Размещено на http://www.allbest.ru/

Луцький державний технічний університет

УДК 631.331.85

Обґрунтування технологічного процесу та параметрів пневматичного апарата точного висіву насіння зернових колосових культур

Спеціальність 05.20.01-

Механізація сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Степанюк Оксана Миколаївна

Луцьк 1999

Дисертацією є рукопис висів насіння апарат однозерновий

Робота виконана у Луцькому державному технічному університеті

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Шведик Микола Степанович, Луцький державний технічний університет, завідувач кафедрою сільськогосподарського машинобудування

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Рогатинський Pоман Михайлович, Тернопільський державний технічний університет ім. Івана Пулюя, професор кафедри технології машинобудування

Кандидат технічних наук Насонов Василь Андрійович, Інститут механізації і електрифікації сільського господарства УААН, провідний науковий співробітник лабораторії посівних машин

Провідна організація: - Національний аграрний університет, м.Київ

Захист відбудеться 3 липня 1999 року о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 32.075.01 у Луцькому державному технічному університеті за адресою: 263018 м.Луцьк, вул. Львівська, 75, ауд.361.

Автореферат розісланий 2 червня 1999 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.Ф.Дідух

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Зернові колосові культури в зерновому балансі України займають провідне місце, і тому найважливішим завданням є підвищення врожайності та покращення якості зерна при застосуванні інтенсивних технологій їх виробництва. Одним з основних шляхів розв'язання цього завдання є вдосконалення існуючих способів сівби та технічних засобів для їх здійснення з заміною рядкового способу висіву на точний, що дасть можливість в 1,5…2,0 рази знизити норму висіву, створити оптимальні умови для проростання насіння і розвитку рослин, та за рахунок цього підвищити врожайність зернових колосових культур на 10…15%. До цього часу застосування точного висіву не отримало задовільного вирішення, оскільки існуючі висівні апарати і їх технологічні процеси є недосконалими і вимагають подальших досліджень.

У зв'язку з цим актуальною проблемою є дослідження технологічного процесу однозернового висіву та параметрів пневматичного висівного апарата для його реалізації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження є частиною робіт, виконаних у відповідності до державних науково-технічних програм ДКНТП з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки. Шифр завдання 21д/б-96-97 “Розробка і дослідження пристроїв для рівномірного розподілу насіння зернових колосових культур по площі поля і глибині їх заробки”.

Мета роботи: розробка та дослідження технологічного процесу однозернового висіву насіння зернових колосових культур пневматичним висівним апаратом точного висіву та механіко-технологічне обгрунтування його параметрів.

Задачі дослідження: теоретично встановити закономірності процесу заповнення комірок висівного апарата насінням та їх утримання під час транспортування в зону висіву; визначити вплив конструктивних і технологічних параметрів висівного апарата на процес рівномірності висіву насіння зернових колосових культур; розробити математичну модель технологічного процесу однозернового відбору насіння зернових колосових культур; провести експериментальні дослідження пневматичного висівного апарата і оптимізувати його параметри і режими роботи; дати економічну оцінку ефективності застосування сівалки точного висіву насіння зернових колосових культур.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі досліджень технологічного процесу однозернового висіву встановлено основні закономірності механізму входження насінини в комірку, розроблено теоретичні основи визначення впливу зовнішніх сил на утримання насінини в процесі її транспортування в зону висіву, отримано теоретичні і екпериментальні залежності для визначення конструктивно-технологічних параметрів висівного апарата, розроблено математичну модель технологічного процесу однозернового висіву та методику оцінки рівномірності розподілу насіння по площі поля.

Практичне значення одержаних результатів. За результатами теоретичних і експериментальних досліджень розроблено нову конструкцію пневматичного апарата з конічним висівним елементом, який забезпечує якісне виконання технологічного процесу однозернового висіву з високою рівномірністю розподілу по площі поля, що забезпечує приріст врожаю на 4…5ц/га. Застосування сівалки з розробленим висівним апаратом в порівнянні з рядковою сівалкою зменшує норму висіву в 1,5…2,0 рази. Розроблена методика інженерного розрахунку дозволяє вибрати оптимальні значення конструктивно-технологічних параметрів висівного апарата і режимів його роботи.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною науковою роботою, в яку увійшли дослідження автора виконані за період навчання в аспірантурі та роботи в ЛДТУ з 1993 по 1998 рік під керівництвом кандидата технічних наук, доцента Шведика М.С. Автором досліджено технологічний процес однозернового висіву насіння зернових колосових культур, розроблено математичну модель технологічного процесу, визначено вплив конструктивно-технологічних параметрів пневма-тичного висівного апарата на процес рівномірності висіву насіння зернових колосових культур.

В роботах виконаних у співавторстві з Шведиком М.С. теоретично досліджено роботу вакуумного апарата точного висіву, дисертанту належить визначення впливу зовнішніх сил на утримання насінини в комірці в процесі її транспортування в зону висіву.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідались і отримали позитивну оцінку на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ЛІІ (Луцьк, 1993-1997рр.), на засіданні вченої ради машинобудівного факультету (Луцьк, 1995р.), на засіданні викладачів і аспірантів кафедри сільськогосподарського машинобудування ЛДТУ (Луцьк, 1999р.). Повний зміст дисертаційної роботи був заслуханий в НАУ на спільному засіданні кафедр СГМ, механіки і ТММ, тракторів і автомобілів.

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено у 9 друкованих працях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота включає вступ, п'ять розділів, загальні висновки та пропозиції, список використаної літератури (назв 120, з них іноземною мовою 11) та додатки. Загальний обсяг дисертації становить 220 сторінок, в тому числі 140 сторінок основного тексту, рисунків 57, таблиць 4.

Основний зміст роботи

Розділ 1. Стан питання та задачі дослідження. Проведено аналіз основних факторів, який показує, що на процес формування врожаю зернових колосових культур найбільше впливає рівномірність розміщення насіння по площі поля, яка досягається при точному висіві і головним завданням, що ставиться перед однозерновим висівом, є здійснення рівномірного розміщення насіння по площі поля. Актуальність цього завдання, в зв'язку з інтенсифікацією сільськогосподарського виробництва постійно зростає і над його вирішенням працює багато дослідників.

Наукові основи точного висіву насіння викладені в працях С.В.Кардашевського, Г.М.Бузенкова, В.П.Чичкіна, В.С.Басіна, Л.В.Погорілого, В.П.Гудзя, В.А.Зирянова, В.А.Насонова і інших вчених. В своїх дослідженнях вони охопили широке коло питань, що стосується однозернового висіву насіння і незалежно один від одного прийшли до висновку - основним в роботі висівного апарата є індивідуальний відбір насіння з загальної маси і його транспортування в зону висіву. Ними встановлено, що найефективнішим висівним апаратом для здійснення однозернового висіву є вакуумний висівний апарат. Але в світовій практиці зернові сівалки точного висіву поки що не знайшли застосування, відомі тільки експериментальні зразки. На Україні сівалки точного висіву знаходяться на стадії дослідно-конструкторських розробок і лабораторних досліджень окремих зразків. Разом з тим, відомі теоретичні і експериментальні дослідження проводились для забезпечення висіву технічних культур і отримані аналітичні залежності для визначення сили присмоктування і глибини розрідження всередині існуючих висівних апаратів фактично не дозволяють отримати значення параметрів для надійного однозернового відбору і утримання насіння зернових колосових культур в комірках. У відповідності з поставленою метою в роботі передбачалось вирішити такі завдання:

Теоретично встановити закономірності механізму заповнення комірок висівного апарата насінням та їх утримання під час транспортування в зону висіву.

Визначити вплив конструктивних і технологічних параметрів висівного апарата на процес рівномірності висіву насіння зернових колосових культур.

Розробити математичну модель технологічного процесу однозернового відбору насіння зернових колосових культур.

Провести експериментальні дослідження пневматичного висівного апарата насіння зернових колосових культур і оптимізувати його параметри і режими роботи.

Дати економічну оцінку ефективності застосування сівалки точного висіву насіння зернових колосових культур.

Розділ 2. Теоретичні дослідження. На основі аналізу технічних засобів, які використовуються для точного висіву насіння зернових колосових культур, нами прийнята до розробки схема пневматичного апарата з конічним висівним елементом встановленим на вертикальній осі, на конусній поверхні якого розміщені комірки. Висівний елемент знаходиться в бункері і при обертанні навколо вертикальної осі з постійною кутовою швидкістю в суцільному зерновому шарі, своїми комірками захоплює насіння і виносить його в зону висіву. При цьому центри комірок, що лежать в одній горизонтальній площині, розміщені на горизонтальних колах, радіуси яких, в міру переходу від одного кола до другого вниз зменшуються і їх мінімальне та максимальне значення визначають за формулами:

; , (1)

де - мінімальна відстань між центрами комірок; п0 - кількість комірок на одному колі розміщення; b - відстань між колами розміщення комірок; np - число рядів насіння; - кут нахилу твірної висівного елемента.

Покращення процесу рівномірності висіву залежить від якості однозернового відбору насіння комірками висівного апарата з загальної маси насіння в бункері і їх розвантаження.

Встановлено, що на процес входження насінин в комірку впливає лобовий Pл і бічний Рб тиск зернового шару та сили тертя Fб між насіниною розміщеною в комірці і насінням в бункері. Розташування насіння біля комірки при обертанні висівного елемента в бункері, показано напрямок дії сил в точках контакту насінин і отримано формули для визначення їх значень:

, (2)

, (3)

. (4)

де kд - поправний коефіцієнт, який враховує динамічність навантаження; - щільність насіння в бункері; g - прискорення вільного падіння; h - глибина розташування насінини під шаром насіння; n1 - коефіцієнт бічного тиску; mид - 0,18/f - коефіцієнт рухливості вантажу; f - коефіцієнт тертя між насінням в бункері; m- маса насінини; - кут нахилу твірної висівного елемента; - радіус кола центру комірок для j-го ряду насіння, - відстань між центрами комірок на j-го ряду насіння, lн- довжина насінини, яка знаходиться в комірці, lк- довжина комірки, b і a - велика і мала півосі еліпса.

Вид насінини збоку зображений у вигляді кола, а вид насінини по стрілці А показаний як еліпс. На схемах проведена система координат xO1yz з початком в центрі О1 насінини 1, вісь х проведена в напрямку руху центра насінини по дотичній до його траєкторії, вісь y проведена в напрямку дії присмоктуючої сили, а вісь z перпендикулярно площині хО1у по твірній конуса в напрямку протилежному осі обертання висівного елемента.

Для визначення впливу присмоктуючої сили на насінину було розглянуто умову рівноваги сил, що діють на насінину при обертанні конічного висівного елемента в суцільному зерновому шарі, обмеженому стінками бункера, з якої було визначено силу присмоктування насінини до комірки.

Розглядаючи насінину як тверде тіло, складено рівняння рівноваги насінини в вигляді сум проекцій сил на осі х, у і z, а також моментів сил відносно осі z.

; (5)

(6)

; (7)

(8)

Розв'язавши систему рівнянь, отримали формулу для визначення присмоктуючої сили, яка утримує насінину в комірці.

(9)

Аналіз виразу (9) показав, що величина сили присмоктування насінини до комірки висівного елемента залежить як від фізико-механічних властивостей насіння зернових колосових культур (m, g, lн, r, f), так і від технологічних (, h) і конструктивних (r0, , ) параметрів висівного апарата. При цьому сила присмоктування Рпр із збільшенням маси m насіння, кутової швидкості обертання висівного елемента, його радіуса r0 також збільшується. Тому при теоретичному визначенні величини сили присмоктування в вираз (9) необхідно підставляти максимальні значення вище вказаних параметрів.

Графічні залежності присмоктуючої сили від кута нахилу твірної висівного елемента при різній висоті h зернового шару в бункері та кутовій швидкості обертання висівного елемента приведені на рис. 4. Аналіз графіків показує, що при зменшенні висоти h зернового шару в бункері до 0,1м і кутовій швидкості обертання висівного елемента до 3рад/с насінина надійно утримується в комірці і транспортується до зони розвантаження без присмоктуючої сили. Із збільшенням кутової швидкості до 5…6рад/с різко зростає відцентрова сила, яка відриває насінину від комірки і для забезпечення надійного однозернового висіву сила присмоктування повинна становити не менше 0,06Н. Оптимальне значення кута нахилу твірної висівного елемента при висоті зернового шару h=0,1-0,4м знаходиться в межах 200-400.

В дисертаційній роботі розглянуто процес входження насінини в комірку. Встановлено, що шлях, який проходить насінина від моменту присмоктування до розвантаження є дугою заповнення, яка визначається з виразу

, (10)

де - радіус кола розміщення насінин, який визначається за формулою (1); - кутова швидкість обертання висівного елемента; t - час заповнення комірки насіниною; Р=0,12 - ймовірність надійного розміщення насінини в комірці.

Для визначення часу t необхідного для заповнення комірок насіниною розглянуто схему сил, які діють на насінину при її входженні в комірку.

Розглянувши рух насінини в площині хО1у (рис. 5) склали диференціальні рівняння руху насінини в проекціях на осі х1 та у1:

;(11)

; (12)

де Рл - сила лобового тиску, яка заштовхує насінину в комірку; Fтр - сила тертя між насіниною і краєм комірки в точці А; Рпро - присмоктуюча сила, яка притягує насінину з шару насіння бункера до комірки; Рвц - відцентрова сила; Рб - сила бічного тиску зі сторони шару насіння зернового бункера; Fб - сила тертя між насіниною розміщеною в комірці і насінням в бункері; N - сила реакції з боку комірки на насінину.

Проінтегрувавши вирази (11) і (12), отримали рівняння:

(13)

З врахуванням виразів (2), (3), (4) визначено t, який необхідний для заповнення комірок насінням

, (14)

Розрахунки показали, що максимальний час входження насінини в комірку становить t=0,045с, що відповідає довжині дуги сектора заповнення L=0,12м.

Розділ 3. Програма і методика експериментальних досліджень. Приведена програма досліджень, описано лабораторну установку і методику проведення досліджень.

Програмою експериментальних досліджень передбачено: визначити напрямок переміщення насіння під час обертання висівного елемента; визначити вплив форми комірки на якість їх заповнення насінням; визначити вплив кута нахилу твірної конічного висівного елемента, кутової швидкості його обертання, глибини розрідження всередині висівного елемента, висоти зернового шару в бункері на процес рівномірного висіву насіння вздовж рядка; визначити максимально-допустиму довжину дуги сектора заповнення комірок висівного елемента насінням; розробити методику оцінки рівномірності розподілу насіння по площі поля.

За критерій оцінки якості роботи висівного елемента прийнято коефіцієнт варіації і показник середньої рівномірності розміщення насіння по площі поля.

Для проведення польових досліджень було розроблено і виготовлено експериментальну установку сівалки точного висіву з новими пневматичними висівними апаратами. Досліди проводились як у лабораторних так і в польових умовах.

Розділ 4. Результати експериментальних досліджень. Лабораторні дослідження впливу конструктивних і технологічних параметрів пневматичного висівного апарата на рівномірність висіву насіння підтвердили теоретичні дослідження. Встановлено, що найбільш висока рівномірність розподілу насіння по площі поля досягається при установці висівного елемента з кутом нахилу твірної в межах 200-300, а застосування висівного елемента радіусом більше 0,20…0,25м є недоцільним, оскільки подальше підвищення рівномірності висіву є незначним, а матеріаломісткість конструкції висівного апарата різко зростає.

Дослідження також показали, що при робочій швидкості обертання висівного елемента 3…4рад/с оптимальне значення довжини дуги L сектора заповнення комірок для насіння пшениці знаходиться в межах L=0,11-0,13м, жита- L=0,07-0,11м і ячменю - L=0,11-0,14м (рис.8), а глибина розрідження становить відповідно насіння пшениці Н=350-450Па, жита Н=220-300Па, ячменю Н=450-500Па. При цьому рівномірність висіву для пшениці, жита і ячменю знаходиться відповідно в межах =97-98%, =95-97%, =91-93%.

Досліджуючи вплив висоти зернового шару на процес рівномірного розміщення насін-ня по площі поля помітили, що висота h1 зернового шару в бункері над рівнем верхньої основи висівного елемента на всіх режимах роботи, практично не впливає на рівномірність висіву, оскільки при опусканні зернового шару до мінімального значення 0,01м рівня верхньої основи висівного елемента, зерновий шар знаходиться в рухомому стані і по стінках бункера скочується до комірчин, що полегшує процес однозернового відбору насіння.

Але враховуючи рельєф поля, який проявляється при спуску і підйомі сівалки, верхня частина висівного елемента може частково оголитися і верхній ряд комірок не буде заповнений. Тому, щоб уникнути пропусків необхідно, щоб мінімально-допустимий рівень зернового шару в бункері над верхньою основою висівного елемента становив не менше 0,01…0,03м. Висота забірної камери h2 під нижньою основою бункера повинна становити 0,04…0,05м, що забезпечує 98% заповнення комірчин насінням.

В результаті реалізації багатофакторного експери-менту отримано математичну модель процесу висіву у вигляді рівняння регресії другого порядку, яке дало можливість оцінити вплив параметрів апарата на рівномірність висіву насіння пшениці: у=52,93+0,66х1-0,76х2+0,22х3-0,14х1х2-0,008х1х3+0,012х2х3 +3,54х11+3,53х22 де х1, х2, х3 - кодовані значення факторів, відповідно х1 - розрідження всередині висівного елемента; х2 - висота зернового шару в бункері; х3 - кутова швидкість обертання висівного елемента.

За цими рівняннями побудовані поверхні відгуку (рис.9), які показують залежність рівномірності висіву від розрідження Н всередині висівного елемента, від висоти зернового шару в бункері та кутової швидкості його обертання.

Аналіз графічних залежностей показав, що оптимальна кутова швидкість обертання висівного елемента становить =3рад/с, глибина розрідження Н=450Па, а висота зернового шару насіння в бункері h =0,03м.

Проведені дослідження по визначенню впливу глибини загортання насіння на польову схожість показали, що при глибині загортання 2…3см польова схожість становить 96,2%.

Розділ 5. Реалізація результатів досліджень та їх економічна ефективність. Випробування сівалки точного висіву з розробленим пневматичним висівним апаратом проводили на полях КСП “Прогрес” Луцького району Волинської області.

Польові випробування проводились у 1996-1998 роках з висівом насіння озимої пшениці “Миронівська-61” на площі 6 га. Два виготовлених висівних апаратів встановлювались на експериментальній сівалці з шириною міжрядь 0,05м та шириною захвату 2,1м.