Применение метода дискретных элементов при моделировании движения семян в протравливателе барабанного типа

Acknowledgements. The study was supported by the grant of the Russian Science Foundation № 23-76-10070 .

Введение. Предварительная обработка семян сельскохозяйственных культур специальными защитными и стимулирующими составами представляет собой критически важный этап в агротех-нологическом процессе, напрямую влияющий на успешность будущего урожая [1, 2]. В современной практике применя- ются различные типы оборудования для протравливания: шнековое, камерное и барабанное [3, 4]. Среди них особое место занимают протравливатели барабанного типа, которые выделяются не только простотой конструкции, но и высокой эффективностью работы [5]. Эти устройства обеспечивают бережное обращение с посевным материалом и демонстрируют отличные показатели производительности при обработке семян препаратами [6, 7, 8]. Однако существующие модели барабанных протравливателей имеют существенный недостаток – недостаточную интенсивность перемешивания обрабатываемого материала. Это приводит к необходимости увеличивать расход рабочей жидкости и снижать концентрацию действующего вещества для обеспечения равномерного покрытия семян, соответствующего агротехническим нормам. В результате снижается общая эффективность обработки, а влажность семян на выходе оказывается выше, чем на обработанных в камерных или шнековых протравливателях.

Для детального анализа процесса обработки семян в барабанном протравливателе с применением защитных препаратов требуется комплексное изучение всех происходящих процессов смешивания. Существующие конструкции и исследования в данной области, несмотря на их многочисленность, не предоставляют исчерпывающего решения по оптимизации характеристик взаимодействия материала с внутренней поверхностью вращающихся элементов, особенно цилиндрических конструкций.

В настоящее время недостаточно проработаны математические модели, которые могли бы эффективно описывать взаимодействие семян с внутренней поверхностью барабана при нанесении защитных составов. Это создает определенные сложности при попытке всестороннего анализа и совершенствования подобных технических решений. Для достижения оптимальной работы протравливающих установок необходимо разработать более точные методики расчета параметров взаимодействия обрабаты- ваемого материала с рабочими элементами оборудования.

Современные технологии компьютерного моделирования, основанные на методе дискретных элементов (DEM), демонстрируют высокую степень приближения к реальным условиям при исследовании процессов обработки семян защитными составами. Данный подход существенно расширяет возможности оптимизации технологического процесса и способствует разработке инновационных конструктивных решений в области протравливания семян [5]. Особенно актуальным является применение DEM-моделирования в агропромышленном комплексе при анализе поведения сыпучих материалов внутри вращающихся цилиндрических устройств. Такой метод позволяет детально исследовать динамику движения частиц и их взаимодействие с рабочей поверхностью оборудования [9, 10].

Важным преимуществом данного подхода является возможность комплексного учета различных физических факторов. Помимо основных сил трения и гравитационного воздействия, модель позволяет анализировать влияние воздушных потоков и гидравлических воздействий на процесс движения обрабатываемых частиц, что дает возможность получать как качественные, так и количественные характеристики исследуемых процессов [11].

Цели и задачи исследования. Целью работы является создание эффективной технологии протравливания семян с гарантированным равномерным нанесением рабочего состава. Необходимо разработать инновационное техническое решение для обеспечения многоплоскостного перемещения семенного материала, что позволит существенно улуч- шить равномерность нанесения рабочего состава на поверхность семян и повысить эффективность процесса протравливания. Требуется построить модель процесса, провести комплексный анализ эффективности предложенной технологической схемы, выполнить экспериментальную проверку разработанной модели для подтверждения её адекватности реальным производственным условиям.

Материалы и методы исследования. В рамках данного исследования рассматривается камера обработки в виде барабана экспериментального протравливателя, защищенного патентом на изобретение. Принцип работы протравливателя следующий (рисунок 1). Семенной материал из бункера по желобу подается во вращающийся барабан. Количество подаваемого семенного материала устанавливают регулировочной заслонкой. В зону падения семян под желобом в барабан распылителем одновременно подается рабочая жидкость защитно-стимулирующего препарата в виде аэрозоля, образованного распылителем. Семенной материал поступает на поверхность обечайки, покрытой полимерным материалом. При вращении барабана семена распределяются по поверхности, западают в ячейках полимерного материала и начинают подниматься вверх. При вращении барабана вектор скорости поступающего в барабан потока семян меняется по направлению в сторону угла закручивания поверхности обечайки и снижается по модулю. Достигнув некоторого предельного угла подъема, семена под действием собственной силы тяжести выпадают из ячеек и начинают свободное падение вниз, образуя «водопадное движение». Семена, не попавшие в ячейки, во впа- динах волн поднимаются вверх, увлекаемые свободным потоком семян, и, достигнув определенного угла наклона, скатываются вниз, совершая «каскадное» движение. Семена, запавшие в ячейках и увлекаемые «водопадным движением», падают на поверхность семян, находящихся в днище барабана, формируя в зоне обработки последовательное перемешивание нижних и верхних слоев семян с препаратом.

Для равномерного нанесения и распределения препарата при интенсивном перемешивании семян оптимальным режимом работы протравливателя является сочетание каскадного и водопадного движения семян, близкое к критическому движению семян, обеспечивающих максимальный подъём семян. Волны обечайки способствуют взаимному перемешиванию семян не только за счет сочетания водопадного и каскадного движения, но и осевого перемещения, что значительно повышает интенсивность и равномерность нанесения препарата на их поверхность.

В процессе работы протравливателя семян при необходимости регулируют частоту вращения барабана n , угол наклона в оси барабана в зависимости от заданной производительности, режима работы, разницы углов подъема семян в барабане при каскадном и водопадном движении, вида обрабатываемой культуры и нормы расхода препарата.

Предлагаемая конструкция барабанного протравливателя позволяет повысить эффективность обработки семян различных культур за счет увеличения продолжительности нахождения семян в камере обработки и повышения интенсивности взаимного перемешивания.

а а

б b а – схема процесса работы экспериментального протравливателя; б – вид в разрезе

1 – бункер; 2 – регулировочная заслонка; 3 – желоб; 4 – распылитель; 5 – барабан; 6 – выгрузные окна; 7 – кожух выгрузного лотка; 8 – механизм электропривода; 9 – обечайка; 10 – покрытие из полимерного материала; 11 – нагнетательный трубопровод

Рисунок 1 – Конструкция барабанного протравливателя а – operation diagram of an experimental seed protectant; в – sectional view

• 1    – hopper; 2 – control valve; 3 – duct; 4 – sprayer; 5 – drum; 6 – discharge windows; 7 – discharge chute casing; 8 – electric drive mechanism; 9 – shell; 10 – polymer coating; 11 – discharge pipeline Figure 1 – Drum seed protectant design

В связи со сложностью процесса обработки и разнообразием форм и характеристик семян, оценка качества и эффективности протравливания требует проведения многочисленных экспериментов, которые отличаются высокой трудоемкостью и значительными финансовыми затратами.

С целью сокращения временных и материальных затрат при разработке оптимальных конструкций оборудования для протравливания семян рекомендуется применять методы моделирования, в частности, использовать метод дискретных элементов [12, 13].

Для этого в программных комплексах Компас 3D и AutoDesk Inventor создали модели экспериментальной установки и барабана, соответствующие реальным физическим аналогам (рисунки 2 и 3).

Рисунок 2 – Экспериментальный протравливатель в программе Компас 3D Figure 2 – Experimental disinfectant in the Kompas 3D program

Рисунок 3 – Экспериментальный барабан в программе AutoDesk Inventor Figure 3 – Experimental drum in AutoDesk Inventor

Для обоснования работы экспериментального протравливателя необходимо разработать и получить адекват- ные модели процесса работы протравливателя, а также движения частиц внутри него. Применение метода дискретных элементов (Discrete element method, DEM) является одним из современных направлений исследования и моделирования процессов движения частиц [14,

В исследовании предложены традиционная и модернизированная камера обработки (рисунок 4), внутри которой установлена сменная обечайка с полимерным покрытием, имеющая ячеистую форму и наклон оси в горизонтальной волны, относительный угол закручивания α волн сменной обечайки, частота вращения барабана n, угол наклона β оси барабана, глубина и ширина ячеек зави- сят от производительности, режима работы, разницы углов подъема семян в барабане при каскадном и водопадном движении, вида обрабатываемой культуры и нормы расхода препарата для обеспечения оптимального режима работы протравливателя.

плоскости. Высота H и длина l периода

а a б b а – до модернизации (традиционная); б – после модернизации (предложенная модель) Рисунок 4 – Модель барабана протравливателя, импортированная в Rocky DEM a – before modernization (traditional); b – after modernization (proposed model) Figure 4 – Model of the seed treatment drum imported into Rocky DEM

Результаты исследования и их обсуждение. Из исследований по оценке значимости и выбора параметров контактной модели при моделировании семян гороха методом дискретных элементов [9] была принята модель с физико- механическими характеристиками, соответствующими реальным семенам (таблица). Физико-механические характеристики приняты для сорта «Аксайский усатый 7», наиболее распространённого в Республике Башкортостан (рисунок 5).

Параметры модели Model parameters

Показатель Indicator	Значение Value
Частицы (семена гороха) Particles (pea seeds)
Модуль Юнга Young’s modulus	1,8…2*108 Па
Плотность Density	700 кг/м3
Коэффициент Пуассона ν Poisson’s ratio ν	0,2…0,25
Коэффициент статического трения частиц fst Coefficient of static friction of particles fst	0,4…0,55
Коэффициент динамического трения частиц fd Coefficient of dynamic friction of particles fd	0,1…0,25
Коэффициент восстановления kvost Coefficient of restitution kvost	0,25…0,35
Диаметр частиц d, мм Particle diameter d, mm	5

Рисунок 5 – Реальный размер семян гороха посевного и цифровая геометрическая модель сферической формы

Figure 5 – Actual size of pea seeds and digital geometric model of spherical shape

Для сопоставления данных традиционной и экспериментальной камеры обработки проведено моделирование движения семян при разных углах размещения центральной оси протравливателя барабанного типа в программном обеспечении Rocky DEM. В ходе моделирования визуально изучалось влияние внутренней поверхности устройства барабанного типа на характер движения семян (рисунок 6).

Подтверждена предварительная гипотеза о том, что при вращении модернизированного барабана вектор скорости поступающего в барабан потока семян меняется по направлению, поворачиваясь в сторону угла закручивания поверхности обечайки и снижается по модулю. Достигнув предельного угла подъема, семена под действием собственной силы тяжести выпадают из ячеек и начинают свободное падение вниз, образуя водопадное движение семян. Семена, не попавшие в ячейки, во впадинах волн поднимаются вверх и, достигнув определенного угла, совершая каскадное движе- ние, скатываются вниз. Семена, запавшие в ячейках и увлекаемые в водопадное движение, падают на поверхность семян, расположенных на дне барабана, образуя в зоне обработки последовательное перемешивание с препаратами нижних и верхних слоев семян.

Выявлено, что для равномерного нанесения и распределения препарата с интенсивным перемешиванием семян оптимальным режимом работы протравливателя является сочетание каскадного и водопадного движения семян со скоростью, близкой к критическому значению, при котором движение семян прекращается. Такой режим движения приведет к максимально возможному подъёму семян и обеспечит интенсивное перемешивание семян с препаратом.

Волны обечайки способствуют взаимному перемешиванию семян не только за счет сочетания водопадного и каскадного, но и осевого перемещения, что значительно повышает интенсивность и равномерность нанесения препарата на их поверхность.

б b

а a

в c г d

а – до модернизации; б – после модернизации; в – до модернизации (вид сбоку);

г – после модернизации (вид сбоку)

Рисунок 6 – Визуализация движения семенного материала в протравливателе барабанного типа a – before modernization; b – after modernization; c – before modernization (side view);

d – after modernization (side view)

Figure 6 – Visualization of seed movement in a drum-type seed protectant

Степень равномерного распределения препарата по поверхности семенного материала зависит от скорости движения семян v , а также продолжительности их пребывания в зоне обработки.

Данные абсолютной скорости перемещения семян v в зоне обработки представлены на рисунках 7 и 8.

Рисунок 7 – График среднего значения абсолютной скорости перемещения семян в барабане до модернизации

Figure 7 – Graph of the average value of the absolute speed of seed movement in the drum before modernization

Рисунок 8 – График среднего значения абсолютной скорости перемещения семян в барабане после модернизации

Figure 8 – Graph of the average value of the absolute speed of seed movement in the drum after modernization

Визуально наблюдается равномерное распределение семян по всему объёму барабана с интенсивным перемешиванием при оптимальном режиме работы протравливателя, которым является сочетание каскадного и водопадного движения семян, близкое к критическому движению семян, обеспечивающее максимальный подъём семян. Это свидетельствует о целесообразности применения данного конструктивного решения при разработке протравливателей семян барабанного типа.

Выводы. Согласно результатам моделирования, скорость движения семян составила от 0,05 м/с до 3,6 м/с. Максимальная скорость движения семян наблюдается при падении семян в барабан, а также при движении семян на выходе из барабана. Наблюдается положительная тенденция снижения абсолютной скорости перемещения семян с 1,9 м/с до 1,8 м/с при пиковом значении и с 1,3 м/с до 1,1 м/с при стабилизировавшемся движении семян в барабане. Про- должительность пребывания семян в камере обработки возросла на 2,7 секунды, увеличившись с 1,9 до 4,6 секунд, что приводит к интенсификации обработки семян препаратом.

В ходе исследования применены комплексные методы анализа, включающие разработку математических моделей и проведение компьютерного моделирования на основе метода дискретных элементов (DEM). Проведенные численные эксперименты продемонстрировали высокую степень согласованности полученных данных, что позволило разработать инновационное техническое решение.

Особенностью предложенного подхода стало обеспечение многоплоскостного перемещения семян – как в радиальном, так и в продольном направлениях. Данная технологическая новация существенно улучшает качество обработки посевного материала, поскольку способствует более равномерному нанесению протравителя на всю поверхность семян.

В результате достигается значительное повышение эффективности процесса протравливания, что имеет важное практическое значение для сельскохозяйственного производства.