К вопросу о моделировании процесса распределения семян распределителем пневматической зерновой сеялки

Введение . Одним из перспективных типов машин для посева зерновых культур являются на сегодня сеялки и посевные комплексы с пневматическими централизованными высевающими системами (ПЦВС). Наряду с высокой производительностью посевных агрегатов с машинами данного типа и значительным потенциалом их дальнейшего технического совершенствования в литературе часто отмечают и ряд недостатков. Одним из наиболее существенных является высокая неравномерность высева, которая на отдельных образцах машин может составлять 15 % и более. Анализ имеющихся технических и технологических решений, направленных на улучшение качественных показателей высева, показывает, что ряд из них позволяет в некоторой степени повысить поперечную равномерность высева, однако при этом могут возникать негативные моменты связанные, например, с травмированием семян, избыточным усложнением конструкции распределителей, повышением сопротивления высевающей системы и т.д. Объяснить подобное положение дел возможно либо отсутствием, либо слабой проработкой моделей, позволяющих наглядно описывать процесс распределения семян распределителем, а соответственно и целенаправленно совершенствовать его.

Цель исследований . Разработка модели процесса распределения семян распределителем вертикального типа с использованием приемов геометрической аналогии.

Методика и результаты исследований . В данном случае представляется возможным в первом приближении описать процесс движения и распределения семян в распределителе вертикального типа с помощью геометрической аналогии. За основу можно взять работы ученых, занимавшихся экспериментальными исследованиями движения аэросмесей в вертикальных трубопроводах. В соответствии с полученными данными характер распределения транспортируемых воздушным потоком частиц зернистого материала по сечению вертикального трубопровода можно представить в виде симметричной относительно вертикальной оси параболы [1, 2]. Пик данной параболы характеризует максимальную концентрацию зернистых частиц μ, которая на устойчивых режимах пневмотранспортирования совпадает с осью вертикального трубопровода (рис. 1):

G т

G где

G _Т – массовый расход твердого компонента, кг;

G – массовый расход несущей среды, кг.

Рис. 1. Распределение концентраций смеси по сечению трубы Ø152 мм при вертикальном транспорте сои в зависимости от скорости воздушного потока v в [1]

Исходя из сказанного, характер распределения семян при пневматическом транспортировании в вертикальной трубе можно представить в виде определенного геометрического тела, которое сверху ограничено параболоидом вращения, описываемого уравнением z = a — x — y , сбоку цилиндром - x ² + y ² — b = 0 , а снизу горизонтальной плоскостью z = 0 (рис. 2) [3].

Рис. 2. Геометрическая аналогия процесса распределения высеваемого материала в подводящем трубопроводе распределителя вертикального типа

Как видим, объем фигуры, ограниченной указанными поверхностями и плоскостью, представляет собой количество посевного материала, которое поступает по вертикальному трубопроводу распределителя к делительной головке и далее к семяпроводам. Также можно предположить, что в отдельный семяпровод распределителя будет поступать количество материала, равное объему криволинейной трапеции с основанием S (рис. 2). Количество подобных призм будет соответственно равно количеству семяпроводов в распределителе. При этом очевидно, что непременным условием равномерного распределения посевного материала по семяпроводам в рамках модели является равенство объемов всех выделенных криволинейных призм, а это может быть только при симметричном расположении параболоида относительно трубопровода, то есть когда их вертикальные оси совпадают друг с другом.

Соответственно в противном случае, когда вертикальные оси трубопровода и параболоида расположены эксцентрично друг относительно друга, величины объемов криволинейных трапеций с одинаковыми основаниями S будут не равны друг другу, таким образом, к семяпроводам будет поступать разное количество семян (рис. 3). При этом, чем больше расстояние λ между вертикальными осями параболоида и трубопровода, тем более значительна разность в значениях объемов криволинейных призм, а соответственно и поперечная неравномерность распределения. Объем отдельной криволинейной призмы можно рассчитать через тройной интеграл, решив задачу в цилиндрических координатах:

µ = V = ∫∫∫ ρ d ϕ d ρ dz . V

Рис. 3. Распределение высеваемого материала в вертикальном трубопроводе распределителя после преодоления отвода

В соответствии с выражениями для перевода декартовых координат в цилиндрическую область S

π плоскости XOY в данном случае определяется неравенствами 0 ≤ϕ≤ ,

0 ≤ ρ ≤ b , а z находим из

уравнения параболоида z = a ² - ρ ² + 2 ρλ cos ϕ - λ ² . В итоге получим следующее неравенство 0 ≤ z ≤ a - ρ + 2 ρλ cos ϕ - λ .

Окончательно объем любой отдельной криволинейной призмы (рис. 3), а соответственно и количество материала, поступаемого в отдельный семяпровод, можно подсчитать следующим образом:

n b        a2 — p2 +2 p2cos p—22        n b,

^ = V = J d p J p d p     J dz = J d p J p d p ( z ) ^ ^P + 2 ^p2 cos ^{p 2}

00     000

nbnb a2 — p2 + 2 p2 cos p —Л2 — 0 ) = J dp J ( pa2 p P 3 + 2p2 2 cos p — рЛ2

n 22

= J d p( p F 0 к ²

—

p4

2 p³Л cos p p 2 2 2 F

3          2 )

n

= b ²

b² a ² b ⁴    2 b ³ 2 cos p b ² Л ²

----1----

24   3   2

I ba к 2

b ⁴

p--p +

П

2 b ³ 2 cos p b ²Л² —

a l n

2 n

b2 n

4 n

2 b 2 sin —    2

+-- n---

к

При этом общий вид зависимости неравномерности распределения v , подсчитанной по формуле (4), от величины смещения λ ядра потока представлен на рис. 4.

v = —100

,

n

ср

где     (J - стандартное отклонение объемов призм;

n _ср – среднее значение объема призмы.

Рис. 4. Общий вид теоретической зависимости значения коэффициента вариации от величины смещения ядра потока λ

Для достижения равномерного распределения посевного материала по семяпроводам следует добиться симметричного взаимного расположения параболоида (то есть ядра потока) относительно вертикального трубопровода. Также отсюда становится ясным, для чего в конструкции подводящего трубопровода-распределителя используют разнообразные турбулизаторы, направители, центраторы, балансирные устройства. Это выравнивание концентрации аэросмеси по поперечному сечению трубопровода и обеспечение ее симметричной подачи в коллектор делительной головки головку (рис. 5). Однако, возвращаясь к геометрической аналогии процесса распределения, нужно подчеркнуть, что для обеспечения равномерного высева недостаточно только одного выравнивания концентрации твердого компонента аэросмеси в трубопроводе распределителя, необходимо также избежать избыточного перераспределения частиц высеваемого материала непосредственно в коллекторе делительной головки. Поскольку очевидно, что как бы хорошо не обеспечивалось выравнивание концентрации зернового материала в вертикальном трубопроводе, но при его последующем значительном перераспределении в головке добиться равномерного распределения по семяпроводам невозможно. Перераспределение материала в распределительной головке в свою очередь может быть вызвано двумя основными причинами – высокой разностью расхода воздуха через семяпровод, вследствие различной их длины, а также аэродинамическим несовершенством внутренней формы коллектора распределительной головки, вызывающей возникновение зон завихрения, которые отрицательно сказываются на равномерности распределения.

Таким образом, на основании изложенного можно сделать вывод о том, что вопрос повышения равномерности распределения семян распределителями вертикального типа следует решать комплексно в несколько этапов, включающих в себя подбор рациональных конструктивных параметров распределителя и эксплуатационных режимов работы высевающих, обеспечивающих выравнивание концентрации высеваемого материала в вертикальном трубопроводе, а также подбор параметров распределительной головки, которая не допускала бы значительного перераспределения материала на подходе к семяпроводам.

Подача семян в центр трубопровода (А.с. №300978, СССР)

Сетчатый конус (А.с. №293568, СССР)

Встроенный трубопровод (А.с. №217101, СССР)

Турбулизатор на гибком подвесе (А.с. №865176, СССР)

Турбулизатор гребнисто-готипа (А.с. №718036, СССР)

Балансирные устройства (конструкция З.С. Рахимова) [4]

Рис. 5. Технические средства для повышения равномерности распределения семян распределителями вертикального типа

Также представляется возможным использовать данную геометрическую аналогию не только в целях теоретического анализа эффективности каких-либо способов повышения равномерности распределения семян по семяпроводам, но и при лабораторных экспериментах, связанных с совершенствованием распределительных рабочих органов пневматических сеялок. В ходе экспериментов значения концентраций твердого компонента μ по поперечному сечению вертикального трубопровода распределителя можно определять с помощью фото- и видеосъемки процесса пневматического транспортирования в трубах из прозрачного материала, а также методом отсечек, посредством специальных затворов.

Возможно использование полученной модели при обосновании параметров распределителей с активными элементами (вращающимися трубопроводами, лопастями), которые могут обеспечить хорошую поперечную равномерность высева, но в силу специфических конструктивных особенностей не обеспечивают приемлемую продольную равномерность высева. В данном случае для обоснования эксплуатационных режимов работы активных элементов возможно использовать разработанную модель процесса распределения при условии добавления к ней дополнительной функции изменения количества материала, подаваемого в семяпроводы от времени.

Выводы

• 1.    На основе геометрической аналогии получена модель процесса распределения семян вертикальными распределителями пневматических зерновых сеялок, позволяющая наглядно продемонстрировать причины, обуславливающие поперечную неравномерность высева.

• 2.    На основе моделирования наглядно показано, что основными причинами неравномерного распределения семян распределителями вертикального типа являются смещение λ ядра потока аэросмеси относительно оси вертикального трубопровода, а также избыточное перераспределение семян в коллекторе делительной головки.

• 3.    Полученная модель может быть использована как в целях теоретического анализа процесса работы распределителей вертикального типа, так и при экспериментальных исследованиях, для оценки эффективности отдельных технических решений.