Теоретические исследования пневматического горизонтального распределителя семян

Недостатком работы многих пневматических сеялок с вертикальным каналом является закупорка пневмосети при высеве крупных семян и неравномерность их высева при различной массе.

В целях обеспечения выполнения технологического процесса посева разработана конструктивно-технологическая схема устройства, которая обеспечивает равномерное распределение семян по сошникам. На рис. 1 представлена схема пневматического высевающего аппарата с горизонтальным распределителем.

Рис. 1. Схема пневматического высевающего аппарата с горизонтальным распределителем

Экспериментальный пневматический высевающий аппарат с горизонтальным распределителем состоит из бункера, в котором находятся семена, высевающей катушки, заслонки направителя, турбулизатора и распределителя с подвижными перегородками. Вначале семена из бункера высевающей катушкой подаются на заслонку направителя, которая выравнивает их поток. Затем с заслонки направителя семена скатываются в воздушный поток, сужающийся посредством турбулизатора для наилучшей равномерности распределения концентрации семян по всему объему трубопровода. Из трубопровода они поступают в распределитель, где с помощью подвижных распределительных перегородок направляется необходимое количество семян, попадающих в каждый из семяпроводов.

Благодаря горизонтальному расположению понижается напор воздуха, необходимый для доставки высеваемого материала от дозирующей катушки до сошника. Это обусловлено тем, что не нужно поднимать семена на определенную высоту, как в случае с вертикальным распределителем. Понижение воздушного напора позволяет уменьшать частоту вращения вентилятора, создающего воздушный поток, это сказывается на снижении расхода топлива [1; 2].

Цель наших исследований – установить влияние параметров пневматического горизонтального распределителя семян на равномерность их рассредоточения по сошникам.

Объекты и методы

После выхода из высевающего аппарата семена попадают в воздушный поток, который транспортирует их по всему пути в распределительном устройстве. Воздушный поток, куда попадают семена, имеет турбулентную структуру за счет применения турбулизатора. Распределение посевного материала в турбулентном потоке, движущемся в направителе и эластичном патрубке, ближе к хаотической структуре. В эластичном патрубке семена в основном движутся ближе к центральной оси трубы. Наиболее тяжелые концентрируются на нижней стенке, более легкие витают в воздушном потоке. При входе в горизонтальный распределитель семена подчиняются определенному характеру распределения в горизонтальной плоскости вследствие того, что на выходе из эластичного патрубка меняется размер поперечного сечения.

Проявление характера распределения семян на входе в распределительную камеру представлено на рис. 2.

распределение семян В плоском распределителе

\ закон распределения бысебаемого материала \ на бходе б распределительную камеру турбулентный поток зерно-боздушной смеси

Рис. 2. Проявление закона распределения

Допустим, что характер распределения семян представляет некоторую симметричную кривую (рис. 2). В работах [3; 4] принималось, что распределение эпюры скорости воздуха в трубе (качественная характеристика потока) подчиняется кривой второго порядка.

Нами с достаточной вероятностью предположено, что зерновоздушная смесь по концентрации семян в ней также будет напоминать подобную кривую второго порядка. Поэтому в качестве уравнения, описывающего поток зерновоздушной смеси, примем уравнение параболы. Характер распределения семян в распределителе описывается кривой функции (1)

y = ax ² + bx + c ,                                   (1)

где a, b и c – заданные действительные числа, а х – переменная.

Для определения коэффициентов функции (1) используем метод наименьших квадратов.

Определив коэффициенты в функции характера распределения, мы можем построить наиболее точный график распределения семян на входе в распределитель.

Результаты и обсуждения

Равномерное распределение семян происходит за счет разделения зерновоздушной смеси подвижными перегородками на потоки с одинаковым количеством семян. Потоки с равным количеством высеваемого материала определяются из условия одинаковой площади под кривой распределения семян (рис. 3).

Рис. 3. Схема для определения одинаковых площадей под кривой распределения

Для направления одинакового количества семенного материала во все сошники необходимо распределительные перегородки выставить таким образом, чтобы они отсекали от общего потока семян одинаковые порции. Для этого, зная характер распределения на входе в распределительную камеру, можно математически рассчитать, на какой угол необходимо повернуть каждую из распределительных заслонок, чтобы она отсекала равную по площади

часть под кривой распределения.

Общая площадь под функцией (1) высчитывается по формуле (2) и равна [5]

-р

I (ах2 + bx + c)dx = Зо6щ.

Нам необходимо общую площадь разбить на шесть равных частей по формуле (3)

^ = T ^обп:                                      (3)

„                                 о .

Для этого найдем приращение, где Δ – расстояние, на которое необходимо поставить перегородки № 1 и № 5 для вычисления под кривой площади S (4)

-т*д

.

^т

После преобразований

I² 4- Ьт 4- с) = 5 .

Далее определим приращение, где δ – расстояние, на которое следует поставить перегородки № 2 и № 4, чтобы получить под кривой площадь S (6)

лп*д*6

■ (ах³ + Ьх 4- c)dx = -771-1-^

После преобразований

^б* ^) ^{+ 52} (^ок * I) ^{+ 6(}-^akl *bk*c) = S .                  (7)

Площадь над оставшейся частью кривой равна (8)

$общ -4S = 2s.                        (8)

Для разделения оставшейся площади на две равные части необходимо перегородку № 3 выставить ровно посредине под углом 0°. Модель разделения общей массы семян перегородками приведена на рис. 4.

Рис. 4. Модель распределения семян по сошникам

Решая уравнения 5 и 7, можно вычислить значения расстояний, на которые необходимо выставить каждую из подвижных распределительных заслонок, чтобы получить одинаковое количество семенного материала в каждом из сошников.

Симметричный распределитель можно разбить на две части, являющиеся одинаковыми, поэтому следует оперировать углами поворота только двух заслонок: № 1 и № 2 либо № 4 и № 5. Заслонка № 3 устанавливается перпендикулярно к выходным отверстиям, т.е. под нулевым углом вследствие симметричности струи зерновоздушной смеси, входящей в распределитель.

Поскольку в зависимости от скорости движения воздушного потока в трубе изменяется и качественная его характеристика, нами построены (рис. 5) зависимости показателя равномерности распределения при трех величинах скоростей: 10, 15 и 20 м/с.

а

б

в

Рис. 5. Поверхность отклика, определяющая равномерность распределения семян в зависимости от углов поворота распределительных перегородок α 1 , α 5 и α 2 , α 4 при фиксированном угле поворота перегородки № 3, равном 0 градусов и скорости воздушного потока: а – 10 м/с; б – 15 м/с; в – 20 м/с

Пик поверхности отклика на диаграмме указывает области, которым соответствуют значения рациональных параметров, и позволяет сделать вывод, что равномерное распределение семян обеспечивает пневматический горизонтальный распределитель с параметрами: скорость воздушного потока V = 13–17 м/с, углы поворота 1-й и 5-й распределительных перегородок α 1 , а 5 - 24-28 ° , 2-й и 4-й перегородок а 2 , ад - 13-17 ° .

Выводы

Таким образом, проведенные теоретические исследования по определению рациональных параметров распределителя семян высевающей системы, а также рассмотренные связи и зависимости движения семян позволяют представить общую схему движения и распределения отдельных семян в горизонтальном пневматическом распределителе. Определены рациональные параметры: скорость воздушного потока V = 13–17 м/с, углы поворота распределительных перегородок а 1 , а₅ - 24-28 ° , перегородок а₂, а - 13-17 ° .