CC BY
4УДК 631.361.6
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
ПЕРЕМЕЩЕНИЯ СЕМЯН В КОНВЕЙЕРНОМ УСТРОЙСТВЕ
КОМБИНИРОВАННОЙ ИНФРАКРАСНО-КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ
Воложанинов С. С., кандидат технических наук, доцент; Шиян О. В., кандидат физико-математических наук;
Завалий А. А., доктор технических наук, доцент;
Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского».
Определены кинематические параметры движения транспортирующих элементов вертикального транспортера в конвейерном устройстве комбинированной инфракрасно-конвективной сушки, обеспечивающие атравматичные механические воздействия на семена.
Ключевые слова: семена, конвейерное устройство, атравматичные механические воздействия.
MODELING OF SEED MOVEMENT PROCESSES IN A CONVEYOR DEVICE OF COMBINED INFRARED-CONVECTIVE DRYING
Volozhaninov S. S., Candidate of Technical Science, Associate Professor; Shiian O. V., Candidate of physical and mathematical Science; Zavaliy A. A., Doctor of Technical Science, Associate Professor; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University».
The kinematic parameters of the movement of vertical conveyor transport elements in the conveyor device of combined infrared-convective drying that provide atraumatic mechanical effects on seeds are determined.
Keywords: seeds, conveyor device, atraumatic mechanical effects.
Введение. На сегодняшний день устойчивое развитие агропромышленного комплекса в регионах зависит от внедрения перспективных технологий производства и переработки продукции, которое неразрывно связано с техническим обеспечением производственных процессов. Одним из важнейших этапов при производстве продукции растениеводства является послеуборочная обработка. Действие современных машин и технологий послеуборочной обработки семян основано на сочетании механических и тепловых воздействий. При этом, вопросам равномерного и эффективного влияния этих воздействий на семена уделяется недостаточно внимания. Семена подвергаются жестким динамическим воздействиям со стороны конструктивных элементов машин, что приводит к поврежде-
67
нию и, как следствие, снижению их кондиционных и репродукционных свойств.
Целью исследования является создание ресурсосберегающих средств механизации и механизированных экологически безопасных технологий первичной обработки и подготовки к хранению семян сельскохозяйственных культур, в первую очередь элитного семенного материала.
Предложенная нами структурная схема устройства комбинированной инфракрасно-конвективной сушки включает бункер для хранения обрабатываемых семян с возможностью постоянного контроля их влажности, устройств инфракрасной сушки и вентиляции с возможностью их плавной регулировки, с непрерывным контролем температуры семян в ходе сушки и соединяющего эти узлы атравматичного транспортера, обеспечивающего циркуляционное движение семян из бункера в устройство сушки и обратно. Все транспортирующие устройства в предложенной схеме должны обеспечивать «щадящие» механические воздействия на семенной материал и одновременно обеспечивать заданные кинематические параметры в сочетании с тепловым воздействием и вентиляцией. При этом одним из основных узлов является вертикальный транспортер, обеспечивающий подачу обрабатываемых семян из бункера к механизму раскладки семян по ширине основного горизонтального конвейера [1-8].
Для достижения поставленной цели одной из задач является определение кинематических параметров движения вертикального транспортера.
Материал и методы исследований. Объектом исследования является вертикальный транспортер для транспортировки семян из бункера к механизму раскладки семян по ширине основного горизонтального конвейера. Поставленная задача решалась методами расчетного моделирования движения основных элементов конструкции.
Рисунок 1. Схема движения семени по поверхности ковша: Я0 - радиус приводного барабана; Н - радиальная высота ковша; Я - радиус кромки ковша; а - угол поворота ковша; ю - угловая скорость
вращения барабана
68
Результаты и обсуждение. Основным условием при моделировании движения семян в вертикальном транспортере является определение диапазона скоростей движения ковшей, обеспечивающего ссыпной характер движения семян, то есть семена не должны отрываться от поверхности ковша при его поворотном движении вокруг оси верхнего приводного барабана. При этом динамические воздействия при контакте семян с элементами конструкции будут исключены (например, удары о кожух транспортера). Расчетная схема движения семени по поверхности ковша без учета силы трения приведена на рисунке 1.
Семя, расположенное на поверхности ковша, движется вдоль поверхности (координата х) под действием центробежной силы и силы тяжести G, если не учитывать силу трения семени о поверхность ковша. Уравнение движения семени в этом случае имеет вид
тх" = т(1)2х — тд 8т(а (1)
где т - масса семени, кг;
х - радиальная координата положения семени, м; т - время, с;
ю - угловая скорость вращения приводного барабана, рад/с; g - ускорение свободного падения, м/с2; а- угол поворота ковша, рад. После упрощения уравнение (1) примет вид:
(2)
В этом уравнении угол поворота ковша при равномерном вращении приводного барабана и радиальная координата положения семени являются функциями времени:
Л' = Л'(г.) (4)
Тогда после преобразований (3)-(4) уравнение (2) примет вид неоднородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами и специфической правой частью:
Л'" - о/х = (5)
Соответствующее однородное уравнение:
(6)
решаем согласно методу Эйлера, т.е. ищем решение в виде:
х = еЛт.
Тогда характеристическое уравнение имеет вид: а его корни:
А = ±а>.
Следовательно, общее решение однородного уравнения (5) имеет вид:
69
х00 = С^Т-С2е-^Т. (7)
Частное решение исходного неоднородного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами и специфической правой частью (2) будем искать в той же форме, что и его правая часть, т.е. в виде:
х.,., - neos сот - b sdicot, (8)
.v.:, = cj( — ti siui сот) — b í'üsf сот) i, (9)
jí"h = — oi2{acos{oiT) + b sín(ú)T)). Тогда, после подстановки равенств (8) - (9) в уравнение (5), получим:
-ш2 (a eos íü т + b sin сот) - ü)2(acosa)T + bsinatr) = -gsin(cú r) Или, после упрощения:
-Ico^ia cosco т - о sin сот) = -g sini сот), (10)
Приравняв коэффициенты в равенстве (9) при cos ют и sin (ют), получим систему для нахождения коэффициентов а и b:
Решением системы (11) является:
Га = О
Тогда частное решение (8) исходного неоднородного дифференциального уравнения (5) с постоянными коэффициентами и специфической правой частью имеет вид:
x4H=¿sm(üjr). В этом случае общее решение уравнения (5) имеет вид:
= ХМ - = - - TT SÍn( С0Т]- (12)
Варьируемыми величинами при анализе движения являются радиус приводного барабана R, радиальная высота ковша Н, угловая скорость барабана ю, начальное положение x0 семени на поверхности ковша в момент начала поворотного движения ковша, то есть, когда а = 0. Начальная скорость движения семени при а = 0 принята равной 0. Таким образом, получаем начальные условия для уравнения (5):
xo = x(0) = Ro, Xg = x¿(0) = 0. (13)
Используя заданные начальные условия (13), находим частное решение уравнения (5). Решением системы:
70
являются искомые постоянные интегрирования:
1/- _ М
- 2
С учетом найденных постоянных интегрирования С1 и С2, получим решение задачи Коши для уравнения (5), (13):
х = х(т) = ^0(ешЧе"
+ е"
(14)
Реализация этого решения представлена на рисунке 2. На нем изображена зависимость радиальной координаты положения семени от времени для частоты вращения приводного барабана ю = 5 с-1 при начале движения от радиуса барабана (x0=R0).
Расчетное время движения соответствует повороту приводного барабана на 90°. Как следует из графика, семя при данной частоте вращения сначала увеличит координату х, то есть сдвинется к краю поверхности ковша, а затем начнет двигаться к центру вращения и достигнет поверхности барабана при т, равном примерно 0,25 с, далее семя будет лежать на поверхности ковша при x0=R0 до конца расчетного времени задачи.
Для определения траектории движения семени в вертикальной плоскости нами составлена система уравнений, при этом принято, что вдоль оси у проекция ускорения равна нулю:
(15)
у = (ИХ х" = ш2х - д
од?
0,165
0,16
5 0,155 га
I 0,15
° ОД 45 га
! 0,14
а.
з 0,135 0,13 0,125 0,12
0,45
0 0,05 ОД 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 Время, с
Рисунок 2. Зависимость радиальной координаты положения семени от времени для заданной частоты вращения приводного барабана ш=5с-1
Используя равенство (14), находим решение для у(т):
71
(16)
Учитывая начальные условия, у0=у(0)=0, получим:
2а>1 +
Откуда постоянная интегрирования равна
С=А (17)
со*
Тогда равенство (16) с учетом постоянной интегрирования примет вид:
Траектории движения семени в вертикальной плоскости без учета силы трения показаны на рисунке 3. На нем траектория внутренней границы ковша, соответствующая R0=0,15 м, показана точечной линией, траектория точки ковша R=0,2 м - пунктирной линией, R=0,25 м - штрихпунктирной линией.
а) б)
Рисунок 3. Траектории движения семени без учета силы трения: а - угловая скорость ш=4с-1, начальное расположение семени Л=0,15 м; б - угловая скорость ш=4с-1, начальное расположение семени ^=0,175 м
Как следует из графиков б, в и с, представленных на рисунке 3 для выбранных исходных данных семя смещается на расстояние, превышающее радиальную высоту ковша, то есть сходит с поверхности ковша и далее двигается под действием сил инерции и тяжести. Линии траектории инерционного движения семени показывают, что в этом случае возможен сход семя с ковша и удар о
72
поверхность защитного кожуха вертикального транспортера, что должно быть исключено при атравматичной транспортировке семян.
ч \ " "Ч \
\ \ \ \ \
... Т \ \ \
\ \ \ \
~т 1 1 1
...
Ч ч ч
\ . ¡4 \ \
Г, \ \ \
1 1 1
в) с)
Рисунок 3. Траектории движения семени без учета силы трения: в - угловая скорость ш=5с-1, начальное расположение семени Л=0,15 м; с - угловая скорость ш=5с-1, начальное расположение семени ^=0,175 м
Нами проведен анализ движения семени с учетом силы трения. Расчетная схема движения семени по поверхности ковша с учетом силы трения приведена на рисунке 4.
Рисунок 4. Схема движения семени по поверхности ковша с учетом силы трения: N - нормальная реакция, Н; (ЕТР ) - сила трения, Н
В этом случае уравнения (15) примут вид:
У = ш
- (о2х-д ш(й)Г) - /д сох(ш0 где / - коэффициент трения.
(19)
73
Решение этой системы относительно х и у выглядит следующим образом:
Траектории движения семени в вертикальной плоскости с учетом силы трения показаны на рисунке 5. На нем траектория внутренней границы ковша, соответствующая ^0=0,15 м, показана точечной линией, траектория точки ковша R=0,2 м - пунктирной линией, R=0,25 м - штрихпунктирной линией.
а) б)
' ч \
\ \ \ \
\ \ \ \
ч \ \
1 1
0,05 ОД 0,15 0,7 0,2%
N7- ^ ■ ч
X ч \ \
\ \ \
\ \ 1
1 \ 1
О/К 0,1 ОД5 0,2 0,24
в) с)
Рисунок 5. Траектории движения семени с учетом силы трения: а - угловая скорость ш=5с-1, начальное расположение семени Л=0,15 м; б - угловая скорость ш=5с-1, начальное расположение семени й=0,175 м; в - угловая скорость ш=5,5с-1, начальное расположение семени Л=0,15 м; с - угловая скорость ш=5,5с-1, начальное расположение семени й=0,175 м
74
Как следует из графиков, представленных на рисунке 5 для выбранных исходных данных при частоте вращения семя смещается на расстояние, не превышающее радиальную высоту ковша, то есть не сходит с поверхности ковша и ссыпается при дальнейшем повороте ковша на поверхность предыдущего ковша вертикального транспортера. При этом линейная скорость движения ленты транспортера не превышает 0,9 м/с, что вполне согласуется с данными об атравматичной скорости движения вертикального транспортера.
Выводы. Таким образом, расчетный анализ движения семян при поворотном движении ковшей вокруг оси вращения верхнего приводного барабана показал, что окружные скорости вращения барабана не должны превышать 6 с-1, а, соответственно, линейная скорость движения вертикального транспортера не должна быть больше 0,9 м/с.
Список использованных источников:
1. Линии для производства сильных семян (вариант для фермеров) - URL: https://agropromex. ru/stati-i-publikaczii/nauchnyie-stati/ lmii-dlya-proizvodstva-sünyix-semyan-variant-dlya-fermerov.html.
2. Патент RU2479808 C1. Способ инфракрасной сушки семян и зерна и устройство для его осуществления / Голубкович А. В., Павлов С. А., Измайлов А. Ю.; заявлено 03.10.2011; Опубл. 20.04.2013, Бюл. №11.
3. Патент РФ №2453782. Устройство для инфракрасной сушки семян / Демидов С. Ф., Вороненко Б. А., Пелен-ко В. В., Демидов А. С., Агеев М. В., Усманов И. И. Заявлено 28.07.2010; Опубл. 20.06.2012, Бюл. № 17.
4. Е. М. Вобликов, В. А. Бухан-цов, Б. К. Маратов. А. С. Прокопец / Послеуборочная переработка и хранение зерна. - Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 2001. - 240 с.
5. Егоров Г. А. Технологические свойства зерна. - М.: Агропромиздат, 1985.- 334 с.
6. Карпов Б. А. Технология послеуборочной обработки и хранения
References:
1. Lines for the production ofheavy seeds (option for farmers) - URL: https:// agropromex.ru/stati-i-publikaczii/ nauchnyie-stati/linii-dlya-proizvodstva-silnyix-semyan-variant-dlya-fermerov. html.
2. Patent RU2479808 C1. Method of infrared drying of seeds and grains and device for its implementation / Golubkovich A. V., Pavlov S. A., Izmailov A. Yu.; declared 03.10.2011; Publ. 20.04.2013, bul. no. 11.
3. Russian Patent no. 2453782. Device for infrared drying of seeds / Demidov S. F., Voronenko B.
A., Pelenko V. V., Demidov A. S., Ageev M. V., Usmanov I. I. Declared 28.07.2010; Publ. 20.06.2012, bul. no. 17.
4. E. M. Voblikov,V.A. Bukhantsov,
B. K. Maratov, A S. Prokopets / Post-Harvest processing and storage of grain. -Rostov on/D: Publishing center «March», 2001. - 240 p.
5. Egorov G. A. Technological properties of grain. - Moscow: Agropromizdat, 1985. - 334 p.
6. Karpov B. A. Technology of post-harvest processing and storage of
75
зерна. - М.: Агропромиздат, 1987.- 288 с.
7. Трисвятский Л.А. Хранение зерна.- 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1985.- 351 с.
8. Конвейерные устройства инфракрасной сушки и очистки семян Завалий А.А., Воложанинов С.С. В сборнике: Инновационные технологии в науке и образовании (ИТНО-2019) сборник трудов VII Международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию ДГТУ (РИСХМ). 2019. С. 327-331.
grain. - Moscow: Agropromizdat, 1987. - 288 p.
7. Trisvyatsky L. A. Storage of grain.- 5th ed., reprint. and add. - M.: Agropromizdat, 1985. - 351 p.
8. Conveyor devices for infrared drying and cleaning of seeds Zavaliy A. A., Volozhaninov S. S. in the collection: Innovative technologies in science and education (ITNO-2019) proceedings of the VII International scientific and practical conference dedicated to the 90th anniversary of DSTU. 2019. Pp. 327-331.
Сведения об авторах:
Воложанинов Сергей Сергеевич -кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры общетехнических дисциплин Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского», e-mail: [email protected], Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования КФУ им. В. И. Вернадского.
Шиян Ольга Владимировна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общетехнических дисциплин Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского», e-mail: [email protected], Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования КФУ им. В. И. Вернадского.
Завалий Алексей Алексеевич -доктор технических наук, доцент,
Information about the authors:
Volozhaninov Sergey Sergeyevich -Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of «All-technical disciplines» of Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: [email protected], Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
Shiian Olga Vladimirovna -Candidate of physical and mathematical Sciences, Associate Professor of «Alltechnical disciplines» of Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: olgshiyan@ yandex.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
76
заведующий кафедрой общетехнических дисциплин Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского», e-mail: [email protected], Республика Крым, г. Симферополь, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
Zavaly Alexey Alekseyevich -Doctor of Engineering, Associate Professor, the head of the department of «All-technical disciplines» of Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University », e-mail: [email protected], Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
77
