CC BY
37
Оригинальная статья / Original article УДК: 631.331.5
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-8-36-43
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ШНЕКОВОГО ПИТАТЕЛЯ ВЫСЕВАЮЩЕГО АГРЕГАТА
© Д.В. Синёнков1, С.Б. Дёмин2
Пензенский государственный технологический университет, 440039, Россия, г. Пенза, проезд Байдукова, ул. Гагарина, 1 а/11.
Резюме. Цель. В настоящее время при создании новых видов высевающих агрегатов на базе шнековых питателей актуальны исследования параметров транспортируемой системы, поэтому целью являлась разработка математической модели шнекового питателя высевающего агрегата и его расчетной схемы. Материалы и методы. Одним из наиболее эффективных методов исследования является метод математического моделирования, позволяющий, не прибегая к сложному и затратному физическому эксперименту, получить огромный объем вычислительных данных об изучаемом объекте. Результаты. Представлены данные исследования производительности шнекового питателя высевающего агрегата с использованием метода математического моделирования по его уточненной математической модели. Приведена расчетная схема, позволяющая оценить влияние основных параметров среды на производительность высевающего агрегата по математической модели в диапазоне заданной нормы высева. Заключение. Предложенная математическая модель производительности шнекового питателя высевающего агрегата отличается более высокой степенью адекватности за счет учета большего объема факторов процесса транспортирования посевных культур относительно известных математических моделей. В результате появляется возможность выбирать параметры шнека и высевающего агрегата при заданной норме высева и соответственно спроектировать шнековый питатель.
Ключевые слова: математическое моделирование, шнековый питатель, высевающий агрегат, посевная культура.
Формат цитирования: Синёнков Д.В., Дёмин С.Б. Математическое моделирование производительности шнекового питателя высевающего агрегата // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 8 (115). С. 20-35. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-8-36-43
MATHEMATICAL SIMULATION OF SEEDING UNIT SCREW FEEDER PERFORMANCE D.V. S^nkov, S.B. Dеmin
Penza State Technological University, 1 a/11 Baidukov Proezd/ Gagarin St., Penza, 440039, Russia.
Abstract. Purpose. The studies of conveyor system parameters are especially relevant for current developments of the new types of screw feeder-based seeding units. Therefore, the purpose of the paper is to develop a mathematical model and a design circuit of a seeding unit screw feeder. Materials and methods. One of the most-effective research methods is the method of mathematical modeling allowing to obtain a huge amount of computational data about the object under investigation without complex and costly physical experiment. Results. The paper presents the research data on seeding unit screw feeder performance using the method of mathematical simulation by its refined mathematical model. The design circuit is provided. It allows to evaluate the effect of the main environmental parameters of the seeding unit performance by the mathematical model in the range of a specified seeding rate. Conclusion. The proposed mathematical model of the seeding unit screw feeder performance is more adequate as compared with the known mathematical models since it takes into account greater amount of factors that are referred to the process of seed transportation. As a result, it becomes possible to choose the parameters of the screw and the seeding unit under the specified seeding rate and to design the screw feeder.
Keywords: mathematical modeling, screw feeder, seeding unit, seeds
For citation: S^nkov D.V., Dеmin S.B. Mathematical simulation of seeding unit screw feeder performance. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 8 (115), pp. 36-43. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-8-36-43
©
Синёнков Дмитрий Валерьевич, аспирант, e-mail: werth.81@mail.ru Sinenkov Dmitriy, Postgraduate, e-mail: werth.81@mail.ru
2Дёмин Станислав Борисович, доктор технических наук, профессор кафедры физики, e-mail: dstabor@yandex.ru Demin Stanislav, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Physics, e-mail: dstabor@yandex.ru.
Введение
Качество высева сельскохозяйственных культур напрямую зависит от применяемых технологий и технических средств, а именно высевающих агрегатов. Поэтому к высевающим агрегатам в настоящее время предъявляются всевозрастающие требования. Например, они должны обеспечивать равномерный и устойчивый высев с минимально допустимым дроблением семян при заданной норме и т.д. [1].
Основным узлом современного высевающего агрегата является питатель, который здесь выступает в роли дозирующего запорного узла и тем самым определяет качество высева посевной культуры, скорость ее транспортирования или, в целом, норму высева.
В настоящее время известны 6 основных видов питателей, применяемых в транспортирующих агрегатах (рис. 1): пластинчатые, ленточные, барабанные, аэра-ционные, плунжерные, электровибрационные [2].Они имеют известные достоинства и недостатки3.
Для повышения качества высева посевной культуры, снижения ее возможного частичного механического повреждения и устранения заторов при транспортировании по тракту высевающего агрегата целесообразно применять шнековые питатели [3]. Их основное назначение - это строго дозированная подача посевной культуры в тракт транспортирования высевающего агрегата с наименьшими потерями и с заданной производительностью. Обладают высоким коэффициентом полезного действия, что
^ 4
делает их экономичным устройством4.
3
Горюшинский И.В., Кононов И.И., Денисов В.В., Горюшинская Е.В., Петрушкин Н.В. Емкости для сыпучих грузов в транспортно-грузовых системах: учеб. пособие. Самара: САМГАПС, 2003. 232 с. Goryushinskiy I.V., Kononov I.I., Denisov V.V., Goryushinskaya E.V., Petrushkin N.V. Containers for loose freight in transport and cargo systems: Training aid. Samara, SAMGAPS Publ., 2003, 232 p.
4Пат. № 2530154, Российская Федерация. Пневматический высевающий аппарат с регулируемой дозирующей системой / Д.В. Синёнков, С.Б.Дёмин.
Благодаря таким достоинствам, как непрерывность транспортирования, высокая производительность, компактные размеры, удобство в обслуживании и ремонте, низкая себестоимость, шнековые питатели сегодня широко также применяются в строительной, пищевой, химической, мукомольной, металлургической промышленности [4].
Основным критерием при выборе шнекового питателя является подаваемая культура, а точнее ее физические свойства: насыпная плотность, влажность, размер, температура, абразивные свойства и др. Эти свойства определяют схему работы шнекового питателя.
Вторым по значимости критерием является производительность. Вне зависимости от того, будет ли шнек работать непрерывно или использоваться периодически, производительность определяется как объем подаваемого продукта в единицу времени.
К третьим по важности критериям относят целую группу параметров, описывающих геометрию шнека.
В научной литературе отмечается, что для создания новых видов высевающих агрегатов на базе шнековых питателей еще недостаточно изучены вопросы точности и скорости подачи транспортируемой культуры от ряда параметров транспортируемой системы, что делает настоящее исследование актуальным.
Одним из эффективных методов исследования является метод математического моделирования, позволяющий, не прибегая к сложному и затратному физическому эксперименту, получить огромный объем вычислительных данных об объекте.
Зарегистрирован в Госреестре изобретений РФ 12.08.2014.
Sinenkov D.V., Demin S.B. Pnevmaticheskii vysevay-ushchii apparat s reguliruemoi doziruyu-shchei sistemoi [Pneumatic seeding device with an adjustable batching system]. Patent RF, no. 2530154, 2014._
Рис. 1. Виды питателей известных высевающих агрегатов Fig. 1. Types of feeders in known seeding units
Моделирование производительности шнекового питателя высевающего агрегата
Проведем исследования производительности шнекового питателя для высевающего агрегата методом математического моделирования. Для этого необходимо разработать математическую модель шнекового питателя высевающего агрегата и его расчетную схему.
Теоретическое исследование работы шнековых питателей различных транспортирующих агрегатов сыпучих сред выполнялось рядом авторов [4-6] с использованием соответствующих математических моделей.
В них транспортируемая среда рассматривалась как сплошная с поступательно-вращающимися перемещениями, что не соответствует процессам, происходящим в тракте транспортирования посевной культуры высевающего агрегата. В математических моделях применяется достаточно большое количество корректирующих коэффициентов, что не позволяет провести математическое исследование с более высокой точностью и достоверностью.
Анализируя известные математические модели шнековых питателей, предложим математическую модель производи-
тельности шнекового питателя высевающего агрегата, учитывающую ряд основных параметров механизма транспортирования. Расчетная схема шнекового питателя высевающего агрегата приведена на рис. 2.
В качестве ограничений математической модели производительности шнеко-вого питателя высевающего агрегата принимаются следующие:
- посевная культура близка к форме шара диаметром d >> do = 6-10 мм;
- взаимодействие зерен посевной культуры друг с другом не учитывается;
- насыпная плотность посевной культуры по всему объему принимается равномерной;
- не учитываются: температура, влажность, вибрация, аутогезия, вращательное движение посевной культуры.
С учетом рассмотренных ограничений математическая модель производительности Q . шнекового питателя высевающего агрегата имеет вид [7]
ОШп.4 = VkKiYh • ^ -AQ^ ,
ПГк
Рис. 2. Расчетная схема шнекового питателя высевающего агрегата:
Sm а
- шаг и угол наклона винтовых лопастей; , DHB, - диаметр вала,
наружный диаметр и толщина винтовых лопастей Fig. 2. Design circuit of the seeding unit screw feeder:
Sm a
- pitch and tilt angle of screw blades; dB, DHB, ¿m - shaft diameter, screw blades outer diameter and thickness
при площади поперечного сечения потока посевной культуры, равной
Scm = п(Dl -d2B )/4,
где Vk = пD -dB2)sinавшSmk6 /4-VCB-
объем посевной культуры в шнековом питателе; K - коэффициент его заполнения;
YH - насыпная плотность посевной культуры; Jarp - скорость движения высевающего агрегата; k7 - нормирующий коэффициент; гк - радиус колес высевающего агрегата; Л^ - потери посевной культуры в шнековом питателе; k6 - количество винтовых лопастей в шнековом питателе;
Кв = [п D - dB )/2] • (nSjga^b^ )/2 -
объем винтовой поверхности шнекового питателя.
Потери Л^^ посевной культуры в
шнековом питателе происходят вследствие следующих причин:
- повышенной влажности, ведущей к прилипанию посевной культуры к стенкам шнекового питателя;
- наличия неровностей и повышенной шероховатости его стенок в рабочей области;
- различной степени связности посевной культуры;
- процессов дробления посевной культуры лопастями шнекового питателя;
- других неучтенных факторы.
Руководствуясь нормативами высева для разных видов посевных культур высевающими агрегатами [8], равными 2203168 кг/ч при производительности питателей 1,0-14,4 га/ч, определим допустимые диапазоны величин. Результаты исследования влияния основных факторов агрегата
m
на его производительность приведены на рис. 3-6.
Результаты моделирования зависимостей шнекового питателя от количества k6 винтовых лопастей (рис. 3) и их толщины b (рис. 4) показывают слабое изменение производите-льности при постоянной площади S поперечного сечения
потока посевной культуры. Углы наклона прямых линий отличаются друг от друга незначительно, при любом постоянном
значении площади S поперечного сечения потока культуры.
Анализ результатов моделирования показывает, что влияние угла авш наклона
винтовых лопастей шнекового питателя (рис. 5) и скорости Jarp высевающего агрегата (рис. 6) значительно увеличивают производительность при любом заданном значении площади S поперечного сечения потока посевной культуры.
Рис. 3. Зависимость Qm4 = f (Soni, k6) шнекового питателя Fig. 3. Screw feeder dependence Qmn_4 = f (Scm, k6)
Рис. 4. Зависимость Qmn 4 = f (Scm, bm) шнекового питателя Fig. 4. Screw feeder dependence Qmn.4 = f (Scm, bm )
m
Рис. 5. Зависимость Qmn4 = f (¿сш, авш) шнекового питателя Fig. 5. Screw feeder dependence Qinn.4 = f (¿сш, авш )
4500 4000 3500 3000 2500
3 2000
1500 1000 500 0
Диапазон нормы высева ' Seeding rate range
У -
Лгр=15 км ч -
Лгр=11 км ч
~Лп>=7 км ч -
0 05
0 !
0 15
02
0 25
Рис. 6. Зависимость Qmn4 = f (£сш, JaTp) высевающего агрегата Fig. 6. Seeding unit dependence Qmn.4 = f (¿сш, Jarp ) Заключение
Анализ полученных результатов моделирования на основе разработанной математической модели производительности шнекового питателя высевающего агрегата позволяет сделать следующие основные выводы:
1. Увеличение угла авш наклона
винтовых лопастей шнекового питателя и скорости Jarp высевающего агрегата при-
водят к значительному увеличению производительности при заданной норме высева посевной культуры.
2. Увеличение количества k6 винтовых лопастей и их толщины шнекового
питателя в целом ведет к повышению себестоимости изготовления и массо-габаритных показателей, что недопустимо в условиях рыночной экономики и жесткой
конкуренции на рынке сельхозтехники.
3. Предложенная математическая модель производительности шнекового питателя высевающего агрегата отличается более высокой степенью адекватности за счет учета большего объема факторов процесса транспортирования посевных
культур относительно известных математических моделей.
4. Согласно уточненной математической модели, можно выбрать параметры шнека и высевающего агрегата при заданной норме высева и соответственно спроектировать шнековый питатель.
Библиографический список
1. Крючин Н.П. Повышение эффективности распределительно-транспортирующих систем пневматических посевных машин: Самара: РИЦ СГСХА, 2008. 176 с.
2. Волков Р.А., Гнутов А.Н., Дьячков В.К. Конвейеры. Л.: Машиностроение, 1984. 367 с.
3. Рогинский Г.А. Дозирование сыпучих материалов. М.: Химия, 1978. 176 с.
4. Григорьев А.М. Винтовые конвейеры. М.: Машиностроение, 1972. 248 с.
5. Адигамов К.А., Черненко Г.В., Фетисов В.М. Способ повышения производительности вертикального
шнекового конвейера // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технаука. 2011. № 4. С. 81-82.
6. Борщев В.Я., Гусев Ю.И., Промтов М.А., Тимонин А.С. Оборудование для переработки сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 2006. 208 с.
7. Першина С.В., Каталымов А.В., Однолько В.Г., Першин В.Ф. Весовое дозирование зернистых материалов. М.: Машиностроение, 2009. 260 с.
8. Нуйкин А.А., Ларюшин Н.П. Посевные и посадочные машины. Пенза: ПензАГРОТЕХсервис, 2005. 164 с.
References
1. Kryuchin N.P. Povyshenie effektivnosti raspredeli-tel'no-transportiruyushchikh sistem pnevmaticheskikh posevnykh mashin [Increasing efficiency of the distributive transporting systems of pneumatic seeding machines]. Samara, RITs SGSKhA Publ., 2008, 176 p. (In Russian)
2. Volkov R.A., Gnutov A.N., D'yachkov V.K. Konveiery [Conveyors]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1984, 367 p. (In Russian)
3. Roginskii G.A. Dozirovanie sypuchikh materialov [Bulk material batching]. Moscow, Khimiya Publ., 1978, 176 p. (In Russian)
4. Grigor'ev A.M. Vintovye konveiery [Screw conveyors]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1972, 248 p. (In Russian)
5. Adigamov K.A., Chernenko G.V., Fetisov V.M. Sposob povysheniya proizvoditel'nosti vertikal'nogo shneko-vogo konveiera [Method to increase vertical
Критерии авторства
Синёнков Д.В. и Дёмин С.Б. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 16.06.2016 г.
screw conveyor productivity]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Severo-Kavkazskii region. Tekhnauka. [Proceedings of higher educational institutions. North Caucasus region. Technical science.]. 2011, no. 4, pp. 81-82. (In Russian)
6. Borshchev V.Ya., Gusev Yu.I., Promtov M.A., Ti-monin. A.S. Oborudovanie dlya pererabotki sypuchikh materialov [Equipment for bulk material processing]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2006, 208 p. (In Russian)
7. Pershina S.V., Katalymov A.V., Odnol'ko V.G., Per-shin V.F. Vesovoe dozirovanie zernistykh materialov [Weight batching of granular materials]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2009, 260 p. (In Russian)
8. Nuikin A.A., Laryushin N.P. Posevnye i posadochnye mashiny [Seeding and planting machines]. Penza, Pen-zAGROTEKhservis Publ., 2005, 164 p. (In Russian)
Authorship criteria
Sinenkov D.V. and Demin S.B. have equal author's 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 on 16 June 2016
