CC BY
20
Оригинальная статья / Original article УДК: 631.331.5
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-11-110-118
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНО-ТРАНСПОРТИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ПОСЕВНОГО АГРЕГАТА
© Д.В. Синёнков1, С.Б. Дёмин2
Пензенский государственный технологический университет, 440039, Россия, г. Пенза, пр. Байдукова/ ул. Гагарина, 1 а/11.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Разработка математической модели пневматической распределительно-транспортирующей системы (РТС) посевного агрегата и ее расчетной схемы, так как при создании новых видов посевных агрегатов актуальны исследования параметров пневматической РТС. МЕТОДЫ. Одним из наиболее эффективных методов исследования является метод математического моделирования, позволяющий, не прибегая к сложному и затратному физическому эксперименту, получить большой объем вычислительных данных об изучаемом объекте. РЕЗУЛЬТАТЫ. Представлены данные исследования производительности РТС посевного агрегата с использованием метода математического моделирования по его уточненной математической модели. Приведена расчетная схема, позволяющая оценить влияние основных параметров среды на производительность посевного агрегата по математической модели в диапазоне заданной нормы посева. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Предложенная математическая модель производительности РТС посевного агрегата отличается от известных математических моделей повышенной точностью за счет учета большего числа параметров, влияющих на качество транспортирования семенного материала. В результате появляется возможность выбора параметров РТС посевного агрегата при заданной норме посева при проектировании РТС.
Ключевые слова: распределительно-транспортирующая система, математическое моделирование, сельскохозяйственная культура, производительность.
Формат цитирования: Синёнков Д.В., Дёмин С.Б. Математическое моделирование производительности распределительно-транспортирующей системы посевного агрегата // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 11. С. 110-118. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-11-110-118
MATHEMATICAL MODELING OF SEEDER DISTRIBUTION CONVEYOR SYSTEM PERFORMANCE D.V. Sinenkov, S.B. Dеmin
Penza State Technological University, 1 a/11, Baidukov pr./Gagarin St., Penza, 440039, Russia.
ABSTRACT. The PURPOSE of the article is to develop a mathematical model of pneumatic distribution conveyor system (DCS) of a seeding unit and its design scheme, since the studies of pneumatic DCS parameters are relevant when designing new types of seeding units. METHODS. One of the most effective research methods is the method of mathematical modeling that allows to obtain a large amount of computational data about the object under investigation without complicated and costly physical experiment. RESULTS. The article presents the research data on seeder DCS performance obtained with the use of the method of mathematical modeling by its refined mathematical model. The design scheme enabling the evaluation of the effect of main environmental parameters on seeder performance by the mathematical model in a given range of seeding rates is provided. CONCLUSION. The proposed mathematical model of seeder DCS performance differs from the known mathematical models by enhanced accuracy since it takes into account a larger number of parameters affecting seed conveyance quality. As a result, there is a possibility to select the parameters of the seeder DCS at a given rate of sowing when designing the DCS. Keywords: distribution conveyor system, mathematical modeling, crop, performance
For citation: Sinenkov D.V., Demin S.B. Mathematical modeling of seeder distribution conveyor system performance. Proceedings of Irkutsk State Technical University. vol. 20, no. 11, pp. 110-118. DOI: 10.21285/1814-35202016-11-110-118
Синёнков Дмитрий Валерьевич, аспирант, e-mail: [email protected] Sinenkov Dmitriy, Postgraduate, e-mail: [email protected]
2Дёмин Станислав Борисович, доктор технических наук, профессор кафедры физики, e-mail: [email protected] Demin Stanislav, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Physics, e-mail: [email protected]
Введение
Посев - одна из начальных операций в технологической цепи выращивания сельскохозяйственных (с/х) культур. И от того, насколько совершенны все конструктивные элементы посевного агрегата, будет во многом зависеть успешное проведение этой операции, а также последующий урожай.
При проектировании посевных агрегатов большое внимание уделяется распределительно-транспортирующей системе (РТС), в том числе с воздушным транспортным потоком (пневматическая РТС), от качества работы которой зависят точность подачи семенного материала к сошникам и надежность работы агрегата в целом. В пневматических РТС используются многие характеристики воздуха. Так, с помощью потоков воздуха возможен точный по коли-
честву отбор качественных семян с/х культуры из бункера, транспортирование семян не только вертикально вверх, но и в других направлениях на нужное расстояние и место, придание семенам соответствующей скорости, что необходимо для обеспечения надежного контакта семян с почвой и т.д. [1, 2]. В нашей стране и за рубежом работа по совершенствованию РТС посевных агрегатов направлена на повышение эффективности в получении урожая с/х культур, особенно в дотационных районах с низкой природной урожайностью [3].
Актуальность данного исследования обусловлена созданием новых видов посевных агрегатов для более качественного и высокопроизводительного посева, а также недостаточностью изучения вопросов равномерности подачи зерен к сошникам.
Методы, результаты и их обсуждение
Анализ современных посевных агрегатов. На рис. 1 приведена классификация известных пневматических РТС посевных агрегатов. Основным классификационным признаком здесь является спо-
соб посева с/х культуры. На этом основании пневматические РТС могут создаваться с индивидуальной, групповой и общими одно- и двухступенчатыми схемами посева.
Рис. 1. Известные схемы пневматических РТС посевных агрегатов Fig. 1. Known circuits of pneumatic DCS of seeding units
Результат анализа современных технических и технологических решений, направленных на улучшение качества посева, показывает, что ряд из них позволяет повысить поперечную и продольную равномерность посева. Однако при этом могут возникать негативные моменты, связанные, например, с повреждением семян, избыточным усложнением конструкций элементов РТС и др. [4, 5].
Для повышения качества посева культуры, снижения ее возможного частичного механического повреждения и устранения «заторов» при транспортировании по каналам РТС посевного агрегата целесообразно применять пневматические РТС по одноступенчатой схеме. Благодаря меньшей длине каналов транспортирования семенного материала, небольшого количества сгибов по каналам РТС и ударов о стенки транспортных каналов снижается вероятность механического повреждения зерен с/х культуры.
В основу теоретического исследования пневматических РТС посевного агрегата по заданной схеме примем метод математического моделирования, позволяющий, не прибегая к сложному и затратному физическому эксперименту, получить большой объем вычислительных данных об исследуемом объекте.
Моделирование производительности одноступенчатой пневматической РТС посевного агрегата по заданной схеме. Теоретические и экспериментальные исследования известных схем пневматических РТС посевных агрегатов сельскохозяйственных культур приведены в работах3,4 [6], положенных в основу данного исследования.
На рис. 2 представлена оригинальная схема пневматической РТС посевного
агрегата, состоящая из шнекового питателя и цилиндрической камеры смешивания (ЦКС) с распределителем и семяпроводами. Для транспортирования культуры здесь необходим воздушный поток, перемещающий ее из шнекового питателя в ЦКС и в семяпроводы, а далее - в борозды. В ЦКС посевной материал перемещается с потоком воздуха, образуя предположительно однородную аэросмесь.
Для проведения математического моделирования данной схемы пневматической РТС примем следующие ограничения.
Для математической модели пневматической РТС по заданной схеме:
- зерна посевной культуры близки к форме шара й >> = 6-10 мм;
- семяпроводы равной длины, и их суммарная площадь соизмерима с площадью поперечного сечения ЦКС;
- скорость движения и плотность аэросмеси во всем объеме ЦКС равномерная;
- вращение зерен с/х культуры при движении не происходит;
- удары зерен семенного материала о стенки ЦКС и семяпроводов со скольжением отсутствуют;
- изменение физических свойств с/х культуры в процессе транспортирования не происходит.
С учетом рассмотренных ограничений математическая модель производительности пневматической РТС посевного агрегата по предложенной схеме описывается следующим выражением4 (см. выше):
Орс.4 = К<2рв№ас -А£рс ,
при площади = лйцКС /4 поперечного сечения потока посевной культуры в ЦКС,
3Глебов И.Т. Подъемно-транспортные машины отрасли. Лекции и методы решения задач по аспирации и пневмотранспорту деревообрабатывающих предприятий: учеб. пособие. Екатеринбург : Изд-во УЛГТУ, 2009. 109 с. / Glebov I.T. Industrial handling machinery. Lectures and problem solving methods on aspiration and pneumatic transport of woodworking enterprises. Ekaterinburg: UlGTU Publ., 2009. 109 p.
4Кузнецов В.С. Пневматический транспорт на деревообрабатывающих предприятиях. Внешние пневмотранспорт-ные установки: учеб. пособие. Братск: Изд-во БрГУ, 2007. 67 с. / Kuznetsov V.S. Pneumatic transport at woodworking enterprises. External pneumatic handling installations. Bratsk: BrGU Publ., 2007. 67 p.
Рис. 2. Упрощенная схема пневматической РТС: ав - угол наклона воздухопроводов; р - начальное давление воздушного транспортного потока
в ЦКС; а - угол между радиусом распределителя; R - радиус распределителя; асп - угол между
радиусом семяпроводов; Rn - радиус сгиба семяпроводов; Нтс - высота ЦКС; Рк - конечное
давление воздушного транспортного потока в семяпроводах Fig. 2. Simplified diagram of a pneumatic DCS: а - angle of air ducts; р - initial pressure of air traffic in the cylindrical mixing chamber (CMC); а - angle
between the distributor radius; R - distributor radius; асп - angle between the radius of seed tubes;
R - bend radius of seed tubes; Н - height of CMC; P - final pressure of air traffic flow in seed tubes
где к0 - нормирующий коэффициент;
брв = (УгрНтр К)/ кюрк - объемный расход воздуха в РТС; В - ширина захвата посевного агрегата; У - скорость движения
посевного агрегата; Н - норма высева культуры; / - коэффициент трения посевной культуры о стенки ЦКС и семяпроводов; g - ускорение свободного падения;
К = (Нцкс + 2пЯрар / кз + ЖрЪр / кз);
к - коэффициент; к10 - нормирующий коэффициент; р = + - конечное давление воздушного потока в конце семяпроводов; ув - плотность воздуха; м - массовая концентрация; Тас = 4(2Рн^иавП^ЦКс) / 4Л^Мс(у -Ут)2 -объемная плотность аэросмеси;
d - диаметр ЦКС; X - коэффициент
аэродинамического
сопротивления;
£мс - площадь миделева сечения зерна культуры; Ув - скорость воздушного транспортного потока; Упк - скорость с/х культуры; Д0рс - потери культуры в РТС.
Потери Д£>рс посевной культуры в
пневматических РТС могут происходить:
- при достаточно малой скорости воздушного транспортного потока, вызывая оседание культуры в каналах РТС;
- недостаточном давлении воздушного транспортного потока в РТС;
- недостаточно гладкой внутренней поверхности ЦКС и семяпроводов;
- нестойкой к истиранию поверхности внутренних стенок ЦКС и семяпроводов;
- неударопрочной стенке ЦКС и семяпроводов;
- превышении скорости воздушного транспортного потока заданной нормы, приводящей к удару о стенки ЦКС и семяпроводов и к дроблению зерен с/х культуры;
- кривизне радиусов распределителя и семяпроводов;
- большой длине РТС;
- других неучтенных факторах.
Руководствуясь нормативами посева для разных видов культур посевными агрегатами [7], равными 220-3168 кг/ч при производительности РТС 1,0-14,4 га/ч, определим допустимые диапазоны норм посева.
Результаты математического исследования производительности пневматической РТС посевного агрегата по предложенной схеме приведены на рис. 3-7.
Результат моделирования зависимости от площади 5цкс поперечного сечения потока посевной культуры при разных радиусах семяпроводов показывает слабое изменение производительности Орс.4 РТС посевного агрегата (рис. 3).
Результаты моделирования зависимостей от площади 5цкс поперечного сечения потока семян культуры при разных высотах Нцкс, радиусов семяпроводов Ясп, углах наклонов воздухопроводов ав приводят приблизительно к одинаковому значению повышения производительности Орс4 (рис. 4-6).
Результат моделирования зависимости от площади 5цкс поперечного сечения потока семенного материала при разных значениях давления Рн способствует наибольшему повышению производительности (Зрс.4 согласно диапазону нормы посева культуры (рис. 7).
Рис. 3. Зависимость Qpc4 = f (R, S^) от площади Sцкс при разных значениях Rр Fig. 3. Dependence of Q 4 = f (R, on the square Sцкс for different values of Rр
Рис. 4. Зависимость gpc 4 = f (Н^, Smc) от площади Sцкс при разных значениях Hцкс Fig. 4. Dependence of 0pc4 = f (Н^с, Smc) on the square Sцкс for different values of Hцкс
Рис. 5. Зависимость gpc4 = f (Rcn, Smc) от площади Sцкс при разных значениях Rсп Fig. 5. Dependence of 0рс 4 = f (Rcn, Smc) on the square Sцкс for different values of Rсп
Рис. 6. Зависимость Q 4 = f (aB, Smc) от площади Sцкс при разных значениях ав Fig. 6. Dependence of Q 4 = f (aB, £цкс) on the square Sцкс for different values of ав
Рис. 7. Зависимость Q 4 = f (p, Smc) от площади SK при разных значениях Рн Fig. 7. Dependence of Q 4 = f (p, Smc) on the square Sцкс for different values of Рн
Заключение
Анализ полученных результатов моделирования на основе разработанной математической модели производительности пневматической РТС посевного агрегата по заданной схеме позволяет сделать следующие основные выводы.
1. Увеличение давления р воздушного транспортного потока в ЦКС способствует наибольшему повышению производительности при заданной норме посева с/х культуры.
2. При увеличении угла ав наклона
воздухопроводов, радиуса Ясп семяпроводов, высоты Н ЦКС приводит приблизительно к одинаковому повышению производительности.
3. При увеличении радиуса Яр распределителя отмечается незначительный рост производительности.
4. Данная математическая модель производительности РТС посевного агрегата отличается от известных математических моделей повышенной точностью за счет учета большего числа параметров, влияющих на качество транспортирования семенного материала.
5. Согласно уточненной математической модели можно выбрать параметры пневматической РТС при заданной норме посева и соответственно спроектировать пневматическую РТС.
Библиографический список
1. Бузенков Г.М., Ма С.А. Машины для посева сельскохозяйственных культур. М.: Машиностроение, 1976. 272 с.
2. Лурье А.Б., Громбчевский А.А. Расчет и конструирование сельскохозяйственных машин. Л.: Машиностроение, 1977. 528 с.
3. Сентюров А.С. Распределение семян в пневматических централизованных высевающих системах // Технологические основы механизации обработки почвы и посева сельскохозяйственных культур комбинированными машинами: сб. науч. тр. БСХА. Горки, 1987. С. 63-68.
4. Крючин Н.П. Повышение эффективности распределительно-транспортирующих систем пневматических посевных машин: монография. Самара: РИЦ
СГСХА, 2008. 176 с.
5. Пятаев М.В., Зырянов А.П., Кузнецов Н.А. К вопросу о моделировании процесса распределения семян распределителем пневматической зерновой сеялки // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2014. № 9 (96). С. 177-182.
6. Пешехонов А.А., Зайцев Р.В. Импульсное автоматическое управление с регулируемой подачей сыпучих материалов в непрерывных технологических процессах // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2011. № 12. С. 75-79.
7. Нуйкин А.А., Ларюшин Н.П. Посевные и посадочные машины. Пенза: ПензАГРОТЕХсервис, 2005. 164 с.
References
1. Buzenkov G.M., Ma S.A. Mashiny dlya poseva sel'skokhozyaistvennykh kul'tur [Crop sowing machinery]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1976, 272 p. (In Russian)
2. Lur'e A.B., Grombchevskii A.A. Raschet i konstruiro-vanie sel'skokhozyaistvennykh mashin [Calculation and design of agricultural machines]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1977, 528 p. (In Russian)
3. Sentyurov A.S. Raspredelenie semyan v pnevmaticheskikh tsentralizovannykh vysevayushchikh sistemakh [Seed distribution in centralized pneumatic seeding systems]. Sbornik nauchnykh trudov BSKhA "Tekhnologicheskie osnovy mekhanizatsii obrabotki pochvy i poseva sel'skokhozyaistvennykh kul'tur kom-binirovannymi mashinami" [Collection of scientific papers of the Belarusian State Agricultural Academy
"Technological bases of tillage and crop sowing mechanization by combined machines"]. Gorki, 1987, pp. 63-68. (In Russian)
4. Kryuchin N.P. Povyshenie effektivnosti raspredeli-tel'no-transportiruyushchikh sistem pnevmaticheskikh posevnykh mashin [Improving efficiency of distribution conveyor systems of pneumatic sowing machines]. Samara, RITs SGSKhA Publ., 2008, 176 p. (In Russian)
5. Pyataev M.V., Zyryanov A.P., Kuznetsov N.A. K vo-prosu o modelirovanii protsessa raspredeleniya semyan raspredelitelem pnevmaticheskoi zernovoi seyalki [On the simulation of the seed distribution process by a pneumatic grain drill distributor]. Vestnik Krasnoyar-skogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [The Bulletin of KrasGAU]. 2014, no. 9 (96), pp. 177-182. (In Russian)
6. Peshekhonov A.A., Zaitsev R.V. Impu'snoe avto-maticheskoe upravlenie s reguliruemoi podachei sypuchikh materialov v nepreryvnykh tekhnolog-icheskikh protsessakh [Impulse automatic control with an adjustable supply of bulk materials in continuous technological processes]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo
Критерии авторства
Синёнков Д.В., Дёмин С.Б. представили данные исследования производительности РТС посевного агрегата с использованием метода математического моделирования по его уточненной математической модели, провели обобщение и написали рукопись. Синёнков Д.В. и Дёмин С.Б. имеют равные авторские права и несут одинаковую ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 28.10.2016 г.
instituta (tekhnicheskogo universiteta) [Bulletin of Saint Petersburg State Institute of Technology (Technical University)]. 2011, no. 12, pp. 75-79. (In Russian) 7. Nuikin A.A., Laryushin N.P. Posevnye i posadochnye mashiny [Sowing and planting machines]. Penza, Pen-zAGROTEKhservis Publ., 2005, 164 p. (In Russian)
Authorship criteria
Sinenkov D.V., Demin S.B. presented the research data on the performance of the distribution conveyor system of a seeding unit using the method of mathematical modeling by its refined mathematical model, summarized the material and wrote the manuscript. Sinenkov D.V. and Demin S.B. have equal authors' rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 28 October 2016
