CC BY
16
Сведения об авторах
Бухвал Александр Владимирович - аспирант кафедры «Электроэнергетика и электротехника», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). Тел.: +7-928-129-35-58. E-mail: pr.miller@mail.ru.
Юндин Михаил Анатольевич - кандидат технических наук, профессор кафедры «Электроэнергетика и электротехника», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). Тел.: +7-928-774-73-53. E-mail: m.a.ju@yandex.ru.
Information about the authors
Bukhval Alexander Vladimirovich - postgraduate student of the Electrical engineering department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation). Phone: +7-928-129-35-58. E-mail: pr.miller@mail.ru.
Yundin Mikhail Anatolievich - Candidate of Technical Sciences, professor of the Electrical engineering department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation). Phone: +7-928-774-73-53. E-mail: m.a.ju@yandex.ru.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests. The authors declare no conflict of interests.
УДК 631.8
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАЛЬНОСТИ ПОЛЕТА ЧАСТИЦ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ ПРИ ПНЕВМАТИЧЕСКОМ ВЫБРОСЕ ИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
© 2021 г. А.М. Бондаренко, А.Ю. Попенко, Л.С. Качанова
Широкое применение концентрированных органических удобрений сдерживается отсутствием технических средств для их поверхностного внесения с дозами от 1 до 4 т/га. Существующие технические средства для внесения минеральных удобрений не обеспечивает требуемую равномерность распределения концентрированных органических удобрений по ширине внесения и ходу движения агрегата. Это связано со специфичными физико-механическими свойствами удобрения: пылевидная структура (более 72% частиц имеет размер менее одного миллиметра), плотность от 0,5 до 0,9 т/м3, влажность 45-55%.Эффективным является применение на машинах типа РУМ (МВУ) распределяющих рабочих органов пневмоцентробежного типа. Для улучшения качества распределения концентрированных органических удобрений необходимо определение рациональных параметров пневматического выброса частиц из закрытого канала прямоугольной формы, обеспечивающих заданную дальность полета и требуемые дозы их внесения. Принцип действия пневматического распределения удобрений заключается в сочетании комбинаций распределяющих органов: пневматического выброса из закрытого канал в левую и правую стороны движения агрегата; центробежного распределения удобрений в средней зоне (по ширине технологической машины). Получены математические зависимости, описывающие процесс выброса части из закрытого канала с учетом изменения его угла наклона от 15° до 45°. Определены траектории метания частиц в безвоздушном пространстве и с учетом сопротивления воздуха. Установлено, что с учетом парусности частиц и сопротивления воздушной среды дальность их полета составляет от 16,2 до 26,4 м. Для объективной оценки показатель эффективности технологической машины в сочетании механического и пневматического воздействия на частицу удобрений при внесении даст желаемый результат, т.е. качественное распределение удобрений независимо от их гранулометрического состава и характеристик.
Ключевые слова: воздушный поток, аэродинамическая сила, разбрасыватель удобрений, концентрированное органическое удобрение.
Для цитирования: Бондаренко А.М., Попенко А.Ю., Качанова Л.С. Определение дальности полета частиц концентрированных органических удобрений при пневматическом выбросе из технологической машины // Вестник аграрной науки Дона. 2021. № 1 (53). С. 58-63.
DETERMINATION OF THE FLIGHT DISTANCE OF FERTILIZER PARTICLES AT PNEUMATIC EXHAUST
FROM THE TECHNOLOGICAL VEHICLE
© 2021 A.M. Bondarenko, A.Yu. Popenko, L.S. Kachanova
The widespread use of concentrated organic fertilizers is constrained by the lack of technical means for their surface application at doses from 1 to 4 t / ha. The existing technical means for applying mineral fertilizers do not provide the required uniformity of distribution of concentrated organic fertilizers over the width of application and the movement of the unit. This is due to the specific physical and mechanical properties of the fertilizer: dust-like structure (more than 72% of particles have a size of less than one millimeter), density 0,5 to 0,9 t/m3, humidity 45-55%. Effective is the use of pneumatic centrifugal distributing working
bodies on RUM (MVU) machines. To improve the quality of the distribution of concentrated organic fertilizers, it is necessary to determine the rational parameters of pneumatic emission of particles from a closed rectangular channel, providing a given flight range and the required doses of their application. The principle of operation of pneumatic distribution of fertilizers consists in a combination of combinations of distributing bodies: pneumatic discharge from a closed channel to the left and right sides of the movement of the unit; centrifugal distribution of fertilizers in the middle zone (across the width of the technological machine). Mathematical dependencies are obtained that describe the process of ejection of a part from a closed channel taking into account the change in its inclination angle from 150 to 450. The trajectories of particles throwing in an airless space and taking into account air resistance are determined. It has been established that, taking into account the windage of the particles and the resistance of the air environment, the range of their flight is from 16,2 to 26,4 m. For an objective assessment, the efficiency indicator of a technological machine in combination of mechanical and pneumatic action on a fertilizer particle during application will give the desired result, i.e. ... qualitative distribution of fertilizers regardless of their granulometric composition and characteristics.
Keywords: air flow, aerodynamic force, fertilizer spreader, concentrated organic fertilizer.
For citation: Bondarenko A.M., Popenko A.Yu., Kachanova L.S. Determination of the flight distance of fertilizer particles at pneumatic exhaust from the technological vehicle. Vestnik agrarnoy nauki Dona = Don agrarian science bulletin. 2021; 1 (53): 58-63. (In Russ.)
Введение. На юге Российской Федерации в последнее десятилетие получило распространение концентрированное органическое удобрение марки «Агровит-Кор». Удобрение имеет пылевидную структуру, плотность от 0,5 до 0,9 г/м3, влажность 45-55% [1, 2]. Однако существующие машины для поверхностного внесения органических и минеральных удобрений не обеспечивают качественное распределение их с заданными дозами [3, 4].
Ввиду специфичных физико-механических свойств концентрированных органических удобрений (КОУ) внесение их серийными машинами затруднено в связи с несоответствием конструкции их разбрасывающих органов физико-механическим свойствам КОУ.
Для внесения КОУ с дозами от 1 до 4 т/га разработана конструкция машины с пневмоцен-тробежным рабочим органом для их распределения по поверхности поля на базе существую-
щих серийных машин типа РУМ (МВУ) [1, 5]. Наличие новой конструкции распределяющего рабочего органа предопределило проведение исследований по определению технологических показателей рассматриваемого процесса.
Научная задача заключается в определении указанного параметра с целью дальнейшего управления процессом внесения КОУ путем изменения траектории полета частиц на разных участках пневмопровода, что предопределяет общую и рабочую ширину внесения удобрений и качество (равномерность) их распределения по ширине и ходу движения агрегата, а также дозы внесения концентрированных органических удобрений.
Цель исследования - определение дальности полета частицы удобрений при пневматическом выбросе из технологической машины с учетом аэродинамических свойств и материала.
1 - кузов; 2 - воздуховод (насадок); 3 - вентилятор высокого давления Рисунок 1 - Траектория пневматического выброса частицы из технологической машины
Материалы и методика исследований. Пневматический разбрасыватель для внесения КОУ (рисунок 1) содержит кузов 1, на котором закреплен под углом 15°, 30° и 45° к горизонтальной плоскости воздуховод (насадок) 2 с вентилятором высокого давления 3, соединенным с загрузочным устройством (донным транспортером).
Изменение угла наклона насадка в диапазоне 15°, 30° и 45° позволяет управлять качеством распределения удобрений по ширине и ходу движения агрегата.
В качестве исходных параметров был задан воздуховод (насадка) с размерами: длина I = 1,5 м, прямоугольного сечения □ = 110 мм. Воздушный поток создается вентилятором высокого давления.
Для определения парусности частицы удобрения использовался парусный классификатор «Петкус».
Удобрения помещались в бункер классификатора «Петкус». После включения вентилятора с установленным расходом воздуха открывается заслонка бункера и материал поступает в аэродинамическую трубу. После прекращения истечения удобрения из бункера взвешивали частицы, попавшие в приемник осадочной камеры. Процесс повторяли несколько раз до полного выделения вариационного ряда, при каждом увеличении расхода воздуха.
Результаты исследований и их обсуждение. Принято допущение, что скорости воздушного потока по сечению насадки равномерные. В насадке с прямоугольным сечением наблюдается возникновение упорядоченного воздушного потока. Исследования в области аэродинамических воздушных потоков при проектировании пневматического разбрасывающего
органа показывают, что скорость потока на выходе из воздуховода должна составлять о0 = 22 м/с.
Аэродинамическая сила воздушного потока вычисляется по формуле [6]:
Р. ■ кп-о2 - ^
Fa = ■
2
(1)
где рв - плотность массы воздуха, кг / мъ\ кп - коэффициент парусности,
Ре ' d .
к„ = к„„ • Fa • -
g
кхп - коэффициент лобового сопротивления
при скорости о;
ё - диаметр эквивалентной частицы в мм;
ж-ё2
F - миделево сечение, F = ■
4
Посредством электронно-вычислительной программы Mathcad была рассчитана траектория метания частиц в безвоздушном пространстве [7].
Известно, что траектория метания частиц в пространстве представляет собой параболическую кривую [6, 8]. При расчете дальности полета частицы в безвоздушной среде кп =0, при движении частицы с учетом сопротивления воздушной среды значение к принималось на
основе исследований.
Дальность полета частиц удобрений определяется по формуле [6]:
и2 .
L =--sin 2a, (2)
g
где и - начальная скорость метания частицы,
м / с;
a - угол наклона к горизонту касательной к траектории в начале свободного метания частицы.
35
2,5
2 1,5
0,5
2í, 7
\
\
\
/ 21,í \
/ /' \ \ ч \
/ / / /' 12,3 \ \ \
\ 4-9,4
150 30° Í50
О
10
20
30
ÍO
50
60
Рисунок 2 - Траектория метания частиц в безвоздушном пространстве
Устанавливая угол наклона насадки воздуховода 15°, 30° и 45° к горизонтальной плоскости и приняв начальную скорость потока на выходе равным 22 м/с на основе выражения (2) определили дальность полета частиц удобрений в безвоздушном пространстве (рисунок 2).
Из рисунка 2 видно, что при угле наклона насадки 15° дальность метания частиц составляет 24,7 м, при 30° дальность метания 42,7 м и при 45° дальность метания 49,4 м. В результате изменения угла наклона насадки в указанных пределах наибольшая дальность метания будет наблюдаться при 45°.
По мере подъема частицы (с увеличением максимальной высоты метания) скорость движения частицы будет убывать. А на восходящих и нисходящих ветвях траектории в точках с равными высотами метания скорость движения частицы будут одинаковы. Следовательно, величина горизонтальной проекции скорости метания за все время будет постоянной.
В процессе движения на частицу в реальной воздушной среде при метании под углом к горизонту необходимо учитывать физические факторы, основными из которых являются парусность, вязкость воздуха, состояние воздушной среды (подвижная или неподвижная), вращение частицы в пространстве.
При плохо обтекаемой форме частицы, в подвижной среде возникают и развиваются за-
вихрения, которые способствуют увеличению силы сопротивления воздуха [9, 10, 11].
С учетом лобового сопротивления воздуха, силы тяжести и подъемной силы, предельная скорость и0 метания частицы определяется из выражения [6]:
°0 =и~<
к
(3)
На рисунке 3 показаны траектории полета частицы удобрений с учетом силы сопротивления и парусности.
Из рисунка 3 видно (при миделевом сечении частицы 0,283), что при установке воздуховода на 15° к горизонту дальность полета составляет 16,2 м, на 30° составляет 24,1 м, на 45° составляет 26,43 м. Наибольшая дальность полета частицы получена при а=45°.
В результате сравнения полученных результатов, дальности полета частиц удобрений при пневматическом выбросе из технологической машины в воздушном и безвоздушном пространстве видно, что при а=15° угла наклона насадки и скорости воздушного потока с учетом физических факторов составляет 17,8 м/с дальность метания частицы уменьшается на 34,3%, при а=30° и скорости воздушного потока 16,5 м/с дальность метания частицы уменьшается на 44%, а при а=45° и скорости воздушного потока 16,1 м/с дальность метания частицы уменьшается на 46%.
2.5 2
1.5
0.5
13 ?
120
/ у'
/ у / /' /■'С-"' 8,1 ч 16.2 ч \ 24. К \ 26.43
150
---30о
- 1,50
О
5
10
15
20
25
30
Рисунок 3 - Траектория метания частиц в воздушном пространстве с учетом силы сопротивления и парусности
Вывод. Теоретическими исследованиями установлено, что дальность полета частицы зависит от аэродинамических свойств удобрений и угла установки закрытого жёлоба. С изме-
нением угла наклона от 15° до 45° дальность полета частицы составляет от 16,2 до 26,4 м.
Дальностью полета частиц определяются общая и рабочая ширина внесения удобрений и качество их распределения по ширине и ходу
движения агрегата, а также дозы внесения удобрений.
Подтверждение адекватности полученного результата с учетом технологических и качественных показателей работы агрегата будет получено при проведении последующих экспериментальных исследований.
Литература
1. Качанова, Л.С. Эффективность технологических процессов производства и применения удобрений на предприятиях АПК: монография / Л.С. Качанова, А.М. Бон-даренко. - Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донскогой ГАУ, 2015. - 211 с.
2. Органоминеральное удобрение «Агровит-Кор» марки А. Рекомендации по транспортировке, применению и хранению НГР [Электронный ресурс] / 462-13-1667-1. Ростов-на-Дону: ООО НЦ // «Нооэкосфера-XXI», [Сайт]. 2017. Режим доступа: https://www.агровит-кор.рф/node/13.
- Дата обращения 01.10.2020 г.
3. Федоренко, В.Ф. Инновационные технологии процесса и оборудования для интенсивного разведения свиней: брошюра / В.Ф. Федоренко, Н.П. Мишуров, Т.Н. Кузьмина. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2017. -128 с.
4. Ежевский, А.А. Тенденции машинно-технологической модернизации сельского хозяйства: Науч.-аналит. обзор / А.А. Ежевский, В.И. Черноиванов, В.Ф. Федоренко.
- М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2010. - 292 с.
5. Пат. 188930 PU. Разбрасыватель минеральных и концентрированных органических удобрений / А.М. Бондаренко, А.Ю. Попенко, А.Н. Головко, Л.С. Качанова. - ФГБОУ ВО ДонГАУ; заявка № 2019102088 от 25.01.2019 г., опубл. 29.04.2019 г., Бюл. № 13.
6. Цепляев, А.Н. Парусный классификатор для определения критической скорости частиц зернового вороха / А.Н. Цепляев, М.А. Перепелкин, В.А. Цепляев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование.
- 2011. - № 3 (23). - С. 203-205.
7. Бодретдинов, И.Д. Научное обоснование и совершенствование пневматических систем сельскохозяйственных машин на основе моделирования технологического процесса / И.Д. Бодретдинов, С.Г. Мударисов // Вестник НГИЭИ. - 2019. - № 9 (100). - С. 5-16.
8. Закономерности разделения минералов на наклонной плоскости фрикционного сепаратора / С.А. Ляпцев, В.Я. Потапов, В.В. Потапов, Л.А. Семериков // Изв. Уральского государственного горного университета. - 2014. - № 2 (34). - С. 36-40.
9. Моделирование движения частиц в винтовом пневмосепараторе / А.И. Матвеев, И.Ф. Лебедев, Л.В. Никифорова, Б.В. Яковлев // Горный информационно-аналитический бюллетень: научно-технический журнал. - 2014. - С. 172-178.
10. Экспериментальные исследования характера поведения минеральных частиц в гидроаэродинамической среде: монография / В.Е. Филиппов, И.Ф. Лебедев, Н.Г. Еремеева, Д.М. Гаврильев. - Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2013. - 85 с.
11. Research of a diametrical fan with suction channel / V.E. Saitov, V.G. Farafonov, R.G. Gataullin, A.V. Saitov //
IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. - 2018. - V. 457. - P. 012009. - DOI: 10.1088/1757-899X/457/1 /012009.
References
1. Kachanova L.S., Bondarenko A.M. Effektivnost' tekhnologicheskikh protsessov proizvodstva i primeneniya udobreniy na predpriyatiyakh APK: monografiya [Efficiency of technological processes of production and application of fertilizers at agricultural enterprises: monograph], Zernograd, Azovo-Chernomorskiy inzhenernyy institut FGBOU VO Donskoy GAU, 2015, 211 pp. (In Russian)
2. Organomineral'noe udobrenie «Agrovit-Kor» marki A. Rekomendatsii po transportirovke, primeneniyu i khrane-niyu NGR [Recommendations for transportation, use and storage of oil and gas], [Elektronnyy resurs], 462-13-1667-1. Rostov-na-Donu. OOO NTS, «Nooekosfera-XXI», [Sayt]. 2017. Rezhim dostupa: https.www.agrovit-kor.rf.node.13, data obrascheniya 01.10.2020 g. (In Russian)
3. Fedorenko V.F., Mishurov N.P., Kuz'mina T.N. In-novatsionnye tekhnologii protsessa i oborudovaniya dlya intensivnogo razvedeniya sviney: broshyura [Innovative technologies, processes and equipment for intensive pig breeding: brochure], M.: FGBNU «Rosinformagrotekh», 2017, 128 pp. (In Russian)
4. Ezhevskiy A.A., Chernoivanov V.I., Fedorenko V.F. Tendentsii mashinno-tekhnologicheskoy modernizatsii sel'skogo hozyaystva [Trends in machine-technological modernization of agriculture], Nauch.-analit. obzor, M.: FGBNU «Rosinformagrotekh», 2010, 292 pp. (In Russian)
5. Bondarenko A.M., Popenko A.Yu., Golovko A.N., Kachanova L.S. Razbrasyvatel' mineral'nykh i kontsentriro-vannykh organicheskikh udobreniy [Spreader of mineral and concentrated organic fertilizers], pat. 188930 PU, FGBOU VO DonGAU, zayavka No 2019102088 ot 25.01.2019 g., opubl. 29.04.2019 g., Byul. No 13. (In Russian)
6. Tseplyaev A.N. Parusnyy klassifikator dlya opre-deleniya kriticheskoy skorosti chastits zernovogo vorokha [Sailing classifier for determining the critical speed of grain heap particles], Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversi-tetskogo kompleksa, nauka i vysshee professional'noe obra-zovanie, 2011, No 3 (23), pp. 203-205. (In Russian)
7. Bodretdinov I.D. Nauchnoe obosnovanie i sovershenstvovanie pnevmaticheskikh system sel'skokho-zyaystvennyh mashin na osnove modelirovaniya tekhnolo-gicheskogo protsessa [Scientific substantiation and improvement of pneumatic systems of agricultural machines based on modeling of the technological process], Vestnik NGIEI, 2019, No 9 (100), pp. 5-16. (In Russian)
8. Lyaptsev S.A., Potapov V.Ya., Potapov V.V., Se-merikov L.A. Zakonomernosti razdeleniya mineralov na naklonnoy ploskosti friktsionnogo separatora [Regularities of the separation of minerals on an inclined plane of a friction separator], Izv. Ural'skogo gosudarstvennogo gornogo uni-versiteta, 2014, No 2 (34), pp. 36-40. (In Russian)
9. Matveev A.I., Lebedev I.F., Nikiforova L.V., Yakovlev B.V. Modelirovanie dvizheniya chastits v vintovom pnevmoseparatore [Simulation of particle motion in a screw pneumatic separator], Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten': nauchno-tekhnicheskiy zhurnal, 2014, pp. 172178. (In Russian)
10. Filippov V.E., Lebedev I.F., Eremeeva N.G., Gav-ril'ev D.M. Eksperimental'nye issledovaniya kharaktera povedeniya mineral'nykh chastits v gidroaerodinamicheskoy
srede: monografiya [Experimental studies of the behavior of mineral particles in a hydro-aerodynamic environment: monograph], Novosibirsk: Akademicheskoe izd-vo «Geo», 2013, 85 pp. (In Russian)
11. Saitov V.E., Farafonov V.G., Gataullin R.G., Sai-tov 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.
Сведения об авторах
Бондаренко Анатолий Михайлович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Землеустройство и кадастры», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). Тел.: +7-928-162-76-46. E-mail: bondanmih@rambler.ru.
Попенко Александр Юрьевич - аспирант кафедры «Землеустройство и кадастры», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). Тел.: +7-961-328-71-65. E-mail: PopenkoAlexander@yandex.ru.
Качанова Людмила Сергеевна - кандидат технических наук, доктор экономических наук, профессор кафедры «Проектирование и производство сельскохозяйственной техники», ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет» (Ростов-на-Дону, Российская Федерация). Тел.: +7-906-780-21-57. E-mail: kachanovakls@mail.ru.
Information about the authors
Bondarenko Anatoly Mikhailovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of the Land management and cadastres department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of the FSBEI HE «Don State Agrarian University» (Rostov region, Russian Federation). Phone: +7-928-162-76-46. E-mail: bondanmih@rambler.ru.
Popenko Alexander Yurievich - postgraduate student of the Land management and cadastres department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of the FSBEI HE «Don State Agrarian University» (Rostov region, Russian Federation). Phone: +7-961-328-71-65. E-mail: PopenkoAlexander@yandex.ru.
Kachanova Lyudmila Sergeevna - Candidate of Technical Sciences, Doctor of Economic Sciences, professor of the Design and production of agricultural machinery department, FSBEI HE «Don State Technical University» (Rostov-on-Don, Russian Federation). Phone: +7-906-780-21-57. E-mail: kachanovakls@mail.ru.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests. The authors declare no conflict of interests.
