Совершенствование процесса высева семян пропашных культур пневматической сеялкой (на примере кукурузы)
На правах рукописи
ЧИКИЛЬДИН ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫСЕВА СЕМЯН ПРОПАШНЫХ КУЛЬТУР ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ СЕЯЛКОЙ (НА ПРИМЕРЕ КУКУРУЗЫ) Специальность 05.20.01 – Технология и средства механизации сельского хозяйства (по техническим наук
ам)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Ставрополь – 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО СтГАУ)
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Зубрилина Елена Михайловна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Беспамятнова Наталья Михайловна доктор технических наук, профессор Щербина Виталий Иванович
Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Все российский научно–исследовательский ин ститут механизации сельского хозяйства» (ГНУ ВИМ Россельхозакадемии)
Защита состоится «1» декабря 2011 г. в 1400 часов на заседании объ единенного диссертационного совета ДМ 220.062.05 при ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» по адресу:
355017, г. Ставрополь, пер. Зоотехнический, 12.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет», с авто рефератом диссертации – на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Ставро польский государственный аграрный университет»: http://www.stgau.ru.
Автореферат разослан «28» октября 2011 г. и размещен на офици альных сайтах: Ставропольского ГАУ http://www.stgau.ru и ВАК Мини стерства образования и науки РФ http://vak.ed.gov.ru.
Ученый секретарь объединенного диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Марченко В. И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Посев пропашных культур относится к техно логическим операциям с высокой степенью зависимости качества их вы полнения, причем эта зависимость определяется не только четким выпол нением технологически необходимых работ, но и применением наиболее совершенных на данный момент времени посевных машин.
Характерной особенностью современных пропашных сеялок (типа СУПН) является отсутствие в их конструкции семяпроводов. Свободное падение семян от высевающего аппарата до дна борозды является вероят ностным процессом, что ухудшает равномерность их распределения по дну борозды, особенно при работе на высоких скоростях.
Предположено, что устранение выше отмеченных недостатков воз можно созданием управляемого процесса движения семян от высевающе го аппарата до дна борозды, который будет происходить по заданной тра ектории и с определенной (заданной) скоростью. Конструктивно это осу ществляемо при движении семян после высевающего аппарата по семя проводу определенной формы, который обеспечивает постоянство траек тории движения семян и меняет скорость семян в необходимых пределах.
В пневматических сеялках наиболее рациональным и актуальным пред ставляется использование пневматического ускорителя, который обеспе чивает изменение скорости семян, движущихся по семяпроводу, с помо щью воздушного потока.
В соответствии с этим сформулирована рабочая гипотеза: в пнев матических сеялках типа СУПН с помощью семяпровода с ускорителем возможно изменять скорость семени на выходе из семяпровода в соответ ствии со скоростью посевного агрегата, обеспечивая тем самым высокую равномерность их распределения.
Цель работы – повышение качества посева пропашных культур пневматическими сеялками путем установки семяпроводов, обеспечи вающих управляемость движением семян от высевающего аппарата до дна борозды.
Объект исследования – технологический процесс однозернового высева семян пропашной культуры (кукурузы) аппаратом пневматическо го действия с семяпроводом.
Предмет исследования – закономерности движения семян в семя проводе усовершенствованного пневматического высевающего аппарата пропашной сеялки.
Научная новизна. Проведены аналитические исследования спосо бов управления процессом доставки семян на дно борозды в серийных пропашных сеялках. На основе закона сохранения энергии теоретически обоснованы закономерности движения семян в семяпроводах усовершен ствованного пневматического высевающего аппарата с учетом влияния скорости движения агрегата. Получены аналитические зависимости между скоростью семян на выходе из семяпровода с укорителем и его конструк тивно–технологическими параметрами.
Новизна предложенных технических решений подтверждена патен тами на изобретение № 2357393 и на полезную модель № 97588.
Практическая ценность. Полученные аналитические зависимости и методика инженерного расчета могут быть использованы при проекти ровании аппаратов точного высева семян пропашных культур. Эмпириче ская регрессионная модель может применяться для настройки высеваю щего аппарата с семяпроводом–ускорителем на рациональные режимы работы пропашных сеялок при посеве кукурузы. Определены рациональ ные конструктивно–технологические параметры семяпровода с ускорите лем семян, позволяющего осуществлять доставку семени от высевающего диска до дна борозды по заданной траектории с необходимой скоростью.
На защиту выносятся следующие положения:
– аналитические исследования способов управления процессом дос тавки семян на дно борозды в пропашных сеялках;
– результаты теоретических исследований процесса движения семян по семяпроводу усовершенствованного высевающего аппарата;
– функциональная схема и конструкция аппарата пневматического действия для высева семян пропашных культур с семяпроводом;
– результаты экспериментальных исследований: свойства посевного материала, поведения семян после удара о почву, а также процесса дви жения семян по семяпроводу;
– рациональные конструктивно–технологические параметры высе вающего аппарата с семяпроводом с ускорителем семян.
Реализация. Результаты выполненных исследований реализуются в виде инновационного проекта в ООО НПП «АгроТехника», финансируе мого Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно– технической сфере, как победителя программы «СТАРТ–10».
Материалы аналитических исследований, схемы и описания техниче ских решений с рекомендуемыми параметрами высевающего аппарата, оборудованного семяпроводом с ускорителем, переданы Институту агро инженерных проблем ФГОУ ВПО «Азово–Черноморская государственная агроинженерная академия» (Акт передачи научных исследований для вне дрения в производство от 17.03.2011 г.).
Элементы теоретических и экспериментальных исследований усо вершенствованного высевающего аппарата переданы для использования в учебном процессе на кафедрах «Процессы и машины в агробизнесе» Ставропольского госагроуниверситета и «Сельскохозяйственные маши ны» Курсавского регионального колледжа «Интеграл».
Апробация. Основные положения диссертации представлены в док ладах на научно–технических конференциях СтГАУ (Ставрополь, 2007– 2010 гг.). Результаты исследований и конструкция усовершенствованного высевающего аппарата были представлены на инновационных конкурсах, выставках и салонах (диплом за лучший инновационный проект в области производственных технологий Международной выставки–конгресса «Вы сокие технологии. Инновации. Инвестиции», г. Санкт–Петербург, 2008 г.;
золотая медаль 10–го Московского международного салона «Инновации и инвестиции», г. Москва, 2010 г.;
серебряная медаль Российской агропро мышленной выставки «Золотая осень», г. Москва, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять глав, общие выводы, библиографический список из 154 наименований и приложения. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, включает 60 рисунков и 17 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, определены цель, ра бочая гипотеза, предмет и объект исследовании. Показана научная новиз на, практическая ценность и апробация работы, реализация результатов исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» при веден анализ состояния возделывания кукурузы и материалы по исследо ванию процесса однозернового высева пропашных культур.
Проанализированы конструкции высевающих аппаратов для одно зернового посева семян пропашных культур, дана их классификация и оп ределены наиболее характерные недостатки и достоинства. Изложены вы воды и сформулированы задачи исследований.
Из анализа фундаментальных работ А. А. Будагова, Г. М. Бузенкова, В. С. Басина, Н. М. Беспамятновой, С. В. Кардашевского, В. А. Белодедо ва, П. Я. Лобачевского, С. А. Ма, Е. А. Басина, В. П. Чичкина, А. А. Бер това, П. А. Бондаренко и других исследователей процесса однозернового высева семян пропашных культур следует, что наименьшее рассеивание семян в продольном направлении обеспечивается, когда горизонтальная составляющая его скорости в момент укладки на дно борозды равна нулю.
Выполнение этого условия обеспечивается равенством и противополож ной направленностью горизонтальной составляющей скорости семени и скорости посевного агрегата (сг = а ).
Анализ конструкций существующих высевающих аппаратов и тео рии процесса высева ими семян позволили определить, что:
– существующие конструкции рабочих органов серийных пневмати ческих сеялок не позволяют менять направление движения семени после схода его с высевающего диска и не приспособлены к изменению их вели чины в зависимости от скорости движения агрегата;
– отсутствие у сеялок типа СУПН семяпроводов и свободный полет семян от высевающего диска до дна борозды приводят к ухудшению рас пределения их по дну борозды в продольном и поперечном направлениях;
– устранение отмеченных недостатков возможно созданием управ ляемого процесса движения семян от высевающего аппарата до дна бо розды с необходимой скоростью, что по настоящему исследованию обес печиваются движением семян после высевающего диска по семяпроводу определенной формы, который может обеспечивать постоянство траекто рии движения семян и возможность менять их скорость в необходимых пределах с помощью ускорителя движения семян.
В задачи исследований входило:
1. Провести аналитические исследования возможностей управления процессом доставки семян на дно борозды в серийных пропашных сеял ках.
2. Разработать функциональную схему и конструкцию эксперимен тального высевающего аппарата с семяпроводом–ускорителем движения семян.
3. Теоретически обосновать закономерности движения семян в семя проводе усовершенствованного пневматического высевающего аппарата, учитывающие влияние скорости движения агрегата.
4. Провести экспериментальные исследования по уточнению свойств посевного материала, влияющих на показатели работы опытного высе вающего аппарата.
5. Выполнить экспериментальные исследования усовершенствованно го высевающего аппарата с последующим определением рациональных конструктивно–технологических параметров семяпровода с ускорителем движения семян.
6. Провести технико–экономическую оценку эффективности приме нения усовершенствованного высевающего аппарата при посеве кукуру зы.
Во второй главе «Теоретические исследования движения семян в семяпроводах усовершенствованной пропашной сеялки» приведены аналитические исследования способов управления процессом доставки семян на дно борозды в пропашных сеялках, разработана функциональная схема и конструкция усовершенствованного высевающего аппарата, из ложены теоретические исследования процесса движения семян по семя проводу.
Семена с момента схода их с высевающего диска до момента при земления на дно борозды находятся в состоянии свободного полета (рис.1).
Рисунок 1 – Схема полета семян в пропашных сеял ках (типа СУПН) Величина скорости падения семени с в момент удара о дно бороз ды определяется по формуле:
с = сг + св = а 2R cos с a + 2 gh + 2 R 2, 2 2 (1) где сг, св – горизонтальная и вертикальная составляющая скорости се мени, м/с;
– угловая скорость высевающего диска, рад/с;
а – скорость посевного агрегата, м/c;
R – радиус удаления присасывающих отверстий высевающего диска от центра, м;
с – угол отклонения точки схода семян от вертикали, град;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
h – высота падения семени, м.
Угловая скорость высевающего диска взаимосвязана со скоростью посевного агрегата следующим выражением:
= C a, (2) где C = 2 / lc z – постоянная, м –1;
lc – шаг посева семян, м;
z – число высевающих отверстий диска, шт.
С учетом формулы (2) и после некоторых математических преобра зований формула (1) имеет вид:
2 с = а С a R( 2 cos с + CR ) + 2 gh. (3) Угол падения семени определяется по выражению:
a ( 1 CR cos с ) = arctg ( ). (4) C 2 a R 2 sin с + 2 gh Анализ выражений (1), (2) показывает, что параметры, R, z и h заданы конструктивно и являются величинами постоянными, переменны ми являются параметры а и lc. При скорости посевного агрегата а = 2…3,5 м/с, шаге посева l c = 0,2…3,5 м диапазон числовых значений ско ростей семени в момент его соприкосновения с дном борозды составляет сг = 1,7…3,2 м/c, св = 1,921…1,925 м/с.
Полученные данные показывают, что в момент соприкосновения се мени с дном борозды имеет место косой удар его о почву со скоростью с = 2,6…3,8 м/c и углом падения = 450…550.
Рисунок 2 – Зависимость скорости семени с и угла падения от высоты па дения h при различной скорости посевного агрегата а Анализ графиков (рис. 2) показал, что при прочих равных условиях добиться снижения скорости семени с можно уменьшением высоты падения h, однако изменение высоты падения семян конструктивно ог раничено, поэтому для уменьшения высоты их падения на дно борозды в конструкцию серийного пневматического высевающего аппарата предложено ввести дополнительный элемент (семяпровод), при этом высота установки оси высевающего диска останется неизменной.
Разработана функциональная схема (рис. 3) и изготовлен усовер шенствованный высевающий аппарат, обеспечивающий выполнение по ставленных условий.
1 – корпус;
2 – камера семен ная;
3 – вал;
4 – диск высе вающий;
5 – отверстия приса сывающие;
6 – пластинчатый отражатель;
7 – ворошилка;
8 – кронштейн;
9 – хомут;
10 – се мяпровод;
11 – прямолинейный участок I семяпровода;
12 – криволинейный II участок;
13 – ускорительный участок III се мяпровода Рисунок 3 – Схема усовершенствованного высевающего аппарата с семяпроводом:
Семяпровод представляет собой трубку 10, которая крепится к вы севающему аппарату через кронштейн 8 хомутом 9. Семяпровод имеет три участка: прямолинейный 11, криволинейный 12 и ускорительный 13.
На участке 11 сходящее с высевающего диска семя укладывается на жело бообразную внутреннюю поверхность семяпровода и скользит по нему как по наклонной плоскости до участка 12. На участке 12 семя движется по криволинейной поверхности постоянного радиуса до тех пор, пока век тор скорости не приобретает горизонтальное направление. На участке горизонтально движущееся семя с помощью воздушного потока разгоня ется до скорости, равной по величине скорости посевного агрегата, и тем самым обеспечивается нулевая скорость семени относительно почвы в момент касания им борозды.
У семяпровода без ускорителя, состоящего из двух участков (10, рис. 3), искомым параметром является скорость семени в конце участка II семяпровода а для семяпровода с ускорителем – скорость семени на вы ходе его из ускорителя III. Для решения этой задачи использован закон сохранения энергии. Энергия семени вначале движения его по поверхно сти семяпровода складывается из потенциальной энергии семени Еп0, расположенного на высоте h от дна борозды, и кинетической энергии Eк 0 семени, сходящего с вращающегося диска со скоростью 0. На выходе из семяпровода семя приобретает конечную скорость горизонтального на правления и обладает: кинетической энергией Екк и потенциальной энер гией Епк. При движении его по поверхности семяпровода часть энергии тратится на преодоление сил трения семени о поверхность семяпровода Атр и сил сопротивления воздуха Асв.
Закон сохранения энергии се мени, движущегося по семяпроводу, описывается уравнением Е п0 + Е к 0 = Е пк + Е кк + Атр + Асв. (5) Он справедлив для любого участка семяпровода, при этом ко нечные значения Еп и Ек предыду щего участка являются начальными значениями этих показателей после дующего участка.
На прямолинейном участке I семяпровода (рис. 4) семя, сошедшее с высевающего диска со скоростью 0 под углом к вертикали, попа дает в семяпровод, укладывается на желобообразную внутреннюю по верхность семяпровода и под дейст вием собственного веса mg и на чальной скорости 0 скользит по Рисунок 4 – Схема движения семени по прямолинейному этой поверхности, приобретая в участку I семяпровода конце участка скорость к 1.
Сопротивление воздуха на участке I семяпровода мало (ошибка не более 0,6 %).
Пренебрегая коэффициент парусности семян, получим:
к 1 = 0 + 2 gh1 ( 1 f tg ), (6) где 0 – скорость семени в начале участка I, м/с;
f – коэффициент трения семени о се мяпровод;
h1 – разность геодезических уровней начала и конца участка I, м.
На криволинейном участке II вектор скорости меняет направление (рис. 5), а угол между вектором скорости и вертика лью меняется в диапазоне от до / 2.
Уравнение энергетического баланса для участка II семяпровода имеет вид:
Екк 2 Ек 02 Еп 2 + Атр 2 + Асв 2 = 0, (7) Рисунок 5 – Схема движения семени по участку II где Ек 02, Екк 2 – кинетическая энергия се семяпровода мени в начале и конце II участка, Дж.
Работа силы трения семени о поверхность семяпровода зависит от силы трения Fтр 2 и длины l2 участка II:
i )dl, (8) = Fтр 2 dl = mf ( g sin i + Атр (l ) (l ) где i – угол между вектором скорости и горизонталью в любой точке движения семени по семяпроводу ( i / 2 );
– радиус кривизны семяпровода (принимаем постоянным на всем участке), м.
Учитывая, что скорость движения семени на участке II мала и зако номерность ее изменения близка к линейной, то работа силы трения семе ни о поверхность семяпровода определится:
( к 1 + к 2 ) Атр 2 = mf g cos +, (9) где – угол, дополняющий угол до / 2, рад.
Принимаем допущение, что семя движется по семяпроводу (желобу) со скольжением, т. е. не испытывает вращательного движения (рис. 5). То гда энергию вращательного движения Е вр = J c / 2 можно не учитывать при составлении энергетического баланса.
Работа силы сопротивления воздуха на участке II семяпровода при постоянном радиусе кривизны :
m К П ( к 1 + к 2 )2. (10) Асв 2 = Подставив в формулу (7) ее составляющие и решив его относительно к 2, получим аналитическое выражение для определения скорости семян на выходе из участка II семяпровода:
к 1 ( f + К П ) к2 = + 2 + f + К П.(11) 2 к 1 ( 2 2 2 2 f + К П ) ( 2 + f + К П )( f к 1 + К П к 1 + 4 f g cos 4 gh2 2 к 1 ) + 2 + f + К П При выходе из криволинейного участка II семяпровода со скоростью к 2 семя продолжает движение по участку III (рис. 6), наращивая свою скорость за счет силы попутного воздушного потока Fв, которая опреде ляется скоростью воздушного потока в. На отрезке АВ участка III семя движется без трения в сонаправленном воздушном потоке, одновременно опускаясь на поверхность семяпровода в точке «В» и дальше движется со скольжением до точки «С» семяпровода.
Рисунок 6 – Схема движе ния семени по участку III семяпровода Сила воздушного потока Fв, действующего на семя, по аналогии с силой сопротивления воздуха может быть представлена выражением:
Fв = m К П в = т аi, (12) где в – скорость воздушного потока относительно семени, м/с;
аi – ускорение, сообщаемое семени воздушным потоком, м/с.
Скорость семени в конце отрезка АВ составит:
g к 2 + 2 gh3 К П в ав = к + аt ав =, (13) g где h3 – разность геодезических уровней конца участка II и внутренней поверхности участка III.
Путь семени на участке lав :
аtав к 2 2 gh3 + К П h3в = к 2 tав + = lав. (14) 2 g На отрезке ВС семя продолжает движение с нарастающей скоро стью, при этом может возникнуть тормозящая движение сила трения се мени о стенку ускорителя, зависящая от реакции давления семени на стенку N 3. Однозначно установить физику процесса движения семени в сонаправленном воздушном потоке достаточно сложно. Очевидно, что максимальное давление семени на стенку семяпровода составит N 3 = mg, а минимальное равно нулю, когда семя движется в воздушном потоке, не касаясь стенок семяпровода.
Поскольку на выходе из ускорителя семяпровода скорость семени должна быть равной скорости сеялки а, то ускорение семени на отрезке ВС должно быть:
авс = ( а ав ) / tвс. (15) Длина пути на отрезке lвс равна:
2 2 m( a ав ) m а m( к 2 + ( К П в 2 gh3 / g )) 2 lвс = =. (16) 2( Fв Fтр 3 ) 2( К П m в f N 3 ) Длина участка III семяпровода, названного ускорителем семян, оп ределится суммой отрезков lав и lвс :
( ) 2 2 к 2 2 gh3 + К П h3 в m а m к 2 + ( К П в 2 gh3 / g ) l3 = +. (17) 2( К П m в fN 3 ) g Анализ полученного выражения (17) показывает:
– достичь скорости семени на выходе из семяпровода, равной скоро сти посевного агрегата а, можно за счет оптимального сочетания длины ускорителя l3 и скорости воздуха в, подаваемого в ускоритель;
– длина ускорителя предлагаемого семяпровода в основном зависит от скорости воздушного потока (рис. 7) и почти линейно уменьшается с увеличением этой скорости;
– скорость воздуха в является основным фактором, с помощью ко торого можно менять скорость семени на выходе из семяпровода.
а) Рисунок 7 – Зави симость длины се а) мяпровода от ско рости воздушного потока l3 = f ( в ) при N 3 = 0 (а) и N 3 = fmg (б) б) б) Скорость семени на выходе из ускорителя к 3 определяется выраже нием:
К П в 2 gh3 2 К П в ( к 2 2 gh3 + К П h3 в ).(18) )2 к3 = 2 К П l3 в + (к2 + g g Подстановкой в выражение (18) различных значений в в диапазоне 8…20 м/c при длине ускорителя l3 = const, получены зависимости к 3 = f ( в ) (рис. 8), которые использованы при определении диапазона изменения скорости в при проведении многофакторного эксперимента.
Рисунок 8 – Зависи мость скорости се мени на выходе из семяпровода от ско рости воздушного потока к 3 = f ( в ) Основными факторами, определяющими к 3, являются: длина ус корителя семяпровода l3, скорость воздушного потока в ускорителе семян в, максимальное значение которого не превышает 20 м/с, и частота вра щения высевающего диска д, определяющая начальную скорость дви жения семени на первом участке. Оптимальное сочетание этих факторов является областью экспериментальных исследований.
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных ис следований» определены задачи экспериментальных исследований и из ложена программа и методики их проведения: определения свойств по севного материала;
исследования удара семени о почву;
исследований процесса движения семян по семяпроводу и обработки эксперименталь ных данных.
Коэффициент статического трения f ст семян кукурузы по металло пластиковой трубке (семяпроводу) определялся на лабораторной установ ке по стандартной методике. Семя помещают на внутреннюю поверхность телескопической трубки (труба ГОСТ Р 52134–2003), установленную го ризонтально, а затем изменяют угол наклона плоскости до момента начала движения образца. Угол наклона поверхности фиксировался с помощью угломера, тангенс которого определял коэффициент трения.
Коэффициент трения покоя рассчитывался на основании данных се рии опытов ( n = 50) с трехкратной повторностью. Результаты обрабаты вались с применением статистических методов (среднее значение, средне квадратическое отклонение, коэффициент вариации). Динамический ко эффициент трения f определялся как часть (0,6…0,7) от статического ко эффициента трения f ст.
Исследования движения семян после удара его о дно борозды про водились также на экспериментальной установке, позволяющей модели ровать падение семени на почву с заданными величинами скорости и угла падения. В ходе исследований удара семян о почву на лабораторной уста новке при различных скоростях движения агрегата и углах падения семян фиксировались величины отскока для 50 семян. Результаты проведен ных исследований обрабатывали статистическими методами, построени ем графической зависимости накопленных опытных вероятностей распределения семян по интервалам отскока при различных скоростях агрегата и углах. Величины полученных значений отскока семян от дна борозды сравнивались со значениями, допустимыми агротехническими нормами.
В качестве объекта исследования использовался экспериментальный высевающий аппарат, который укомплектовывался сменными семяпрово дами двух типов: первый – без ускорителя семян (рис. 9а), второй – с ус корителем (рис. 9б).
1 – прямолинейный участок;
2 – нагнетатель 1 – прямолинейный участок;
2 – уча ный участок;
3 – горизонтальный участок сток криволинейной формы с постоянным (ускоритель) радиусом кривизны 1 – экспериментальный семяпровода;
2 – первый датчик;
3 – второй датчик;
4 – блок управления а) без ускорителя б) с ускорителем семян Рисунок 9 – Схемы и фото экспериментальных семяпроводов к сеялке СУПН Лабораторные испытания проводились на стенде, оснащенном датчи ками для определения скорости семени на выходе из семяпровода (рис.
10).
Искомым параметром экспериментального высевающего аппарата с семяпроводом без ускорителя была скорость семени на выходе из семя провода в конце участка II к 2. При исследовании семяпровода без уско рителя менялась только частота высевающего диска аппарата. Получен ные результаты сравнивались с теоретическими.
Для измерения скорости семени в семяпроводе 1 устанавливались два фотоэлектрических (2 и 3 рис. 9а) датчика на расстоянии Lд друг от друга по ходу движения семени. Каждый датчик состоял из инфракрасного из лучателя и фотоприемника, размещенных напротив друг друга.
Положение объекта в этом типе датчиков определяется, когда он пе рекрывает луч от излучателя в приемник. Настройка датчиков осуществ лялась через блок управления 14 (рис. 10). Расчет интервала времени и скорости семян на выходе из семяпровода осуществлялся по алгоритму, написанному для персонального компьютера 15. Результаты обработки данных выводили на монитор персонального компьютера.
1 – рама;
2 – электродвигатель;
3 – редуктор;
4 – цепь приводная;
5 – ролик натяжной;
6 – ре гулятор напряжения;
7 – выпрямитель тока;
8 – щит монтажный с контрольными приборами;
9 – аппарат высевающий экспериментальный;
10 – установка вакуумная с регулятором раз режения;
11– тягомер мембранный Тм МП – 100;
12 – воздухонагнетатель с регулируемой подачей воздуха;
13 – датчики измерения скорости семян на выходе из семяпровода;
14 – блок управления датчиками;
15 – компьютер персональный Рисунок 10 – Лабораторная установка для исследований пневматических высевающих аппаратов Для получения регрессионных моделей процессов высева семян был разработан и реализован трехуровневый план Бокса–Бенкина, в котором использовали в качестве варьируемых факторов: х1 – скорость воздушно го потока в, подаваемого в нагнетательный участок 2 и ускоритель 3 се мяпровода (8…20 м/с);
х2 – длина ускорителя семяпровода l3 (0,08…0, м);
х3 – угловая скорость высевающего диска (2…4 рад/с).
Согласно матрице планирования эксперимента устанавливались ос новные факторы и после стабилизации процесса высева семян включалась специальная программа на ПК для замеров по 15 строкам матрицы с трех кратной повторностью скорости 100 высеянных семян. Полученные в ходе эксперимента данные обрабатывали по методике, описанной в разделе диссертационной работы «Методика обработки экспериментальных дан ных».
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследова ний» представлены результаты исследований свойств посевного материа ла, по изучению поведения семян после удара о почву, а также процесса движения семян по семяпроводу. Определены рациональные конструк тивно–технологические параметры семяпровода с ускорителем семян на основании исследований влияния различных факторов, определяющих скорость семян на выходе из семяпровода.
Масса 1000 семян кукурузы (среднеспелый гибрид Краснодарский 382МВ) составила 0,31 кг. Средняя скорость витания семян составила кр = 10,4 м/c.
Определены значения углов трения для 50 шт семян с трехкратной повторностью, результаты обработаны с применением статистического метода. Угол трения семян кукурузы по семяпроводу составил 22014/±21/..
Соответственно, коэффициенты трения семени о семяпровод составили:
статический f ст = 0,36, динамический f = 0,25.
По агротехническим требованиям отклонения от заданного интерва ла между семенами в рядке lc не должны превышать 0,25 его величины, т.
е. с = 0,25lc. Для посевов кукурузы в Ставропольском крае эти значения с1 = 79 мм и с 2 = 64,2 мм. По нормальному закону распределения ве личина разброса симметрична относительно точки приземления, т. е.
с = ±0,5, с1 = ±39,5 мм и с 2 = ±32,1 мм. Согласно графика (рис. 11) уменьшение скорости посевного агрегата до 1,5 м/c приводит к уменьшению значений величин отскоков, выходящих за пределы допустимого агротехническими требованиями значения ( с 2 = 32,1 мм): % семян при = 400, 2 % семян при = 500 и 60 % – при = 600.
Рисунок 11 – График вероятностей распределения семян по интервалам величины отскока при различных углах падения при скорости агрегата 1,5 м/c Для обеспечения безударной укладки семян на дно борозды необходимо уменьшить высоту падения семян до 20 мм (высота падения с семяпровода) и угол падения до нуля (т. е. обеспечить равенство гори зонтальной составляющей скорости семян в момент выброса с высеваю щего аппарата и скорости движения агрегата).
Исследования движения семян проводилось по семяпроводам двух типов: первый – без ускорителя семян, второй – с ускорителем.
В результате обработки данных трехфакторного эксперимента по ис следованию движения семян по семяпроводу с ускорителем (рис. 12) по лучена математическая модель процесса высева семян кукурузы:
y = 2,3633 + 0,7205 х1 + 0,2779 х 2 + 0,1538 х1 х 2 0,0433 х1 0,0209 х 2 + 0,0136 х 3, (19) 2 2 которая в натуральных показателях имеет вид:
к 3 = 0,6315 + 0,0770 в 0,9983l 3 + 0,6408 в l 3 0,0012 в 13,0625 l 3 + 0,0136 2. (20) 2 Рисунок 12 – Зависи мость скорости семян на выходе из семя провода от скорости воздушного потока и 3, длины ускорителя при 3, постоянной угловой 2, скорости высевающе 2, го диска = 3 рад/с 2, 2, ( х3 = 0) 1, 1, 1, С помощью критерия Кохрена произведена оценка однородности дисперсий. По критерию Стьюдента проверена гипотеза о значимости ко эффициентов уравнения регрессии. По критерию Фишера установлено, что математическая модель адекватна.
Анализ изолиний равного отклика (рис. 12) показал, что угловую скорость высевающего диска в практических расчетах можно прини мать за величину постоянную. Поскольку от частоты вращения диска за висит качество дозирования высевающим аппаратом, то ее численное зна чение определяется с учетом этого условия и составляет = 2,5…3 рад/с.
Влияние длины ускорителя семяпровода l3 на параметр оптимизации к наиболее динамично проявляется в пределах 0,06…0,13 м. Дальнейшее увеличение этого фактора сказывается в меньшей степени. Для сеялки СУПН с учетом конструктивных особенностей можно принять длину ус корителя l3 = 0,12 м. Фактор х1 – скорость воздушного потока в в уско рителе семяпровода – является наиболее значимым и для обеспечения па раметра оптимизации в пределах 3…3,5 м/с должен варьировать в диапа зоне 17…20 м/c при длине ускорителя семяпровода l3 = 0,12 м (для сеял ки СУПН).
Полевые опыты проводились посевным агрегатом, состоящим из трактора МТЗ–82 и сеялки СУПН–8А. Определено распределение семян кукурузы в рядке в трех вариантах: посев серийным высевающим аппара том СУПН–8А;
усовершенствованным аппаратом с семяпроводом без ус корителя и с ускорителем. Получены следующие результаты: фактические средние интервалы между семенами кукурузы при высеве пневматиче ским аппаратом с семяпроводом без ускорителя составляют 388 мм, с се мяпроводом с ускорителем – 289 мм, что выше расчетных (257 мм). Варь ирование среднего интервала между растениями кукурузы: аппарат с се мяпроводом без ускорителя – 41,4 %, с ускорителем – 38,8 %., что под тверждает теоретические выводы и рабочую гипотезу.
В пятой главе «Расчет показателей экономической эффективно сти внедрения в производство результатов исследований» приведены расчеты экономической эффективности применения сеялки с предложен ными высевающими аппаратами на основании действующих методик.
Внедрение в производство пневматической сеялки, оснащенной предло женными высевающими аппаратами, позволит получить расчетную годо вую экономию 87,25 тыс. руб. на одну сеялку за один сезон работы (70 ч) при затратах на ее модернизацию 29,17 тыс. руб.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. При посеве кукурузы сеялкой СУПН–8А со скоростью движения посевного агрегата более 1,2 м/с возникает косой удар и отскок со значи тельным смещением (более 20 мм) семян относительно места их падения, что приводит к ухудшению распределения их по борозде. Для исключения названного необходимо уменьшить высоту и угол падения семян, изменить величину и направление их скорости в момент сброса, что достижимо вве дением в конструкцию высевающего аппарата семяпровода заданной фор мы, обеспечивающего управляемый процесс движения семян от высеваю щего аппарата до дна борозды.
2. Разработана функциональная схема и конструкция высевающего аппарата с семяпроводом, имеющим ускоритель семян. Научная новизна технических решений подтверждена патентом на изобретение и патентом на полезную модель. Использование семяпровода с ускорителем позволяет управлять процессом доставки семян от высевающего аппарата до дна бо розды по заданной траектории в сторону, противоположную движению аг регата, со скоростью подачи семени на выходе до 3,5 м/с.
3. Обоснованы закономерности движения семян в семяпроводе усо вершенствованного пневматического высевающего аппарата с учетом влияния скорости движения агрегата. Разработаны математические модели определения скорости семян на выходе из участков семяпроводов: прямо линейного, криволинейного, ускорительного. Определены факторы, позво ляющие достичь скорости семени на выходе из семяпровода, равной скоро сти посевного агрегата а. Ими являются: скорость воздушного потока в ускорителе в, длина ускорителя семяпровода l3, угловая скорость враще ния высевающего диска.
4. Опытным путем уточнены свойства семян кукурузы (среднеспелый гибрид Краснодарский 382МВ), влияющие на показатели работы усовер шенствованного высевающего аппарата: масса 1000 семян составила 0, кг, средняя скорость витания кр = 10,4 м/c, коэффициенты трения семени о семяпровод (труба ГОСТ Р 52134–2003): статический f ст = 0,36, динами ческий f = 0,25.
5. Обоснованы рациональные конструктивно–технологические пара метры высевающего аппарата, оснащенного семяпроводом с ускорителем, и режимы его работы: внутренний диаметр семяпровода Dвн =16 мм, высо та начала и конца участков h1 = 0,14 м, h2 = 0,05 м, h3 = 0,01 м;
радиус кри визны второго участка семяпровода = 0,076 м, угол схода семян с высе вающего диска = 200, длина ускорителя l3 = 0,12 м, угловая скорость вращения высевающего диска = 2,5…3,0 с1, скорость воздушного потока в ускорителе в = 18…20 м/c.
6. Подтверждено, что использование в конструкции сеялки типа СУПН семяпровода семян повышает качество распределения их по дну бо розды. Экспериментально установлены следующие показатели:
– средние интервалы между семенами кукурузы при высеве пневматиче ским аппаратом с семяпроводом без ускорителя составили 342 мм, с семя проводом с ускорителем – 304 мм, что выше расчетного шага высева ( мм);
– коэффициент вариации интервалов между семенами для указанных выше семяпроводов составил: 41,4 % и 38,8 %;
– процент семян с интервалами, предусмотренными исходными требова ниями, соответственно равен 52 % и 92 %.
7. Внедрение в производство пневматической сеялки, оснащенной предложенными высевающими аппаратами, позволит получить расчетную годовую экономию 87,25 тыс. руб. на одну сеялку за один сезон работы ( ч) при затратах на ее модернизацию 29,17 тыс. руб.
Основные положения диссертации опубликованы:
в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:
1. Чикильдин, В. Н. Математические модели распределения семян в ряд ке при высеве пропашных культур / В. Н. Чикильдин, А. Н. Кулинич, В. Г.
Захарченко, Е. М. Зубрилина // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - № 7. - С. 34-35.
2. Чикильдин, В. Н. Теоретические исследования процесса движения се мян по семяпроводу / В. Н. Чикильдин, Е. М. Зубрилина // Сельскохозяй ственные машины и технологии. - 2009. - № 5. - С. 23-24.
3. Чикильдин, В. Н. Экспериментальные исследования высевающего ап парата с семяпроводом–ускорителем / В. Н. Чикильдин, Е. М. Зубрилина // Достижения науки и техники АПК. - 2011. - № 2. - С. 66-70.
в патентах:
4. Пат. 2357393 Российская Федерация, МПК7 А 01 С 7/04, А01 С1/00.
Пневматический высевающий аппарат / Чикильдин В. Н., Кулинич А. Н., Зубрилина Е. М. ;
заявитель и патентообладатель Ставропольский гос. аг рарный ун–т. - № 2007149015/12 ;
заявл. 25.12.2007 ;
опубл. 10.06.2009, Бюл. №16 - 3 с.: ил.
5. Пат. 97588 Российская Федерация, МПК7 А 01 С 7/04, А01 С1/00.
Пневматический высевающий аппарат / Зубрилина Е. М., Чикильдин В. Н., Кулинич А. Н. ;
заявитель и патентообладатель ООО НПП «АгроТехника».
- № 2010114402/21 ;
заявл. 13.04.2010 ;
опубл. 20.09.2010, Бюл. №26 - 3 с.:
ил.
в других изданиях:
6. Кулинич, А. Н. Анализ факторов, влияющих на равномерность рас пределения семян пропашных культур в рядке при посеве / А. Н. Кулинич, В. Н. Чикильдин, Е. М. Зубрилина // Физико-технические проблемы соз дания новых технологий в агропромышленном комплексе : сб. науч. тр. по материалам IV Российской науч.-практ. конф. - Ставрополь : АГРУС, 2007.
- С. 216-222.
7. Зубрилина, Е. М. Методика определения характеристик подачи семян высевающим аппаратом / Е. М. Зубрилина, В. Н. Чикильдин // Актуальные проблемы научно–технического прогресса в АПК : сб. науч. ст. по мате риалам III Междунар. науч.-практ. конф. в рамках Х Междунар. агропро мышленной выставки «Агроуниверсал-2008». - Ставрополь : АГРУС, 2008.
- С. 57-63.
8. Кулинич, А. Н. Экспериментальная установка для проведения лабора торных исследований пневматических высевающих аппаратов / А. Н. Ку линич, В. Н. Чикильдин, Е. М. Зубрилина // Актуальные проблемы науч но-технического прогресса в АПК : сб. науч. ст. по материалам III Меж дунар. науч.-практ. конф. в рамках Х Междунар. агропромышленной вы ставки «Агроуниверсал-2008». - Ставрополь : АГРУС, 2008. - С. 109-112.
9. Кулинич, А. Н. Анализ конструкций сеялок для возделывания про пашных культур зарубежного и отечественного производства / А. Н. Кули нич, И. В. Кудрявцев, К. Г. Нестеров, В. Н. Чикильдин, Е. М. Зубрилина // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК : сб. науч.
ст. по материалам III Междунар. науч.-практ. конф. в рамках Х Междунар.
агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2008». - Ставрополь : АГ РУС, 2008. - С. 123-128.
10. Зубрилина, Е. М. Конструкция пневматического высевающего аппа рата с элементами управления процессом распределения семян в рядке / Е.
М. Зубрилина, В. Н. Чикильдин, А. Н. Кулинич // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК : сб. науч. ст. по материалам III Междунар. науч.-практ. конф. в рамках Х Междунар. агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2008». - Ставрополь : АГРУС, 2008. - С. 120-123.
11. Кулинич, А. Н. Анализ теоретических основ распределения семян пропашных культур в рядке / А. Н. Кулинич, В. Н. Чикильдин, Е. М. Зуб рилина // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК :
сб. науч. ст. по материалам III Междунар. науч.-практ. конф. в рамках Х Международной агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2008». – Ставрополь : АГРУС, 2008. - С. 128-132.
12. Чикильдин, В. Н. Элементы теории процесса движения семян по семя проводу / В. Н. Чикильдин, Е. М. Зубрилина // Актуальные проблемы науч но-технического прогресса в АПК : сб. науч. ст. по материалам IV Между нар. науч.-практ. конф. в рамках ХI Междунар. агропромышленной вы ставки «Агроуниверсал-2009». - Ставрополь : АГРУС, 2009. - С. 33-37.
13. Чикильдин, В. Н. Аналитические исследования полета семян в сеял ках типа СУПН / В. Н. Чикильдин, Е. М. Зубрилина // Актуальные пробле мы научно-технического прогресса в АПК : сб. науч. ст. по материалам IV Междунар. науч.-практ. конф. в рамках ХII Междунар. агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2010». - Ставрополь : АГРУС, 2010. - С. 259-263.
14. Чикильдин, В. Н., Зубрилина Е. М. Разработка функциональной схе мы и конструкции высевающего аппарата с семяпроводом / В. Н. Чикиль дин, Е. М. Зубрилина // Актуальные проблемы научно-технического про гресса в АПК : сб. науч. ст. по материалам IV Междунар. науч.-практ.
конф. в рамках ХII Междунар. агропромышленной выставки «Агроунивер сал-2010». - Ставрополь : АГРУС, 2010. - C. 257-259.
15. Чикильдин, В. Н. Расчет экономической эффективности внедрения в производство усовершенствованного высевающего аппарата с семяпрово дом-ускорителем / В. Н. Чикильдин // Аграрная наука - Северо– Кавказскому федеральному округу : сб. науч. тр. по материалам 75-й науч. практ. конф. - Ставрополь : АГРУС, 2011. - С. 205-207.
16. Чикильдин, В. Н. Результаты полевых исследований усовершенство ванного высевающего аппарата с семяпроводом–ускорителем / В. Н. Чи кильдин // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе : сб. науч. тр. по материалам IV Российской науч.-практ. конф. - Ставрополь : Ставропольское издательство «Пара граф», 2011. - С. 190-195.
ЛР 65–13 от 15.02.99 Подписано в печать 18.10.2011 г.
Формат 60х84/16. Усл. п.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 123.