Экспериментальные исследования математической модели движения зернового слоя на стенде для определения свойств сыпучих материалов

6. Добринов А.В. Повышение эффективности заготовки измельченного сена в условиях Северо-Запада РФ путем оптимизации технологических процессов и формирования адаптивных технологий: Автореф. дис... канд. техн. наук. - СПб.: СЗНИИМЭСХ. - 2003. -19 с.

7. Попов В.Д., Баранов Л.Н. Заготовка высоковлажного зерна // Комбикорма. - 2005. - № 3.

- С. 37-38.

Literatura

1. Regional'naya celevaya kompleksnaya programma intensifikacii kormoproizvodstva «Korma» Leningradskoj oblasti na 2000-2005 gg. - SPb.: SZNIIMEHSKH, 2000. - 133 s.

2. Perekopsky A.N., Chugunov S.V. Osnovnye polozheniya strategii razvitiya tekhnologij proizvodstva furazhnogo zerna v Severo-Zapadnom regione // Vestnik VNIIMZH. - 2015. - №4.

- S. 53-59.

3. Surovcev V.N., Bil'kov V.A., Nikulina Y.N. Innovacionnoe razvitie molochnogo zhivotnovodstva na Severo-Zapade RF kak osnova povysheniya konkurentosposobnosti proizvodstva moloka // Ehkonomicheskie i social'nye peremeny: fakty, tendencii, prognoz. -2013. - № 4 (28). - S. 143-150.

4. Yunin V.A., Zykov A.V., Kuznecov N.N. Intensifikaciya kormoproizvodstva v usloviyah Severo-Zapadnogo regiona // Tekhnicheskie nauki v Rossii i za rubezhom: Materialy V Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii. - 2016. - S. 82-85.

5. Perekopsky A.N. Modelirovanie uborki zernovyh kul'tur v zavisimosti ot pogodnyh uslovij // Mezhdunarodnyj zhurnal ehksperimental'nogo obrazovaniya. - 2013. - № 10-2. - S. 397-399.

6. Dobrinov A.V. Povyshenie ehffektivnosti zagotovki izmel'chennogo sena v usloviyah Severo-Zapada RF putem optimizacii tekhnologicheskih processov i formirovaniya adaptivnyh tekhnologij: Avtoref. dis... kand. tekhn. nauk. - SPb.: SZNIIMEHSKH. - 2003. - 19 s.

7. Popov V.D., Baranov L.N. Zagotovka vysokovlazhnogo zerna // Kombikorma. - 2005. - № 3. -S. 37-38.

УДК 631.3

Канд. техн. наук Н.В. МУХАНОВ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ЗЕРНОВОГО СЛОЯ НА СТЕНДЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ

СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

К настоящему моменту известно большое количество оборудования для сушки зерна. Тем не менее как в нашей стране, так и за рубежом продолжаются исследования в этой области, и каждый год появляются все новые конструкции зерносушилок разнообразного типа исполнения.

Особое внимание, следует уделять перспективным конструкциям сушилок, основанных на принципе активного вентилирования смесью воздуха и топочных газов (или нагретым воздухом от электрокалорифера), с различными по исполнению системами рециркуляции нагретого зерна в сушильной камере, а также использующих осциллирующий (импульсный) режим сушки и имеющих высокую производительность. Наиболее подходящим типом конструкций обладают бункерные зерносушилки. В зависимости от внутренней компоновки сушильных камер зерновой слой может двигаться с разной

скоростью: длительное время (2 - 4 ч) или скоротечно, а также и разнообразно по характеру движения - от этого зависит равномерность сушки зерна. В сущности, в сушильную камеру устанавливается центральная секция с образованием активных зон, «накопительных пространств» перед выгрузными окнами в вертикальный транспортирующий орган [1].

Классическим видом движения зерна в бункерных зерносушилках является такой, при котором в начальный момент происходит движение зернового слоя по цилиндрическому столбу достаточно плотным слоем, при этом нижний слой попадает первым в активную зону, образованную центральной секцией и стенками сушилки, где происходит нагрев зернового слоя агентом сушки, при этом слой продолжает двигаться к выгрузным окнам или «накопительным пространствам». С этого момента движение зерна происходит по поверхности днища зерносушилки, то есть накапливается, и вертикальный транспортирующий орган забирает часть зерна, выгружает или перемещает на верхний слой зернового материала (например, рециркуляционные зерносушилки). В результате обеспечивается контакт нагретого материала с еще влажным не обработанным зерном, что способствует улучшению начальных условий его сушки.

При таком характере движения зерна однородность сушки обеспечить сложно, поскольку не происходит равномерного нагрева всего зернового слоя. Однако подобную ситуацию можно исправить внесением изменений в конструкции зерносушилок.

Изучив конструкции наиболее перспективных зерносушилок, была предложена конструкция зерносушилки бункерного типа с возможностью рециркуляции зерна, в сушильной камере которой имеется ярко выраженная активная зона, ограничивающая толщину зернового слоя, а сама конструкция позволяет подбирать режимные параметры под начальные характеристики зернового материала [2, 3, 4].

Цель исследования - экспериментальная проверка пригодности математической модели движения зернового слоя для обоснования конструктивно-режимных параметров зерносушилки бункерного типа на стенде для определения свойств сыпучих материалов.

Материалы, методы и объекты исследования. Обоснование конструктивно-режимных параметров зерносушилки требует детального изучения характера движения зерна на различных её элементах: в активной зоне, на конических перфорированных поверхностях. Поэтому объектом исследования является движение зерна в активной зоне зерносушилки. Для этого необходимо рассмотреть и описать воздействие внешних факторов, а также механизмы взаимодействия между отдельными зерновками, которые оказывают влияние на характер движения зерновой массы.

В предлагаемой конструкции зерносушилки предусматривается движение зерна по конической поверхности, что является достаточно сложным для описания. Поэтому для упрощения задачи построения модели можно рассмотреть более простой частный случай движения зерна по наклонной плоскости.

С точки зрения физики зерно можно рассматривать как сплошную среду, имеющую зернистую структуру. Для описания движения подобных веществ существует множество способов. Наиболее распространенным способом является применение гидромеханической модели движения [5].

В монографии [5] отмечается, что движение сыпучего материала (зерно) по наклонной плоскости может быть рассмотрено как вязкое течение, при этом авторы выделяют две условные группы, к которым можно отнести существующие математические модели: модели, основанные на континуальных теориях (не учитывающие взаимодействие отдельных частиц слоя), и модели, основанные на структурном анализе, учитывающем взаимодействие между отдельными частицами.

Также встречаются и такие предположения, что движущаяся зерновая масса в пневмотранспорте и зерносушильных установках описывается как масса с п-ым количеством слоев. Для описания движения зерна был сделан выбор в пользу модели, основанной на структурном анализе. В этом смысле движение зерновой массы можно рассматривать как послойное движение, где один слой скользит по поверхности другого. Кроме того, в основу

построения модели положено предположение о наличии механизма трения между слоями, аналогичного вязкому трению, возникающему при течении жидкости, обусловленного обменом количества движения между слоями. Величина этого трения пропорциональна

градиенту изменения скорости при переходе от слоя к слою, то есть г = дЬ-, где д -

коэффициент пропорциональности, характеризующий величину трения между слоями.

С учетом сделанных предположений была построена математическая модель, включающая в себя уравнение, описывающее движение зерна по наклонной плоскости, а также начальные и граничные условия.

йих а 2их

= + Р' %' 81П

аХ ёг

(0; г) = 0,

ди

дХ ди

дг

= % в1п а - ц сов а

= 0.

Решением уравнения является функция и = / (г; Х), позволяющая рассчитать скорость зерна в любом слое в любой момент времени. Произведенные вычисления позволили определить вид этой функции в явном виде (2).

= 1

1 1а а - 1Х-1Г-.

2

- + т

- + ш

2

- + ш

20р3

2 / \

12 12

((

2(р в1па-Ор) + 20

п

- + ш

- + 7т

(а - 1)(-1)п -

7

- + 7т

а2

-+-

2Ора3

п |2 (п 43 д\— + тп I д\— + ш

ехр

дХ (п

р2 ^ 2

- + пп

в1п| — + пп

\ а I 2

+ О

а — + х 2а

где Гх - скорость выделенного слоя, с координатой м/с; р - плотность зерновой массы, кг/м3; ё - толщина зернового слоя, м; а - угол наклона плоскости, град; д -коэффициент пропорциональности, определяющий силу трения между слоями, (Нс2)/м3; % -ускорение свободного падения, м/с2, ¡и - коэффициент трения скольжения; О =§-$та-р/§-соза - величина, введенная для упрощения вычислений.

На данном этапе полученная функция не позволяет определить конкретные значения скоростей, поскольку уравнение включает коэффициент д, введенный в рассмотрение при построении механизма трения между слоями, и величина которого не определена. Однако полученная функция даже в таком виде позволяет построить профиль скоростей для разных слоев в различные моменты времени.

Для проверки теоретических предположений на кафедре «Технические системы в агробизнесе» ФГБОУ ВО «Ивановская ГСХА» был разработан стенд для определения свойств сыпучих материалов (рис. 1) [6, 7].

Стенд обеспечивает проведение исследований влияния способа подвода сыпучего материала в испытательную камеру в зависимости от его физико-механических свойств, таких как сыпучесть, скважистость, проницаемость, углы естественного откоса и обрушения, и другие, а также изучение поведения материала в испытательной камере в свободном

—=0

а

—

2

а

а

К

71

п=1

2

2

а

2

К

2

2

2

состоянии или при ограничении толщины его слоя, и позволяет определить аэродинамическое сопротивление слоя сыпучего материала.

Стенд состоит из корпуса 1 с установленным внутри накопительным бункером 2 с дополнительными элементами: выпускное отверстие 3, задвижка 4 и направляющая пластина 5. Внутри накопительного бункера устанавливается скат 6 под углом наклона а, равного максимальному углу естественного откоса сыпучего материала. В корпусе имеется отверстие 7, служащее выводом воздуха, прошедшего через испытательную камеру 8, и оснащена анемометром 9 и газоанализатором 10. Испытательная камера включает в себя одну сменную перфорированную пластину 11, способную независимо изменять углы наклона к горизонтальной плоскости, замену на пластины других характеристик. На выходе из испытательной камеры 8 имеется регулируемое выгрузное отверстие 15 с шиберной заслонкой 16. Под перфорированной пластиной установлена продувочная камера 17, направляющая воздушный поток к перфорированной пластине. Вентилятор 18 находится в соединении с продувочной камерой, через герметично соединенный диффузор 19 [6, 7].

х

X 20

12._ 17

а б

Рис. 1. Стенд для определения свойств сыпучих материалов: а) фотография, б) функциональная схема: 1 - корпус, 2 - накопительный бункер, 3 - выпускное отверстие, 4 - задвижка; 5 - направляющая пластина; 6 - скат, 7 - отверстие, 8 - испытательная камера, 9 - анемометр, 10 - газоанализатор, 11 - перфорированная пластина; 12 - датчик-угломер; 13 - датчик напора воздуха, 14 - камеры скоростной съемки, 15 - выгрузное отверстие, 16 - шиберная заслонка, 17 - продувочная камера, 18 - вентилятор, 19 - диффузор, 20 - пульт управления

Разработанный стенд позволяет исследовать конструктивно-режимные параметры зерносушилки в зависимости от живого сечения перфорированных поверхностей и напора вентилятора, а также дает возможность провести эксперименты по оценке величины параметра д.

Зная характер распределения скоростей по всей толщине слоя, вычислить точное значение объема зерновой массы, проходящей через сечение, перпендикулярное движению зерна, не составит сложности. В конце наклонной плоскости установится стационарное распределение в слоях по скоростям, то есть, дойдя до конца наклонной плоскости, зёрна в каждом слое будут иметь определенную величину скорости, определяемую временем движения по наклонной плоскости (рис. 2).

стенка бункера

Рис. 2. Схема распределения скоростей: г - толщина зернового слоя, а - угол наклона плоскости, V1, V2, Vз

... V п - скорость слоя, с координатой г В этом случае количество зерна, проходящего через поперечное сечение, будет определяться определенным интегралом:

где ё - толщина зернового слоя, м; I - ширина зернового слоя, м; ^ - время, с.

Таким образом, измерения объема зерна, проходящего по наклонной плоскости, и определение величины коэффициента пропорциональности д позволит уточнить результаты, получаемые из решения математической модели (2), а также определить скорости частиц во всех слоях и оценить время нахождения зерна в активной зоне.

Кроме того, измерение величины д на различных режимах движения позволит сделать вывод об объективности построенной математической модели зерна.

Результаты исследования. В качестве испытуемого материала использовался овес. При пропускании зерна по наклонной плоскости стенда и наблюдении за его движением через прозрачную перегородку было установлено наличие слоистого движения, возникающего при соприкосновении с препятствием (тормозящими элементами) на траектории скатывания, а также наблюдался обмен зерновками между слоями, что соответствует модели обмена количеством движения между слоями, лежащей в основе построения механизма межслойного трения.

Принимая величину д условно за единицу, в системе Mathcad получен график, отображающий профиль скоростей, согласно принятой модели движения

о

ц

м/с

0.1

О 0,01 0,02 I, м --и

Рис. 3. Профиль скоростей зерна в различных слоях в различные моменты времени

Из полученной зависимости следует наличие незначительного изменения в скорости частиц при переходе от одного слоя к другому. Подобная зависимость может возникнуть в случае низкой интенсивности обмена зерновками между слоями, которая определяется коэффициентом q.

Выводы. Разработанная математическая модель (1) движения зернового слоя и стенд для определения свойств сыпучих материалов помогут расширить теоретические и практические знания по движению зерна, что позволит достаточно эффективно подобрать конструктивно-режимные параметры зерносушилки бункерного типа.

Уравнения (1), (2), (3), полученные в ходе теоретических и экспериментальных исследований, имеют ограниченное применение. Связано это с тем, что в опытах наблюдалась большая неоднородность в распределении по слоям при различных параметрах установки. Так, в некоторых случаях при попытке смоделировать движение зернового слоя небольшой высоты образовывался запирающий слой при входе на перфорированную пластину, что фактически приводило к образованию монослоя (элементарного слоя).

В количественном выражении интенсивность обмена частицами между слоями, а также величину трения характеризует коэффициент q, поэтому для дальнейшего уточнения полученного решения (2) необходима численная оценка этого параметра, для чего будут проведены дальнейшие исследования на стенде.

Литература

1. Марченко С.А., Муханов Н.В., Шевяков А.Н. Развитие зерносушилок // Научное обеспечение развития АПК в условиях импортозамещения: Сборник науч. тр. международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, Ч. I. - СПб.: СПбГАУ, 2016. - С. 477-480.

2. Муханов Н.В., Марченко С.А., Воронков В.В., Шевяков А.Н., Тихонов Е.А. Экспериментальные исследования технологического процесса рециркуляционной зерносушилки бункерного типа // Resources and Technology / Научный журнал. -Петрозаводск: ФГБОУ ВО ПетрГУ, 2016. - Т. 13. - №4. - С. 93-105. (URL: http: //rt.petrsu.ru/j ournal/article .php ?id=3641).

3. Патент на изобретение № 2628686. Рециркуляционная зерносушилка бункерного типа / В.В. Воронков, С.А. Марченко, Н.В. Муханов, М.А. Базаев, А.Н. Шевяков; Зарегистр. 15.05.2017г.; опубл. 21.08.2017, бюл. №24.

4. Марченко С.А. К обоснованию функциональной схемы рециркуляционной зерносушилки бункерного типа // Наука и молодежь: новые идеи и решения в АПК: Сборник мат. Всеросс. науч. метод. конф. с международным участием. - Иваново: ФГБОУ ВО «Ивановская ГСХА имени Д.К. Беляева», 2016. - С. 257-262.

5. Долгунин В.Н., Борщев В.Я. Быстрые гравитационные течения зернистых материалов: техника измерения, закономерности, технологическое применение. - М.: Машиностроение-1, 2005. - 112 с.

6. Марченко С.А., Муханов Н.В., Шевяков А.Н. Обоснование разработки стенда для исследования свойств сыпучих материалов // Аграрная наука в условиях модернизации и инновационного развития АПК России: Сборник мат. Всеросс. науч. метод. конф. с международным участием, посвященной 100-летию академика Д.К. Беляева, Том 3 -Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская ГСХА, - 2017. - С. 133-136

7. Заявка на патент №2017116246. Стенд для определения свойств сыпучих материалов // URL: http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet (дата обращения 24.10.2017).

Liter atur a

1. Marchenko S.A., Muhanov N.V., Shevyakov A.N. Razvitie zernosushilok // Nauchnoe obespechenie razvitija APK v uslovijah importozameshhenija: Sbornik nauchnyh trudov mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii professorsko-prepodavatel'skogo sostava, Ch. I. - SPb.: SPbGAU, 2016. - P.477-480

2. Muhanov N.V., Marchenko S.A., Voronkov V.V., Shevyakov A.N., Tihonov E.A. Jeksperimental'nye issledovanija tehnologicheskogo processa recirkuljacionnoj zernosushilki

bunkernogo tipa // Resources and Technology / Nauchnyj zhurnal. - Petrozavodsk: FGBOU VO PetrGU, 2016. - T. 13. - №4. -P. 93-105. (URL: http://rt.petrsu.ru/journal/article.php?id=3641). ISSN 2307-0048.

3. Patent na izobretenie № 2628686. Recirkuljacionnaja zernosushilka bunkernogo tipa / V.V. Voronkov, S.A. Marchenko, N.V. Muhanov, M.A. Bazaev, A.N. Shevyakov; Zaregistr. 15.05.2017g.; opubl. 21.08.2017, bjul. №24.

4. Marchenko S.A. K obosnovaniju funkcional'noj shemy recirkuljacionnoj zernosushilki bunkernogo tipa // Nauka i molodezh': novye idei i reshenija v APK: Sbornik materialov Vserossijskih nauchno-metodicheskih konferencij s mezhdunarodnym uchastiem. - Ivanovo: FGBOU VO «Ivanovskaja GSHA imeni D.K. Beljaeva», 2016. - S. 257-262.

5. Dolgunin V.N., Borshhev V.Ja. Bystrye gravitacionnye techenija zernistyh materialov: tehnika izmerenija, zakonomernosti, tehnologicheskoe primenenie. - M.: Mashinostroenie-1, 2005. - 112 s.

6. Marchenko S.A., Muhanov N.V., Shevyakov A.N. Obosnovanie razrabotki stenda dlja issledovanija svojstv sypuchih materialov // Agrarnaja nauka v uslovijah modernizacii i innovacionnogo razvitija APK Rossii: Sbornik materialov Vserossijskoj nauchno-metodicheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem, posvjashhennoj 100-letiju akademika D.K. Beljaeva, Tom 3 - Ivanovo: FGBOU VO Ivanovskaja GSHA, - 2017. - S. 133-136

7. Zajavka na patent №2017116246. Stend dlja opredelenija svojstv sypuchih materialov // URL: http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet (data obrashhenija 24.10.2017).

УДК 631.22

Соискатель Е.О. ЛАНЦОВА

ИЗМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ АММИАКА ПРИ УБОРКЕ НАВОЗА КРС

СКРЕБКОВЫМ ТРАНСПОРТЕРОМ

Современные технологии содержания животных предъявляют высокие требования к микроклимату в животноводческих помещениях. По мнению ученых, специалистов животноводства и технологов, продуктивность животных на 10-30% определяется микроклиматом в животноводческом помещении. Отклонение параметров микроклимата от установленных пределов приводит к сокращению удоев молока на 10-20%; прироста живой массы - на 20-33%; увеличению отхода молодняка - до 5-40%; расходу дополнительного количества кормов; сокращению срока службы оборудования, машин и самих зданий; снижению устойчивости животных к заболеваниям [1].

Самое существенное влияние на формирование микроклимата в коровнике оказывает система уборки и выгрузки навоза. Навоз является источником влаги, аммиака, сероводорода, которые при превышении допустимых концентраций оказывают отрицательное влияние на здоровье обслуживающего персонала и продуктивность животных. Однако в большинстве хозяйств микроклимат в животноводческих помещениях далек от нормативных параметров. Помещения имеют повышенные концентрации вредных веществ, в том числе аммиака. Аммиак (ЫН з) - бесцветный газ с едким запахом, он легче воздуха и хорошо растворим в воде. В атмосферном воздухе встречается редко и в небольших концентрациях. В животноводческих помещениях аммиак образуется в основном из мочи, разлагающейся под действием уреазоактивных анаэробных бактерий [2]. Особенно он накапливается в помещениях, где плохая вентиляция, не поддерживается чистота пола, животных содержат без подстилки или меняют её несвоевременно.

Постоянное вдыхание воздуха даже с небольшой примесью аммиака (10 мг/м3) неблагоприятно отражается на здоровье животных. Аммиак, растворяясь на слизистых оболочках верхних дыхательных путей, глаз, раздражает их, кроме того, он рефлекторно