7 - 2011

Моделирование технологического процесса работы пневматических систем сельскохозяйственных машин

Салават Мударисов, Ильдар Бадретдинов

В современных зерноочистительных машинах широкое применение находят пневматические системы разделения зернового материала. С целью минимизации затрат в таких устройствах и для повышения производительности и качества работы необходимо совершенствовать их конструктивно­технологические параметры. Это, в свою очередь, требует развития методики моделирования технологического процесса их работы на компьютере.

Нами разработана модель технологического процесса движения воздушно­зерновой смеси на основе совместного численного решения системы уравнений Навье — Стокса для несущей фазы (воздуха) и уравнения кинематики твердой фазы (зерна). Для реализации этой модели был использован программный комплекс FlowVision. Твердотельные модели созданы в CAD­системе КОМПАС­3D V11 (рис. 1). Экспорт геометрии модели из КОМПАС­3D V11 осуществлялся в формате (VRML), обеспечивающем импорт геометрии в FlowVision.

Рис. 1. Трехмерная модель зерноочистительной машины

Рис. 1. Трехмерная модель зерноочистительной машины и граничные условия области расчета

Математическая модель. В окне Выбор модели:

Модель = Несжимаемая Жидкость;

уравнения Энергия, Концентрация, Скорость, Турбулентность и Частицы.

Это означает, что будут решаться уравнение энергии, уравнения Навье — Стокса, уравнения переноса турбулентных функций. Движение модельных частиц описывается уравнениями Лагранжа, которые интегрируются на каждом шаге по времени.

Типы задаваемых границ для модели зерноочистительной машины:

  • граница 1: тип граничного условия Вход/Выход (вход воздушного потока); Нормальная скорость, м/с 4;
  • граница 2: тип Вход/Выход (зернового материала); Частицы + скорость (поток, диаметр, массовая доля частиц);
  • граница 3: тип Стенка; Стенка логарифмический закон;
  • граница 4: тип Симметрия; Стенка логарифмический закон;
  • граница 5: тип Свободный выход; Частицы|выход;
  • граница 6: тип Вход/Выход (выход воздушного потока); Нормальная скорость, м/с –3.

При расчете определяются значения скоростей воздушного потока в узлах расчетной сетки, распределение давлений в системе и непосредственно на ее стенках, а также траектории частиц.

В аспирационных системах зерноочистительных машин разделение зерновых смесей происходит по аэродинамическим свойствам ее компонентов. Основным аэродинамическим свойством зерна является критическая скорость. Если скорость воздуха будет превышать критическую скорость зерна, будет происходить его перемещение и унос воздушным потоком. Для обеспечения качественного разделения зерновой смеси и уменьшения потерь зерна необходимо, чтобы в каналах аспирационной системы скорость воздушного потока была равномерной. Оценочным показателем равномерности скорости может служить коэффициент вариации скорости по нормальным сечениям воздушного канала. На основе выбранного оценочного показателя была проведена сравнительная оценка влияния угла наклона нагнетательного канала относительно сепарирующего канала на равномерность скорости воздушного потока.

Анализ результатов расчета проведен с применением возможностей постпроцессора. На рис. 2 представлено распределение давления в продольном сечении аспирационной системы.

Рис. 2. Распределение давления в продольном сечении

Рис. 2. Распределение давления в продольном сечении

Результаты расчетов, полученные в результате численной реализации разработанной модели, приведены в таблице.

Результаты анализа работы пневмосистемы при различных углах наклона нагнетательного канала

Угол наклона нагнетательного канала

Значение параметра

Минимальное

Максимальное

Среднее значение

Дисперсия

Среднеквадратичные

отклонения

Коэффициент

вариации

Давление воздушного потока по ширине канала, Па

0

100 894

100 923

100 914

89,79

9,48

0,0094

10

100 873

100 915

100 894

5,30

5,54

0,0055

20

100 790

100 831

100 810

169,22

13,01

0,0129

30

100 863

100 877

100 871

20,56

4,53

0,0045

40

100 839

100 848

100 844

5,25

2,29

0,0023

50

100 906

100 922

100 916

28,21

5,31

0,0053

Скорость воздушного потока по ширине канала, м/с

0

6,94

11,97

8,88

2,85

1,69

0,1902

10

7,04

11,33

9,18

2,27

1,52

0,1655

20

7,03

11,30

8,95

2,50

1,58

0,1765

30

7,53

11,52

9,33

2,36

1,54

0,1649

40

6,57

10,15

8,17

1,93

1,39

0,1703

50

5,43

8,90

6,55

1,51

1,23

0,1874

Выход зернового материала по эквивалентному диаметру, мм

0

0,1

3,5

1,80

0, 00051

0, 72

0,40

10

0,2

3,5

1,85

0, 00006

0, 75

0,4054

20

0,3

3,5

1,90

0, 00060

0, 78

0,4105

30

0,3

3,5

1,90

0, 00104

1,02

0,5368

40

0,2

3,5

1,85

0, 00099

0, 99

0,5351

50

1,2

3,5

2,35

0, 00012

0, 34

0,1446

Скорость воздуха на выходе зернового материала, м/с

0

–4,67

–2,43

–3,60

0,817877

0,904

–0,2514

10

–6,61

–4,58

–5,55

0,655292

0,810

–0,1459

20

4,38

4,39

4,38

0,000006

0,002

0,0050

30

3,48

3,73

3,60

0,010403

0,102

0,0283

40

6,22

6,30

6,26

0,001046

0,032

0,0520

50

3,27

3,35

3,31

0,001112

0,033

0,1010

Анализ результатов таблицы  показывает, что при угле наклона нагнетательного канала 40° относительно сепарирующего канала распределение давления воздушного потока по ширине канала оказывается более равномерным, поскольку коэффициент вариации минимален — 0,0023. Равномерность скорости воздушного потока по ширине канала лучше при угле наклона 30°, коэффициент вариации составляет 0,1649, но при углах наклона от 0 до 40° максимальная скорость воздушного потока больше критической скорости пшеницы (критическая скорость пшеницы составляет 9 м/с), что негативно влияет на процесс сепарации. При этом часть качественных семян может уноситься воздушным потоком в отходы, что нежелательно. А при угле наклона нагнетательного канала 50° максимальная скорость воздушного потока равна 8,9 м/с, что меньше критической скорости зерна. При этом от зернового материала будут отделяться только легкие примеси.

Рис. 3. Распределение давления по ширине пневмосепарирующего канала зерноочистительной машины: ряд 1 — МПО-50; ряд 2 — усовершенствованная модель

Рис. 3. Распределение давления по ширине пневмосепарирующего канала зерноочистительной машины: ряд 1 — МПО-50; ряд 2 — усовершенствованная модель

Рис. 4. Распределение скорости воздушного потока по ширине пневмосепарирующего канала зерноочистительной машины:

Рис. 4. Распределение скорости воздушного потока по ширине пневмосепарирующего канала зерноочистительной машины: ряд 1 — МПО-50; ряд 2 — усовершенствованная модель; ряд 3 — скорость витания пшеницы

Качество процесса сепарации можно оценивать также по выходу зернового материала из машины. При углах наклона от 0 до 40° на выходе в зерновом материале присутствуют легкие примеси, так как минимальное значение эквивалентного диаметра частицы составляет 0,2 мм. А при угле наклона 50° минимальное значение составляет 1,2 мм и коэффициент вариации минимален — 0,1446. В этом случае происходит качественная сепарация зернового материала от легких примесей. В результате визуализации движения воздуха в аспирационной камере также установлено, что при углах наклона от 0 до 10° происходит выброс части воздушного потока вместе с очищенным зерном, что приводит к загрязнению атмосферы пылью.

Анализ экспериментальных данных позволил таким образом установить, что рациональным является угол наклона нагнетательного канала 50°.

Моделирование технологического процесса работы аспирационной системы дает возможность разрабатывать методику ее проектирования, проводить предварительный анализ в целях обеспечения заданных показателей качества выполнения технологического процесса и совершенствования конструктивно­технологических параметров зерноочистительных машин, не затрачивая усилий и времени на изготовление экспериментальной установки и проведение сложных опытов. 

САПР и графика 7`2011