Движение семян по спиралевидной поверхности пневматического скарификатора Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013

Разделив левую и правую части последнего уравнения на dSdt и учитывая уравнение (3), будем иметь:

= Р у ^

сІБ Р у сіу

1 = рУус1Ух.

(5)

Если допустить, что V, и dVx — величины одного и того же порядка V ~dVx, то:

т = р(с1Ух)2=р12(^)2.

<іу

(6)

Последняя зависимость характеризует дополнительное напряжение трения, возникающее в данном устоявшемся потоке семян из-за наличия поперечных движений отдельных семян, т.е. импульсов скорости.

Полное напряжение сил трения в данном потоке смеси будет определяться суммой, состоящей из напряжения от поступательного потока и дополнительного напряжения от импульсов:

СІУХ ,2,<ІУХ

т = ц—^ + рп-г^ ау ау

(7)

где р — плотность смеси, кр/м3 ; |1 — динамический коэффициент вязкости, кг/(м-с) .

Отсюда следует, что относительное значение каждого из членов, входящих в выражение (7), существенно зависит от местоположения участка потока, к которому это выражение применяется.

Так, вблизи стенок потока, где присутствует влияние только основных сил вязкости, первое слагаемое уравнения (7) имеет первостепенное значение. В центральной же зоне, где явление беспорядочного перемешивания семян наиболее развито, основную роль играет второе слагаемое.

Библиографический список

1. Пат. 111962 Российская Федерация, МПК А 01 С 15/04. Распределительное устройство семян / Шевченко А. П., Ко-робкин И. О. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. аг-рар. ун-т. — 2011124850 ; заявлено 17.06.2011; опубликовано 10.01.2012 // Изобретение. Полезная модель. — 2012. — № 1.

2. Лойцянский, Л. Г. Механика жидкости и газа : учеб. для вузов / Л. Г. Лойцянский. — М. : Наука, 1987. — 840 с.

3. Трофимова, Т. И. Курс физики : учеб. пособие для вузов / Т. И. Трофимова. — М. : Высшая школа, 2004. — 544 с.

ШЕВЧЕНКО Анатолий Павлович, кандидат технических наук, профессор кафедры тракторов и автомобилей, сельскохозяйственных машин. КОРОБКИН Игорь Олегович, ассистент кафедры гуманитарных, социально-экономических и фундаментальных дисциплин.

Адрес для переписки: mex2004_87@mail.ru

Статья поступила в редакцию 28.09.2012 г.

© А. П. Шевченко, И. О. Коробкин

УДК б21.3б23б А. п. ШЕВЧЕНКО

А. Н. ЛУКИН

Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина (Тарский филиал)

ДВИЖЕНИЕ СЕМЯН ПО СПИРАЛЕВИДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО СКАРИФИКАТОРА

Приведены устройство и принцип работы пневматического скарификатора, позволяющего эффективно и качественно обрабатывать семена многолетних бобовых трав. Разработана теоретическая модель движения семян по спиралевидному рабочему органу. Полученные дифференциальные уравнения позволяют обоснованно определять траекторию движения зерновки и её скорость в любой промежуток времени. Ключевые слова: скарификатор, воздушный поток, спираль, осадочная камера, траектория движения, установившееся движение.

Качество скарификации семян многолетних бобовых трав зависит от трения семян о рабочие органы скарификатора. Характер связи «семена — рабочие поверхности» определяется конструктивными и установочными параметрами рабочих органов, типом поверхности рабочих органов и скоростными характеристиками движения семян [1, 2]. Повысить качество обработки семян предложено за счет принципиально новой конструкции пневматического скарификатора [3]. Схема пневматического ска-

рификатора представлена на рис. 1. Предлагаемый скарификатор работает следующим образом.

Семена загружаются в бункер 4, включается электропривод 1 с вентилятором 2, затем запорно-дозирующим устройством 5 устанавливают подачу семян в питающий патрубок 3, который установлен тангенциально в корпусе, где они подхватываются воздушным потоком и поступают в скарифицирующий канал, образованный днищем диска 7, витками спирали 8 и крышкой 13 корпуса 6. Семена, попадая

на периферию диска 7, воздушным потоком прижимаются к стенкам канала и перемещаются к центру диска 7. При этом подвергаются скарификации путем нанесения царапин о шероховатую поверхность спирали 8 и диска 7 на твердую оболочку и создания тем самым возможности проникновения к зародышам влаги и воздуха. Дойдя до центра диска, семена попадают через выходное отверстие 9 в осадочную камеру 10, где за счет ее расширения воздушный поток уменьшает свою скорость и проскарифици-рованные семена через выходное отверстие 12 осадочной камеры 10 поступают в упаковочную тару. Менее ценные семена и более крупные примеси удаляются через отверстие 11.

Рассмотрим относительное движение зерновки М по шероховатой поверхности скарификатора (рис. 2). На частицу действуют сила тяжести — тд (т — масса частицы, д — вектор ускорения свободного падения, д — 9,81 м/с ), нормальная реакция — N сила сопротивления движению — Fm и сила сопротивления воздуха — Fв.

Рассмотрим действие сил в плоскости. Для того, чтобы зерновка двигалась необходимо соблюсти следующее условие:

(1)

Представим уравнение 1 в развернутом виде, при этом учтем что:

Д-^ч-Рв-Ув2

8

(2)

где кс — коэффициент сопротивления; р — плотность воздуха, кг/м3;

Vв — скорость воздушного потока относительно частицы, м/с.

ёч — средний диаметр зерновки, м.

Средний диаметр зерновки определяется как:

йч=ЩГ-Ь ,

где: I — длина зерновки, м; t — толщина зерновки, м;

Ь — ширина зерновки, м.

Зная, что

Р*.= Л-/.

(3)

Рис. 2. Силы, действующие на зерновку

По рис. 2 реакция опоры N выразится как:

N = тч ■ д. (5)

Масса зерновки определиться:

л,’

2

я*с?ч -рч

Тогда условие 1 примет вид:

8 6

После преобразования получим:

Ув> 0,75

£ІЧ • <7 • / рч

К Р в

(6)

^я-<*?-рд-Уд2 >я ^-р„ д { (7)

(8)

(4)

Анализ данного выражения позволяет сделать выводы о том, что для движения зерновки необходимо преодолеть силы трения, которые зависят от материала, также чем плотнее зерновка, тем необходима большая скорость потока.

При входе в спиральный канал на зерновку начинают действовать дополнительные силы, такие как центробежная и реакция боковой стенки, что показано на рис. 3.

Составим уравнение равновесия зерновки в координатах осей XOZ:

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

107

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013

\охрч-ыц=о

\о¥Рш-Рв= О IОг Nm-пгgr = 0.

Далее преобразуем:

2 __ П-С^-рч-(О2-Г _ К-С^ -рч V2

61

(9)

(10)

ох к-ач Рч уч -и =0 6 г 4

OYN■f-kr^^^- = 0

8

я с1ч рч

дг = 0.

(11)

71-^ -рч-Уч2 От

Тогда сила трения F определится как:

F = N • / - N • /

1 т 1уц 1 т .

(12)

(13)

(14)

_Мц=0

8

К‘(1ц -рч

д = о.

(17)

Подставим развернутые формулы центростремительного ускорения — Fц (10) и массы зерновки т (6) в выражение 9:

Радиус спирали — переменное значение, поэтому применим термин мгновенный радиус, то есть радиус в данный момент времени. На рис. 4 представлены геометрические параметры спирали.

Как видно из рис. 4, мгновенный радиус определится как:

(18)

Из выражения 11 реакции опоры N выразятся

где го — начальный радиус спирали, м;

Л — ширина канала, м; а — толщина стенки, м;

Ь — межвитковое расстояние, м; а — угол поворота спирали, °.

Анализ выражений 17 и 18 позволяют сделать вывод о том, что по мере приближения к центру все большее значение будет приобретать центростремительная сила Fц, поэтому стенки спирали также необходимо выполнять из фрикционного материала.

Далее произведем вывод дифференциальных уравнений движения зерновки по шероховатым поверхностям скарификатора. В выражении 17 отбросим проекции на оси ОХ и OZ, согласно 2-му закону Ньютона приравняем левую часть выражения к произведению массы на ускорение — тча:

Подставив выражения 12 и 13 в выражение 14, получим:

_71-^-Рч-У2 Л-^-р„

ш Ът 6 У .

(15)

После преобразования выражение 15 сила трения F определится как:

Д» =

ТЕ • (1ц ■ Рч

V?

—+д

Г

/.

(16)

Подставим все преобразования в выражение 11 и получим:

Я-Д?-Рв ув Рч

8

Уч

—+д

Г

■1 = тча. (19)

Далее перенесем массу зерновки в левую часть тч и получим ускорение зерновки:

2 2

0,75кс^2-^в— (^- + 5г)/ = а. (20)

(1Ч рч г

Вынесем скорость воздуха V за произведение:

о 0,75кс рв Уч , , V;—-^^-(-5-+д)-/ = а.

ч Рч 1

В начальный момент времени Vч=0, тогда ускорение зерновки будет равно:

у29^Р^_д.ґ = а.

(22)

с!ч рч

Далее определим скорость движения зерновки: у = у0+(ув2^^^-(^+6гНК+С1. (23)

“ч Рч 1

Раскроем скобки:

У = У0+Ув2(^^^_(^ + сг()./ + с1. (25) сгч рч г

Проинтегрируем уравнение 24:

—=+ ^сг() - г+с2. (26)

с?£ с1ч рч г

Постоянные интегрирования С^, С2 при t = 0 и х=0 равны С1 = 0, С2=0, следовательно, закон движения единичной зерновки примет вид:

х = У0^ + УДУ °'375кс Рв._+ м!)./ . (27)

0 в с1ч Рч 2г 2 ' ' '

Анализ уравнений 24 и 26 позволяет сделать вывод о том, что с увеличением скорости движения

зерновки увеличивается сила трения. Следовательно, для качественной скарификации необходима определённая скорость потока и шероховатость рабочей поверхности.

Библиографический список

1. Лойцянский, Л. Г. Механика жидкости и газа : учеб. для вузов / Л. Г. Лойцянский. — М. : Наука, 1987. — 840 с.

2. Детлаф, А. А. Курс физики : учеб. пособие для втузов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский, Л. Б. Милковская. — М. : Высшая школа, 1973. — 384 с.

3. Патент на полезную модель 111958 РФ, МПК А 01 С 1/00. Скарификатор / Шевченко А. П., Вербовский А. В., Лукин А. Н. (РФ). - 2011 2011124427/13 ; заяв. 16.06.2011 ; опуб. 10.01.2012 // Изобретение. Полезная модель. — 2012. — № 1

ШЕВЧЕНКО Анатолий Павлович, кандидат технических наук, профессор кафедры тракторов и автомобилей, сельскохозяйственных машин.

ЛУКИН Александр Николаевич, ассистент кафедры тракторов и автомобилей, сельскохозяйственных машин.

Адрес для переписки: cany_l@mail.ru

Статья поступила в редакцию 08.10.2012 г.

© А. П. Шевченко, А. Н. Лукин

УДК 681.51(075)+533.665(075) Д. Б. ЯКОВЛЕВ

Омский государственный технический университет

К ВОПРОСУ

О ВЫБОРЕ СХЕМЫ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

В статье проведен анализ основных схем жидкостной ракетной двигательной установки (ЖРДУ) с насосной системой подачи топлива. Критерием оптимизации выбран максимальный удельный импульс тяги. Результаты могут быть полезны специалистам, занимающимся разработкой ЖРДУ.

Ключевые слова: жидкостная ракетная двигательная установка, насосная система подачи, удельный импульс тяги.

Многообразие полетных задач, эксплуатационных параметров и технических характеристик летательных аппаратов (ЛА) определяет многообразие типов и схем двигательных установок (ДУ), которые могут отличаться видом применяемого топлива, способом его подачи, а также условиями эксплуатации. Кроме того, полетные задачи могут иметь различные критерии оптимизации (точность вывода ЛА на орбиту, минимум времени вывода на орбиту, максимум полезной нагрузки и др.) при различных ограничениях (минимум стартовой массы и/или габаритных размеров, минимум времени предстартовых операций и др.). Таким образом, полная информация о параметрах ЛА, полетных задачах, критериях оптимизации и накладываемых ограничениях является техническим заданием для разработчика на создание конкретной ДУ.

Разработка и проектирование двигательных установок основывается на тщательном анализе прототипов ДУ, оценке их сходства и различия с техническим заданием, возможности внесения в их состав таких изменений, которые способны улучшить свойства и характеристики вновь разрабатываемых ДУ. Существенную помощь разработчику может оказать применение системного подхода к анализу и синтезу состава ДУ как к сложной технической системе.

К основным общим свойствам жидкостной ракетной двигательной установки (ЖРДУ) как сложного технического комплекса относятся [1]:

1) композиционная сложность состава ЖРДУ, в которой тесно взаимодействуют между собой две системы — пневмогидравлическая система (ПГС) и система управления (СУ) процессом ее функционирования;

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ