Исследование процесса распределения посевного материала по вегетационной поверхности лотка гидропонной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

установка гидропонный модель математический

Введение

Решение многих задач, возникших в последнее время в АПК Крыма, в значительной степени зависит от технической оснащенности сельскохозяйственных производств, а также внедрения новых передовых технологий. Особое внимание следует уделить таким отраслям как животноводство и птицеводство, конечная продукция которых занимает первое место в питательном рационе человека.

В последнее время повышается интерес к методам и технологиям, позволяющим государственным, фермерским и подсобным сельскохозяйственным производствам самостоятельно и с малыми материально-финансовыми затратами, получать сбалансированные кормовые рационы в течение всего года. Одной из перспективных инновационных технологий является технология гидропонного выращивания зеленых кормов [1, 2, 3, 4]. Гидропонный зеленый корм (ГЗК) содержит требуемые питательные вещества и витамины, хорошо поедается и усваивается, является экологически чистой продукцией, а также его производство отличается простотой и экономичностью [5]. Общим недостатком большинства существующего оборудования для выращивания ГЗК является низкий уровень механизации посевных и уборочных работ [1, 6].

Постановка задачи

Разработать математическую модель динамики системы «сыпучая среда - лоток» гидропонной установки, а также провести имитационное моделирование данного процесса. На основании результатов экспериментальных исследований подтвердить адекватность полученной математической модели, с целью определения рациональных параметров работы гидропонной установки.

Результаты исследований

Разработанная гидропонная установка представляет собой многоярусную конструкцию, на каждом ярусе которой расположен лоток, на котором происходят процессы распределения посевного материала, проращивания и выгрузки выращенного ГЗК. Ярусы гидропонной установки расположены вертикально друг над другом и объединены общей тягой и одним приводным механизмом, т.е. работают в синхронном режиме. Лоток гидропонной установки представляет собой гладкую прямоугольную поверхность с бортами по его периметру, длина которого значительно больше всех остальных его размеров. Лоток жестко крепится к цилиндрической трубе (по его длине), которая в свою очередь шарнирно крепится к каркасной конструкции установки. Шарнирное крепление позволяет проворачиваться трубе с жестко закрепленным на ней лотком, в результате чего данная система является подвижной.

Для определения рациональных режимов работы разработанной гидропонной установки, необходимо составить и описать комплексную математическую модель всей системы [7, 8, 9, 10]. В процессах посева и выгрузки лоток совершает определенное колебательное движение (качение относительно оси трубы), позволяющее осуществить две технологические операции. В результате качения лотка с трубой относительно ее оси в противоположные стороны, посевной материал перемещается от одного борта прямоугольной поверхности к другому борту. Движущийся слой посевного материала от одного качения к другому постоянно расширяется по поверхности, что и обеспечивает его равномерное распределение. После определенного числа качений посевной материал покрывает равномерным по толщине слоем всю поверхность лотка.

Для построения математической модели используем уравнение движения в векторной записи в переменных Эйлера и уравнение неразрывности механической среды [9, 10], в результате детализации которых, с учетом того, что , получим следующую систему уравнений

(1)

где ; - ускорение лотка, с-2; б - угол наклона лотка к горизонту, град; ф - интенсивность касательных напряжений, Н/м2.

Для случая плоской деформации, в пластической зоне объем сыпучего материала при деформациях остается постоянным, а главные оси тензоров напряжений и скоростей деформаций образуют между собой угол м, определяемый из выражения

(2)

где щ - угловая скорость вращения элемента объема как твердого тела,

с-1; г - интенсивность скоростей деформации, с-1; р - статическое давление, Па.

Для определения угловой скорости вращения элемента объема составим антисимметрическую часть тензора градиентов скоростей, из которого найдем модуль угловой скорости вращения элемента объема

. (3)

Для определения скорости и компонента тензора используем формулы перехода для компонент тензора напряжений при повороте осей, и получим приведенную систему уравнений в виде

(4)

где - коэффициент сцепления частиц сыпучей среды; - высота борта, м; - высота слоя частиц сыпучей среды, м.

После проведения преобразований, из четвертого уравнения системы (4), определим линейное ускорение каждого слоя сыпучего материала

, (5)

где ? коэффициент трения среды о стенки лотка, ? коэффициент внутреннего трения среды.

На основе полученной модели «сыпучая среда - лоток» (зависимость (5)) было произведено имитационное моделирование. Результаты которого, приведены на рисунках 1 - 4. В процессе моделирования, было рассмотрено движения пяти слоев сыпучей среды, т.е. ее начальный объем рассекли пятью плоскостями на равных расстояниях по высоте. При угле наклона лотка б = 10 (рисунок 1) видно, что расслоение материала практически не наблюдается, другими словами при данном колебательном движении у всего объема сыпучей среды практически отсутствует какое-либо перемещение, т.е. отсутствует факт ее распределения по поверхности лотка.

При угле наклона лотка б = 20 (рисунок 2) наблюдается небольшое расслоение, позволяющее распределить начальный объем по поверхности лотка, при этом соблюдается критерий неразрывности, т.е. сыпучая среда может рассматриваться как сплошная.

При углах наклона б = 30 и выше (рисунок 3 - 4) имеет место уменьшения расслоения и увеличения скорости перемещения сыпучей среды, что может привести к ее выходу с поверхности и за пространство лотка.

Анализируя полученные результаты (рисунки 1 - 4) можно сделать вывод, что рациональные углы отклонения лотка гидропонной установки относительно некоторой оси будут находиться в диапазоне , а наиболее рациональный «угол движения» (текучести) для зерна ячменя в зависимости от угла наклона лотка составляет

Как отмечалось выше, основным узлом разработанной установки является лоток, присоединенный к вращающемуся вокруг своей оси валу. Особенностью разработанной установки является то, что все ярусы конструктивно одинаковы. Ввиду ограниченного количества ярусов установки по высоте (предполагается от 4 до 6 ярусов) они не будут существенно влиять на работу друг друга по отдельности.

Исходя из вышеизложенного, можно прийти к выводу, что для проверки полученных теоретическим путем основных параметров работы основного узла разработанной установки, достаточно рассматривать ее одноярусную конструкцию.

Экспериментальная гидропонная установка будет представлять собой одноярусную конструкцию, установленную на жестком каркасе с тягой и приводным механизмом.

На рисунке 5 представлен общий вид экспериментальной гидропонной одноярусной установки с поворачивающимся лотком.

Лоток 1 (размерами 500Ч330 мм), присоединенный стальными хомутами 2 к трубе 3 устанавливается на торцы деревянных брусков 4, жестко прикрепленных к полу (размеры торцевой поверхности брусков 100Ч100 мм, высота брусков 800 мм) (рисунок 6). Один из бортов лотка (по его длине) отогнут в наружу на определенный угол относительно перпендикуляра, проведенного к его дну. Данный угол откоса обусловлен технологической необходимостью, обеспечивающей нормальное протекание процесса выгрузки выращенного урожая ГЗК. В бортах лотка по его ширине расположен штуцер 5 для подсоединения дренажного шланга (шланг на рисунке 6 не указан).

Рисунок 6 - Схема экспериментальной гидропонной одноярусной установки с поворачивающимся лотком

В торцевой поверхности брусков были изготовлены пазы, по размеры трубы (25Ч1мм), на которой прикрепляется лоток. Установка лотка с трубой в данный паз, позволяет отклонять его на определенные (заданные) углы. На картонную поверхность 6 наклеена белая бумага, на которую была нанесена горизонтальная линия 7, совпадающая по высоте с дном лотка, при его горизонтальном положении, и ожидаемые углы его отклонения 8. Данная картонная поверхность помещена на стену, к которой практически в плотную установлены бруски с лотком. Со стороны свободной от стены на выходной конец трубы крепится рычаг 9, пластина которого присоединена к общей тяге 10 (изготавливаемой из уголка 15Ч15 мм), которая в свою очередь через промежуточную тягу 11 присоединена к валу редуктора 12, установленного на подставку 13. Для данного процесса использовался червячный самотормозящийся редуктор (РЧУ-50).

Исследования проводились с ячменем сорта Вакула. В соответствии с ГОСТ 12036-85, была проведена проверка всхожести семян, которая составила 91 %. В процессе исследований использовался ячмень влажностью 10%, 14%, 16% и 18%, т.е. сухой средней и предельной влажности, влажный и сырой. Влажность зерна ячменя проверялась ускоренным методом (на приборе Чижовой). Эксперимент проводился в лабораторных условиях, при фиксированной влажности окружающей среды (85 - 88%). Влажность в помещении лаборатории контролировалась цифровым термогигрометром AR837 каждые 30 мин в течение всего эксперимента.

В ходе экспериментальных исследований были определены основные факторы, влияющие на рассматриваемый процесс, а именно: влажность зерна ячменя; начальный угол отклонения лотка; количество качений лотка.

Необходимую порцию зерна ячменя высыпали вручную «кучкой» на поверхность лотка экспериментальной установки (рисунок 7) у прямоугольного борта.

Рисунок 7 - Этапы процесса распределения зерна ячменя по вегетационной поверхности лотка

Согласно принятым норма посева (5 кг зерна ячменя на 1 м2 вегетационной поверхности), на лоток экспериментальной установки площадью 0,165 м2 помещалось 910 г зерна ячменя. Масса навески для посева определялась путем взвешивания на технических весах с трехкратной повторностью и точностью до 1 грамма. Вращая ручку редуктора, лоток отклоняли на необходимый угол, после чего производились необходимые замеры, а именно координаты движущегося слоя зерна. Для этого на внутреннюю поверхность лотка и бортов были нанесены шкалы (ось абсцисс от -5 до +5, а ось ординат от 0 до 1). Предварительными исследованиями было выявлено, что при такого рода качениях лотка, зерно распределяется по нормальному закону, т.е. явно выражена кривая Гаусса. После проведения замеров лоток отклоняется на следующий исследуемый угол и т.д. В ходе проводимого эксперимента было выявлено, что для полного распределения зерна по вегетационной поверхности лотка необходимо было сделать в среднем 5 качений с затухающей амплитудой.

Проводился эксперимент типа 23, где число факторов k=3, число уровней р=2, число опытов N=8, число повторных опытов n=5. После проведения опытов выполнена статистическая обработка результатов.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что для сухого зерна коэффициент заполнения лотка зависит только от количества качений лотка.

По результатам исследований влажного и сырого зерна была получена регрессионная зависимость процесса распределения зерна по вегетационной поверхности лотка

, (6)

где - влажность зерна, %; - начальный угол отклонения лотка, град; - количество качений лотка.

Согласно зависимости (6) были построены поверхности отклика для указанных влажностей зерна ячменя (рисунок 8).

Выводы

1. В результате проведенных теоретических исследований была получена математическая модель динамики системы «сыпучая среда - лоток», что дает возможность оценить параметры движения сыпучего материала на лотке в зависимости от его угла наклона. Установлено, что для зерна ячменя наиболее рациональный «угол движения» (текучести) составляет примерно

2. Повысить коэффициент заполнения лотка можно, задавая определенный начальный угол его отклонения от горизонта. Данный угол будет зависеть от влажности посевного материала (зерна ячменя), используемого в процессе производства ГЗК. Для сухого зерна влажностью от 10 - 14% этот угол составляет 22 - 240, для влажного и сырого зерна данный угол составит 25 - 270.

3. Для получения конечной продукции высокого качества и определенного количества необходимо установить предельную влажность посевного материала, с которой он может быть принят на технологический процесс производства ГЗК. Является целесообразным то, что при производстве зеленого корма должен использоваться ячмень сухой и средней влажности (10 - 15%). Для назначенной влажности начальные углы наклона лотка будут составлять 23 - 250.

4. С точки зрения эксплуатационных особенностей и экономической целесообразности, при установлении рациональных параметров работы гидропонной установки, необходимо учесть то, что при больших начальных углах отклонения лотка, необходимо будет увеличивать высоту его бортов для предотвращения «вылета» зерна из лотка. Это увеличит металлоемкость, а как следствие массу лотка. Увеличение массы лотка отразится на том, что приводить его в колебательное движение оператору будет гораздо сложнее, т.е. возрастет величина энергозатрат на создание колебательного процесса.

5. Если рассматривать разработанную многоярусную гидропонную установку в целом, то большие начальные углы лотков могут также привести к увеличению ее высоты, т.к. рассматриваемая система работает в синхронном режиме.

Список литературы

1. Кругляков Ю.А. Оборудование для непрерывного выращивания зеленого корма гидропонным способом. - М.: ВО Агропромиздат, 1991. - 79 с.

2. Бентли М. Промышленная гидропоника. - М.: Колос, 1955. - 368 с.

3. Костюченко В.А., Булгаков В.М., Войтюк Д.Г., Соколенко О.Н. Виробництво гідропонного зеленого корму // Український журнал по питанням агробізнесу «Пропозиція». - К.: 1999. - №11. - С.66 - 67.

4. Костюченко В.А., Булгаков В.М., Свирень Н.А., Дрига В.В. Агромеханическое обоснование машин для производства гидропонного зеленого корма: монография. - Кировоград: КОД, 2010. - 320 с.

5. Соколенко О.Н. Количественные показатели химического состава гидропонного зеленого корма // Рыбное хозяйство Украины. Материалы V научно-практической конференции «Морские технологии: проблемы и решения - 2007». - Керчь: КГМТУ, 2007. - Вып.7. - С. 94 - 96.

6. Соколенко О.Н. Анализ существующих средств механизации для производства гидропонного зеленого корма // Рыбное хозяйство Украины. Материалы VI научно-практической конференции «Морские технологии: проблемы и решения - 2008». - Керчь: КГМТУ, 2008. - Вып.7. - С. 81 - 83.

7. Пришляк В.Н., Соколенко О.Н. Результаты имитационного моделирования динамики системы «сыпучая среда - лоток гидропонной установки»: тезисы // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції «Вібрації в техніці та технологіях в переробних і харчових виробництвах». - Вінниця, 2013. - С. 59 - 61.

8. Голубева О.В. Курс механики сплошных сред: учебное пособие для педвузов. - М.: Высшая школа, 1972. - 368 с.

9. Осипов А.А., Барышникова С.В. Моделирование процесса движения сыпучего материала на вибролотках // Интернет-конференция «Творчество молодых в науке и образовании»: Тезисы. - М.: МГУИЭ, 2003. - Ч.1. - С.73.

10. Осипов А.А., Першина С.В. Математическое описание движения сыпучего материала на наклонном вибрирующем лотке // Труды ТГТУ: Сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. - Тамбов: ТГТУ, 2004. - Вып.15. - С.81 - 84.

11. Механика сплошных сред в задачах. Т.1.: теория и задачи / под ред. М.Э. Эглита. - М.: «Московский лицей», 1996. - 396 с.

12. Механика сплошных сред в задачах. Т.2.: ответы и решения / под ред. М.Э. Эглита. - М.: «Московский лицей», 1996. - 394 с.

Размещено на Allbest.ru