Определение дальности полета частиц концентрированных органических удобрений при пневматическом выбросе из технологической машины

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 15º, 30º и 45º к горизонтальной плоскости воздуховод (насадок) 2 с вентилятором высокого давления 3, соединенным с загрузочным устройством (донным транспортером).

Изменение угла наклона насадка в диапазоне 15º, 30º и 45º позволяет управлять качеством распределения удобрений по ширине и ходу движения агрегата.

В качестве исходных параметров был задан воздуховод (насадка) с размерами: длина l = 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 υ = 22 м/с.

Аэродинамическая сила воздушного пото- ка вычисляется по формуле [6]:

_{Fa =} ρ в ⋅ k п ⋅ υ ² ⋅ F

где ρ – плотность массы воздуха, кг / м ³ ;

k – коэффициент парусности,

• k = k ⋅ Fa ⋅ ^{ρ в ⋅ d} ;

п     хп

g k – коэффициент лобового сопротивления при скорости υ;

• d – диаметр эквивалентной частицы в мм ;

π ⋅ d ²

F – миделево сечение, F =       .

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 k =0, при движении частицы с учетом сопротивления воздушной среды значение k принималось на основе исследований.

Дальность полета частиц удобрений определяется по формуле [6]:

υ ²

L =    ⋅ sin 2 α ,             (2)

где υ – начальная скорость метания частицы, м / с ;

α – угол наклона к горизонту касательной к траектории в начале свободного метания частицы.

Рисунок 2 – Траектория метания частиц в безвоздушном пространстве

Устанавливая угол наклона насадки воздуховода 15º, 30º и 45º 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 15º дальность метания частиц составляет 24,7 м, при 30º дальность метания 42,7 м и при 45º дальность метания 49,4 м. В результате изменения угла наклона насадки в указанных пределах наибольшая дальность метания будет наблюдаться при 45º.

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, предель- ная скорость υ метания частицы определяется из выражения [6]:

υ ₀ = υ -

g ⋅ sin α

На рисунке 3 показаны траектории полета частицы удобрений с учетом силы сопротивле- ния и парусности.

Из рисунка 3 видно (при миделевом сечении частицы 0,283), что при установке воздуховода на 15º к горизонту дальность полета составляет 16,2 м, на 30º составляет 24,1 м, на 45º составляет 26,43 м. Наибольшая дальность полета частицы получена при α=45º.

В результате сравнения полученных результатов, дальности полета частиц удобрений при пневматическом выбросе из технологической машины в воздушном и безвоздушном пространстве видно, что при α=15º угла наклона насадки и скорости воздушного потока с учетом физических факторов составляет 17,8 м/с дальность метания частицы уменьшается на 34,3%, при α=30º и скорости воздушного потока 16,5 м/с дальность метания частицы уменьшается на 44%, а при α=45º и скорости воздушного потока 16,1 м/с дальность метания частицы уменьшается на 46%.

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 15º до 45º 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.