CC BY
9
УДК 631*348
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ СЕЯНЦЕВ ЖИДКИМИ ПРЕПАРАТАМИ УСТРОЙСТВОМ С ЭЛАСТИЧНЫМИ ТРУБОПРОВОДАМИ
В.Н. Невзоров1, П.В. Бырдин2, Н.П. Братилова1
1 ФБГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», Красноярск, Россия 2 ФБГОУ ВПО «Братский государственный университет», Братск, Россия
В статье представлены теоретические исследования истечения жидкости из отверстия в эластичном трубопроводе, определены силы, действующие на эластичный трубопровод в процессе истечения жидкости и получено выражение описывающее зависимость высоты подъема эластичного трубопровода от параметров потока жидкости в трубопроводе, геометрических размеров и характеристик материала эластичного трубопровода. На основании чего было разработано новое устройство для обработки лесных сеянцев жидкими препаратами.
Ключевые слова сеянец, обработка, жидкость, отверстие, истечение, эластичный трубопровод
The article describes theoretical research of liquid outflow from the hole in the elastic tube, determine the forces acting on the flexible pipe in the process of liquid outflow and derived an expression describing the dependence of the lift of the flexible pipe fluid flow in the pipeline, the geometric dimensions and material characteristics of the elastic tube. Based on what has been provided a device for processing wood seedlings liquid preparations.
Keywords: seedling, treatment, the liquid, orifice, outflow, elastic tube
ВВЕДЕНИЕ
Искусственное лесовосстановление хвойных лесов является актуальной задачей лесного комплекса Российской Федерации, решение которой усложняется в связи с невысоким финансирования лесного хозяйства, старением машинотракторного парка, сокращением номенклатуры машин и оборудования, применяемых в технологиях выращивания посадочного материала в лесных питомниках.
Для обеспечения принципа неистощительного лесопользования необходимо повышать уровень механизации, производительность и качество работ по искусственному лесовосстановлению, что может быть достигнуто созданием современного многооперационного оборудования, использующего инновационные способы реализации технологических процессов. Применение такого оборудования позволит сократить номенклатуру технических средств механизации работ в лесном хозяйстве и затраты на его приобретение и эксплуатацию (Бырдин и др., 2011, Бырдин и др., 2011).
Интенсификация выращивания посадочного материала ведется с использованием удобрений, микроэлементов, стимуляторов роста и др. (Братилова, 2004, Братилова, 2014). Используемые в настоящее время в лесных питомниках устройства для обработки сеянцев жидкими химическими препаратами работают по принципу свободного или принудительного истечения струи жидкости из отверстия или насадка, что является не эффективным ввиду неполной обработки внутренней поверхности сеянца из-за отражения части струи поверхностью растения. Что в свою очередь приводит к повышению концентрации жидкого препарата в почве. Для устранения данного недостатка необходимо насадок или отверстие, из ко-
торого происходит истечение жидкости располагать в непосредственной близости от внутренней поверхности сеянца, что возможно реализовать «удлинением» отверстий при помощи эластичных трубопроводов.
Вышесказанное можно проиллюстрировать схемой на рисунке 1.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
На схеме показано истечение жидкости из отверстия диаметром d в эластичном трубопроводе диаметром Б и длиной Ь, при действии на него реактивной силы потока жидкости РреЛ вызывающей силу реакции трубопровода рРр и силы тяжести Gmp.
Рисунок 1 - Расчетная схема истечения жидких химических препаратов из отверстия, снабженного эластичным трубопроводом
Согласно расчетной схемы на рисунке 1, равновесие сил, действующих на эластичный трубопровод запишется в следующем виде:
(1)
Fреак Sn рж Vn
где
Fmp
G — G mp ~ трубки
+ — (m
где
G
Н;
трубки
- сила тяжести эластичного трубопровода,
d — D - 2b
ся как:
трубки
— пртр L(Db - b 2)
d 2 1
— РжП~ L — 4 ЖРжL(D - 2b) 2
Тогда, с учетом (7) и (8), сила тяжести эластичного трубопровода запишется:
где
а- угол наклона эластичного трубопровода, °; Fpeak - реактивная сила потока жидкости вытекающего из эластичного трубопровода, Н;
Fmp - сила реакции эластичного трубопровода, Н; Gmp - сила тяжести эластичного трубопровода, Н. Реактивная сила потока жидкости вытекающего из отверстия равна:
(2)
Gmp — KgL
ртр(Db - b2) + 4Рж (D - 2b)2
(9)
Подставим полученные выражения (3) и (9) в (1),
получим:
о т/2 Eb SnрVn cos« — Dh + п
рщ (Db - b2) + 4 рж (D - 2b)2
(10)
Выразим из полученного выражения высоту поднятия эластичного трубопровода h:
Sn Рж Vn cosa-ngL
Sп - площадь сечения потока, м2;
рж - плотность жидкости, кг/м2;
VП - скорость потока жидкости, кг/м2.
Сила реакции эластичного трубопровода будет зависеть от сопротивления материала трубопровода С и высоты поднятия трубопровода И:
РЬ
-а = ^ И (3)
где
Е - модуль упругости стенки трубопровода;
Ь - толщина стенки трубопровода, м;
Б - диаметр трубопровода, м.
Сила тяжести эластичного трубопровода наполненного жидкостью определится как:
h —-
Рщ, (Db - b2) + 4 Рж (D - 2b)2
(11)
Eb D
трубки + m* ) g (4)
Gж - сила тяжести жидкости в эластичном трубопроводе, Н.
т , - масса эластичного трубопровода, кг;
трубки 1 ^ А ^ 7
тж - масса жидкости в трубопроводе, кг.
Масса эластичного трубопровода будет равна:
т трубки = Птр'^тр (5)
где
Ртр - плотность материала эластичного трубопровода, кг/м2;
Ь - длина трубопровода, м;
£ - площадь сечения трубопровода, м2.
с/ - внутренний диаметр трубопровода, м.
С учетом толщины стенки эластичного трубопровода />. внутренний диаметр трубопровода будет равен:
Выражение (11) показывает зависимость высоты подъема эластичного трубопровода от параметров потока жидкости в трубопроводе, геометрических размеров и характеристик материала эластичного трубопровода.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные результаты теоретических исследований послужили предпосылками для разработки устройства для обработки лесных сеянцев жидкими препаратами. Вследствие чего была подана заявка на изобретение и получен патент РФ № 2251266.
Изобретение решает задачу повышения эффективности использования эксплуатационных возможностей за счет уменьшения расхода жидкости и уменьшения вредного воздействия жидкими препаратами на окружающую среду (Бырдин и др., 2011, Бырдин и др. 2011, Патент..., Патент...).
На рисунке 2 представлено устройство для обработки лесных сеянцев жидкими препаратами; на рисунке 3 - распылитель жидкости в рабочем положении; на рисунке 4 - распылитель жидкости в нерабочем положении.
(6)
И тогда масса трубопровода длиной L определит-
(7)
Масса жидкости в эластичном трубопроводе будет равна:
(8)
Рисунок 2 - Устройство для обработки лесных сеянцев жидкими препаратами
m
щ
Рисунок 3 - Распылитель жидкости в рабочем положении
Рисунок 4 - Распылитель жидкости в нерабочем положении
Устройство для обработки лесных сеянцев жидкими препаратами состоит из основной емкости 1, насоса 2 для нагнетания жидкости в емкость, компрессора 3 для нагнетания воздуха в емкость, установленных на раме 4. Емкость 1 имеет клапан сброса давления 5 для выпуска излишков воздуха из емкости 1 и манометр 6 для контроля давления. На раме 4 установлены гидроцилиндры 7, к которым прикреплен бак 8. Бак 8 сообщается с емкостью 1 через гофрированный трубопровод 9 и имеет манометр 10 для контроля давления. На баке 8 установлены распылители жидкости 11 для обработки лесных сеянцев, прикрепленные к нему при помощи держателей 12. Распылитель жидкости 11 выполнен в виде двух стаканов, установленных друг в друге, - наружного стакана 13 (рис. 2) с отверстиями, в которые вставлены гибкие эластичные трубопроводы 14 для подачи жидкости на лесной сеянец, и внутреннего стакана 15, соединенного с баком 8 (рисунок 1) посредством гофрированного шланга 16. Внутренний стакан 15 выполнен с возможностью перемещения в вертикальной плоскости при помощи пружины и фиксировании при помощи зажимов.
Фиксирование по высоте производится при помощи зажимов 17, а перемещение в вертикальной плоскости - с помощью пружины 18, закрепленной на конце внутреннего стакана 15. Пружина 18 предназначена для облегчения подъема внутреннего стакана 15 при установке высоты обработки, для гашения колебаний жидкости внутри трубы и для снятия загрязнения с внутренней стенки стакана 15. К нижней части распылителя жидкости 11 на резьбе крепится крышка 19 для сбора и очистки от грязи и осадков. Внутренний стакан 15 оснащен мерной шкалой 20 для регулировки высоты обработки сеянца.
Устройство для обработки лесных сеянцев жидкими препаратами работает следующим образом. При движении машины со смонтированным на ней устройством для обработки лесных сеянцев жидкими препаратами привод двигателя связывается с насосом 2, который в свою очередь начинает нагнетать жидкость в емкость 1, создавая давление. Для создания дополнительного давления в емкости 1 к ней подведен компрессор 3, имеющий также привод от двигателя машины. Манометр 6, установленный на емкости 1, фиксирует создаваемое давление в емкости 1. Создаваемое давление в емкости 1 вытесняет жидкость в бак 8 через гофрированный трубопровод 9, давление жидкости в баке 8 фиксируется манометром 10. Высота подъема бака 8 от земли регулируется гидроцилиндрами 7. Жидкость, нагнетаемая в бак 8, поступает через гофрированные шланги 16 (рисунок 2) вовнутрь наружных стаканов 13 и через отверстия в стенках попадает в гибкие эластичные трубопроводы 14 и через них на лесной сеянец. Количество рабочих отверстий, через которые проходит жидкость к сеянцу, регулируется при помощи гофрированного шланга 16, внутреннего стакана 15, пружины 18 и зажимов 17 в зависимости от рода обработки сеянца. То есть, при питании сеянца остаются открытыми только нижние отверстия, а при обработке всего сеянца открываются все отверстия. Привод в рабочее положение гибких трубопроводов 14 осуществляется за счет подаваемого давления жидкости, и подача жидкости по высоте обрабатываемой поверхности регулируется при помощи гофрированных шлангов 16.
Технико-экономическим преимуществом заявляемого устройства являются многооперацион-ность, многофункциональность и повышение качества обработки лесного сеянца.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных теоретических исследований истечения жидкости из отверстия в эластичном трубопроводе были определены силы, действующие на эластичный трубопровод в процессе истечения жидкости и получено выражение (11), описывающее зависимость высоты подъема эластичного трубопровода от параметров потока жидкости в трубопроводе, геометрических размеров и характеристик материала эластичного трубопровода. На основании результатов теоретических исследований было разработано
устройство для обработки лесных сеянцев жидкими препаратами с использованием в качестве рабочего органа эластичные трубопроводы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Братилова, Н.П.. Лесное семеноводство (на примере лесо-образующих пород Сибири). - Красноярск: СибГТУ, 2004. - 96 с.
Братилова Н.П., Матвеева Р.Н., Буторова О.Ф. Сорто-водство древесных растений. - Красноярск: СибГТУ, 2014. - 60 с.
Бырдин П.В., Невзоров В.Н. Ресурсосберегающая технология и оборудование для обработки сеянцев в лесных питомниках // Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития: материалы всерос. очно-заочной науч.-практ. и науч.-метод. конф. с между-нар. участием. Красноярск, 2011. С. 159-164. Бырдин П.В., Невзоров В.Н. Разработка устройства для объемной обработки сеянцев хвойных пород жидкими препаратами с использованием переохлажденного пара // Проблемы современной аграрной науки: материалы междунар. заоч. науч. конф. Красноярск, 2011. С. 125129.
Патент на изобретение 2386240 РФ МПК7 А 01 G 13/00. Устройство для обработки сеянцев с использованием
переохлажденного пара / Бырдин П.В., Невзоров В.Н., Сыромаха С.М., Клюс С.С.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский государственный университет». - № заявки 2009113405/12; заявл. 09.04.2009 ; опубл. 20.04.2010; Бюл. № 11.
Патент на полезную модель 132677 РФ МПК7 А 01 G 13/00. Устройство для обработки сеянцев жидкими препаратами / Бырдин П.В., Клюс С.С., Ренькас Я.Г.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет». - № заявки 2013105877/13; заявл. 12.02.2013; опубл. 27.09.2013; Бюл. № 27.
Патент на полезную модель 132678 РФ МПК7 А 01 G 13/00. Устройство для обработки сеянцев хвойных пород жидкими препаратами / Бырдин П.В., Клюс С.С., Ренькас Я.Г., Сыромаха С.М.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Братский государственный университет». - № заявки 2013108520/13; заявл. 26.02.2013; опубл. 27.09.2013; Бюл. № 27.
Патент на изобретение 2525602 РФ МПК7 G 01 N 13/00. Способ определения краевого угла смачивания хвои предварительно обработанной водяным паром / Бырдин П.В., Клюс С.С., Медведева О.И., Емельянова Н.В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Братский государственный университет». - № заявки 2013113480/28; заявл. 26.03.2013; опубл. 20.08.2014; Бюл. № 25.
Поступила в редакцию 10.05.14 Принята к печати 20.12.14
