CC BY
52
_05.20.01 ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
05.20.01 УДК 631.36
НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
© 2019
Ильдар Дамирович Бадретдинов, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Математика» Салават Гумерович Мударисов, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительно-дорожные, коммунальные и сельскохозяйственные машины»
Башкирский государственный аграрный университет, Уфа (Россия)
Аннотация
Введение: в статье представлены результаты обоснования и исследования конструктивно-технологических параметров воздушно-решетной очистки зернового вороха высокопроизводительной зерноочистительной машины предварительной очистки зернового вороха с замкнутой системой аспирации и технологического процесса работы системы очистки зерноуборочного комбайна. Установлены режимы течения смеси «воздух -зерновой ворох», определяемые числом Рейнольдса и объемной концентрацией частиц. В современных сельскохозяйственных машинах широкое применение находят пневматические системы разделения зернового материала от примесей (система очистки зерноуборочного комбайна (ЗУК), зерноочистительные машины (ЗОМ)). При использовании пневматических систем уменьшается металлоемкость конструкции машины, возможность травмирования зернового материала, не требуются сложные регулировки и обслуживания, при этом производительность сепарации зернового вороха повышается. Однако в существующих конструкциях пневматических систем имеют существенный недостаток: при сепарации зернового вороха различных культур (сортов) часть качественных семян попадают во фракцию отходов, что объясняется несовершенством конструкции пневматической системы ввиду отсутствия теоретических подходов моделирования технологических процессов их работы.
Материалы и методы: для математического описания технологического процесса сепарации зерна от примесей воздушным потоком в пневматических системах сельскохозяйственных машин можно представить зерновой материал как «твердые частицы», а воздушный поток как «газ» и рассмотреть совместное движение газа с твердыми частицами. Однако для математического описания работы пневматической системы таким способом необходимо установить возможность применения методов «двухфазных течений».
Результаты: с помощью моделирования определены дальнейшие направления совершенствования пневматических систем зерноочистительных машин: эффективность очистки Е0 фракции чистого зерна от легких примесей, щуплого и дробленого зерна доходит до 82 %, чистота зерна на выходе составила 93,7 %, а потери полноценного зерна в отходы Pz = 0,017 %. Средняя скорость воздушного потока в сепарирующем канале составляет и = 7,12 м/с, коэффициент ее вариации по ширине сепарирующего канала составляет V = 12,7 %. Экспериментальные измерения скорости движения воздушного потока на поверхности решетного стана для существующих конструкций системы очистки современных зерноуборочных комбайнов составил 3,75... 10,2 м/с. Обсуждение: результаты экспериментальных данных подтвердили адекватность использования математического моделирования воздушного потока сельскохозяйственных машины для обоснования основных параметров пневматической системы. Режим течения «воздух - зерновой ворох» в пневматических системах сельскохозяйственных машин относится к гетерогенным слабо запыленным потокам.
Заключение: полученные параметры позволяют установить, что для моделирования технологического процесса работы пневматических систем сельскохозяйственных машин можно использовать методы двухфазных течений «газ - частицы». Используя метод имитационного моделирования, открывается возможность совершенствовать пневматические системы сельскохозяйственных машин без значительных затрат и усилий. Ключевые слова: двухфазное течение, зерноочистительные машины, зерноуборочный комбайн, математическое описание, моделирование технологического процесса, пневматические системы, сельскохозяйственные машины, система очистки.
Для цитирования: Бадретдинов И. Д., Мударисов С. Г. Научное обоснование и совершенствование пневматических систем сельскохозяйственных машин на основе моделирования технологического процесса // Вестник НГИЭИ. 2019. № 9 (100). С. 5-16.
SCIENTIFIC JUSTIFICATION AND IMPROVEMENT OF PNEUMATIC SYSTEMS FOR AGRICULTURAL MACHINES BASED ON THE SIMULATION OF TECHNOLOGICAL PROCESS
© 2019
Ildar Damirovich Badretdinov, Ph. D. (Engineering), associate professor, head of the chair of Mathematics Salavat Gumerovich Mudarisov, Dr. Sci. (Engineering), professor, head of the chair of Construction, road, municipal and agricultural machines
Bashkir State Agrarian University, Ufa (Russia)
Abstract
Introduction: the article presents the results of justification and research of design and technological parameters of air-sieve cleaning of grain heap of high-performance grain cleaning machine pre-cleaning of grain heap with a closed aspiration system and the technological process of the cleaning system of combine harvester. The flow regimes of the «air-grain heap» mixture determined by the Reynolds number and the volume concentration of particles are established. In modern agricultural machines are widely used in pneumatic system of separation of grain material from admixtures (cleaning system of combine harvester, grain-cleaning machines). The use of pneumatic systems reduces the metal content of the machine design, the possibility of injury to grain material, does not require complex adjustments and maintenance, while the separation performance of the grain heap increases. However, in the existing designs of pneumatic systems have a significant drawback: the separation of the grain heap of different crops (varieties) - part of the quality seeds fall into the waste fraction, due to the imperfection of the design of the pneumatic system due to the lack of theoretical approaches to modeling the technological processes of their work.
Materials and methods: for the mathematical description of the technological process of separation of grain from impurities by air flow in pneumatic systems of agricultural machines, it is possible to present grain material as «solid particles» and air flow as «gas», and consider the joint movement of gas with solid particles. However, for the mathematical description of the pneumatic system in this way it is necessary to establish the possibility of using the methods of «two-phase flows».
Results: further directions of improvement of pneumatic systems of grain cleaning machines were determined by modeling: the efficiency of cleaning E0 fraction of pure grain from light impurities, puny and crushed grain reaches 82 %, the purity of the grain at the output was 93.7 %, and the loss of full grain in waste Pz = 0.017 %. The average air flow rate in the separating channel is U = 7.12 m/s, its coefficient of variation in the width of the separating channel is v = 12.7 %. Experimental measurements of the air flow velocity on the surface of the sieve mill for the existing structures of the cleaning system of modern combine harvesters amounted to 3.75...10.2 m/s.
Discussion: the results of the experimental data confirmed the adequacy of the use of mathematical modeling of the air flow of agricultural machines to justify the basic parameters of the pneumatic system. Flow regime «air - grain heap» in pneumatic systems of agricultural machines refers to heterogeneous low-dust flows.
Conclusion: the obtained parameters allow us to establish that the methods of two-phase flows «gas-particles» can be used to simulate the technological process of operation of pneumatic systems of agricultural machines. Using the method of simulation it is possible to improve the pneumatic system of agricultural machines without significant costs and effort. Keywords: two-phase flow, grain cleaning machines, combine harvester, mathematical description, process simulation, pneumatic systems, agricultural machines, cleaning system.
For citation: Badretdinov I. D., Mudarisov S. G. Scientific justification and improvement of pneumatic systems for agricultural machines based on the simulation of technological process // Bulletin NGIEI. 2019. № 9 (100). P. 5-16.
Введение
Точность математического описания технологического процесса работы пневматической системы сельскохозяйственных машин (системы очистки ЗУК, ЗОМ) во многом зависит, каким образом в модели учитываются наличие и интенсивность межфазного взаимодействия (время релаксации части-
цы, число Фруда), обменных процессов, концентрации частиц и т. д. Необходимость установления режима взаимодействия «газ-частицы» (воздух-зерно и воздух-примести), который определяется числом Рейнольдса частицы Rep и объемной концентрацией частиц Ф, а также кинематические (конструктивно -технологические) параметра решетного стана для
учета силы инерции. В свою очередь, для определения данных перечисленных параметров, необходимо знать количество поступающего на очистку материала (пропускная способность), скорости движения воздушного потока и частиц (зерно и примеси), а также коэффициенты их аэродинамического сопротивления [12; 13].
Цель исследований - повышение эффективности работы пневматических систем зерновых сеялок, зерноуборочных комбайнов и зерноочистительных машин на основе моделирования технологических процессов их работы.
Материалы и методы
В пневматических системах сельскохозяйственных машин технологический процесс работы математически можно описать в виде сложной системы полидисперсного двухфазного течения с учетом сил гравитации, сопротивления, трения и инерции, где одной фазой является воздух, создаваемый вентилятором, а второй - твердые частицы (зерно). Частицы при этом могут быть различной концентрации, с разными физико-механическими свойствами (масса, плотность, геометрические размеры, влажность, упругость, парусность и т. д.). Различие в физико-механических свойствах фаз определяет характер взаимодействия воздушного потока и частиц. Инерционность и парусность различных частиц (тяжелые - семена, легкие - полова, мякина) приводит к различному разделению траекторий их движения от траекторий движения воздушного потока. В таких течениях легкие частицы перемещаются (расслаиваются) воздушным потоком за счет аэродинамической силы сопротивления, которая превышает силы гравитации, причиной возникновения которой является разность скоростей воздуха и частицы. Тяжелые частицы преимущественно перемещаются (сепарируются от легких) под действием силы гравитации и инерции решет, при этом аэродинамическая сила сопротивления действует незначительно.
Однако для применения математического аппарата двухфазных течений газа с частицами необходимо установить интенсивность межфазного взаимодействия, определяемого объемной Ф и массовой М концентрациями частиц, режимы течения смеси «газ - частицы» (воздух - зерновой материал), определяемый числом Рейнольдса Яв. Для обоснования этих параметров нужно, в свою очередь, экспериментально определить физико-механические свойства, геометрические параметры и аэродинамический коэффициент сопротивления С0 семян различных культур, а также скорость воздушного потока и, скорость семян и примесей V в пневматической системе. Аэродинамический коэф-
фициент сопротивления шарообразных частиц CD определяется согласно кривой Рэлея в зависимости от числа Рейнольдса Re (CD = f (Яе)) [6; 7; 9]. Одним из важнейших функциональных параметров движения слоя на поверхности решета (для ЗУК и ЗОМ) является число Фруда, выражающее соотношение сил, действующих на частицу, лежащую на решете, амплитуду колебаний решета и силы тяжести. Динамическая инерционность частиц (время воздействия частицы в воздушном потоке) определяется временем их релаксации тр (время динамической релаксации частиц).
Математическое описание процесса взаимодействия воздушного потока с зерновым материалом. Рассматривается случай, когда основное влияние на движение частиц оказывают сила аэродинамического сопротивления и сила тяжести (лагран-жевы уравнения).
Для расчета движения воздушного потока во вращающейся системе координат, создаваемого вентилятором, используется приближение одно-компонентной несжимаемой среды, описываемой уравнениями Навье-Стокса с учетом эффектов турбулентности.
Воздействие воздушного потока, создаваемого вентилятором, на зерновой материал, поступающий в пневматическую систему, в общем виде на основе уравнения Навье-Стокса имеет вид [10]
dV VP 1
— + 7(V ® V) =--+ ~7(/л 7V)+S.
ot Р Р
Уравнение неразрывности
^ b V \pg U) = & (D
где V - оператор набла (Гамильтона); fm - массовая подача частиц, кг/м3-с.
Моделирование переноса полидисперсной фазы предполагает решение неоднородного конвективно-диффузионного уравнения для концентрации частиц:
d-^ + 4-(Vp-Np) = 4-[^4Np) + Np, (2)
где vt - кинематический коэффициент турбулентной вязкости воздуха; Sct - турбулентное число Шмидта; Np - скорость уноса легких частиц.
Для того чтобы решить полученные уравнения, необходимо установить значения величин, входящих в систему в начальный момент времени и задать границы рассматриваемой области расчета.
Результаты
В таблице 1 и 2 представлены основные физико-механические свойства и статистический анализ геометрических параметров семян зернового вороха.
Таблица 1. Статистический анализ геометрических параметров зернового вороха и чистого зерна (культура пшеница, сорт «Ватан»)
Table 1. Statistical analysis of geometric parameters of grain heap and pure grain (wheat culture, variety «Watan»)
Параметр / Parameter Мин. / Min. Макс./ Max. Ср. знач., Х / The average value Дисп., а2 / Dispersion Ср. кв. откл., а / Standard deviation Вариация, v / Variation
Зерновой ворох (до очистки) / Grain heap (post-treatment)
58,59 63,57 28,64
Чистое зерно /pure grain
7,74 8,62 11,28
Длина /, мм / Length, mm Толщина a, мм / Thickness Ширина в, мм / Width Экв. диам. dэ, мм / Equivalent diameter, mm
1,11 28,1 10,77 39,8 6,31
0,3 9,5 2,11 1,8 1,34
1,4 5,7 3,53 1,02 1,01
0,72 5,41 2,59 - -
Длина l, мм / Length, mm Толщина a, мм / Thickness Ширина в, мм / Width Экв. диам. dэ, мм / Equivalent diameter, mm
5,06 6,92 6,03 0,22 0,47
2,24 3,36 2,70 0,05 0,23
2,05 3,63 2,98 0,11 0,34
3,12 4,64 3,90 - -
Таблица 2. Статистический анализ массы единичной зерновки (культура пшеница, сорт «Салават Юлаев»)
Table 2. Statistical analysis of the mass of a single grain (wheat culture, type «Salavat Yulaev»)
Параметр / Мин. / Макс./ Ср. знач., Х / Дисп., а2 / Ср. кв. откл., а / Вариация, v / Ср. ошибка /
Parameter Min. Max. The average value Dispersion Standard deviation Variation Mean error
Масса, г / Weight, g
0,012 0,080
0,036
0,0001
0,0105
29,32
0,0011
Как показывают экспериментальные измерения (таблица 1 и 2), зерновой ворох неоднороден и имеет широкий диапазон как по физико-механическим, так и по геометрическим параметрам [1; 3]. Полученные данные используются в математической модели описания технологического процесса работы системы очистки зерноуборочного комбайна и пневматической системы зерноочистительной машины.
Определение интенсивности межфазного взаимодействия (объёмной и массовой концентрации зернового вороха) и режима течения. Технологический процесс разделения зернового материала от вороха характеризуется относительно небольшим объемным содержанием зернового вороха. В то же время суммарная масса зернового вороха в несколько раз превосходит массу воздушного потока, создаваемого вентилятором. В связи с этим, необходимо определить интенсивность межфазного взаимодействия, которая оценивается объёмной и массовой концентрациями воздушно-зерновой смеси.
В системах очистки ЗУК и пневматических системах ЗОМ объемная концентрация зернового вороха находится в пределах Ф ~ 8-10-б...2,5-10-4, а
массовая - М ~ 0,01.0,28, что относится по принятой классификации к гетерогенным, слабозапылен-ным потокам (рис. 1).
При таком режиме течения несущая фаза (воздух) влияет на движение твердых частиц (зерно), а их обратное влияние на воздушный поток незначительно. При увеличении концентрации повышается влияние зернового вороха на воздушный поток, а также взаимодействие компонентов вороха между собой. Однако в этом случае нарушается технологический процесс очистки. Полученные экспериментальным путем концентрации используем при имитационном моделировании технологического процесса работы пневматических систем ЗУК и ЗОМ в программе FlowVision.
Визуализация траекторий движения скорости воздушного потока, полученная по результатам моделирования и расчета в программном комплексе FlowVision (рисунки 2-6). Воздушный поток создается путем вращения колеса вентилятора (условие вращения, задается угловая скорость вращения колеса). Задаваемые граничные условия при выполнении расчета: вход зернового вороха (задаются концентрация, эквивалентные диаметры частиц зернового
вороха и их скорости), свободный выход (выход очищенного зернового материала), стенка (поверхности пневмосистемы зерноочистительной машины),
симметрия (боковые стороны пневмосистемы), вращающаяся стенка (лопатки вентилятора), поверхность связи (связь пневмосистемы и вентилятора).
Рис. 1. Классификация гетерогенных потоков по объемной концентрации частиц:
А - пневматические системы посевных комплексов и сеялок Ф машины Ф
3 10- .. ,1,5-10- ; В - зерноочистительные
1,510 ...2,310 ; С - машины химической защиты растений (опрыскиватели, протравливатели)
Ф ~ 3 10-7...1,110-7; D - зерноуборочные комбайны Ф
810-6...2,510-4
Fig. 1. Classification of two-phase flow at the volume concentration of particles: A - pneumatic systems of sowing complexes and seeders F ~ 3-10"4...1,5-10"3; B - grain cleaning machines
F ~ 1,5 10" ...2,3-10" ; C - chemical plant protection machines (sprayers, etchers) F :
D - combine harvesters F ~ 8 10"6.2,5 10"4
•10-7...L110-7;
Рис. 2. Траектории движения воздушного потока в пневмосистемеузерноочистительной машины Fig. 2. The motion path of the air flow in the pneumatic system of grain cleaning machine
Рис. 3. Распределение скорости воздушного потока в пневмосистеме зерноочистительной машины Fig. 3. The velocity distribution of the air flow in the pneumatic system of grain cleaning machine
Технологический процесс (пневмосепарации) сепарации зернового материала воздушным потоком от легких примесей показан на рисунке 4. Голубым цветом показано движение воздушного по-
тока, желтым - поступающий на очистку зерновой ворох, красным - очищенный зерновой материал, фиолетовым цветом - легкие примеси.
Рис. 4. Визуализация технологического процесса пневмосепарации Fig. 4. Visualization of the technological process of pneumoseparation
Из рисунка 4 хорошо видно, как протекает технологический процесс очистки зернового вороха от легких примесей в зерноочистительной машине для предварительной очистки. Очищенный зерновой материал (красный цвет) под действием силы тяжести устремляется вниз к выходному окну, а
легкие примеси (фиолетовый цвет) под действием воздушного потока устремляются и осаждаются в осадочной камере зерноочистительной машины.
При расчете модели системы очистки зерноуборочного комбайна в программном комплексе FlowVision учитывались: генератором воздушного
потока служит центробежный вентилятор, и воздушный поток создается лопатками путем вращения колеса (обороты 650 мин-1). Также в программе за-
даются движение (колебания) решет через функцию по координатам узловых (крайних) точек решетного стана системы очистки ЗУК (рис. 5-6).
Рис. 5. Распределение векторов скорости воздушного потока в системе очистки зерноуборочного комбайна Fig. 5. Distribution of air flow velocity vectors in the combine harvester cleaning system
Из рисунка 5 видно, что в передней части верхнего решетного стана зерноуборочного комбайна, судя по направлению векторов скорости воздушного потока, наблюдаются завихрения. Это
происходит по причине того, что на этом участке поступает на очистку зерновой ворох, а также из-за колебательных движений решетного стана.
Рис. 6. Распределение скорости воздушного потока на выходе из вентилятора и на верхнем решете зерноуборочного комбайна (заливкой) Fig. 6. Distribution of airflow velocity at the outlet of the fan and on the upper sieve of the combine harvester (filling)
Анализируя рисунок 6, можно сказать, что скорости воздушного потока на выходе из нагнетательного канала вентилятора и на решетах системы очистки зерноуборочного комбайна распределяется неравномерно. В средней части верхнего решетного стана наблюдаются перепады скорости воздушного
потока до 0,4 м/с и в конечной части решет увеличение скорости воздушного потока до 2,4 м/с.
На рисунке 7 представлены результаты экспериментальных измерений скорости воздушного потока над верхним решетным станом зерноуборочного комбайна.
Рис. 7. График распределения коэффициента вариации v скорости воздушного потока по длине L на поверхности решета зерноуборочного комбайна Fig. 7. Distribution graph of the coe ffi cient of variation v of the air flow velocity along the length L on the surface of the sieve combine
Результаты экспериментальных измерений скорости воздушного потока над поверхностью верхнего решетного стана ЗУК показывают (рис. 7), что воздушный поток в передней и задней частях решетного стана более равномерный (V от 6 до 15 %), а в средней части наблюдается сильный разброс, о чем свидетельствуют показания коэффициента вариации скорости воздушного потока V от 30 до 48 %. Причиной такой неравномерности может
быть неправильная форма конструктивных (геометрических форм) параметров пневматической системы. Из-за неравномерности воздушного потока в средней части решетного стана технологический процесс очистки может протекать с нарушением агротехнологических требований (возможно попадание мякины в очищенное зерно или выброс качественного (полноценных зерен) наружу, что не допускается.
Таблица 3. Статистический анализ распределения скорости воздушного потока над поверхностью
верхнего решетного стана зерноуборочного комбайна (стандартный) по длине
Table 3. Statistical analysis of the air flow velocity distribution over the surface of the upper sieve mill
of the combine harvester i standard) in length
Параметр / Parameter Мин. / Min. Макс. / Max. Ср. знач., Х / The average value Дисп., a2 / Dispersion Ср. кв. откл., a / Standard deviation Вариация, v / Variation
Скорость, м/с / Speed, m/s
3,75
10,29
6,87
3,75
1,94
28,20
Таблица 4. Статистический анализ изменения скорости воздушного потока на решетах зерноуборочного комбайна NewHollandTX-65 по ширине решета
Table 4. Statistical analysis of changes in air flow velocity on the sieve of the combine harvester New Holland TX-65 on the sieve width
Ширинарешета / The width of the sieve Точки измерения / Measuring point
1 2 3 4 5
без дефлекторов / nodeflectors
Ср. знач, м/с / The average value, m/s 1,19 1,41 1,23 1,47 1,20
Дисперсия / Dispersion 0,08 0,20 0,69 0,35 0,28
Ср. кв. откл. / Standard deviation 0,28 0,45 0,83 0,59 0,53
Вариация, % / Variation 23,12 31,84 67,51 40,00 44,10
с дефлекторами / with deflectors
Ср. знач, м/с / The average value, m/s 1,58 1,37 1,84 1,38 1,54
Дисперсия / Dispersion 0,08 0,06 0,03 0,04 0,14
Ср. кв. откл. / Standard deviation 0,28 0,24 0,17 0,19 0,37
Вариация, % / Variation 17,99 17,66 9,25 13,82 23,97
В таблице 4 приведен сравнительный анализ статистических данных измерения скорости воздушного потока на решетах зерноуборочного комбайна New Holland TX-65 и New Holland TX-65 с установленными дефлекторами. Дефлекторы установлены в нагнетательном канале вентилятора с целью выравнивания распределения скорости воздушного потока по всей площади решета.
По значениям вариации (таблица 4) можно сказать, что у зерноуборочного комбайна New Holland TX-65 с установленными дефлекторами распределение воздушного потока по ширине решетного стана значительно снизился с 23.67 до 9.24 %.
Обсуждение
Данные, полученные экспериментальным путем, распределения скорости воздушного потока по всей площади решета существующих современных зерноуборочных комбайнов показали, что воздушный поток распределяется неравномерно по площади решета и варьирует в широком диапазоне. Об этом свидетельствуют и результаты других исследователей [1; 8; 9; 10; 11; 13; 14; 20]. Данные, полученные путем моделирования, распределения скорости воздушного потока в пневматических системах существующих современных зерноочистительных машин показали, что воздушный поток в пневмосепарирующем канале распределяется неравномерно и варьирует в широком диапазоне (коэффициент вариации v до 37 %). Об этом свидетельствуют и результаты других исследователей [2; 3; 4; 5; 6; 7; 12]. Это обусловлено из-за повышения производительности, в результате чего возникают проблемы качественного функционирования пневматической системы сельскохозяйственных машин. Это можно объяснить сложностью одновременного регулирования нескольких конструктивно-технологических параметров (обороты вентилятора и скорость воздушного потока U, зазоры жалюзи решета и угловая скорость кривошипа привода решета ю) и в зависимости от убираемой культуры, от ее физико-механических свойств (геометрические параметры, влажность, засоренность).
Экспериментальные данные подтвердились теоретическими исследованиями математического описания и моделирования в виде двухфазного течения. Подобные исследования проводили и другие ученые, которые отражены в трудах [1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 20; 21].
Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных исследований показал достоверность результатов исследования.
Смоделировав и рассчитав модель реальных зерноуборочных комбайнов, используя данный метод, были выявлены проблемные участки системы очистки. Данные проблемы можно решить путем изменения конструктивных параметров и добавлением дефлекторов (направителей) в нагнетательный канал вентилятора (патент RU 2621026 C1 и RUS 175203), что способствует равномерному распределению воздушного потока по всей площади решета ЗУК [18; 19].
Полученные характеристики позволяют разработать рекомендации по оптимизации конструктивно-технологических параметров пневматических систем сельскохозяйственных машин.
При использовании метода имитационного моделирования открывается возможность совершенствовать пневматические системы сельскохозяйственных машин без значительных затрат и усилий.
Заключение
Обоснованы следующие показатели режима течения воздушно-зерновой смеси в пневматических системах сельскохозяйственных машин: массовая концентрация М = 0,01.0,28; объемная концентрация зернового вороха Ф = 810-6.2,5 10-4; число Рейнольдса зернового вороха Rep = 125. 1884; число Фруда Fr = 0,49, характеризующее соотношение между силами инерции, тяжести и аэродинамической силой, в поле которой происходит движение, действующими на элементарный объём воздушного потока, это означает спокойный поток; аэродинамический коэффициент сопротивления зернового вороха CD = 0,19.0,59; коэффициентов парусности - для полноценных зерен он колеблется в диапазоне к п = 0,09.0,3, а для сорной примеси к п = 0,4.1,22; динамическая инерционность частиц зернового вороха тр = 1.28,5; рекомендуемые скорости движения воздушного потока в рабочей зоне решетного стана для обеспечения пневмо-решетной сепарации и равномерного распределения по площади решета для различных зерновых культур U = 3,1.4,0 м/с. Режим течения «воздух - зерновой ворох» в системе очистки комбайна относится к гетерогенным слабозапыленным потокам. Полученные параметры позволяют установить, что для моделирования технологического процесса работы пневматических систем сельскохозяйственных машин можно использовать методы двухфазных течений «газ - частицы».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Saitov V. E., Kurbanov R. F., Suvorov A. N. Assessing the Adequacy of Mathematical Models of Light Impurity Fractionation in Sedimentary Chambers of Grain Cleaning Machines // Procedia Engineering. 2016. V. 150. P. 107-110. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.06.728.
2. Bulgakov V., Holovach I., Bandura V., Ivanovs S. A theoretical research of the grain milling technological process for roller mills with two degrees of freedom // INMATEH - Agricultural Engineering. 2017. V. 52. № 2. P.99-106.
3. Giyevskiy A. M., Orobinsky V. I., Tarasenko A. P., Chernyshov A. V., Kurilov D. O. Substantiation of basic scheme of grain cleaning machine for preparation of agricultural crops seeds // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2018. V. 327. P. 042035 D0I:10.1088/1757-899X/327/4/042035.
4. Saitov V. E., Farafonov V. G., Gataullin R. G., Saitov A. V. Research of a diametrical fan with suction channel // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2018. V. 457. P. 012009. DOI: 10.1088/1757-899X/457/1/012009.
5. Гиевский А. М., Оробинский В. И., Гулевский В. А., Чернышов А. В. Применение конечно-объёмного метода решения уравнений гидродинамики для обоснования отдельных параметров пневмосистемы зерноочистительных машин // Вестник аграрной науки. 2017. № 5 (68). С. 65-73.
6. Саитов В. Е. Регулирование скорости воздуха в пневмосистеме зерноочистительных машин// Тракторы и сельхозмашины. 2008. № 3. С. 38-39.
7. Kundu D., Gupta A. K. On bivariate Weibull-geometric distribution // Journal of Multivariate Statistics. 2014. № 123. P. 19-29.
8. Miu P. I., Kutzbach H.-D. Modeling and simulation of grain threshing and separation in threshing units -Part I // Computers and Electronics in Agriculture, 2007. № 60. P. 96-104.
9. Petre Miu. Combine Harvesters: Theory, Modeling, and Design // Taylor & Francis, 2017. P. 494.
10. Voicu G., Casandroiu T., Tarcolea C. Testing stochastic models for simulating the seeds separation process on the sieves of a cleaning system and a comparison with experimental data // Agricultura Conspectus Scientificus. 2008. V. 73. № 2. P. 95-101.
11. Spokas L., Adamcuk V., Bulgakov V., Nozdrovicky L. The experimental research of combine harvesters // Res. Agr. Eng.2016. Vol. 62. № 3. P. 106-112.
12. Liu X. P., Zhang Y. L., Yang D. Int. Conf. on Mechanism Science and Control Engineering (MSCE 2014). 112-8.
13. Dal-Pastro E., Facco P., Bezzo E., Zamprogna E., Barolo M., Data-driven modelling of milling and sieving operations in wheat milling process // Foodand Bioproducts Processing. 2016. Vol. 99. P. 99-108.
14. Баран И. А., Попов В. Б., Вырский А. Н., Труханович С. В. Компьютерное моделирование процесса разделения зерна и половы на фракции в системе очистки зерноуборочного комбайна // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. 2016. № 3. С. 3-9.
15. Миренко В. В., Хиженок В. Ф., Родзевич П. Е. Анализ работы вентилятора системы очистки зерноуборочного комбайна. Машиностроение и машиноведение. 2011.
16. Ермольев Ю. И., Муратов Д. К. Моделирование процесса функционирования центробежных вентиляторов в воздушно-решетной очистке зерноуборочного комбайна // Вестник ДГТУ. 2011. Т. 11. № 8 (59). Вып. 1. С. 38-46.
17. Тарасенко А. П. Совершенствование средств механизации для получения качественного зерна // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2012. № 3 (34). С. 109-115.
18. Сороченко С. Ф. Исследование движения компонентов зернового вороха по решету зерноуборочного комбайна при уборке зерновых культур на склонах // Вестник Алтайского ГАУ. 2016. № 8 (142). С. 162-168.
19. Сороченко С. Ф. Математическая модель сепарации зерна в системе очистки косогорного зерноуборочного комбайна // Вестник Алтайского ГАУ. 2017. № 12(158). С. 134-140.
20. Василевский М. В., Романдин В. И., Зыков Е. Г. Транспортировка и осаждение частиц в технологиях переработки дисперсных материалов : монография / Томский политехнический университет. Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2013. 288 с.
Дата поступления статьи в редакцию 19.06.2019, принята к публикации 22.07.2019.
Информация об авторах: Бадретдинов Ильдар Дамирович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Математика»
Адрес: Башкирский государственный аграрный университет, 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34 E-mail: [email protected] Spin-код: 2537-6029
Мударисов Салават Гумерович, доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Строительно-дорожные, коммунальные и сельскохозяйственные машины» Адрес: Башкирский государственный аграрный университет, 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул.50-летия Октября, 34 E-mail: [email protected] Spin-код: 6893-9957
Заявленный вклад авторов:
Бадретдинов Ильдар Дамирович: общее руководство проектом, сбор и обработка материалов, постановка научной проблемы статьи и определение основных направлений ее решения
Мударисов Салават Гумерович: научное руководство, формулирование основной концепции исследования.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
REFERENCES
P. Saitov V. E., Kurbanov R. F., Suvorov A. N. Assessing the Adequacy of Mathematical Models of Light Impurity Fractionation in Sedimentary Chambers of Grain Cleaning Machines, Procedia Engineering, 20P6, Vol. P50, pp. P07-PP0. DOI: P0.P0P6/j.proeng.20P6.06.728.
2. Bulgakov V., Holovach I., Bandura V., Ivanovs S. A theoretical research of the grain milling technological process for roller mills with two degrees of freedom, INMATEH - Agricultural Engineering, 20P7, Vol. 52, No. 2, pp. 99-106.
3. Giyevskiy A. M., Orobinsky V. I., Tarasenko A. P., Chernyshov A. V., Kurilov D. O. Substantiation of basic scheme of grain cleaning machine for preparation of agricultural crops seeds, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 20P8, Vol. 327, pp. 042035 D0I:P0.P088/P75a-899X/32a/4/042035.
4. Saitov V. E., Farafonov V. G., Gataullin R. G., Saitov A. V. Research of a diametrical fan with suction channel, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering.20P8, Vol. 457, pp. 0P2009, D0I:P0.P088/Pa5a-899X/457/P/0P2009.
5. Gievskij A. M., Orobinskij V. I., Gulevskij V. A., Chernyshov A. V. Primenenie konechno-ob"yomnogo metoda resheniya uravnenij gidrodinamiki dlya obosnovaniya otdel'nyh parametrov pnevmosistemy zernoochistitel'n-yh mashin [Application of the finite-volume method to solve the hydrodynamic equations for justification of the individual parameters of the pneumatic system grain cleaning machines], Vestnik agrarnoj nauki [Bulletin of agricultural science], 20P7, No. 5 (68), pp. 65-73.
6. Saitov V. E. Regulirovanie skorosti vozduha v pnevmosisteme zernoochistitel'nyh mashin [Regulation of air speed in the pneumatic system of grain cleaning machines], Traktory i sel'hoz mashiny [Tractors and agricultural machinery], 2008, No. 3, pp. 38-39.
7. Kundu D., Gupta A. K. On bivariate Weibull-geometric distribution, Journal of Multivariate Statistics. 20P4. No. P23, pp. P9-29.
8. Miu P. I., Kutzbach H.-D. Modeling and simulation of grain threshing and separation in threshing units -Part I. Computers and Electronics in Agriculture, 2007.No. 60: pp. 96-104.
9. PetreMiu. Combine Harvesters: Theory, Modeling, and Design, Taylor & Francis, 20р7, pp. 494.
P0. Voicu G., Casandroiu T., Tarcolea C. Testing stochastic models for simulating the seeds separation process on the sieves of a cleaning system and a comparison with experimental data, Agriculturae Conspectus Scientificus, 2008, V. 73, No. 2, pp. 95-P0P.
PP. Spokas L., Adamcuk V., Bulgakov V., Nozdrovicky L. The experimental research of combine harvesters, Res. Agr. Eng. 20P6, Vol. 62, No. 3, pp. 106-112.
12. Liu X. P., Zhang Y. L. and Yang D. Int. Conf. on Mechanism Science and Control Engineering, (MSCE 2014), 112-8.
13. Dal Pastro E., Facco P., Bezzo E., Zamprogna E., Barolo M., Data-driven modelling of milling and sieving operations in wheat milling process, Food and Bioproducts Processing, 2016, Vol. 99, pp. 99-108.
14. Baran I. A., Popov V. B., Vyrskij A. N., Truhanovich S. V. Komp'yuternoe modelirovanie processa razdeleniya zerna i polovy na frakcii v sisteme ochistki zernouborochnogo kombajna [Computer simulation of process of separation of grain and chaff fractions in the cleaning system of combine harvester], Vestnik GGTU im. P. O. Suhogo [Bulletin of the University them. P. O. Sukhoi], 2016, No. 3, pp. 3-9.
15. Mirenco V. V., Khizhenok V. F., Rodzevich P. E. Analiz raboty ventilyatora sistemy ochistki zernouborochnogo kombajna [The analysis of the fan cleaning system of combine harvester], Mashinostroenie i mash-inovedenie, 2011.
16. Ermol'ev Yu. I., Muratov D. K. Modelirovanie processa funkcionirovaniya centrobezhnyh ventilyatorov v vozdushno-reshetnoj ochistke zernouborochnogo kombajna [Modeling of process of functioning of centrifugal fans in air-sieve purification combine harvester], Vestnik DGTU [Bulletin of DGTU], 2011. Vol. 11, No. 8 (59). Part 1. pp. 38-46.
17. Tarasenko A. P. Sovershenstvovanie sredstv mekhanizacii dlya polucheniya kachestvennogo zerna [Improvement of means of mechanization for obtaining high-quality grain], Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of the Voronezh state agrarian University], 2012. No. 3 (34). pp. 109-115.
18. Sorochenko S. F. Issledovanie dvizheniya komponentov zernovogo voroha po reshetu zernouborochnogo kombajna pri uborke zernovyh kul'tur na sklonah [Research of movement of the components of the grain heap on the sieve combine harvester when harvesting cereal crops on hillsides], Vestnik Altajskogo GAU [Bulletin of Altai state agricultural UNIVERSITY], 2016. No. 8 (142). pp. 162-168.
19. Sorochenko S. F. Matematicheskaya model' separacii zerna v sisteme ochistki kosogornogo zernouborochnogo kombajna [Mathematical model of grain separation in the system of purification of the sloping combine], Vestnik Altajskogo GAU [Bulletin of the Altai GAU], 2017, No. 12 (158), pp. 134-140.
20. Vasilevskij M. V., Romandin V. I., Zykov E. G. Transportirovka i osazhdenie chastic v tekhnologiyah pererabotki dispersnyh materialov [Transport and deposition of particles in the processing of disperse materials], monografiya, Tomskij politekhnicheskij universitet. Tomsk : Publ. Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2013, 288 p.
Submitted 19.06.2019; revised 22.07.2019.
About the authors:
Ildar D. Badretdinov, Ph. D. (Engineering), associate professor, head of the chair of «Mathematics» Address: Bashkir state agrarian University, 450001, Republic of Bashkortostan, Ufa, 50-letia Oktyabrya Str., 34 E-mail: [email protected] Spin-code: 2537-6029
Salavat G. Mudarisov, Dr. Sci. (Engineering), professor,
head of the chair of «Construction, road, municipal and agricultural machines»
Address: Bashkir state agrarian University, 450001, Republic of Bashkortostan, Ufa, 50-letia Oktyabrya Str., 34 E-mail: [email protected] Spin-code: 6893-9957
Contribution of the authors:
Ildar D. Badretdinov: managed the research project, collection and processing of materials, formulated the problem of the article and defined the main methods of solution. Salavat G. Mudarisov: research supervision.
All authors have read and approved the final manuscript.
