектории движения, скорость, относительное давление воздушного потока внутри кожуха.
Установлена адекватность компьютерной модели, которая позволяет провести дальнейшие расчеты по оптимизации ботвоудаляющего рабочего органа компьютерными средствами моделирования.
Получены оптимальные конструктивные (ширина ножа - 120 мм; длина ножа - 250 мм; угол установки ножей - 45 градусов; расстояние от поверхности поля до кожуха - 100 мм; диаметр кожуха - 280 мм; ширина ботвоотводящего окна -90 мм) и режимные (угловая скорость вращения ножей 178 рад/с) параметры ботвоудаляющего рабочего органа с оптимизацией воздушного потока внутри кожуха, что позволит повысить качество уборки листостебельной массы.
Список литературы
1. Ларюшин, Н. П. Оптимальные параметры ботвоудаляющего рабочего органа обрезчика листостебельной массы [Текст] / Н. П. Ларюшин, А. М. Ларюшин, Д. И. Фролов // Тракторы и сельхозмашины. - 2010. - № 2. - С. 15-17.
2. Ларюшин, Н. П. Уборка без задержек [Текст] / Н. П. Ларюшин, А. М. Ларюшин, Д. И. Фролов // Сельский механизатор. - 2007. - № 7. - С. 48-49.
3. Фролов, Д. И. Разработка обрезчика ботвы лука и сорных растений с обоснованием конструктивных и режимных параметров [Текст] : дис. ... канд. техн. наук : 05.20.01/ Фролов Дмитрий Иванович. - Пенза, 2008. - 153 с.
4. Фролов, Д. И. Разработка обрезчика ботвы лука и сорных растений с обоснованием конструктивных и режимных параметров [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.20.01/ Фролов Дмитрий Иванович. - Пенза, 2008. - 18 с.
5. Фролов, Д. И. Обоснование оптимальной частоты вращения рабочего органа ботвоудаляю-щей машины [Текст] / Д. И. Фролов, А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2013. - № 3. - С. 18-23.
6. Ларюшин, Н. П. Обоснование конструктивно-режимных параметров ботвоудаляющего устройства при лабораторных исследованиях [Текст] / Н. П. Ларюшин, А. М. Ларюшин, Д. И. Фролов // Нива Поволжья. - 2008. - № 2 (7). - С. 46-51.
7. Фролов, Д. И. Обоснование рациональных параметров ботвоудаляющей машины на посевах лука [Текст] /Д. И. Фролов, С. В. Чекайкин // XXI век : итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2014. - № 6 (22). - С.158-161.
8. Фролов, Д. И. Моделирование процесса удаления ботвы лука рабочим органом ботвоу-даляющей машины [Текст] / Д. И. Фролов, А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова // Известия Самарской ГСХА. - 2014. - № 3.- С. 29-33.
ANALYSIS OF THE MOTION AIR INSIDE THE HOUSING HAULM REMOVING WORKING BODIES WITH JUSTIFICATION THE OPTIMUM ANGLE BLADES
Frolov Dmitrij I.,Cand. technical sciences, the senior lecturer of chair «Food productions», surr@bk.ru Kurochkin Anatoliy A., Doctor technical sciences, the professorof chair «Food productions», anatolii_ kuro@mail.ru
Shaburova Galina V., Cand. technical sciences, the senior lecturer of chair «Food productions», shaburovs@mail.ru Penza State Technological University
Kashirin Ditriy E., Doctor technical sciences, Associate Professor, Chair of Faculty "Electric Supply", Ryazan State Agrotechnological University Named after P.A. Kostychev, kadm76@mail.ru
The aim is to develop a mathematical and computer models of the process of movement of air within the enclosure haulm removing working body substantiating the optimum angle blades. Analysis of the movement of air within the enclosure haulm removing working body produced using modern computational software program SolidWorksFlowSimulation, which is designed for gas and hydrodynamic analysis in the environment SolidWorks. The paper presents an analysis of the movement of air within the enclosure haulm removing working body. Taking into account the admissible simplifications developed mathematical and computer models of the process of movement of air within the enclosure haulm removing working body. The analysis of the process of movement of air within the enclosure haulm removing working body was found the influence of the angle of installation of knives on speed characteristics of the air flow. Constructing mathematical models and computer work haulm removing working body allowed to establish (at various angles of installation knives): distribution and velocity trajectories of flows in the longitudinal plane inside haulm removing working body; visualization of the velocity vectors with the distribution of relative pressures in the horizontal plane; visualization streamlines air velocities in a vertical plane. The optimal design (blade width - 120 mm; length of the knife - 250 mm; installation angle of blades - 45 degrees, the distance from the field to the housing -100 mm shell diameter -280 mm; width haulm removing windows - 90 mm) and regime (corner the rotation speed of the blades 178 rad / sec) parameters haulm removing working body that improve the quality of cleaning cormophyte mass due to the intensification of the air flow inside the housing.
Key words:haulm removing body, cormophyte mass, onion tops, air flow.
Literatura
1. Laryushin, N. P. Optimal parameters of top removing working member of cutter for leaf-and-stalk mass /N. P. Laryushin, A. M. Laryushin, D. I. Frolov// Tractors and agricultural machines. -2010. - №2. -P. 15-17.
2. Laryushin, N. P. Cleaning without delay / N. P. Laryushin, A. M. Laryushin, D. I. Frolov // Rural machine operator. -2007. - №7. -P. 48-49.
3. Frolov, D. I. Development of cutter error is tops of onions and weeds with substantiation of constructive and operational parameters: dissertation of the candidate of technical sciences: 05.20.01 / Frolov Dmitry Ivanovich. - Penza, 2008. - 153 p.
4. Frolov, D. I. Development of cutter error is tops of onions and weeds with substantiation of constructive and operational pa-rameters: candidate of technical sciences dissertation author's abstract: 05.20.01 / Frolov Dmitry Ivanovich. - Penza, 2008. - 18 p.
5. Frolov, D. I. Substantiation of the haulm removing machine operating element rotation optimum frequency / D. I. Frolov, A. A Kurochkin, G. V. Shaburova // Bulletin of the Samara State Academy of Agriculture. - 2013.
- №3. - P. 18-23.
6. Laryushin, N. P. Substantiation of constructively operation characteristic plant-top removing machine by laboratory research / N. P. Laryushin, A. M. Laryushin, D. I. Frolov // NivaPovolzhya. - 2008. - № 2 (7). - P. 46-51.
7. Frolov, D. I. Reasoning effective parameters of the haulm removing machine on sowings of the onion / D. I. Frolov, S. V. Chekaykin //XXI century: the results of past and present problems plus. 2014.- №06 (22) .-P.159-162.
8. Frolov, D. I. Modeling the process to removing tops onions Of the haulm removing machine operating element / D. I. Frolov, A. A. Kurochkin, G. V. Shaburova // Bulletin of the Samara State Academy of Agriculture.
- 2014. - №3.- P. 29-33
УДК 621.8:004.9
ТЕХНОЛОГИЯ ЦИФРОВЫХ ПРОТОТИПОВ В РЕШЕНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
КРАВЧЕНКО Андрей Михайлович, д-р техн. наук, профессор кафедры "Строительство инженерных сооружений и механика", Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева, kam@62.ru.
В статье представлен опыт использования технологии цифровых прототипов, основанной на твердотельном цифровом моделировании объектов научно-технической и учебной деятельности в условиях современного вуза при обучении по техническим кафедрам.
Ключевые слова: САПР, машиностроение, детали машин, проектирование, архитектура
Введение шиностроения невозможно без применения со-
Качественное выполнение государственного временных информационных технологий для заказа на подготовку научно-технических специ- решения задач проектирования и инженерного алистов в области эксплуатации продукции ма- анализа изделий машиностроения: транспорт_© Кравченко А. М.,2015г_
