Конструкторские разработки
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 2.25 (2 Голосов)

 Обоснование технологической схемы и расчёт параметров предлагаемого распылителя

В АР Крым сотрудниками НПСХП «Наука» разработан и рекомендован к широкому внедрению вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600. В этой машине распыл рабочего раствора осуществляется при помощи вращающегося рабочего органа . Он помещен на выходе из воздуховода генератора и обдувается мощным соосным потоком, который обеспечивает дополнительное дробление капель.

Аналогичный принцип распыливания рабочей жидкости широко применяется и на зарубежных машинах: AJ401-LH-Plus, MIG-S (Италия), JATAO-400, JATAO-600 EXPORT (Франция). Следует отметить, что аэрозольные генераторы отечественного производства имеют преимущества над своими иностранными аналогами. Они заключаются в простоте их конструкции и цене.

Общий вид тарельчатой форсунки аэрозольного генератора АГВ-600


Модернизация отечественных аэрозольных генераторов и их рабочих органов, в частности, распыливающих устройств, представляет большую практическую значимость для производственных хозяйств Украины.

Рис.2.2 - Общий вид тарельчатой форсунки аэрозольного генератора АГВ-600.

Вид тарельчатой форсунки аэрозольного генератора АГВ-600

Рис.2.3 – Вид тарельчатой форсунки аэрозольного генератора АГВ-600 снизу.

Прототипом разрабатываемой модели является устройство для разбрызгивания жидкости (Патент UA №69532, 2004 г.), основными конструктивными элементами которого являются распылитель с узлом крепления, разбрызгиватель, система управления, блок питания и система подачи жидкости, корпус цилиндрической формы. По периферии последнего расположены отверстия, через которые выходит жидкость в виде тонких нитей. Они сосредоточены между двумя соседними разбрызгивателями под углом к их площади. Корпус распылителя, на задней части которого имеется крыльчатка, крепится на выходном валу электродвигателя, приводящего рабочий орган во вращение. Число его оборотов регулируется из кабины трактора при помощи реостата. Крыльчатка служит для создания воздушного потока, необходимого для вторичного дробления капель и транспортировки их на обрабатываемые растения. В середине полости распылителя находятся специальные щелевые отверстия проходит нагнетательная магистраль, по которой внутрь поступает рабочая жидкость.

Как было сказано ранее, крыльчатка серийного распылителя приводится во вращение мощным воздушным потоком, создаваемым вентилятором. По утверждению Н. И. Клёнина и В. А. Сакуна, размер образующих частиц находится в обратной зависимости от числа оборотов корпуса и вращающегося элемента. В разрабатываемой модели, в отличие от прототипа, в муфте крыльчатки предлагается установить поворотные шайбы, при помощи которых можно изменять угол атаки лопастей (менделево сечение) 1, и, тем самым, регулировать интенсивность распыла за счёт варьирования оборотов. Закрепление последних осуществляется с помощью зажима 2 и ступицы 3. В самой поворотной шайбе имеются пазы 7. Они смещены друг от друга на угол, равный минимальному шагу регулировки положения угла лопастей [5]. В них помещается фиксатор 6 при установке необходимого угла атаки крыльчатки. Таким образом, это даст возможность регулирования частоты вращения форсунки, а, вместе с тем, размер образующихся частиц в зависимости от типа обрабатываемой культуры и её фаз вегетации. Данное конструктивное изменение также поможет сократить затраты мощности машины и расход воздушного потока для обеспечения необходимой частоты вращения распылителя. Общая схема крыльчатки с поворотными лопастями показана на рис.2.3.

Схема лопасти крыльчатки с поворотной шайбой

Рис.2.4 – Схема лопасти крыльчатки с поворотной шайбой

Однако также следует обратить внимание на опыт зарубежных фирм. Для обеспечения возможности регулировки числа оборотов вращающегося элемента распылитель снабжался автономным приводом. В качестве последнего использовался электродвигатель с питанием от батареи либо передвижная каретка.

Кроме того, в конструкции разрабатываемого распылителя, в отличие от прототипа, сетчатые разбрызгиватели с расположенными между ними отверстиями сосредоточены по всей длине корпуса, включая обтекатель.

Следует отметить, что при разработке и изготовлении данного распылителя его лопасти были изначально выставлены и жёстко закреплены на угол, при котором под воздействием мощного воздушного потока обеспечивается максимальная частота вращения крыльчатки, корпуса и тарелок, что даёт самую мелкую дисперсность распыла жидкости, требуемую для аэрозольной обработки на большие расстояния.

Однако, из выше описанного принципа действия этого распылителя можно выявить его значительный для обработки растений недостаток, а именно, невозможность регулировки режимов работы (дальности распыла, скорости жидкостного потока) в зависимости от типа защищаемых виноградниковых насаждений и их фаз вегетации.

В связи с этим в конструкции аэрозольного генератора предлагается применять модернизированный распылитель, разработанный на базе серийного образца.

Методика его расчёта построена на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований академиков В. Ф. Дунского, Н. В. Никитина, М. С. Соколова. Согласно их утверждениям, диаметр частиц, образованных распылителем данного типа, зависит не от давления, с которым жидкость подаётся на него, а от числа оборотов и формы вращающегося элемента.

Как говорилось ранее, аэрозольная обработка является частным случаем ультрамалообъёмного опрыскивания. Согласно агротребованиям, предъявляемым к проведению данной операции, диаметр частиц должен составлять не более 10-50 мкм [1]. В ходе своих исследований учёные Дунский, Никитин и Соколов вывели формулу для определения размера капель, образуемых вращающимся распылителем [3]:

image092_f126b5dddaed8a8254a0c23e37389833 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 (2.28)

где: w и R – соответственно угловая скорость и радиус вращающегося элемента;

s и r - поверхностное натяжение и плотность жидкости;

С – константа, зависящая от свойств жидкости и других факторов. Для

воды и минеральных масел С»2,9 [3].

Исходя из требуемого диаметра аэрозольных частиц, можно определить необходимое число оборотов тарелок:

image093_d9c6123a597b093ae6d9dddac2f327e8 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 (2.29)

Из курса физики известно, что:

image094_859b64f09580794def891d3b47ea99e5 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 (2.30)

Следовательно:

image095_244029f3adf9d8abcb6b69d62bdb9b4f Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 (2.31)

Из приведенных выше формул видно, что, кроме физико-химических свойств жидкости, на диаметр образующихся капель влияют радиус и число оборотов вращающегося элемента.

Как говорилось ранее, в своих опытах Дунский, Никитин и Соколов в качестве распыливаемого объекта использовали соляровое масло (image045_9_f27ddeb43279d4d53fad50a73585b862 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600image046_9_4a0ec15d2ce4fbf25eaa35734fed1058 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600image047_9_61497259c5b3a1c51123beabf0232fd5 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600).

Для случая дробления данной жидкости произведём расчёт диаметра капель, образованных распылителем с радиусом вращающегося элемента R=40 мм; R=50 мм; R=60 мм.

r=40 ммÞimage096_544a0a186b75922dddaef61f0d90d7e7 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 мкм;

r=50 ммÞimage097_f7d20bb7358d3e59c4202a5f2e291b92 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 мкм;

r=60 ммÞimage098_e96b02f97a7fbd122d5585817637cc8b Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 мкм.

На основании этих расчётов был построен аналитический график зависимости диаметра образующихся капель от радиуса (рис. 2.5).

image099_a21f4fbd1ea5cbefadfc4565385a1904 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600

Рис.2.5 – Зависимость диаметра образующихся капель d от радиуса вращающегося элемента r

Таким образом, при использовании вращающегося элемента радиусом r=60 мм можно получить оптимальную для аэрозольной обработки степень распыла. Диаметр образующихся капель составляет d=43,9 мкм.

Однако, кроме этого, известно, что на значение данного показателя существенное влияние оказывает число оборотов вращающегося элемента. По данным государственных испытаний аэрозольного генератора АГВ-600, его распылитель может раскручиваться до 6000-8000 об/мин. При различном числе оборотов вращающегося элемента, имеющего установленный радиус, размер образующихся капель составит:

nT=5000 об/минÞimage100_d5bc622871b6d61a650bb096cbeeb63c Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 мкм;

nT=6000 об/минÞimage098_e96b02f97a7fbd122d5585817637cc8b Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 мкм;

nT=7000 об/минÞimage101_24546a9e0e65a29318bcc6a4fd8b0046 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 мкм;

nT=8000 об/минÞimage102_94e168a651c72bb0d3e3266dc6885801 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 мкм.

Результаты этих расчётов представлены в виде аналитического графика зависимости размера капель от числа оборотов вращающегося элемента (рис. 2.6)

image103_664f857e440b7dab3d2a977c1c0c1e2d Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600

Рис.2.6 – Зависимость размера образующихся капель d от числа оборотов вращающегося элемента nT с постоянным радиусом r=60 мм.

Анализ графической зависимости показал, что диаметр капли, при изменении числа оборотов вращающейся тарелки 5000…8000 об/мин (при постоянном её радиусе r=60 мм) изменяется в диапазоне 32,8…52,6 мкм.

При описании принципа действия распылителя, применяемого на аэрозольном генераторе АГВ-600, говорилось, что его крыльчатка приводится во вращение мощным воздушным потоком. Он создаётся центробежным вентилятором. По утверждению учёных, занимавшихся вопросами аэродинамики, а, именно, П. И. Дурнова, В. М. Черкасского, степень воздействия воздушного потока на лопасти крыльчатки зависит от угла их установки β. Следовательно, под влиянием этого параметра изменяется и частота вращения n распылителя.

Так же, как и серийный образец, предлагаемая модель имеет крыльчатку диаметром D=150 мм. Зная этот параметр и частоту вращения, необходимую для обеспечения требуемой дисперсности дробления жидкости, можно вычислить скорость воздушного потока, создаваемого крыльчаткой распылителя, пользуясь формулой Летошнева:

image104_d3ce53b50d775158fb45bdc4878e3333 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 (2.32)

где: Δ=0,55…0,85 – коэффициент использования входного отверстия;

μ=0,8…1 – коэффициент поджатия потока;

image105_33844d02dbf77aa2683022aa1c2b29fb Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600=image106_2c8165da645c53e9ca91094b8abc912c Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600≈1,9 – соотношение диаметров входного отверстия и колеса вентилятора;

*=0,42…0,46 – коэффициент предварительного закручивания потока;

n – частота вращения колеса вентилятора.

Отсюда:

image108_b5cc4976dee7d63e3c6d6f4cca3bdae1 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 м/с. (2.33)

Количество лопастей крыльчатки предлагаемого распылителя равняется 8. Согласно теории П. И. Дурнова:

image109_a594689bc7ac23d3c02d4c48146bb62e Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 (2.34)

где: U – окружная скорость крыльчатки;

m – модуль, который представляет собой теоретическую длину пути, пройденную воздухом при повороте крыльчатки на 1 радиан image110_a6b1aa63682859873779c10c5dd93289 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 [26];

R=75 мм – радиус крыльчатки;

Са=8Rω=16Rπn=941,2 м/с – осевая скорость крыльчатки.

Далее определяем количество воздуха, необходимое для передачи крыльчатке требуемой частоты вращения, используя формулу П. И. Дурнова:

image111_ea765103a3dfb2586b9bdb00c23cf97b Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 (2.35)

где: А – площадь выходного сечения горловины воздуховода:

А=πR2. (2.36)

Следовательно:

QТ=16АRπn. (2.37)

Также для того, чтобы определить мощность, затрачиваемую на привод крыльчатки распылителя, нужно вычислить давление создаваемого ею воздушного потока. С этой целью применяется формула Летошнева:

image112_acba0517a8fd98f6e12dee3932c7bf20 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600. (2.38)

Динамическое давление:

image113_702bc4e6f089b2b4ca80b9df8196a32e Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600. (2.39)

Статическое давление зависит от сопротивления сети, которое характеризуется коэффициентом:

image114_b0c5877a410f6423b8144b3b40be0aa1 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600image016_14_94eb2fab5627da632a70d4941ea13c9b Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 (2.40)

где F – площадь выходного отверстия вентилятора; FЭ - площадь эквивалентного отверстия.

Под эквивалентным отверстием понимают отверстие площадью FЭ, через которое при том же статическом давлении image115_f171e8ffa44018057e606b345e38862f Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 подаётся такое же количество воздуха, как и через сеть при наличии потерь. Статическое давление:

image116_d24ceac41df06933dd37a359c39f456a Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 (2.41)

Зная расход и полное давление воздуха на выходе из горловины воздуховода, определим мощность, затрачиваемую на привод крыльчатки распылителя [26]:

N=h×QТ. (2.42)

Согласно теории П. И. Дурнова, угол атаки лопастей β оказывает существенное влияние на окружную составляющую скорости воздушного потока, создаваемого крыльчаткой Сu:

Cu=CaCtgβ. (2.43)

Также известно, что:

image117_f9b124152699b4bba9efa61e8a8ecb52 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 (2.44)

где: image118_aa7f73dbf18f44353c2418a413bb0211 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 - момент количества движения массы воздуха, Н×м.

Таким образом:

image119_c937b9faef6ea8f3e93a9b60d8abf047 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 (2.45)

Произведём расчёт угла атаки лопастей β, который необходим для обеспечения определённой частоты вращения крыльчатки.

Для n=6000 об/мин:

Скорость воздуха на выходе из крыльчатки:

image120_99925f36bddf881c56148f48b5afb24d Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 м/с.

Расход воздуха на привод крыльчатки:

QТ=16АRπn=25434×3,14×6000=4791 м/ч3=1,33 м/с3.

Динамическое давление:

image121_5a72c44a47f878ffa3c2f4c439d46dc2 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 МПа.

Статическое давление:

image122_1640bb9463aafc4591209af7d552c627 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 МПа.

Полное давление:

image123_d24cf5b97b750830ac94f8da4db5fcbd Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 МПа.

Мощность на привод крыльчатки:

N=h×QТ=103×1,33=136,99 Вт=0,13699 кВт.

Необходимый угол атаки лопастей:

image124 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600º.

Для n=7000 об/мин:

Скорость воздуха на выходе из крыльчатки:

image125 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 м/с.

Расход воздуха на привод крыльчатки:

QТ=16АRπn=25434×3,14×7000=5590 м/ч3=1,55 м/с3.

Динамическое давление:

image126 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 МПа.

Статическое давление:

image127 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 МПа.

Полное давление:

image128 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 МПа.

Мощность на привод крыльчатки:

N=h×QТ=109,45×1,55=169,65 Вт=0,16965 кВт.

Необходимый угол атаки лопастей:

image129 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600º.

Для n=8000 об/мин:

Скорость воздуха на выходе из крыльчатки:

image108_b5cc4976dee7d63e3c6d6f4cca3bdae1 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 м/с.

Расход воздуха на привод крыльчатки:

QТ=16АRπn=25434×3,14×8000=5752 м/ч3=1,6 м/с3.

Динамическое давление:

image130 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 МПа.

Статическое давление:

image131 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 МПа.

Полное давление:

image132 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 МПа.

Мощность на привод крыльчатки:

N=h×QТ=115,8×1,6=185,28 Вт=0,18528 кВт.

Необходимый угол атаки лопастей:

image133 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600º.

На основании полученных данных строятся графики зависимостей частоты вращения крыльчатки n от угла атаки лопастей β (рис. 2.7) и мощности на привод крыльчатки N от угла атаки лопастей β (рис. 2.8).

image134 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600

Рис. 2.7 – Зависимость частоты вращения крыльчатки n от угла атаки лопастей β

image135 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600

Рис. 2.8 – Зависимость мощности на привод крыльчатки N от угла атаки лопастей β

Кроме того, в конструкции разрабатываемой модели, в отличие от серийного образца, предлагается вместо конусообразных использовать тарелки чашеподобной формы 10 (рис. 2.9 и 2.10). Это, по мнению многих учёных, проводивших исследования в области динамики и механики воздушно-жидкостного потока, поможет дать ему правильное направление, т. е. частица не будет входить в завихрение, а идти по прямолинейной траектории. Кроме того, за счёт этого увеличивается дальность полёта аэрозольной струи [3, 5]. Это подтверждается с помощью модели гидродинамики дробления жидкости вращающимся распылителем предлагаемой конструкции в сравнении с серийным образцом, находящимся на выходе из воздуховода аэрозольного генератора АГВ-600, построенной на основе теории академика В. С. Галустова [7] (рис. 2).

image136_5489f1d19b38d3002e2b1f673ff97d88 Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600

Рис. 2.9 – Гидродинамическая модель факела,образуемого серийным распылителем

image137_d3683d342be46bdab20a2cd11e51261d Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600

Рис. 2.10 – Гидродинамическая модель факела, образуемого предлагаемым распылителем

На основании выше представленных результатов теоретических исследований была разработана принципиальная схема предлагаемого распылителя, показанная на рис. 2.11.

Принципиальная схема предлагаемой распылителя

Рис.2.11 – Принципиальная схема предлагаемой распылителя

Таким образом, при помощи всех выше указанных конструктивных изменений можно будет осуществить трёхступенчатый процесс распыливания жидкости и регулировать его в зависимости от обрабатываемой культуры и её фаз вегетации без значительных изменений и усложнения устройства данного узла и увеличения металло - и энергоёмкости его и всей машины в целом.

Вентиляторный аэрозольный генератор АГВ-600 - 2.0 out of 5 based on 2 votes