Исследование изменения распределения воздушных потоков в системе очистки зерноуборочного комбайна кзс-1319 в зависимости от геометрических параметров проточных областей

УДК 631.354.2.076

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ В СИСТЕМЕ ОЧИСТКИ ЗЕРНОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА K3C-1319 В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОТОЧНЫХ ОБЛАСТЕЙ

© 2019 г. ИЛ Баран, С.В. Труханович, Д.Н. Иванов

В работе представлены результаты проведенного исследования расчетным путем изменения распределения воздушных потоков в системе очистки зерноуборочного комбайна K3C-1319 производства ОАО «Гомсельмаш» в зависимости от геометрических параметров проточных областей системы очистки. Рассмотрен анализ расчетных параметров воздушного потока в системе очистки комбайна K3C-1319 при различных конструктивных изменениях. Проведены расчет и сравнительный анализ расчетных параметров воздушного потока в системе очистки комбайна K3C-1319 при различных конструктивных изменениях. Вращение роторов вентилятора с частотой 1000 об/мин обеспечивает общую скорость подачи воздуха в очистку и его массовый расход. Решета находятся в среднем положении механизма системы очистки. Расчет проводился для большого количества вариантов с разнообразными изменениями геометрических параметров проточных областей системы очистки. Результаты расчета приведены для шести вариантов, для которых получены наиболее интересные и характерные, отличающиеся друг от друга результаты. Для различных вариантов геометрии проточных частей введение дополнительных, регулирующих поток элементов, в зоне выхода воздуха из вентилятора позволяет эффективно управлять как скоростью, так и ее распределением по объему системы очистки. Проведение расчетов аэродинамических потоков на этапе проектирования комбайна с целью определения оптимальных параметров геометрии проточных областей и выявления степени влияния геометрии и расположения различных элементов на распределение воздушных потоков позволяет минимизировать количество вариантов изготовленной в железе системы очистки для проведения экспериментального подтверждения выводов, сделанных по результатам моделирования. Это позволяет существенно снизить стоимость и время разработки новых машин.

Ключевые слова: моделирование, аэродинамический процесс, зерноуборочный комбайн, система очистки, воздушный поток.

It is presented the results of conducted survey (by calculated way) of changes of air stream distribution in the cleaning system of grain harvester KZS-1319 produced by OJSC «Gomselmash» depending on geometric parameters of the flow areas of the cleaning system. The work shows analysis of calculated parameters of air stream in the cleaning system of harvester KZS-1319 at different design changes.Calculation and comparative analysis of calculated parameters of air stream in the cleaning system of combine KZS-1319 at different design changes are conducted. The fan rotor revolution of 1000 rpm ensures general speed of air provision to the cleaning system and massive air consumption. The grid in the middle position of the cleaning system mechanism.The calculation was conducted for a large number of variants with various changes of geometric parameters of flow areas of the cleaning system. The calculation results are provided for six variants that show most interesting and specific results, different from each other. For different variants of flow area geometry, introduction of additional flow regulation elements in the area of air output from the fan allows efficient regulation of both the speed and its distribution throughout the cleaning system. Calculations of aerodynamic flows at the stage of harvester development with the purpose of defining optimal parameters of geometry of flow areas and revealing degree of influence of geometry and location of different elements on distribution of air flows allows minimizing the number of iron-made variants of the cleaning system for conducting experimental confirmation of conclusions made on the base of modeling results. This allows considerable lowering of costs and time for development of new machines.

Keywords, modeling, aerodynamic process, grain-harvesting combine, cleaning system, air stream.

Введение. Для обеспечения качественного выделения зерна из зернового вороха в системе очистки зерноуборочного комбайна с одновременной минимизацией потерь зерна очень важно обеспечить оптимальное распределение параметров воздушного потока по всему объему системы очистки.

Скорость воздуха во всех точках не должна превышать скорость витания зерна конкретной убираемой культуры, но должна гарантированно превышать скорость витания половы, фрагментов колоса, соломы и других инородных примесей.

Распределение скоростей воздуха по объему очистки должно быть максимально равномерным без ярко выраженных провалов (локальное снижение скорости) и факелов (локальное повышение скорости).

Ясно, что общая скорость воздушного потока зависит от общего расхода вентилятора, который в свою очередь зависит от геометрических параметров вентилятора и его частоты вращения.

Параметры распределения скоростей воздушных потоков по объему очистки очень сильно зависят от геометрических параметров проточных областей.

И если параметры формирования общего расхода центробежных вентиляторов широко освещены в литературе [1-3], то вопрос влияния геометрических параметров проточных областей на характеристики распределения воздушных потоков по объему системы очистки зерноуборочного комбайна в специальной на-учно-технической литературе не освещен.

В данной работе будут проиллюстрированы результаты проведенного исследования расчетным путем изменения распределения воздушных потоков в системе очистки конкретной опытной модели зерноуборочного комбайна КЭС-1319 производства ОАО «Гомсельмаш» в зависимости от геометрических параметров проточных областей системы очистки.

Методика исследования. Проведены расчет и сравнительный анализ расчетных параметров воздушного потока в системе очистки комбайна КЭС-1319 при

различных конструктивных изменениях. Вращение роторов вентилятора с частотой 1000 об/мин обеспечивает общую скорость подачи воздуха в очистку и его массовый расход. Решета находятся в среднем положении механизма системы очистки [4-10].

Геометрическая модель и конечно-объемная сетка проточных областей системы очистки представлены на рисунке 1.

а - геометрическая модель; 6-конечно-объемная модель Рисунок 1 - Модели проточной области системы очистки

Расчетная модель с граничными условиями проточных областей системы очистки представлена на рисунке 2.

Расчет проводился для большого количества вариантов с разнообразными изменениями геометри-

ческих параметров проточных областей системы очистки. Результаты расчета в данной работе приведены для шести вариантов, для которых получены наиболее интересные и характерные, отличающиеся друг от друга результаты.

Зоны выхода воздуха

Рисунок 2 - Расчетная модель проточной области системы очистки

Вариант 1. На рисунке 3 представлены линии областях системы очистки КЗС-1319 исходной конст-тока с распределением скоростей воздуха в проточных рукции (вариант 1).

На рисунке 4 и 5 представлены поля и векторы распределения скоростей воздушных потоков в проточных областях по сечению над верхним решетом очистки КЗС-1319 варианта 1.

В исходной конструкции системы очистки (вариант 1), как видно из рисунков 3, 4, 5, весь массовый поток воздуха сосредоточен в верхней части очистки и слабо продувается нижняя часть, что может привести к скапливанию массы на решетах.

Рисунок 4 - Поля распределения скоростей воздушного потока в плоскости над верхним решетом в системе очистки комбайна КЗС-1319. Вариант 1

0.00000

2.6000

10.400

13.000

Velocity (m/s) 5.2000 7.8000

Рисунок 5 - Векторы скоростей воздушного потока в плоскости над верхним решетом в системе очистки комбайна КЗС-1319. Вариант 1

Вариант 2. На рисунке 6 представлены линии тока с распределением скоростей воздуха в проточных областях системы очистки КЭС-1319 с добавленным элероном в нижнем раструбе (зона А, рисунок 6) варианта 2.

На рисунке 7 и 8 представлены поля и векторы распределения скоростей воздушных потоков в

проточных областях по сечению над верхним решетом очистки КЭС-1319 варианта 2.

Как видно из рисунков 6, 7, 8, установка элерона в нижнем раструбе позволила увеличить поток воздуха в нижней зоне под решетами, однако данный вариант характеризуется высокой неравномерностью потока под решетами с наличием локальных факелов.

Рисунок 6 - Линии тока с распределением скоростей воздушного потока в системе очистки зерноуборочного комбайна КЗС-1319. Вариант 2

Velocity: Magnitude (m/s) 12.000_ ia.000

24.000

Velocity: Magnitude (m/s) 5.2000__7.8000

Рисунок 7 - Поля распределения скоростей воздушного потока в плоскости над верхним решетом в системе очистки комбайна КЗС-1319. Вариант 2

Вариант 3. На рисунке 9 представлены линии формой элерона по сравнению с вариантом тока с распределением скоростей воздуха в проточных рисунок 9) варианта 3. областях системы очистки КЭС-1319 с измененной

Velocity: Magnitude (m/s) 12.000 18.000

2 (зона А,

Рисунок 9 - Линии тока с распределением скоростей воздушного потока в системе очистки зерноуборочного комбайна КЗС-1319. Вариант 3

Velocity: Magnitude (m/s) 5.2000_ 7.8000

Рисунок 10 - Поля распределения скоростей воздушного потока в плоскости над верхним решетом в системе очистки комбайна КЗС-1319. Вариант 3

Velocity

0.00000 f.6QOD>>~^ 5.2000 7.8000 10.400 13.000

На рисунке 10 и 11 представлены поля и векторы распределения скоростей воздушных потоков в проточных областях по сечению над верхним решетом очистки КЭС-1319 варианта 3.

Как видно из рисунков 9, 10, 11, изменение формы элерона в нижнем патрубке по сравнению с вариантом 2 позволило увеличить равномерность распределения потоков воздуха в нижней зоне под решетами, однако не обеспечило требуемой равномерности

в этой зоне и привело к локальным факелам в верхней зоне над решетами.

Вариант 4. На рисунке 12 представлены линии тока с распределением скоростей воздуха в проточных областях системы очистки КЭС-1319 с уменьшенным элероном (зона А, рисунок 12) и исключенным элементом в передней зоне нижнего решета (зона Б, рисунок 12) варианта 4.

Velocity: Magnitude (m/s) 12.000_ 18.000

24.000

Рисунок 12 - Линии тока с распределением скоростей воздушного потока в системе очистки зерноуборочного комбайна КЗС-1319. Вариант 4

На рисунке 13 и 14 представлены поля и векторы распределения скоростей воздушных потоков в проточных областях по сечению над верхним решетом очистки КЭС-1319.

Рисунок 13 - Поля распределения скоростей воздушного потока в плоскости над верхним решетом в системе очистки комбайна КЗС-1319. Вариант 4

Как видно из рисунков 12, 13, 14, в варианте 4 достигнуто наиболее равномерное распределение воздушных потоков в нижней зоне без нарушения неравномерности вверху.

Вариант 5, На рисунке 15 представлены линии тока с распределением скоростей воздуха в проточных областях системы очистки КЭС-1319 в отличие от варианта 4 с поднятым элероном (зона А, рисунок 15) варианта 5.

Рисунок 14 - Векторы скоростей воздушного потока в плоскости над верхним решетом в системе очистки комбайна КЗС-1319. Вариант 4

\Zelocity: Мадттиёе (т/%) 0.00000_2 6000 5.2000_ 78000 10.400 13.000

Уе/осНу: Мадппи(1е (т/5) 12 000 18 ООО

Рисунок 15 - Линии тока с распределением скоростей аэродинамического потока в системе очистки зерноуборочного комбайна КЗС-1319. Вариант 5

На рисунках 16 и 17 представлены поля и векторы распределения скоростей воздушных потоков в проточных областях по сечению над верхним решетом очистки КЗС-1319.

Velocity. Magnitude (m/s) 12.000 18 000 24 000

Рисунок 18 - Линии тока с распределением скоростей воздушного потока в системе очистки зерноуборочного комбайна КЗС-1319. Вариант 6

На рисунке 19 и 20 представлены поля и векторы распределения скоростей воздушных потоков в проточных областях по сечению над верхним решетом очистки КЗС-1319 варианта 6.

Рисунок 17 - Векторы скоростей воздушного потока в плоскости над верхним решетом в системе очистки комбайна КЗС-1319. Вариант 5

Как видно из рисунков 15, 16, 17, подъем элерона по сравнению с вариантом 4 приводит к интенсификации воздушных потоков вверху над решетами, однако приводит к локальным провалам внизу.

Вариант 6. На рисунке 18 представлены линии тока с распределением скоростей воздуха в проточных

областях системы очистки КЗС-1319, отличающихся от варианта 5 только регулировкой заслонки в верхнем раструбе вентилятора, уменьшающего поток воздуха (зона В, рисунок 18) варианта 6.

Velocity (m/s) 5 2000 7 8000

10 400

Рисунок 20 - Векторы скоростей воздушного потока в плоскости над верхним решетом в системе очистки комбайна КЗС-1319. Вариант 6

Как видно из рисунков 18, 19, 20, регулировка заслонки в верхнем раструбе вентилятора позволила интенсифицировать воздушные потоки в нижней зоне, однако привела к снижению продувки верхней зоны и увеличила неравномерность по всему объему очистки.

Результаты исследований и их обсуждение. Как видно из приведенных выше результатов проведенного расчета для различных вариантов геометрии проточных частей введение дополнительных, регулирующих поток элементов, в зоне выхода воздуха из вентилятора позволяют эффективно управлять как скоростью, так и ее распределением по объему системы очистки.

Из рассмотренных вариантов вероятно наиболее приемлемым является вариант 4, однако варианты 5 и 6 тоже представляют научно-практический интерес. Окончательный выбор оптимального варианта необходимо осуществлять на основе эксплуатационных испытаний натурной модели, оснащенной необходимыми регулировками проточных частей для реализации рассмотренных выше вариантов.

Заключение. На основании проведенного анализа рассмотренных выше различных вариантов конструкции проточных частей системы очистки комбайна КЗС-1Э19 можно сделать следующие выводы.

1. Введение элерона в нижний раструб вентилятора позволяет запустить воздушный поток в заднюю часть системы очистки и продуть решето по длине, высотой расположения и формой элерона можно эффективно регулировать интенсивность воздушного потока под решетами.

2. Изменение формы передней части нижнего решета позволяет изменить распределение воздушных потоков под нижним решетом.

3. Изменение расхода воздуха в верхнем раструбе вентилятора путем введения регулируемой заслонки позволяет изменить характер распределения воздушного потока в верхней части системы очистки, что в свою очередь за счет эжекционного эффекта оказывает влияние на распределение воздушного потока в нижней части решет.

В заключение можно сделать общий вывод о том, что проведение подобных расчетов на этапе проектирования комбайна с целью определения оптимальных параметров геометрии проточных областей и выявления степени влияния геометрии и расположения различных элементов на распределение воздушных потоков позволяет минимизировать количество вариантов изготовленной в железе системы очистки для проведения экспериментального подтверждения выводов, сделанных по результатам моделирования. Это позволяет существенно снизить стоимость и время разработки новых машин.

Литература

1. Ткачева, П.П. Компьютерная технология синтеза расчетных сеток в программном комплексе STAR-CD для моделирования аэродинамических потоков в рабочей камере турбокомпрессора / П.П. Ткачева // Информатика. - 2005. -№2(6).-С. 5-14.

2. Васильев, Д.Л. Методы создания Зй-моделей корпусных деталей в системе Pro/Engineer / Д.Л. Васильев // Информатика. - 2005. - № 7. - С. 107-115.

3. Исследование плоских ударных волн в турбокомпрессоре на основе аэродинамического компьютерного моделирования в программном пакете STAR-CD / В.А. Балдин, A.M. Крот, Е.Б. Минервина, П.П. Ткачева II Информатика. -2005.-№4(8).-С. 5-12.

4. Минервина, Е.Б. Компьютерное моделирование аэродинамических потоков в рабочей камере турбокомпрессора с использованием программного комплекса STAR-CD / Е.Б. Минервина II Информатика. - 2005. - № 2(6). - С. 15-24.

5. Численное моделирование на основе программного пакета STAR-CD аэродинамических потоков с целью выявления ударных волн в турбокомпрессоре / A.M. Крот, Е.Б. Минервина, П.П. Ткачева, В.А. Балдин IIII Международная научно-техн. конференция «Авиадвигатели XXI века», Москва, ЦИАМ, 6-9 декабря 2005 г. - Т. 1. - С. 339-340.

6. Baldln, V.A. Investigation of conditions, hydrodynamic structures in the form of Taylor whirlwinds in rotating fluid arise under, and analysis of their dynamics on basis of attractor representing / V.A. Baldin II EGU General Assembly: Geophysical Research Abstracts, Vol. 7, Vienna, April 24-29, 2005 / EGU.-Vienna, 2005.

7. Reynods, O. An experimental investigation of the circumstances which determine whether the motion of water shall

be direct or sinuous, and of the law of resistance in parallel channels / 0. Reynods II Phil. Trans. Roy. Soc. - London, 1983. -Vol. 174.

8. Jung, S. Velocity difference statistics in turbulence / S. Jung, H.L. Swinney II Phys. Rev. E. - 2005. - Vol. 72. -026304.-P. 1-7.

9. Oughton, S. Parallel and perpendicular cascades in solar wind turbulence / S. Oughton, W.H. Matthaeus II Nonlinear Processes in Geophysics. -2005. - Vol. 12, №2. - P. 299-310.

10. Alexandrova, O. Solar wind vs magnetosheath turbulence and Alfven vortices / O. Alexandrova II Nonlinear Processes in Geophysics. -2008. - Vol. 15, № 1. - P. 95-108.

References

1. Tkacheva P.P. Komp'yuternaya tekhnologiya sinteza raschetnykh setok v programmnom komplekse STAR-CD dlya modelirovaniya aerodinamicheskikh potokov v rabochej kamere turbokompressora [Computer technology of synthesis of calculated grids in the program complex STAR-CD for modeling aerodynamic flows in turbo compressor working chamber], Informati-ka, 2005, No 2

2. Vasil'ev D.L. Metody sozdaniya 3D-modelej korpus-nykh detalej v sisteme Pro/Engineer [Methods of creating 3D-models of body parts in Pro/Engineer], Informatika, 2005, No 7, pp. 107-115.

3. Baldin V.A., Krot A.M., Minervina E.B., Tkacheva P.P. Issledovanie ploskikh udarnykh voln v turbokompressore na osnove aerodinamicheskogo komp'yuternogo modelirovaniya v programmnom pakete STAR-CD [Survey of flat shock waves in turbo compressor on basis of aerodynamic computer modeling in program package STAR-CD], Informatika, 2005, No 4

4. Minervina E.B. Komp'yuternoe modelirovanie aerodinamicheskikh potokov v rabochej kamere turbokompressora s

ispol'zovaniem programmnogo kompleksa STAR-CD [Computer modeling of aerodynamic flows in turbo compressor working chamber using program complex STAR-CD], Informatika, 2005, No 2

5. Krot A.M., Minervina E.B., Tkacheva P.P., Baldin V.A. Chislennoe modelirovanie na osnove programmnogo paketa STAR-CD aerodinamicheskikh potokov s cel'yu vyyavleniya udarnykh voln v turbokompressore [Numerical simulation on base of program package STAR-CD of aerodynamic flows with purpose of revealing shock waves in turbo compressor], II Mezh-dunarodnaya nauchno-tekhn. konferenciya «Aviadvigateli XXI veka», M, CIAM, 6-9 dekabrya 2005 g, T. 1, pp. 339-340.

6. Baldin V.A. Investigation of conditions, hydrodynamic structures in the form of Taylor whirlwinds in rotating fluid arise under, and analysis of their dynamics on basis of attractor representing [Investigation of conditions, hydrodynamic structures in the form of Taylor whirlwinds in rotating fluid arise under, and analysis of their dynamics on basis of attractor representing], EGU General Assembly: Geo-physical Research Abstracts, Vol. 7, Vienna, April 24-29, 2005, EGU, Vienna, 2005.

7. Reynods O. An experimental investigation of the circumstances which determine whether the motion of water shall be direct or sinuous, and of the law of re sistance in parallel channels, Phil. Trans. Roy. Soc., London, 1883, Vol. 174.

8. Jung S., Swinney H.L. Velocity difference statistics in turbulence, Phys. Rev. E. 2005, Vol. 72. 026304, pp. 1-7.

9. Oughton S., Matthaeus W.H. Parallel and perpendicular cascades in solar wind turbulence, Nonlinear Processes in Geophysics, 2005, Vol. 12, No 2, pp. 299-310.

10. Alexandrova, O. Solar wind vs magnetosheath turbulence and Alfven vortices. Nonlinear Processesin Geophysics, 2008, Vol. 15, No 1, pp. 95-108.

Сведения об авторах

Баран Игорь Анатольевич - магистр технических наук, ведущий инженер-конструктор - руководитель сектора конст-рукторско-исследовательского отдела динамики прочности и аналитической надежности, Научно-технический центр комбайностроения ОАО «Гомсельмаш» (г. Гомель, Республика Беларусь). Тел.: 8 (232) 59-31-58. E-mail: kiodpan@gomselmash.by.

Труханович Сергей Владимирович - заместитель заведующего конструкторско-исследовательского отдела динамики прочности и аналитической надежности, Научно-технический центр комбайностроения ОАО «Гомсельмаш» (г. Гомель, Республика Беларусь). Тел.: 8 (232) 59-31-58. E-mail: kiodpan@gomselmash.by.

Иванов Дмитрий Николаевич - магистр технических наук, инженер-конструктор 1 кат. конструкторско-исследовательского отдела динамики прочности и аналитической надежности, Научно-технический центр комбайностроения ОАО «Гомсельмаш» (г. Гомель, Республика Беларусь). Тел.: 8 (232) 59-31-58. E-mail: kiodpan@gomselmash.by.

Information about the authors

Baran Igor Anatolievich - Master of Technical Science, leading design engineer - sector head of Design-engineering dynamics durability research and analytical reliability department, Scientific and Technical Harvester Centre OJSC «Gomselmash» (Gomel, Republic of Belarus). Phone: 8 (232) 59-31-58. E-mail: kiodpan@gomselmash.by.

Trukhanovich Sergey Vladimirovich - deputy head of Design-engineering dynamics durability research analytical reliability department, Scientific and Technical Harvester Centre OJSC «Gomselmash» (Gomel, Republic of Belarus). Phone: 8 (232) 59-31-58. E-mail: kiodpan@gomselmash.by.

Ivanov Dmitry Nikolaevich - Master of Technical Science, 1 cat. design-engineer of Design-engineering dynamics durability research and analytical reliability department, Scientific and Technical Harvester Centre OJSC «Gomselmash» (Gomel, Republic of Belarus). Phone: 8 (232) 59-31-58. E-mail: kiodpan@gomselmash.by.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.