Совершенствование процесса высева дражированных семян сахарной свеклы аппаратом с внутренним заполнением ячеек

На правах рукописи

АВДЕЕВ Павел Александрович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫСЕВА ДРАЖИРОВАННЫХ СЕМЯН САХАРНОЙ СВЕКЛЫ АППАРАТОМ С ВНУТРЕННИМ ЗАПОЛНЕНИЕМ ЯЧЕЕК Специальность 05.20.01 Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж – 2011 2

Работа выполнена на кафедре “Механизация животноводства и переработ ки сельскохозяйственной продукции” ФГБОУ ВПО “Воронежский государст венный аграрный университет имени императора Петра I”.

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Труфанов Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Казаров Ким Рубенович доктор технических наук, профессор Пошарников Феликс Владимирович

Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт сахарной свеклы имени А.Л. Мазлумова Россельхозакадемии (ГНУ ВНИИСС)

Защита диссертации состоится “22” сентября 2011 г. в “12 ” часов на за седании диссертационного совета Д 220.010.04 в ФГБОУ ВПО “Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I” по адресу 394087, г. Воронеж, ул. Мичурина 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО Воронежский ГАУ

Автореферат размещен на сайте http://www.vsau.ru Автореферат разослан “15 ” августа 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, И.В. Шатохин доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сахарная свекла является одной из важнейших тех нических культур и используется для производства белого сахара. В настоящее время потребность России в свекловичном сахаре удовлетворяется всего на 25 – 30 %, что не может не вызывать тревогу за продовольственную безопасность страны. В результате реформ резко снизилась площадь под посевами сахарной свеклы, минимальна рентабельность ее производства, сведены к самому необхо димому минимуму приемы технологии возделывания сахарной свеклы из-за от сутствия и изношенности основных средств и, как следствие, снизилась продук тивность этой культуры. В этих условиях приобретают актуальность вопросы изыскания более продуктивных схем посева, обоснования агротехнических приемов, технологических параметров сева, совершенствования конструкций сеялок и, в частности, их высевающих аппаратов, прогнозирования урожайно сти, что позволит более аргументированно и рационально выбрать необходимую густоту и схему размещения растений, оценить влияние этих параметров на главный критерий – урожайность культуры.

С переходом к однофазному формированию густоты насаждения стано вится очевидной необходимость повышения точности распределения семян в борозде за счет улучшения конструкций высевающих аппаратов и обоснования их рациональных режимов работы. В связи с этим совершенствование процесса дозирования семян сахарной свеклы ячеисто-дисковым высевающим аппаратом является актуальной научной и практической задачей.

Исследования по теме входили в перспективный план научно исследовательских работ Воронежского госагроуниверситета (тема №11 “Со вершенствование технологий и технических средств для производства продук ции растениеводства и животноводства”, номер государственной регистрации 01.200.1003988) и соответствует специальности 05.20.01 “Технологии и средства механизации сельского хозяйства”.

Цель работы: повышение эффективности возделывания сахарной свёклы за счет совершенствования технологического процесса высева дражированных семян в направлении повышения точности подачи и их размещения в рядке ячеисто-дисковым аппаратом с внутренним заполнением.

Объект исследования: процесс высева дражированных семян сахарной свеклы и конструктивные элементы ячеисто-дискового высевающего аппарата с внутренним заполнением.

Предмет исследования: закономерности поштучного отбора дражиро ванных семян сахарной свеклы ячеисто-дисковым высевающим аппаратом с внутренним заполнением.

Научная новизна:

Созданы условия гарантированного совпадения траекторий центров пере мещения семян и центров перемещения ячеек в высевающем аппарате с внут ренним заполнением, отличающиеся обеспечением достаточной зоны заполне ния семян при относительной скорости меньше критической величины.

Определены математические зависимости процесса заполнения ячеек се менами, позволяющие выявить рациональные размеры ячеек высевающего ап парата с внутренним заполнением, гарантирующие их поштучное заполнение.

Получены аналитические зависимости для определения относительной скорости семян по диску при изменении высоты их слоя в камере и частоты вращения ячеистого диска, а также параметров выбросного окна исходя из усло вий минимального повреждения семян.

Практическая значимость. Предложенная конструкция высевающего аппарата (патент РФ № 2307494 от 10.10.2007) обеспечивает снижение коэффи циента вариации интервалов между семенами в 1,4 раза по сравнению с серий ным, что позволяет увеличить урожайность корнеплодов в среднем на 12 – 14 %.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть ис пользованы при проектировании сеялок точного высева для посева пропашных культур и их настройки в процессе эксплуатации.

Апробация. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского со става, научных работников и аспирантов ФГОУ ВПО Воронежский ГАУ в – 2011 годах.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано печатных работ, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, библиографического спи ска, включающего 170 наименований, из них 10 на иностранных языках, и при ложений. Основная часть диссертации содержит 158 страниц компьютерного текста, включая 44 рисунка, 9 таблиц.

На защиту выносятся:

– конструктивные решения ячеисто-дискового высевающего аппарата с внутренним заполнением;

– математические зависимости процесса заполнения ячеек семенами в вы севающем аппарате с внутреннем заполнением;

– параметры ячеек высевающего диска для поштучного дозирования дра жированных семян сахарной свеклы;

– аналитические зависимости для определения предельной относительной скорости семян и размеров выбросного окна в высевающем аппарате.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулированы: цель, объект, предмет и методы исследований, достоверность положений, новизна, практиче ская значимость. Представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены способы посева сахарной свеклы, обзор аппа ратов точного высева и путей повышения качества их работы, дан анализ факто ров, влияющих на точность поштучного дозирования семян аппаратами, анализ исследований по совершенствованию процесса высева в направлении повыше ния равномерности размещения семян и точности высева, дан анализ оценочных характеристик качества размещения семян и растений в их связи с урожайно стью корнеплодов и сформулированы задачи исследования.

В России сахарную свеклу выращивают в основном пунктирным способом с междурядьями 45 см. Сев сахарной свеклы производится как механическими, так и пневматическими сеялками.

Обзор существующих конструкций высевающих аппаратов для одиночно го отбора семян позволяет сделать следующие выводы:

1) исследования аппаратов ведутся в направлении создания механических и пневматических устройств, примерно с равным приоритетом;

2) вертикально дисковые ячеистые аппараты являются наиболее распро страненными из-за удачного и сравнительно простого конструктивного решения по уменьшению высоты падения семян и ориентации вектора скорости выброса против направления движения сеялки;

3) для повышения скорости выброса семян необходимо изыскать возмож ности улучшения заполняемости ячеек при повышенной скорости дозирования без увеличения их травмирования.

На основе существующих аппаратов точного высева выявлена целесооб разность улучшения конструкции ячеисто-дискового аппарата с внутренним за полнением на основе его доработки.

Большой вклад в развитие научных представлений в вопросах одиночного дозирования и обоснования конструктивных параметров высевающих аппаратов внесли такие ученые, как В.И. Александров, В.К. Астанин, В.С.Басин, В.А. Бе лодедов, А.А. Будагов, Г.М. Бузенков, В.В. Василенко, П.М. Василенко, Л.С. Зе нин, С.В. Кардашевский, А.Т. Коробейников, Б.Ф. Кузнецов, С.А. Ма, С.Д. По лонецкий, Ф.В. Пошарников, В.М. Слугинов, А.Г. Цымбал, С.И. Шмат, W.

Brinkmann, J. Brunotte, E. Peschel, G. Thalmann и многие другие.

Все авторы отмечают, что повышение точности раскладки семян в борозде может быть достигнуто за счет применения скоростного дозирования семян, улучшения заполняемости ячеек, сужения разброса траекторий выброса и уменьшения отскоков от дна борозды.

Исследованию закономерностей распределения семян и растений в рядке и прогнозированию урожайности пропашных культур посвящены работы В.В.

Василенко, С.В. Василенко, В.С. Глуховского, Л.С. Зенина, К.Р. Казарова, С.В.

Кардашевского, А.К. Нанаенко, В.П. Паламарчука, П.В. Савича, И.И. Синягина, А.Г. Цымбала, Э.В. Хангильдина и других авторов.

На основании литературных данных по связи качества пунктирного высе ва с урожайностью можно заключить, что разрабатываются математические мо дели и компьютерные программы для аргументированного прогнозирования урожайности по показателям качества распределения семян в борозде или рас тений в рядке на ранних стадиях вегетации культуры.

Однако вопросы обоснования конструктивных параметров и режимов ра боты высевающих аппаратов с внутренним заполнением для дражированных се мян изучены недостаточно.

В соответствии с поставленной целью выдвигаются следующие задачи ис следования:

1. Разработать математические зависимости процесса заполнения ячеек дис ка семенами.

2. Обосновать рациональные параметры экспериментального высевающего аппарата с внутренним заполнением.

3. Выявить преимущества в работе экспериментального аппарата по сравне нию серийным в полевых условиях.

4. Обосновать экономическую эффективность повышения точности высева дражированных семян экспериментальным аппаратом.

Во второй главе приведены описание конструкции высевающего аппара та с внутренним заполнением (рис.1) и возможные пути интенсификации про цесса точного высева.

Предлагаемая схема ячеисто-дискового аппарата с внутренним заполнением Рис. Высевающий аппарат содержит корпус 1, размещённый в нём вертикаль ный высевающий диск 2 с цилиндрической частью, в которой выполнены сквоз ные ячейки 3, входные отверстия которых снабжены фасками 4, выполненными в противоположную сторону вращения диска. На внутренней цилиндрической поверхности 5 диска 2 в зоне выгрузного окна 6 расположен выталкиватель в виде упругой изогнутой пластины 7 со щёткой 8, прикрепленный к внутренней части корпуса 1 винтами 9. В верхней части высевающего аппарата установлен бункер 10 с окном 11, в нижней части – сошник 12.

Для рассматриваемого случая отбор семян выполняется ячейками, разме щенными на периферии диска. В зависимости от формы ячеек и семян, а так же места расположения их на высевающем диске изменяется частота встречи ячеек с семенами. Для шарообразных семян сахарной свеклы условие ориентирования можно считать выполненным, если траектория центра семян совпадает с траек торией центра ячеек или отклоняется на величину 0,2 dс. Это достигается раз мещением ячеек в непосредственной близости от плоскости диска.

Основными особенностями предлагаемого экспериментального аппарата являются форма ячеек и наличие отражательного устройства – пластины “лока лизатора”. Данная пластина устанавливается в нижней части траектории враще ния высевающего диска, в зоне разгрузки ячеек и перекрывает ее на 1,5 dc от на чала выбросного окна, что исключает случайное проникновение семян в разгру жающие ячейки. Пластина “локализатор” работает по принципу лезвий ножниц.

Если в ячейке размещается одно семя и оно выступает из него на величину, пре вышающую зазор между пластиной и корпусом, то оно деформируется или сре зается. Когда в ячейке находятся два семени, то верхнее семя счищается при ус ловии 2.

Для поштучного отбора семян без пропусков и двойников размеры ячеек должны соответствовать высеваемой фракции семян. Для определения рацио нальных размеров ячеек дозирующего диска рассмотрим процесс их заполнения семенами в ячеисто-дисковом высевающем аппарате с внутренним заполнением.

При этом сделаем допущение, что семена имеют шаровидную форму.

На (рис.2) видно, что глубина ячеек диска, при которой семя удержится в ячейке и не будет извлечено пластиной “локализатора”, равна dCmax+ h 1,5 dCmin –, (1) где dCmax – наибольший размер семени, м;

dCmin – наименьший размер семени, м;

– зазор между высевающим диском и корпусом аппарата;

h – глубина ячейки, м.

Условие укладки по одному семени в ячейку а) б) 1–семя;

2–высевающий диск;

3–корпус аппарата;

4–пластина “локализатора”.

Рис. Условие (1) определяет диапазон глубины ячеек высевающего диска, при котором исключается высев по два и более семян. В этом диапазоне имеет смысл провести исследование по выбору оптимальной глубины ячеек. Опреде лим требуемую глубину ячеек диска в зоне заполнения для дражированных се мян сахарной свеклы мелкой фракции (3,5 – 4,5 мм). Таким образом, поштучное заполнение ячеек семенами сахарной свеклы мелкой фракции будет обеспечи ваться при глубине ячеек диска 4,5…5,25 мм.

Для обеспечения высева семян сахарной свеклы по одному необходимо подобрать не только глубину ячеек высевающего диска, но и их диаметр.

Теперь определим, каким должен быть диаметр ячеек, чтобы в нем укла дывалось только одно семя. Для прохода семени в ячейку ее диаметр должен быть больше максимального размера семени (рис.3а):

d я d C max, (2) где dя – диаметр ячейки, м;

dCmax – максимальный размер семени, м.

К определению рационального диаметра ячейки а) б) 1 1–семя;

2–высевающий диск;

3–корпус аппарата;

4–пластина “локализатора”.

Рис. Чтобы мелкие семена не попадали в ячейку по два, разность между диа метром ячейки и наименьшим размером семени во фракции должна быть мень ше этого размера, т.е.:

d я d C min d C min, (3) где dCmin – минимальный размер семени, м.

Теперь рассмотрим случай, когда в ячейке могут уложиться два семени с диаметрами d1 и d2 (рис. 3 б). Для прохода двух семян в ячейку должно выпол ниться условие d я d1 + d 2. (4) В соответствии с выражением (2), если семя имеет диаметр больше неко торого критического значения dс dк, то оно не войдет в ячейку. Для каждого диаметра ячейки существует свой критический диаметр dk dя. Следовательно, вероятность пропуска в функции от длины ячейки может быть определена вы ражением dC max Po (d я ) = f (d )dd, (5) c c dk где f(dс) – плотность нормального распределения диаметров семян внутри фрак ции.

По данным В.С. Басина, размеры семян внутри фракции имеют плотность нормального распределения f(dс) с параметрами m и :

(d c m ) f (d c ) = exp, (6) где m и – математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение диаметров семян внутри фракции, м.

Двойное заполнение ячейки случится, если длина ячейки будет превышать значение, определяемое выражениями (3) и (4). При укладке двух семян в ячейку возможны случаи их сочетания от dСmin + dСmin до dСmax + dСmax. Для этих случаев укладки математическое ожидание и дисперсию суммы диаметров двух семян можно определить следующим образом d C max dC max d f (d )dd (d 0,5mx ) f (dc )ddc.

mx = 2 Dx =. (7) c c c c d C min dC min При сложении нескольких случайных величин наиболее вероятно получе ние нормального закона распределения с параметрами mx и x ( x mx ) f 2 ( x) = exp, (8) 2 x x где x - случайное число, получаемое при сложении двух диаметров семян, м;

x = Dx - среднее квадратическое отклонение случайной величины x, м.

Таким образом, если два сравнительно небольших семени уложились в ячейке по размеру x dя, реализуется двойное заполнение. Вероятность того, что в ячейке окажется больше одного семени, может быть вычислена по выражению dя P2 (d я ) = f 2 ( x ) dx. (9) На основании теоретических расчетов определим глубину и диаметр ячей ки в ячеисто-дисковом высевающем аппарате с внутренним заполнением для дражированных семян мелкой фракции 3,5 – 4,5 мм (m = 4,0 мм, = 0,25 мм).

В результате расчета по выражениям (1), (5) и (9) получили, что поштуч ное заполнение ячеек семенами будет обеспечено при глубине ячеек диска 4,5…5,25 мм и диаметре ячейки 4,5…6,5 мм.

При внутреннем заполнении ячеек особое место отводится выявлению факторов, способствующих проходу семян в ячейки, их укладке и дальнейшему свободному выходу в момент разгрузки, что исключает негативное влияние вы талкивателя. В этом процессе особое значение имеют фаски и их тип.

Глубина фаски должна быть по возможности меньшей (рис.4). Она огра ничивается условиями удаления лишних семян в момент транспортировки их к выбросному окну, при которых не допускается воздействие рабочей грани пла стины “локализатора” на семя, находящееся в ячейке. Предельная величина раз грузочной фаски по глубине определяется из геометрических параметров ячейки hф = 0,5dCmax +, (10) где hф – глубина фаски, м.

Определение геометрических параметров фаски 1–семя;

2–высевающий диск;

3–пластина “локализатора”;

4–корпус аппарата.

Рис. Длина lф фаски должна быть большей и по величине близкой к диаметру ячейки. Фаски способствуют подвижности организованного ряда и гарантиро ванно выводят лишние семена из ячеек. При наличии фасок пластина “локализа тора” счищает лишние семена и экранирует семена в ячейках при их разгрузке.

Разгрузка ячеек при скоростном дозировании выполняется свободно, без вытал кивателя под действием сил тяжести и центробежной силы.

В ходе заполнения ячеек диска семенами необходимо, чтобы относитель ная скорость их движения по диску не превосходила некоторого предела. Выра жение для определения предельной относительной скорости движения семян по диску с учетом конструктивных параметров ячеисто-дискового аппарата с внут ренним заполнением имеет вид d dя c ( ) hi 2 dc f д g + d c 4 g (kf вн sin ) Vr, (11) 2 dc ghi cos + R ghi cos + R где Vr – предельная относительная скорость семян по диску, м/с;

dя – диаметр ячейки, м;

hi – количество вертикальных слоев семян над ячейкой в благоприят ной зоне заполнения, hi R/dc;

dс – диаметр семени, м;

g – ускорение силы тяже сти, м/с2;

k – коэффициент бокового давления;

– угловая частота вращения диска, рад/с;

R – радиус высевающего диска, м;

fд, fвн – коэффициенты трения семян о корпус аппарата и внутреннего трения.

Выражение (11) есть условие прохода семени в ячейку в высевающем ап парате с внутренним заполнением ячеек. Предельная относительная скорость семян зависит от коэффициента трения семян по диску, высоты слоя семян, диа метров семени и ячейки. Подставляя в выражение (11) параметры ячеисто дискового высевающего аппарата (R = 0,097 м;

hi = 5…30 слоев;

= 3 рад/с;

fд = 0,32;

k = 0,6;

fвн = 0,45;

dс = 0,0045 м;

dя = 0,005 м;

=0;

15;

300), определим пре дельное значение относительной скорости движения семян по диску. Графиче ски это выражение представлено на рис. 5.

Влияние высоты слоя семян на их предельную относительную скорость по тра ектории ячеек Рис. Исходя из анализа факторов, действующих на поток семян при их выходе из высевающего аппарата, условие выталкивания или свободного выхода семян влияют на разброс траекторий и скоростей полета семян. Рассмотрим влияние размера выбросного окна на условие разгрузки семян в высевающем аппарате с внутренним заполнением.

Этап II Рис. Рациональную величину выбросного окна определяли из условия мини мальной высоты падения семени после разгрузки ячейки. Получены уравнения движения семени для трех этапов разгрузки ячеек, позволяющие учитывать дей ствие задней стенки ячейки на семя при скоростном дозировании. Этот эффект проявляется при скорости ячеек свыше 1,5 м/с. На (рис.6) (II этап) представлена схема сил при движении семени по задней стенке ячейки.

Дражированное семя сахарной свеклы контактирует с задней стенкой до момента выхода из ячейки на 2 мм. Уравнение движения семени имеет вид fN = 2 (r + ) + g cos( 1 t ), м/с2, (12) m где 1 = -t1 – начальный угол выпадения семени на втором этапе, рад.;

– на чальный угол выпадения семени (положение выбросного окна), рад.;

t1 – время полета семени за первый этап, с;

N – нормальная реакция задней стенки ячейки на семя, N = 2m mg sin( 1 t ), Н.

Это уравнение решается аналитически. Оно позволяет определить ради альную скорость вылета семян из ячейки. В проекциях на оси координат скоро сти имеют вид V x 2 = Ve cos( 1 t 2 ) Vr sin( 1 t 2 ), V y 2 = Ve sin(1 t 2 ) + Vr cos(1 t 2 ), м/с, (13) где Ve и Vr – окружная и радиальная скорости семени, соответственно м/с.

Заключительный этап разгрузки связан с полетом семени до дна борозды с учетом начальных условий (13).

Для определения зависимости величины выбросного окна от начала его расположения на компьютере в программе R составлен алгоритм расчета нахож дения времени разгрузки ячейки с учетом разбивки на 3 этапа, и после экспери ментального определения величины окружной скорости ячеек, гарантирующей их одиночное заполнение при допустимом повреждении оболочек драже, можно определить расчетное значение величины выбросного окна и сравнить получен ное значение с расчетом этого параметра при условии свободного выброса семян из ячейки.

Точность распределения семян вдоль рядка при пунктирном высеве зави сит от стабильности траектории их полета при разгрузке ячеек и заданного ин тервала между ними. Поскольку норма высева, влияющая на этот интервал, обу славливается агротехническими требованиями, критерием оценки конструкции высевающего аппарата служит вероятность отклонения семян от предполагае мого места успокоения в борозде. Эти исследования выполнялись при лабора торных и полевых испытаниях высевающих аппаратов.

В третьей главе приводятся программа и методика экспериментальных исследований, описание стендов, приборного обеспечения.

В задачу экспериментальных исследований входило подтверждение теоре тических предпосылок по определению рациональных параметров высевающего аппарата, разработанных моделей и основных выводов, выполненных ранее для анализа и синтеза рассматриваемой проблемы.

В программу экспериментальных исследований входило определение при емлемой ширины камеры высевающего аппарата, рациональных параметров ячеек высевающего диска, зависимости количества “двойников” в заполнении ячеек дражированными семенами от диаметра ячеек высевающего диска, запол няемости ячеек у экспериментального и серийного аппаратов при высеве дражи рованных семян с различными скоростями вращения дозирующего элемента, а также повреждения оболочки семян в зависимости от окружной скорости диска и коэффициента вариации интервалов в потоке семян на выходе из обоих аппа ратов;

полевых исследований распределения растений в результате работы экс периментального и серийного аппаратов при различных скоростях движения по севного агрегата, определение фактической урожайности корнеплодов в рядках, высеянных экспериментальным и серийным аппаратами.

Исследования проводили с помощью однофакторных опытов. Использова ли дражированные семена мелкой фракции 3,5 – 4,5 мм (“Баккара” – Франция), лабораторная всхожесть 95%. Для определения статистических показателей раз мещения семян и растений и оценки качества работы дозирующей системы ис пользовалась открытая система статистической обработки данных и программи рования R. Полученные данные обрабатывали с использованием ЭВМ.

В четвертой главе изложены результаты и анализ экспериментальных ис следований.

Ширину камеры заполнения выбирали из условия минимального повреж дения в ней семян.

Влияние ширины камеры (b) на повреждение дражированных семян (П) сахар ной свеклы П,% b, мм 1–с пластиной;

2–без пластины.

Рис. Анализ результатов экспериментальных исследований (рис.7) показал, что с уменьшением ширины камеры до 10 мм повреждение драже возрастает до 2,7%. На графике прослеживается зона оптимума в диапазоне 20-25 мм, при ко торой уровень повреждения менее 0,4%. В дальнейших исследованиях исполь зовали камеру шириной 22 мм.

Как отмечено в теоретической части, необходимым условием прохода се мян в ячейку является их ориентация определённым размером относительно траектории ячейки так, чтобы проекция семени на плоскость диска была меньше отверстия ячейки. Созданию ряда правильно ориентируемых семян способству ет камера аппарата. Работу камеры оценивали просмотром кадров видеосъёмки в замедленном режиме.

Результаты экспериментальных данных приведены на рис.8. Так, для дра жированных семян сахарной свеклы высокая вероятность одиночного заполне ния наблюдается даже при зоне контакта семян с ячейками 200. Это характерно при расположении кромок ячеек у плоскости высевающего диска и её величина составляет 0,91, а у ячеек, расположенных от диска на расстоянии dс, уровень заполнения меньше и составляет 0,74. Это доказательно свидетельствует о пра вильности расположения ряда ячеек в непосредственной близости от плоскости диска. С увеличением зоны загрузки до 800 вероятность заполнения ячеек при ближается к 1.

Вероятность заполнения ячеек (Р) от величины зоны контакта с семенами и их расположения относительно плоскости диска 1–у стенки диска;

2–на расстоянии dс.

Рис. Чтобы установить влияние конструктивных параметров и скоростных ре жимов работы экспериментального аппарата на коэффициент заполнения семян и повреждение драже, провели опыты с изменением этих показателей.

Результаты экспериментальных данных приведены на рис.9.

Влияние конструктивных параметров и скоростных режимов работы высеваю щего аппарата на коэффициент заполнения ячеек и повреждение семян Зависимость коэффициента заполнения семян (Кз) Зависимость коэффициента заполнения семян (Кз) и и повреждения драже (П) от глубины ячеек (hя) при повреждения драже (П) от диаметра ячеек (dя) при разных значениях окружной скорости диска (Vд) разных значениях окружной скорости диска (Vд) Кз Кз 6 4 3 1 dя, мм hя, мм П, % П, % 6 5 4 4 3 hя, мм dя, мм 1 – Vд =0,10 м/с;

2 – Vд =0,14 м/с;

3 – Vд =0,21 м/с;

1 – Vд =0,10 м/с;

2 – Vд =0,14 м/с;

3 – Vд =0,21 м/с;

4 – Vд =0,25 м/с;

5 – Vд = 0,31 м/с;

6 – Vд = 0,35 м/с;

4 – Vд =0,25 м/с;

5 – Vд = 0,31 м/с;

6 – Vд = 0,35 м/с;

Zя = 45;

= 0,2 мм Zя = 45;

hя = 4,5 мм Рис. Анализ полученных результатов показывает (рис.9), что с увеличением окружной скорости диска коэффициент заполнения ячеек уменьшается и одно временно повышается повреждение драже. Рациональные значения размеров ячеек дозирующего диска для дражированных семян сахарной свеклы мелкой фракции следующие: глубина ячейки 4,5 мм (при длине и глубине входной фас ки 4,5 мм и 2 мм соответственно), диаметр ячейки не должен превышать 4,9 мм.

Для проверки теоретических предпосылок по влиянию диаметра ячеек на вероятность двойного заполнения ячеек семенами были проведены опыты с ва риацией этих конструктивных показателей (рис.10). Теоретическую вероятность двойного заполнения определяли по выражению (9).

Влияние диаметра ячеек (dя) на вероятность двойного заполнения (P2) P2(dя) dя, мм 1–теоретическая кривая;

2–экспериментальная кривая;

Vд = 0,31 м/с;

hя = 4,5 мм;

r = 2;

2 = 0,32;

Р(2) = 0,9.

Рис. Анализ результатов исследований показал, что теоретические и экспери ментальные зависимости отличаются незначительно (3 – 5 %). Таким образом, для поштучного заполнения ячеек дозирующего диска семенами их диаметр не должен превышать 6,5 мм. Однако предыдущие исследования показали, что уве личение диаметра ячеек более 4,9 мм приводит к повышению повреждения се мян. Следовательно, для качественного высева без “двойников” и с минималь ным повреждением семян диаметр ячейки целесообразно принять равным 4, мм.

Зависимость коэффициента заполнения семян (Кз) и повреждения драже (П) от окружной скорости диска (Vд) при различных углах наклона фаски Кз П, % Vд, м/с Vд, м/с 1–без смещения;

2–со смещением (4,5х1,0 мм);

3–со смещением (4,5х2,0 мм).

Рис. Кроме размера ячеек, а именно hя и dя, существенное влияние на процесс заполнения оказывает фаска, облегчающая или ухудшающая проход семени в ячейки и свободное удаление лишних семян из ячеек пластиной – “локализато ром”. Исходя из конструктивных параметров высевающего аппарата, фаска была выбрана разгружающей, так как именно такой тип фаски способствует умень шению повреждения при удалении лишних семян в аппарате с внутренним за полнением. Характер изменения заполнения ячеек и повреждения драже в зави симости от наклона фаски представлен на рис. 11.

Исследования показывают, что с увеличением наклона фаски заполнение ячеек улучшается, а повреждение драже падает до определённого уровня. Осо бенно эффективна фаска при увеличении частоты вращения диска. По заполне нию и повреждению наилучшей оказалась фаска с линейными размерами Lф = 4,5 мм и hф = 2 мм.

Из проведенных ранее лабораторных исследований была выбрана окруж ная скорость высевающего диска 4 рад/с, на которой процесс дозирования протекает при высоком заполнении (Кз 1) и минимальном повреждении драже.

Это послужило отправной точкой проверки гипотезы о том, что во время раз грузки может быть случай сопровождения задней стенкой ячейки семени после начала движения в свободном падении. Как показали расчеты, правомочность такого процесса имеет место при скоростях ячеек более 1,5 м/с. Поэтому по этапная проверка по ранее составленному алгоритму в программе R подтвердила отсутствие такого контакта в нашем случае на скоростях менее отмеченного предела. При отсутствии последующего воздействия задней стенки ячейки на семена при свободной их разгрузке на скорости до 0,4 м/с минимальный размер выбросного окна равен 0,016 м и в дальнейших расчетах принимаем размер вы бросного окна 0,02 м.

Проверка количества вышедших семян при свободной разгрузке была проведена на лабораторном стенде, дающем возможность определить влияние горизонтальной составляющей скорости на дальность полета семян и неравно мерность их перекатывания в борозде с углом при вершине 600.

Зависимость дальности (Xn) и неравномерности (n) перекатывания семян в бо розде (=600) от горизонтальной скорости семян (Vx) п, см Xп, см Vx, м/с Vx, м/с Рис. Результаты испытаний (рис. 12) свидетельствуют о существенном влиянии горизонтальной составляющей скорости на отмеченные ранее показатели.

Для синтеза и анализа процесса размещения семян выявили изменение дисперсий интервалов в борозде и перекатывания семян от величины их гори зонтальной скорости при сбрасывании. При скорости агрегата 2,5 м/с соотноше ние дисперсий представлено на рис.13.

Изменение дисперсий интервалов в борозде (Dб) и перекатывания семян (D(Xб/Xа)) от величины их горизонтальной скорости (Vа=2,5 м/с) Dб, см D(Xб/Xа) Vx, м/с 1–дисперсия интервалов между семенами сахарной свёклы (Dб);

2–дисперсия перекатывания семян сахарной свёклы.

Рис. Прослеживаются общие закономерности перемещения семян в борозде с увеличением скорости их сбрасывания. Так, при скорости до 0,5 м/с дисперсия перекатывания семян составляет 2,6 см2, а при скорости 1 м/с этот показатель вырос до 4,1 см2.

Полученные результаты являются основой для определения дисперсии между семенами в борозде.

Для сравнения показателей работы экспериментального и серийного (се ялка ССТ – 12В) аппаратов были проведены стендовые испытания. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис.14.

Зависимость коэффициента заполнения ячеек (Кз) и повреждения драже (П) от окружной скорости диска (Vд) Кз П, % Vд, м/с Vд, м/с 1–экспериментальный аппарат (Zя = 45 шт.);

2–серийный аппарат (Zя = 90 шт.) Рис. Анализ зависимостей (рис.14) показал, что с увеличением скорости вра щения диска коэффициент заполнения ячеек снижается. Так, в серийном аппара те при изменении скорости диска от 0,10 до 0,35 м/с коэффициент заполнения уменьшился с 1,02 до 0,84, тогда как у экспериментального аппарата коэффици ент заполнения уменьшился с 1 до 0,995. Снижение коэффициента заполнения с ростом окружной скорости диска можно объяснить уменьшением времени на хождения ячейки под слоем семян и увеличением относительной скорости семян по диску.

Повреждение драже как в экспериментальном, так и в серийном аппаратах увеличивается при работе на повышенных окружных скоростях дозирующего диска (рис.14). В экспериментальном аппарате с увеличением скорости дозиро вания от 0,10 до 0,35 м/с повреждение драже составило 0,22…0,42 %, что удов летворяет агротехническим требованиям (1,0 %). В серийном аппарате повреж дение драже изменяется в пределах 0,5…1,5 % при тех же скоростях вращения диска, что превосходит агротехнические требования.

Для исследования влияния коэффициента заполнения ячеек и окружной скорости диска на коэффициент вариации интервалов времени в потоке семян на выходе из высевающих аппаратов были проведены эксперименты, результаты которых представлены на рис.15.

Зависимость коэффициента вариации интервалов выброса семян (V) от окруж ной скорости диска (Vд) высевающего аппарата V Vд, м/с 1–экспериментальный аппарат (Zя = 45 шт.);

2–серийный аппарат (Zя = 90 шт.) Рис. Так, при скоростях вращения высевающего диска от 0,10 до 0,35 м/с в по токе дражированных семян интервалы имеют коэффициент вариации 0,11…0, у экспериментального аппарата и 0,23…0,44 – у серийного.

Отсюда можно сделать вывод, что экспериментальный аппарат при работе на скоростях движения агрегата 1,5…2,0 м/с позволит получить распределение семян в борозде, близкое к нормальному (V0,33), а серийный ни на одной из этих скоростей не даст такого распределения.

Полевые исследования работы высевающих аппаратов позволяют оценить качественные показатели распределения растений, такие как среднее квадрати ческое отклонение и коэффициент вариации интервалов при различных скоро стях движения посевных агрегатов.

Равномерность распределения растений в рядках при высеве семян опре деляли путем измерения интервалов между растениями в рядке в фазе полных всходов и перед уборкой. Это необходимо было для оценки действия и после действия высева семян сахарной свеклы высевающими аппаратами.

Опытные данные, полученные в фазе полных всходов, приведены в табли це 1.

Таблица 1 – Показатели распределения растений сахарной свеклы в рядках в фа зе полных всходов Показатели Эксп. аппарат ССТ-12В Скорость движения агрегата, км/ч 5,4;

7,2 5,4;

7, Заданная норма высева:

а) шт. на 1 п. м. 6,0 6, б) тыс. шт. на 1 га 133,333 133, Фактическая норма высева:

а) шт. на 1 п. м. 5,78 5,66;

5, Фактическая густота насаждений:

а) тыс. шт. на 1 га 114,31 109,43;

108, Распределение растений в рядке:

а) фактический ср. интервал, см 19,5 20,3;

20, б) ср. квадратическое отклонение, см 6,8;

7,8 8,9;

11, в) коэффициент вариации, % 35;

40 44;

Ошибка ср. арифметич. 0,48;

0,54 0,63;

0, Точность опыта, % 2,47;

2,77 3,10;

3, Данные таблицы 1 свидетельствуют о том, что фактическая норма высева по сравниваемым вариантам отличается незначительно. У серийного аппарата имеют место в заполнении двойники и пропуски, что прослеживается при опре делении интервального размещения растений. Однако фактический средний ин тервал между растениями на всходах, полученных в рядках, посеянных экспе риментальным аппаратом, составляет 19,5 см, а для серийного этот показатель несколько больше и на скорости движения агрегата 5,4 и 7,2 км/ч соответствен но равен 20,3 и 20,5 см.

При сравнении по вариантам величин среднеквадратических отклонений и коэффициентов вариации разница в величинах этих показателей проявляется контрастнее. Так, при скорости 5,4 км/ч у серийного аппарата коэффициент ва риации 44 %, а у экспериментального он на 9 % меньше и составляет 35 %.

При увеличении скорости сева прослеживается и рост коэффициентов ва риации интервалов. Для серийного аппарата он вырос до 55 %, а у эксперимен тального составил 40 %, что на 15 % меньше по сравнению с серийным высе вающим аппаратом.

Изменение показателей интервального размещения растений к периоду уборки отмечают многие исследователи. Поэтому аналогичные измерения были проведены и перед уборкой корнеплодов (табл. 2).

Претерпела изменения густота стояния растений. Она снизилась до 106, и 105,11 тыс. шт. на га при скоростях 5,4 и 7,2 км/ч для экспериментального ап парата и соответственно для серийного составила 99,87 и 97,54. Коэффициенты вариации интервалов между корнями увеличились до 39 и 43 на посевах экспе риментальным аппаратом и до 49 и 58 – на посевах серийным аппаратом. Эти показатели свидетельствуют о существенных преимуществах эксперименталь ного аппарата по равномерности размещения растений в сравнении с серийным.

Это преимущество было доказано при уборке опытных делянок.

Таблица 2 – Показатели распределения растений сахарной свеклы в рядках пе ред уборкой Показатели Эксп. аппарат ССТ-12В Скорость движения агрегата, км/ч 5,4;

7,2 5,4;

7, Фактическая густота насаждений перед уборкой:

а) шт. на 1 п. м. 4,78;

4,72 4,49;

4, б) тыс. шт. на 1 га 106,32;

105,11 99,87;

97, Распределение растений в рядке перед уборкой:

а) фактический ср. интервал, см 20,9;

21,2 22,3;

22, б) ср. квадратическое отклонение, см 8,1;

9,1 10,9;

13, в) коэффициент вариации, % 39;

43 49;

Ошибка ср. арифметич. 0,57;

0,64 0,77;

0, Точность опыта, % 2,72;

3,02 3,45;

4, При учете урожая измеряли массу единичных корнеплодов на вариантах опыта. Данные по выравненности корнеплодов сахарной свеклы по массе и уро жайности приведены в таблице 3.

Как видим (табл. 3), улучшение равномерности распределения растений сахарной свеклы в рядках, посеянных экспериментальным аппаратом, привело к выравниванию вороха корнеплодов по массе. В сравнении с серийным высе вающим аппаратом урожайность корнеплодов возросла на 12 – 14 %.

Таблица 3 – Показатели выравненности корнеплодов по массе и их биологиче ская урожайность Показатели Эксп. аппарат ССТ-12В Скорость движения агрегата, км/ч 5,4 7,2 5,4 7, Усредненная по опытам масса корня, г 311,3 294,9 297,4 280, Среднее квадратическое отклонение мас 146,6 145,7 162,4 163, сы корней, г Коэффициент вариации массы корней, % 47,1 49,4 54,6 58, Фактическая урожайность, ц/га 331 310 297 В пятой главе приведены расчеты показателей экономической эффектив ности применения сеялки с усовершенствованными аппаратами точного высева.

В качестве сравнения была выбрана серийная сеялка ССТ-12 В. Предложенное техническое решение позволило повысить урожайность корнеплодов на 12… % по сравнению с серийным аппаратом, а годовой экономический эффект от внедрения экспериментальных аппаратов на одну сеялку составляет около миллиона рублей при площади посева 150 га (в ценах на 1 апреля 2011 г.).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволя ют сделать следующие выводы:

1. При относительной скорости семян ниже критического уровня и доста точной зоне контакта их с ячейками улучшение заполняемости дозирующего элемента может быть достигнуто за счет создания организованных рядов семян перед входом в ячейки.

2. Разработаны математические зависимости процесса заполнения ячеек семенами и аналитические зависимости предельной относительной скорости, которые позволяют определить рациональные размеры ячеек, с учетом конст руктивных особенностей и режимов работы ячеисто-дискового высевающего аппарата с внутренним заполнением.

3. Ширина камеры заполнения в ячеисто-дисковом высевающем аппарате должна составлять 22 мм. При скорости вращения дозирующего диска до 0, м/с уровень повреждения драже не превышает 0,4 %.

4. Лучшие результаты по заполняемости семенами обеспечиваются ячей ками с параметрами: глубина hя = 4,5 ± 0,1 мм, диаметр dя = 4,9 ± 0,1 мм (при длине и глубине входной фаски соответственно 4,5 и 2 мм) для мелкой фракции дражированных семян (3,5-4,5 мм), а для крупной фракции семян (4,5-5,5 мм) глубина hя = 5,5 ± 0,1 мм, диаметр dя = 5,9 ± 0,1 мм (при длине и глубине вход ной фаски соответственно 5,5 и 2,5 мм).

Экспериментальный высевающий аппарат позволяет обеспечить коэффи циент заполнения ячеек 99,5 % на скоростях вращения диска до 0,35 м/с. При этом повреждение семян не превышает 0,42 %. Серийный аппарат такой же уро вень заполняемости ячеек обеспечивает на скоростях вращения диска до 0,2 м/с, а повреждение семян составляет 0,9 %.

5. Коэффициент вариации интервалов времени в потоке семян на выходе из экспериментального аппарата при скорости вращения диска от 0,10 до 0, м/с составляет 0,11…0,21, что соответствует закону нормального распределения случайной величины. Серийный аппарат обеспечивает аналогичную точность потока при скорости вращения диска не более 0,21 м/с.

6. При посеве на конечную густоту (установленная норма высева 6 шт./м) со скоростями движения агрегата от 1,5 до 2,0 м/с распределение растений в фа зе полных всходов имеет коэффициенты вариации 0,35…0,40 для эксперимен тального аппарата и 0,44…0,55 для серийного, а перед уборкой коэффициенты вариации 0,39…0,43 – для экспериментального аппарата и 0,49…0,58 – для се рийного.

7. Преимущество экспериментального аппарата в качестве распределения семян обеспечило повышение урожайности корнеплодов на 12…14 % по срав нению с серийным аппаратом, а годовой экономический эффект от внедрения экспериментальных аппаратов на одну сеялку составляет около одного миллио на рублей.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следую щих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ 1. Труфанов В.В. Модернизация высевающих аппаратов / В.В. Труфанов, П.А. Авдеев // Сельский механизатор. – 2008. – №8. – C.32.

2. Авдеев П.А. Определение зоны контакта дражированных семян с ячей ками высевающих аппаратов/ П.А. Авдеев // Сахарная свекла. – 2010. – №7. – C.31–32.

3. Авдеев П.А. Оптимизации конструктивных параметров свекловичной сеялки / П.А. Авдеев // Сельский механизатор. – 2010. – №10. – C.10–11.

4. Авдеев П.А. Обоснование положения выбросного окна в вертикально – дисковом высевающем аппарате / П.А. Авдеев // Сахарная свекла. – 2010. – №9.

– C.31–33.

5. Авдеев П. А. Схема заполнения ячеек высевающего аппарата дражиро ванными семенами / П.А. Авдеев // Тракторы и сельскохозяйственные машины.

– 2010. – №12. – C.26–28.

Изобретения и полезные модели 6. Патент № 2307494 России. МПК А 01 С 7/04 / Высевающий аппарат / Труфанов В.В., Авдеев П.А.(РФ). - №2006107265/12;

Заявлено 09.03.06;

Опубл.10.10.07;

Бюл. № 28 - 6с.: ил. 2.

Подписано в печать 10.08. 2011. Формат 60х84 1/ Гарнитура Таймс. Бумага офсетная. Печать офсетная П.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ №5205.