Обґрунтування параметрів пневматичного апарата внутрішнього заповнення для точного висіву насіння зернових колосових культур

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 631.331.85

Спеціальність 05.05.11 - Машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРIВ ПНЕВМАТИЧНОГО

АПАРАТА ВНУТРIШНЬОГО ЗАПОВНЕННЯ ДЛЯ

ТОЧНОГО ВИСIВУ НАСIННЯ ЗЕРНОВИХ

КОЛОСОВИХ КУЛЬТУР

Решетило Олександр Миколайович

Вінниця - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Луцькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Шведик Микола Степанович, Луцький державний технічний університет, доцент кафедри сільськогосподарського машинобудування

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Гевко Богдан Матвійович, Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя, завідувач кафедри технології машинобудування

кандидат технічних наук, професор Сисолін Петро Васильович, Кіровоградський національний технічний університет, професор кафедри сільськогосподарського машинобудування

Провідна установа:

Український науково-дослідний інститут прогнозування та випробування техніки і технологій для сільськогосподарського виробництва імені Леоніда Погорілого Міністерства аграрної політики України, смт. Дослідницьке, Васильківський р-н., Київська обл.

Захист відбудеться 08.11.2005 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.854.02 у Вінницькому державному аграрному університеті (21008 Вінницька обл., Вінницький район, с. Агрономічне, вул. Сонячна, 3, ауд. 2301).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького державного аграрного університету (21008 Вінницька обл., Вінницький район, с. Агрономічне, вул. Сонячна, 3).

Автореферат розісланий 06.10.2005 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради П.С. Берник

Анотації

Решетило О.М. Обґрунтування параметрів пневматичного апарата внутрішнього заповнення для точного висіву насіння зернових колосових культур. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. Вінницький державний аграрний університет. Вінниця, 2005.

Дисертація присвячена питанням теоретичного та експериментального дослідження технологічного процесу однозернинного висіву насіння зернових колосових культур. Обґрунтовано вплив конструктивно-технологічних параметрів пневмомеханічного висівного апарата вакуумної дії на рівномірність розподілу насіння по площі поля. Розроблено імітаційну комп'ютерну модель технологічного процесу однозернинного відбору насіння зернових колосових культур пневмомеханічним висівним апаратом, експрес-метод для оцінки рівномірності розміщення рослин (насіння) зернових колосових культур по площі поля та імітаційну комп'ютерну модель для прогнозування якості координатно-однозернинного висіву пневматичною сівалкою. Результати польових випробувань експериментальної сівалки показали ефективність роботи пневмомеханічного висівного апарата.

Ключові слова: насіння, пневмомеханічний висівний апарат вакуумної дії, висівний елемент, сівалка координатно-однозернинного висіву, рівномірність розміщення насіння, кут нахилу твірної.

Решетило А.Н. Обоснование параметров пневматического аппарата внутреннего заполнения для точного высева семян зерновых колосовых культур. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. Винницкий государственный аграрный университет. Винница, 2005.

Диссертация посвящена вопросам теоретического и экспериментального исследования технологического процесса однозернового высева семян зерновых колосовых культур. Установлена теоретическая закономерность процесса заполнения семенами ячеек размещенных на внутренней конической поверхности высевного элемента и удерживание семян при транспортировке к зоне высева. Получена формула для определения величины силы присасывания семени к ячейке конического высевающего элемента внутреннего заполнения. Экспериментальным путём получено вероятностное распределение семян зерновых колосовых культур за их шириной и массой. Разработана имитационная компьютерная модель технологического процесса однозернового отбора семян зерновых колосовых культур пневмомеханическим высевающим аппаратом. Проведены экспериментальные исследования пневмомеханического высевающего аппарата, установлены его рациональные параметры и режимы работы. Усовершенствована методика оценки равномерности размещения семян и растений зерновых колосовых культур по площади поля. Разработан компьютерный экспресс-метод для оценки равномерности размещения семян и растений зерновых колосовых культур по площади поля, математическая модель технологического процесса однозернового отбора семян и имитационная компьютерная модель для прогнозирования качества координатно-однозернового высева пневматической сеялкой. Обосновано влияние конструктивно-технологических параметров пневмомеханического аппарата внутреннего заполнения на процесс координатно-однозернового высева семян. Проведен расчет экономической эффективности применения пневматической сеялки координатно-однозернового высева семян зерновых колосовых культур с установленным на ней высевающим аппаратом внутреннего заполнения с коническим высевным элементом. Испытание экспериментальной сеялки показали эффективность работы пневмомеханического высевающего аппарата вакуумного действия.

Ключевые слова: семена, пневмомеханический высевающий аппарат вакуумного действия, высевающий элемент, сеялка координатно-однозернового высева, равномерность распределения семян, угол наклона образующей.

Reshetylo O. The substantiations of parameters pneumatic apparatus internal filling of exact sowing of seeds of corn colossus cultures. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.05.11 - Machines and means of mechanization of an agricultural production. Vinnytsia State Agrarian University. Vinnytsia, 2005.

Dissertation is devoted to the questions of theoretical and experimental research of technological process of the one grain sowing of seed of corn ear cultures. Substantiate authority of structural-technological parameters of the pneumo-mechanical vacuum sowing apparatus on evenness of distributing of seed on the area of the field. The simulation computer model of technological process of one grain selection of seed of corn ear cultures is developed by a vacuum sowing vehicle, express-method for estimation of evenness of placing of plants (seed) of corn ear cultures for the areas of the field and simulation computer model for prognostication of quality of the exact sowing by pneumo-mechanical seed machine. The results of the field tests of experimental seed machine showed efficiency of work of the sowing apparatus.

Key words: seeds, pneumo-mechanical sowing apparatus of vacuum action, sowing an element, seeder of exact sowing, uniform of distribution of seeds, angle of declination forming.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. За останніх сім років по Україні середньорічний валовий збір зерна становить 29,2 млн. т при загальній потребі 40...45 млн. т. Одним із головних шляхів розв'язання цієї проблеми є заміна рядкового способу сівби на кординатно-однозернинний висів (точний). Це дозволить майже в два рази зменшити норму висіву насіння, а за рахунок створення оптимальних умов для його проростання і розвитку рослин - підвищити врожайність зернових колосових культур на 10...15%. Однак впровадження координатно-однозернинного висіву стримується як відсутністю високоефективної конструкції самого висівного апарата, так і робочих органів для зароблення насіння.

У зв'язку з цим актуальною проблемою є дослідження технологічного процесу та обґрунтування параметрів пневмомеханічного висівного апарата внутрішнього заповнення для координатно-однозернинного висіву насіння зернових колосових культур.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження є частиною робіт, що виконані у Луцькому державному технічному університеті відповідно до державних науково-технічних програм ДКНТП з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки, які реалізовувались в рамках Постанови Кабінету Міністрів України № 1341 від 1 грудня 1997 року "Про розвиток сільськогосподарського машинобудування і забезпечення агропромислового комплексу конкурентноспроможною технікою". Шифр завдання 21д/б-96-97 "Розробка і дослідження пристроїв для рівномірного розподілу насіння зернових колосових культур по площі поля і глибині їх зароблення".

Мета і задачі досліджень. Метою досліджень є підвищення точності висіву насіння зернових колосових культур з використанням пневмомеханічного висівного апарата вакуумної дії.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- провести конструктивно-технологічний аналіз схем висівних апаратів координатно-однозернинного висіву насіння зернових колосових культур, на основі якого розробити нову конструкцію пневмомеханічного висівного апарата;

- встановити теоретичні закономірності процесу заповнення комірчин, що розміщені на внутрішній поверхні конічного висівного елемента, насінням, і умови втримання його при транспортуванні до зони висіву;

- розробити імітаційну комп'ютерну модель технологічного процесу однозернинного відбору насіння зернових колосових культур пневмомеханічним висівним апаратом вакуумної дії;

- розробити програму та методики проведення експериментальних досліджень, а також виготовити лабораторну і експериментальну установки та новий висівний апарат;

- вдосконалити методику і розробити комп'ютерний експрес-метод для оцінки рівномірності розміщення насіння та рослин зернових колосових культур по площі поля;

- провести комплекс лабораторних, експериментальних та польових досліджень для визначення впливу конструктивно-технологічних параметрів пневмомеханічного висівного апарата вакуумної дії на процес координатно-однозернинного висіву насіння та обґрунтувати їх раціональні значення;

- розробити імітаційну комп'ютерну модель для прогнозування якості координатно-однозернинного висіву пневматичною сівалкою;

- на основі теоретичних і експериментальних досліджень розробити інженерну методику проектування пневмомеханічного висівного апарата внутрішнього заповнення, та визначити очікуваний економічний ефект від впровадження конструкції.

Об'єкт досліджень - пневмомеханічний висівний апарат внутрішнього заповнення з конічним висівним елементом для координатно-однозернинного висіву насіння зернових колосових культур.

Предмет досліджень - процес однозернинного відбору насіння в забірній камері, його транспортування до зони розвантаження та розвантаження комірчин, а також вплив конструктивно-технологічних параметрів висівного апарата на якість висіву.

Методи досліджень. При інформаційно-аналітичному дослідженні сучасних технологій сівби зернових колосових культур і конструкцій висівних апаратів для координатно-однозернинного висіву насіння в якості джерела інформації використовували мережу Internet. Теоретичні дослідження проведені з використанням методів теоретичної механіки та математичного аналізу. Для обґрунтування раціональних конструктивно-технологічних параметрів висівного апарата та прогнозування якості координатно-однозернинного висіву пневматичної сівалки застосовувалось імітаційне комп'ютерне моделювання з використанням теорії ймовірності і методу статичного моделювання (Монте-Карло), при цьому для генерації випадкових чисел із заданим законом розподілу використовувався метод інтегральних сплайнів, який запропонований О.Г. Ханіним. При проведенні експериментальних досліджень застосовувався математичний метод планування експерименту. Результати експериментальних досліджень оброблено методами математичної статистики з використанням ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше теоретично досліджено технологічний процес однозернинного відбору насіння зернових колосових культур пневмомеханічним висівним апаратом внутрішнього заповнення; отримані аналітичні залежності для визначення величини зовнішніх сил, що діють на насінину, яка розміщена в комірчині, а також сили присмоктування насінини до комірчини конічного висівного елемента та довжини дуги охоплення його насінням; на основі теоретичних та експериментальних досліджень обґрунтовано раціональні конструктивно-технологічні параметри висівного апарата. Вперше розроблено імітаційну комп'ютерну модель технологічного процесу роботи пневмомеханічного висівного апарата вакуумної дії, експрес-метод для оцінки рівномірності розміщення насіння та рослин по площі поля, а також імітаційну комп'ютерну модель для прогнозування якості координатно-однозернинного висіву пневматичною сівалкою.

Практичне значення одержаних результатів. За результатами досліджень розроблена для координатно-однозернинного висіву насіння зернових колосових культур конструкція пневмомеханічного висівного апарата внутрішнього заповнення з конічним висівним елементом, технічна новизна якого підтверджена патентом України на корисну модель № 515 А. За результатами багатофакторного експерименту виведена регресійна залежність, яка дає можливість оцінити вплив конструктивно-технологічних параметрів висівного апарата на середню відстань між висіяним насінням, і на її основі створена імітаційна комп'ютерна модель для прогнозування якості координатно-однозернинного висіву пневматичної сівалки, що забезпечує скорочення затрат часу на проведення досліджень і вибір раціональних параметрів та режимів роботи нових конструкцій пневмомеханічних висівних апаратів. Застосування вдосконаленої методики оцінки рівномірності розміщення насіння та рослин по площі поля, а також експрес-методу обробки дослідних даних підвищує точність обчислень на 7...9 % і скорочує затрати праці на їх опрацювання в 20...25 разів.

На основі розробленої технічної документації в ТзОВ НВФ "Сатурн-Альфа" (м. Луцьк, Волинська обл.) виготовлено експериментальний зразок висівного апарата. Польові випробування експериментальної сівалки з пневмомеханічним висівним апаратом вакуумної дії проведено в СГТзОВ "Україна" Луцького району Волинської області.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень передані ВАТ "Ковельсільмаш" (м. Ковель, Волинська обл.) для використання при розробці нових конструкцій пневматичних сівалок.

Особистий внесок здобувача. Основні результати роботи отримані автором особисто. У наукових працях, які опубліковані у співавторстві, проведено теоретичні дослідження технологічного процесу пневмомеханічного висівного апарата внутрішнього заповнення з конічним висівним елементом [5, 6, 8], розроблено імітаційну комп'ютерну модель технологічного процесу однозернинного відбору насіння зернових колосових культур пневмомеханічним висівним апаратом вакуумної дії [3] та експрес-метод для оцінки рівномірності розподілу насіння та рослин по площі поля [4]. У технічних рішеннях, що захищені одним патентом України на корисну модель [9] та двома патентами України на винахід [10, 11], частка кожного співавтора однакова. висів насіння однозернинний

Апробація роботи. Матеріали теоретичних і експериментальних досліджень, що включені до дисертації, доповідались, обговорювались та отримали позитивну оцінку на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ЛДТУ (Луцьк, 1995-2004 рр.), на засіданні вченої ради машинобудівного факультету ЛДТУ (Луцьк, 1997 р.), на засіданнях кафедри сільськогосподарського машинобудування ЛДТУ (Луцьк, 1996-1998 рр.) та кафедри автоматизованого управління виробничими процесами ЛДТУ (Луцьк, 1999-2005 рр.), Міжнародному семінарі "Реологічні моделі та процеси деформування пористих та композиційних матеріалів" (Луцьк, 1999 р.), першому науковому симпозіумі "Сучасні проблеми інженерної механіки" (Луцьк, 2000 р.) та Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми створення нових машин і технологій" (Кременчук, 2001 р.). Повний зміст дисертаційної роботи був заслуханий в ЛДТУ на об'єднаному семінарі кафедри сільськогосподарського машинобудування, автомобілів та автоматизованого управління виробничими процесами.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 12 робіт, в тому числі 5 одноосібних статей і 3 статті у співавторстві у фахових журналах і збірниках наукових праць, один патент України на корисну модель та два патенти України на винахід, а також одна публікація в тезах доповідей Першого наукового симпозіуму "Сучасні проблеми інженерної механіки" (м. Луцьк).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків і рекомендацій, списку використаних джерел (117 найменувань, з них 12 іноземною мовою) та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 256 сторінок, в тому числі 186 сторінок основного тексту, 69 рисунків і 7 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень та основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі "Стан питання та завдання досліджень" проведено аналіз стану сучасних технологій сівби зернових колосових культур, конструктивно-технологічний аналіз висівних апаратів для координатно-однозернинного висіву насіння та наведено огляд наукових досліджень з однозернинного висіву насіння зернових колосових культур.

Всі способи сівби зернових колосових культур мають суттєві недоліки, але найбільш перспективним з них є координатно-однозернинний висів, який, за рахунок рівномірного розміщення насіння по площі поля, створює найбільш сприятливі умови для життєдіяльності рослин, що підвищує врожайність культур при одночасному зниженні норми висіву насіння.

Конструктивно-технологічний аналіз висівних апаратів для координатно-однозернинного висіву насіння свідчить про те, що на даний час для координатно-однозернинного висіву насіння зернових колосових культур ще не створені високопродуктивні та надійні апарати з низькою матеріаломісткістю. Найбільш перспективним і базовим для подальшого вдосконалення є пневмомеханічний висівний апарат внутрішнього заповнення з конічним висівним елементом.

Проблемами однозернинного висіву насіння займались ряд видатних вчених. Основна їх увага приділялась теоретичним і експериментальним дослідженням процесу однозернинного відбору насіння з бункера, підвищенню надійності утримання насіння в комірчинах під час транспортування висівним елементом, створенню умов для стовідсоткового розвантаження комірчин, розробці ефективних робочих органів та обґрунтуванню їх раціональних параметрів. На основі цих досліджень була розроблена теорія процесу висіву, найбільший внесок в яку зробили академік Л.В. Погорілий, М.С. Хоменко, В.А. Зирянов, В.А. Насонов, В.Н. Цибулєвський, Н.Н. Ульріх, Б.І. Журавльов, С.А. Ма, Л.С. Зенін, В.В. Батурін, Д.Г. Вальянов, Н.І. Глазьєв та інші вчені.

Проведений огляд наукових досліджень з однозернинного висіву насіння зернових колосових культур показав, що вся увага дослідників в основному була спрямована на вивчення процесу роботи дискових та барабанних пневмомеханічних висівних апаратів. При цьому інші конструкції висівних апаратів залишились без уваги.

Якість роботи висівних апаратів оцінюють за рівномірністю розподілу насіння та рослин по площі поля. Однак традиційні методики є досить трудомісткими і вимагають значних затрат часу.

У результаті проведеного аналізу існуючих літературних джерел та патентної інформації обґрунтована та викладена мета роботи і завдання щодо її реалізації.

У другому розділі "Обґрунтування процесу координатно-однозернинного висіву насіння зернових колосових культур пневмомеханічним висівним апаратом вакуумної дії" представлено конструкцію, принцип роботи, аналіз технологічного процесу розробленого пневмомеханічного висівного апарата внутрішнього заповнення з конічним висівним елементом та сил, що діють на насінину, яка знаходиться в комірчині конічного висівного елемента при його обертанні, а також приведено обґрунтування раціональних конструктивно-технологічних параметрів висівного апарата за допомогою імітаційної комп'ютерної моделі.

Для координатно-однозернинного висіву насіння зернових колосових культур запропоновано нову конструкцію пневмомеханічного висівного апарата внутрішнього заповнення з конічним висівним елементом.

Він працює наступним чином. При русі агрегату по полі, крутний момент від опорного колеса сівалки через ланцюгову передачу 1 передається до зірочки, яка встановлена на висівному елементі 2. Насіння, що знаходиться в бункері 3, постійно самопливом заповнює забірну камеру 4 висівного апарата, яка утворюється між внутрішньою поверхнею висівного елемента та днищем 5. Розрідження, що створюється насосом, проникає у вакуумну камеру 6 висівного апарата, яка утворюється між корпусом 7, зовнішньою поверхнею висівного елемента 2 та днищем 5. Через наскрізні канали 8 розрідження проникає у комірчини 9 висівного елемента, присмоктуючи до них насіння, що знаходиться в забірній камері. При подальшому обертанні висівного елемента насіння транспортуються в зону розвантаження, де валець 10 перекриває канал 8. При цьому вакуум у комірчині зникає і насінина під дією власної ваги випадає в насіннєвловлювач 11, звідки по насіннєпроводу 12 транспортується в утворену сошником боріздку.

Підвищення рівномірності висіву насіння в значній мірі залежить від якості його однозернинного відбору висівним апаратом і розвантаження комірчин.

Для визначення впливу сили присмоктування на насінину було розглянуто умову рівноваги сил, що діють на насінину при обертанні комірчини, яка розміщена на внутрішній поверхні конічного висівного елемента, в суцільному зерновому шарі. Для цього було спроектовано всі сили на осі координатної системи xyz. Однак для того, що не перенасичувати рисунок, всі сили визначали поетапно з використанням трьох проміжних схем, після чого проекції всіх сил було показано на зведеній схемі.

Наведено схему першого етапу аналізу сил (G - сили ваги насінини, - сили бічного тиску насіння, - сили вторинного бічного тиску насіння, - відцентрової сили, N - нормальної сили, - сили тертя, - сили присмоктування насінини до комірчини висівного елемента), що діють на насінину в координатних системах і з якої визначено проекції цих сил. Аналогічним чином були визначені проекції і решти сил ( і - сил тертя, - сили тертя зернового шару, Q - рівнодійної сил, яка за величиною рівна нормальній силі, що викликають сили бічного та вторинного бічного тисків насіння, - сили тертя), що діють в цих площинах. Тоді з умови рівноваги сил, що діють на насінину, при обертанні комірчини в зерновому шарі отримано остаточний вираз для визначення теоретичного значення сили присмоктування

(1)

де р=3,14; l - довжина насінини; r - радіус насінини; е - коефіцієнт бічного розпирання; - коефіцієнт, який враховує вертикальні сили тертя насіння об стінки бункера (коефіцієнт зависання); - поправний коефіцієнт, що враховує динамічність навантаження; с - щільність насіння в бункері; g - прискорення вільного падіння насінини; h - висота зернового шару в бункері; б - кут нахилу твірної конусного висівного елемента до його нижньої основи; д - кут нахилу дотичної до насінини в точці контакту насінини з комірчиною; f - коефіцієнт тертя насіння об поверхню комірчини; m - маса насінини; щ - кутова швидкість обертання висівного елемента; R - радіус розміщення комірчин на внутрішній поверхні висівного елемента; кут д можна визначити за формулою

. (2)

Аналіз результатів розрахунків проведених за формулою (1) показали, що зі збільшенням кута б нахилу твірної конусного висівного елемента до його нижньої основи величина сили присмоктування набуває від'ємного значення. Це пояснюється тим, що заповнення комірчин насінням та його транспортування висівним елементом в межах забірної камери здійснюється під впливом тиску зернового шару, який залежить від висоти шару насіння в бункері.

Однак в зоні перекриття висівного елемента насіннєвловлювачем тиск зернового шару на насінину не діє і втримати її в комірчині можна лише за допомогою розрідження, яке необхідно створити у вакуумній камері висівного апарата. Для визначення величини сили присмоктування насінини до комірчини в даній зоні було розглянуто схему сил, що діють на насінину, без врахування впливу зовнішніх сил.

У випадку, коли насінина контактує з комірчиною в точці A сила присмоктування визначається за формулою

, (3)

а у випадку, коли насінина контактує з комірчиною в точці B вона визначається за формулою

(4)

де d0 - діаметр наскрізного каналу.

Аналіз результатів розрахунків показує, що для втримання насінини в комірчині висівного елемента, коли вона контактує з комірчиною в точці необхідно прикласти більшу силу присмоктування, ніж для положення, коли вона контактує з комірчиною в точці . Тому для подальших розрахунків величину сили присмоктування насінини до комірчини висівного елемента будемо визначати за формулою (4).

На основі результатів розрахунків були побудовані графічні залежності сили присмоктування насінини до комірчини висівного елемента від кута б нахилу твірної конусного висівного елемента до його нижньої основи при різних значеннях кутової швидкості щ обертання висівного елемента та при різних значеннях радіуса R розміщення комірчин на поверхні висівного елемента. Аналіз графіка показує, що при збільшенні кутової швидкості щ обертання висівного елемента та радіуса R розміщення комірчин на його поверхні, сила присмоктування насінини до комірчини зростає, при цьому її величина в значній мірі залежить від кута б нахилу твірної конусного висівного елемента до його нижньої основи.

Для забезпечення стовідсоткового заповнення комірчин насінням в забірній камері висівного апарата необхідно створити достатню довжину зони заповнення, що відповідає дузі ш кола проведеного через центри комірчин охоплених насінням, яка визначається за формулою

, (5)

де t - час входження насінини в комірчину; P - ймовірність того, що при n зустрічах насінини з комірчиною хоча б одна з них буде сприятливою для надійного входження насінини та її фіксації в комірчині (тут P < 1).

Час, що необхідний для заповнення комірчини насіниною, можна визначити за формулою

, (6)

де ц - кут повороту насінини при заповненні комірчини.

Традиційно залежність сили присмоктування насінини до комірчини висівного елемента отримують підставляючи в розрахункову формулу граничні значення факторів та їх комбінації. Однак при цьому залишаються невідомими значення екстремумів функціональної залежності сили присмоктування. Крім цього, при проведенні експериментів з визначення робочого розрідження у вакуумній камері практично неможливо врахувати геометричні параметри та масу насінини, які носять ймовірнісний характер. Для вирішення цієї проблеми була розроблена імітаційна комп'ютерна модель технологічного процесу однозернинного відбору насіння зернових колосових культур пневмомеханічним висівним апаратом вакуумної дії. І оскільки процес, що моделюється, носить ймовірнісний характер, то було використано метод статичного моделювання (Монте-Карло). Стандартні генератори випадкових чисел мов програмування дають лише рівномірний розподіл на заданому проміжку, тому для генерації випадкових чисел із заданим законом розподілу було використано метод інтегральних сплайнів, який запропонований О.Г. Ханіним. Вхідними параметрами в моделі виступають фізико-механічні властивості насіння (m, ) та конструктивно-технологічні параметри висівного апарата (б, R, d0), а вихідним параметром - сила присмоктування насінини до комірчини висівного елемента, що визначається за формулою (4).

Аналіз накладання результатів теоретичних розрахунків на результати комп'ютерного моделювання показав, що теоретичні значення сили присмоктування розміщуються в полі допуску значень отриманих комп'ютерним моделюванням. Отже, для надійного утримання насінини в комірчині, необхідно приймати максимальне значення сили присмоктування, яке отримане шляхом комп'ютерного моделювання (при щ = 6 с-1, R = 0,155 м та б = 30): для насіння пшениці = 0,00095 Н, жита - = 0,00069 Н і ячменю - = 0,00124 Н.

У третьому розділі "Програма і методика експериментальних досліджень" наведено програму досліджень, описано лабораторну і експериментальну установки та методики проведення досліджень.

Програмою експериментальних досліджень передбачено: встановити ймовірнісний розподіл насіння зернових колосових культур за їх шириною та масою; провести лабораторні та експериментальні дослідження розробленого висівного апарата, визначити вплив його конструктивно-технологічних параметрів на рівномірність розподілу насіння по площі поля і встановити їх раціональні значення; провести польові випробування експериментальної сівалки з розробленим висівним апаратом та визначити економічну ефективність її використання.

Запропонована нами методика оцінки рівномірності розподілу насіння та рослин зернових колосових культур по площі поля базується на методиці, що запропонована М.С. Шведиком. Як показали результати експериментів, накладання на попередньо зрізані рослини рамки розміром 0,50,5 м підвищує точність оцінки на 10%, використання ж рамки розміром 0,30,7 м доцільне лише для оцінки рівномірності розміщення рослин в рядку. Для полегшення обробки результатів, в польових умовах на плівці проводяться лінії границь зняття даних і навпроти кожної рослини робиться прокол і на ньому ставиться символ +. За критерії оцінки в базовій методиці прийнято коефіцієнт рівномірності з. Однак він не дозволяє в повній мірі оцінити рівномірність розподілу рослин (насіння) по площі поля, оскільки при однаковому його значенні посіви можуть бути загущеними або ж зрідженими. Тому було введено спеціальний термін - коефіцієнт густоти л локального розміщення рослин (насіння) по площі поля, величина якого визначається за формулою

, (7)

де - середня відстань між рослинами; - інтервал висіву насіння в рядку.

Коефіцієнт густоти локального розподілу може приймати значення, що знаходяться в межах від 0 до 2. Чим більш загущені посіви, тим ближче його значення наближається до нуля, а чим посіви рідші - тим ближче до двійки.

Суть розробленого експрес-методу оцінки рівномірності розміщення рослин по площі поля полягає в наступному: в лабораторних умовах під плівку з мітками розміщення рослин підкладається білий аркуш паперу і через кожний отвір робиться повторне проколювання та наноситься масштабний відрізок, а на кожному з проколів - точка; зображення сканується і в графічному редакторі перетворюється в 16-ти колірне (розміром 640n пікселів пропорційно), усуваються дефекти зображення, що пов'язані з неточностями сканування; обробка файлу проводиться за допомогою розробленої програми, на екрані монітора з'являється зображення з відмітками і координати кожної точки заносяться в базу даних. Далі методом триангуляції будуються трикутники і результати оцінки виводяться на екран монітора.

У четвертому розділі "Результати експериментальних досліджень" представлено результати експериментів з визначення впливу конструктивно-технологічних параметрів висівного апарата на рівномірність висіву насіння вздовж рядка, які показали, що:

- зростання кута б нахилу твірної конусного висівного елемента до його нижньої основи приводить до зниження рівномірність висіву насіння вздовж рядка. Це обумовлено тим, що при збільшенні б умови розвантаження комірчин погіршуються;

При зростанні кутової швидкості щ обертання висівного елемента рівномірність висіву насіння в рядку знижується. Це пояснюється тим, що зростання щ призводить до зменшення часу перебування комірчини в забірній камері і насінина не завжди встигає ввійти в комірчину і надійно до неї присмоктатись, що викликає висів з пропуском.

При зростанні радіуса R розміщення комірчин на поверхні висівного елемента рівномірність висіву насіння вздовж рядка знижується. Це обумовлено тим, що при зростанні R збільшується відцентрова сила, яка діє на насінину, що погіршує умови розвантаження комірчин.

Зменшення висоти h зернового шару в бункері висівного апарата з 1 м до 0,4 м на рівномірність висіву насіння вздовж рядка не впливає. Подальше її зменшення до h = 0,1 м також не чинить значного впливу на рівномірність висіву, однак зменшення висоти насіння в бункері нижче 0,1 м викликає різке зниження рівномірності висіву. Це обумовлено тим, що при h 0,1 м, величина сили тиску зернового шару є недостатньою щоб спричинити рух насіння до комірчини, внаслідок чого вона залишається порожньою;

Зміна величини розрідження H у вакуумній камері висівного апарата на рівномірність висіву насіння вздовж рядка не впливає; - при зростанні довжини дуги L охоплення висівного елемента насінням з 0,01 м до 0,03 м рівномірність висіву насіння вздовж рядка різко зростає і при L = 0,08 м рівномірність висіву сягає свого максимального значення, яке становить для насіння ячменю з = 0,97, жита з = = 0,96 і пшениці з = 0,94, що підтверджує результати теоретичних досліджень.

Оцінка рівномірності розподілу рослин (насіння) по площі поля показала, що: для координатно-однозернинного посіву здійсненого в лабораторних умовах коефіцієнт рівномірності розподілу насіння по площі біжучого поля становив 0,94, а коефіцієнт густоти локального розподілу насіння - 0,97; в польових умовах для координатно-однозернинного висіву коефіцієнт рівномірності розподілу рослин по площі поля становив 0,89, а коефіцієнт густоти локального розподілу рослин - 0,94; для вузькорядного висіву ці коефіцієнти відповідно становили 0,71 та 1,16.

В результаті реалізації багатофакторного експерименту було отримано математичну модель процесу висіву у вигляді рівняння регресії

, (8)

яке дало можливість оцінити ступінь впливу конструктивно-технологічних параметрів висівного апарата на рівномірність висіву насіння пшениці.

Запропонована імітаційна комп'ютерна модель дозволяє здійснити імітацію координатно-однозернинного висіву пневматичною сівалкою та провести оцінку рівномірності розподілу насіння по площі поля без проведення дорогого експерименту. Її суть полягає в тому, що вводяться вхідні дані (b, б, щ, R), за формулою (8) визначається величина розрахункової відстані між рослинами (), враховуючи величини та закони розподілу відхилень розміщення рослин по довжині та ширині рядка, що були отримані в польових умовах, на екрані монітора з'являється імітація руху сівалки із зображенням точок (насіння), координати яких заносяться в масив, проводиться оцінка рівномірності розподілу насіння по площі поля і результати розрахунків виводяться на екран монітора.

У п'ятому розділі "Реалізація результатів досліджень, прогнозування якості координатно-однозернинного висіву пневматичною сівалкою і техніко-економічне обґрунтування пневмомеханічного висівного апарата вакуумної дії" представлено результати польових випробувань експериментальної сівалки з розробленим висівним апаратом та результати розрахунку економічної ефективності її застосування.

Польові випробування експериментальної сівалки проводили в СГТзОВ "Україна" Луцького району Волинської області проводились в 1998-2001 роках з висівом насіння озимої пшениці "Поліська 90" на площі 6 га. Для цього була використана зернова сівалка СЗ-3,6А на лівій секції якої був встановлений експериментальний висівний апарат. Серійні котушкові висівні апарати лівої секції сівалки були відключені, а експериментальний висівний апарат був з'єднаний з сошниками за допомогою поліхлорвінілових насіннєпроводів з внутрішнім діаметром 10 мм. Привід висівного апарата здійснювався через редуктор за допомогою ланцюгової та клинопасової передач.

Проведено розрахунок економічної ефективності використання експериментальної сівалки з розробленим пневмомеханічним висівним апаратом внутрішнього заповнення. Розрахунковий річний економічний ефект становить 328173 грн.

Загальні висновки

1. На основі конструктивно-технологічного аналізу висівних апаратів для координатно-однозернинного висіву насіння, теоретичних та експериментальних досліджень встановлено, що для здійснення координатно-однозернинної сівби насіння зернових колосових культур найбільш ефективним є пневмомеханічний висівний апарат внутрішнього заповнення з конічним висівним елементом. Розроблена принципова схема висівного апарата, система однозернинного відбору насіння та розвантаження комірчин підвищують ймовірність заповнення комірчин висівного елемента насінням і повністю усувають його механічне пошкодження та подрібнення.

2. Вперше встановлено теоретичні закономірності процесу заповнення насінням комірчин, що розміщені на внутрішній поверхні конічного висівного елемента, та втримання насіння при транспортуванні до зони висіву. Теоретично доведено, що зміна положення точки дотику насінини, що розміщена в комірчині, з насіниною, яка знаходиться в забірній камері, викликає зміну напрямку сили притискання насінини до комірчини і призводить до її виштовхування з комірчини та висіву з пропуском. Тому з метою недопущення відриву насінини від комірчини під час її транспортування до зони розвантаження необхідно застосовувати розрідження.

3. На основі аналізу сил, що діють на насінину, яка знаходиться в комірчині висівного елемента під час його обертання, встановлено, що величина сили присмоктування насінини до комірчини залежить не тільки від фізико-механічних властивостей (, ) культури, яка висівається, але й від конструктивно-технологічних параметрів (, , , ) висівного елемента.

4. Вперше розроблено імітаційну комп'ютерну модель технологічного процесу однозернинного відбору насіння зернових колосових культур пневмомеханічним висівним апаратом вакуумної дії, яка дає можливість проаналізувати процеси, що відбуваються в ньому, і підтверджує достовірність проведених теоретичних досліджень та дозволяє обґрунтувати раціональні конструктивно-технологічні параметри висівного апарата.

5. Експериментальними дослідженнями встановлено, що при збільшенні кута нахилу твірної конусного висівного елемента до його нижньої основи з 30 до 50°, а також кутової швидкості обертання з 3 до 5 с-1 і радіуса розміщення комірчин на його поверхні з 0,08 до 0,12 м, рівномірність висіву насіння вздовж рядка знижується з 0,97 до 0,91.

6. Встановлено, що зменшення висоти зернового шару в бункері висівного апарата з 1 м до 0,4 м не впливає на рівномірність висіву насіння вздовж рядка. Не чинить значного впливу на рівномірність висіву також і подальше її зменшення до 0,1 м, однак її зменшення нижче даного значення викликає різке зниження рівномірності висіву. Тому для забезпечення стовідсоткового заповнення комірчин насінням необхідно, щоб висота зернового шару в бункері висівного апарата не опускалась нижче 0,1 м.

7. Експериментально доведено, що збільшення довжини дуги охоплення висівного елемента насінням з 0,01 до 0,03 м викликає підвищення рівномірності висіву насіння вздовж рядка. Встановлено, що при довжині дуги охоплення висівного елемента = 0,08 м рівномірність висіву сягає свого максимального значення, яке становить для насіння ячменю = 0,97, жита = 0,96 і пшениці = 0,94. Тому для забезпечення стовідсоткового заповнення комірчин насінням довжина дуги охоплення висівного елемента при = 0,08м і = 3 с-1 повинна становити не менше 0,08 м. При цьому збільшення величини розрідження у вакуумній камері висівного апарата відносно його оптимального значення на рівномірність висіву насіння не впливає.

8. На основі теоретичних і експериментальних досліджень та результатів комп'ютерного моделювання технологічного процесу висіву насіння встановлено, що для пневмомеханічного висівного апарата внутрішнього заповнення з конічним висівним елементом раціональні значення конструктивно-технологічних параметрів є наступними: = 30°, = 0,055…0,155 м, = 0,1…1 м, = 3 с-1. При цьому, для надійного утримання насінини в комірчині під час її транспортування до зони розвантаження, у вакуумній камері висівного апарата необхідно створити розрідження, глибина якого при висіві насіння пшениці, жита і ячменю повинна становити відповідно 0,00027 Н/м 2, 0,00018 Н/м 2 та 0,00036 Н/м 2.

9. Вдосконалено методику оцінки рівномірності розміщення насіння і рослин по площі поля в якій за критерії оцінки взято коефіцієнт рівномірності розподілу та коефіцієнт густоти їх локального розміщення по площі поля. Розроблено експрес-метод обробки дослідних даних, що підвищує точність обчислень в порівнянні з традиційним способом на 7....9 % та скорочує затрати часу на обробку в 20…25 разів.

10. Вперше розроблено імітаційну комп'ютерну модель для прогнозування якості координатно-однозернинного висіву пневматичної сівалки з експериментальним висівним апаратом, що, на основі рівняння регресії, яке відображає залежність середньої відстані між висіяним насінням від конструктивно-технологічних параметрів висівного апарата, дозволяє здійснити імітацію роботи сівалки і провести оцінку рівномірності розподілу насіння по площі поля без проведення польових випробувань.

11. На основі польових випробувань, які були проведені в СГТзОВ "Україна" Луцького району Волинської області на площі 6 га, встановлено, що в порівнянні з вузькорядною сівбою насіння зернових колосових культур (традиційна для господарства норма висіву 9,03 млн. шт/га) координатно-однозернинний висів (норма висіву 4,52 млн. шт/га) дав приріст врожаю 2,4 ц/га. Річний економічний ефект застосування експериментальної сівалки з пневмомеханічним висівним апаратом вакуумної дії при висіві насіння озимої пшениці "Поліська 90" становив 328173 грн. (354,65 грн./га).

Список опублікованих праць

1. Решетило О.М. Аналіз технологічного процесу вакуумного апарату точного висіву з внутрішнім заповненням насінням // Інженерна академія України. Волинське обласне відділення. Сільськогосподарські машини. Збірник наукових статей. Вип. 3. - Луцьк, 1997. - С. 140-142.

2. Решетило О.М. Методика оцінки рівномірності розміщення рослин зернових колосових культур по площі поля // Наукові нотатки. Вип. 8. - Луцьк, 2001. - С. 202-207.

3. Лотиш В.В., Решетило О.М. Оптимізація конструктивно-технологічних параметрів вакуумного висівного апарату внутрішнього заповнення за допомогою імітаційної комп'ютерної моделі // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. Наукові праці Кременчуцького державного політехнічного університету. - Вип. 2/2001 (11). - Кременчук, 2001. - С. 238-242.

4. Лотиш В.В., Решетило О.М. Експрес-метод оцінки рівномірності розміщення рослин по площі поля // Наукові нотатки. Вип. 10. - Луцьк, 2002. - С. 129-137.

5. Шведик М.С., Решетило О.М. Аналіз дії сили тиску зернового шару на насінину, що знаходиться в комірчині конічного висівного елемента при його обертанні // Наукові нотатки. Вип. 10 - Луцьк, 2002. - С. 248-254.

6. Шведик М.С., Решетило О.М. Вплив тиску зернового шару на кут нахилу твірної конусного висівного елемента до горизонту // Наукові нотатки. Вип. 11. - Луцьк, 2002. - С. 289-294.

7. Решетило О.М. Прогнозування роботи пневматичної сівалки точного висіву за допомогою імітаційної комп'ютерної моделі // Наукові нотатки. Вип. 13. - Луцьк, 2003. - С. 272-276.

8. Шведик М.С., Решетило О.М. Аналіз процесу заповнення насінням комірчин пневматичного висівного апарата // Інженерна академія України. Волинське обласне відділення. Сільськогосподарські машини. Збірник наукових статей. Вип. 12. - Луцьк, 2004. - С. 191-199.

9. Патент на корисну модель 515 А України, МКИ А 01С 7/04. Пневматичний висівний апарат / Шведик М.С., Решетило О.М., Пустюльга С.І., Зданевич І.В., Жуковський О.І. - №99010070; Заявл. 05.01.1999; Опубл. 15.09.2000. Бюл. №4. - 3 с.

10. Патент на винахід 31582 А України, МКИ А 01С 7/04. Пневматичний висівний апарат / Шведик М.С., Жуковський О.І., Божидарник В.В., Зданевич І.В., Решетило О.М. - №98095126; Заявл. 29.09.1998; Опубл. 15.12.2000. Бюл. №7-ІІ - 3 с.

11. Патент на винахід 31586 А України, МКИ А 01С 7/04. Пневматичний висівний апарат / Шведик М.С., Зданевич І.В., Божидарник В.В., Жуковський О.І., Решетило О.М. - №98095130; Заявл. 29.09.1998; Опубл. 15.12.2000. Бюл. №7-ІІ - 3 с.

12. Решетило О.М. Визначення сили опору переміщенню насінини при транспортуванні її у зону розвантаження у вакуумному висівному апараті // Тези Першого наукового симпозіуму. Сучасні проблеми інженерної механіки. - Луцьк, 2000. - С. 52.

Размещено на Allbest.ru