АPPLICATION OF SIMULATION MODELING WHEN APPLYING FERTILIZERS WITH CENTRIFUGAL SPREADERS
Authors: Костаринов А.С. , Терентьев В.В. , Аникин Н.В. , Андреев К.П. , Макаров В.А. 
Published: April 2024

Проблема и цель. Для повышения эффективности применения удобрений исследования должны быть сосредоточены на технических характеристиках центробежных разбрасывателей, оснащенных вращающимися дисками с переменной скоростью вращения, а также на равномерности внесения удобрений. На динамику разбрасывания частиц удобрений влияют фиксированные и изменяемые технические характеристики разбрасывателя, например, скорость вращения и положение вращающихся дисков, угол наклона лопастей дисков, размер выпускного отверстия (заслонка), место, где каждая частица падает на вращающийся диск, расход нагнетаемого воздуха, скорость движения машины и рабочая ширина. Точка приземления частицы на почву зависит от траектории самой частицы, которая подбрасывается вращающимся диском в воздух. Поскольку несколько случайных факторов способствуют изменению траектории частиц в процессе разбрасывания, необходима имитационная модель центробежного разбрасывателя, учитывающая свойства удобрения. На самом деле экспериментальное исследование процесса внесения удобрений занимает много времени и обходится дорого. Поэтому, чтобы сэкономить как время, так и затраты, для анализа динамики внесения удобрений можно было бы использовать моделирование. Методология. Чтобы обеспечить воспроизводимость результатов исследования, для моделирования центробежного разбрасывателя удобрений использовалось программное обеспечение. Для имитационной модели были выбраны параметры центробежного разбрасывателя удобрений МВУ-1200. Для испытываемого удобрения была установлена рабочая ширина 14 м. Норма внесения гранулированных удобрений была выбрана в соответствии с рекомендациями производителя для такого центробежного разбрасывателя удобрений. Для моделирования с помощью программного обеспечения требовались такие параметры разбрасывателя, как размер выпускного отверстия (заслонки), скорость вращения вращающегося диска и высота (расстояние между диском и землей), а также угол наклона лопастей дисков. Для проведения испытаний на базе вышеупомянутого центробежного разбрасывателя удобрений была разработана модель разбрасывателя. Результаты. Результаты, полученные во время виртуального разбрасывания, были обработаны и описаны путем оценки среднего расстояния, пройденного частицами удобрения, т.е. от вращающегося диска до почвы, которое оценивалось на основе скорости вращения дисков во время испытаний. Средние скорости частиц гранулированных органических удобрений 4мм и 6 мм были оценены в ходе моделирования на основе скорости вращения диска при расходах на выходе 200 и 400 г/с−1. Анализ результатов испытаний показывает, что на однородность влияют скорость потока при выгрузке и диаметр частиц удобрения. Это означает, что при скорости потока на выходе 200 г/с−1 наблюдалось более равномерное распределение частиц диаметром 4 мм. Между тем, при скорости потока на выходе 400 г/с−1, гранулированные удобрения диаметром 6 мм распределялись более равномерно. Заключение. Разработанная имитационная модель является потенциальным инструментом для проектирования и оптимизации разбрасывателей удобрений. Фактически, это может сократить количество прототипов, которые необходимо изготовить и количество тестов, которые необходимо провести для настройки параметров машины. Кроме того, разработанная имитационная модель может предоставить информацию о конструкции систем настройки и управления, установленных на центробежных разбрасывателях удобрений. Фактически, эти системы необходимы для внесения удобрений с изменяемой в пространстве нормой в рамках цикла точного земледелия, удовлетворяя потребности современных фермеров, а также защитников окружающей среды.
Problem and purpose. To improve the efficiency of fertilizer application, research should focus on the technical characteristics of centrifugal spreaders equipped with variable speed rotating discs, as well as the uniformity of fertilizer application. The dynamics of spreading fertilizer particles are influenced by fixed and variable technical characteristics of the spreader, for example, the rotation speed and position of the rotating discs, the angle of the disc blades, the size of the outlet (damper), the place where each particle falls on the rotating disc, the discharge air flow, the speed of movement machines and working width. The landing point of a particle on the soil depends on the trajectory of the particle itself, which is thrown into the air by a rotating disk. Since several random factors contribute to changes in particle trajectory during the spreading process, a centrifugal spreader simulation model that takes into account the properties of the fertilizer is needed. In fact, experimental research into the fertilization process is time-consuming and expensive. Therefore, to save both time and cost, modeling could be used to analyze fertilizer application dynamics. Methodology. To ensure reproducibility of the study results, software was used to simulate a centrifugal fertilizer spreader. For the simulation model, the parameters of the MVU-1200 centrifugal fertilizer spreader were selected. The test fertilizer was set to a working width of 14 m. The granular fertilizer application rate was selected according to the manufacturer's recommendations for this centrifugal fertilizer spreader. The software simulation required spreader parameters such as outlet size (damper), rotating disc speed and height (distance between disc and ground), and disc blade angle. For testing purposes, a spreader model was developed based on the above-mentioned centrifugal fertilizer spreader. Results. The results obtained during virtual spreading were processed and described by estimating the average distance traveled by the fertilizer particles, i.e. from the rotating disk to the soil, which was estimated based on the rotation speed of the rotating disks during testing. The average particle velocities of 4mm and 6mm granular organic fertilizers were estimated from simulations based on disk rotation speed at outlet flow rates of 200 and 400 g/s−1. Analysis of the test results shows that uniformity is affected by the discharge flow rate and the diameter of the fertilizer particles. This means that at an outlet flow rate of 200 g/s−1, a more uniform distribution of particles with a diameter of 4 mm was observed. Meanwhile, at an outlet flow rate of 400 g/s−1, the 6 mm diameter granular fertilizers were distributed more evenly. Conclusion. The developed simulation model is a potential tool for the design and optimization of fertilizer spreaders. In fact, it can reduce the number of prototypes that need to be made and the number of tests that need to be carried out to tune machine parameters. In addition, the developed simulation model can provide information on the design of tuning and control systems installed on centrifugal fertilizer spreaders. In fact, these systems are needed to apply spatially variable fertilizer rates as part of the precision agriculture cycle, meeting the needs of modern farmers as well as environmentalists.