Размещено на http://www.allbest.ru/

Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО "Донской государственный аграрный университет"

Технические науки

Повышение эффективности захвата семян дозирующими элементами высевающего аппарата сеялки точного высева

Несмиян Андрей Юрьевич

к. т. н., доцент

Должиков Валерий Викторович

к. т. н.

Черемисин Юрий Михайлович

к. т. н., доцент

Асатурян Сергей Вартанович

к. т. н., доцент

г. Зерноград Ростовской области, Россия

Аннотация. К посеву пропашных культур предъявляют особые требования. В отличие от зерновых, они высеваются в рядок с определенным шагом, позволяющим обеспечить рациональное размещение растений по площадям питания. За счет этого создаются необходимые условия для их дальнейшего роста и получения высоких урожаев. Во всем мире для посева пропашных культур чаще всего применяют пневматические сеялки точного высева, оборудованные вакуумными высевающими аппаратами, от работы которых во многом зависит качество выполнения операции. В работе вакуумного высевающего аппарата можно выделить несколько основных этапов, среди которых одним из наиболее ответственных является процесс захвата единичного семени и выноса его из слоя других семян присасывающим отверстием высевающего диска.

Проведенный анализ работ позволил сделать вывод, что воздействие ворошителя на слой семян в зоне их захвата присасывающими отверстиями значительно повышает эффективность этого процесса. С целью активизации рабочего процесса центрального ворошителя авторы предлагают изготавливать его лопасти таким образом, чтобы их рабочие грани были обращены в направлении вращения ворошителя и к плоскости высевающего диска. Это позволит использовать ворошитель не только для активизации слоя семян, но и для поддавливания их к присасывающим отверстиям высевающего диска.

В статье представлено обоснование предложенной конструкции ворошителя, приведены результаты сравнительных экспериментальных исследований серийного и модернизированного вакуумных высевающих аппаратов и анализ полученных данных, сформулированы выводы

Ключевые слова: СЕЯЛКА ТОЧНОГО ВЫСЕВА; ВАКУУМНЫЙ ВЫСЕВАЮЩИЙ АППАРАТ; МОДЕРНИЗАЦИЯ, ВОРОШИТЕЛЬ СЕМЯН, ДОЗИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ; ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ДОЗИРОВАНИЯ СЕМЯН; ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ворошитель посев пропашная культура

Пропашные культуры - важный и перспективный источник продовольствия, кормов и промышленного сырья [1]. Они высокоурожайны, многие из них засухоустойчивы, некоторые пропашные культуры могут представлять интерес для производителей биоэтанола, большинство имеют высокую кормовую ценность. Расширение посевов пропашных культур будет способствовать решению многих частных подпрограмм и приоритетных задач, приведенных в постановлении правительства РФ № 717 от 14 июля 2012 года [2]. Уровень производства пропашных культур в последние годы возрастает, например, с 2002 по 2012 гг. в Российской Федерации площади посевов сахарной свеклы увеличились примерно в 1,41 раза, подсолнечника - в 1,58 раза, кукурузы на зерно - более чем в 3 раза. В целом площади посевов пропашных культур в стране выросли более чем на 2,4 млн. га [3].

Одной из наиболее важных и в то же время трудоемких операций, реализуемых в технологиях возделывания пропашных культур, является посев [4], качество и, особенно в зонах засушливого земледелия, сроки выполнения которого в значительной степени влияют на урожайность. Так, например, установлено, опережение или запаздывание сроков посева относительно оптимальных на 7-14 дней, приводит к недобору 7…34% урожая [5, 6].

Высокая трудоемкость этой операции обусловлена низкой производительностью посевных агрегатов, связанной с их незначительными рабочими скоростями (V_ср?7,7 км/ч), при том, что предприятиями разработаны и серийно выпускаются сошниковые группы, позволяющие производить качественную заделку семян на скоростях до 10…12 км/ч даже на неподготовленных (стерневых) фонах. Однако уже при скоростях 6…8 км/ч, работа высевающих аппаратов не соответствует предусмотренному агротребованиями допуску [7]. Таким образом, повышение производительности высевающих аппаратов сеялок точного высева является перспективными направлением совершенствования технологических комплексов для возделывания пропашных культур, позволяющим не только повысить эффективность технологии в целом, но и уменьшить количественный состав необходимого машинно-тракторного парка [4].

В процессе работы высевающих аппаратов современных пропашных сеялок можно выделить несколько этапов. Первый этап дозирования семян, их захват и вынос из семенной камеры, происходит благодаря силе трения F (рис.1) высевающего диска о присасываемое семя [4]. При этом на семя действуют и силы сопротивления выносу: сила трения прилежащего слоя семян о присасываемую частицу Р_ТР, сила вертикального давления вышележащего слоя семян Р_В, центробежная сила Р_Ц, сила сопротивления вышележащего слоя семян Р, сила тяжести mg, сила инерции , силы инерции Р_ИН1 и Р_ИН2, обусловленные воздействием микро - и мезоколебаний из-за неровностей агрофона. Условно к силам сопротивления можно отнести и силу подпора семян ворошителем Р_ПВ с обратным знаком. Захват и вынос семени из семенной камеры обеспечивается, если выполняется условие

, (1)

где R - равнодействующая сил сопротивления, действующих на семя, Н.

Рисунок 1 - Схема сил, действующих на присасываемое семя в слое семян

Считается, что если случайная величина формируется под влиянием множества факторов, среди которых ни один не имеет превалирующего значения, то ее распределение в подавляющем большинстве случаев подчиняется нормальному закону распределения (распределение Гаусса).

В связи с этим можно предположить, что силовые характеристики процесса захвата и выноса семян из семенной камеры также подчинены нормальному закону распределения. Отношения сил при этом варьируются в диапазоне от

до .

Тогда вероятность образования нулевой подачи может быть определена исходя из зависимости

, (2)

так как функция распределения случайной величины согласно принятым допущениям носит нормальный характер с математическим ожиданием равным и при значении относительной величины ординаты =1.

С учетом приведенных выражений в среде MathCAD аналитически были определены зависимости вероятности образования нулевых подач от угловой скорости высевающего диска при дозировании семян подсолнечника и кукурузы (рис.2).

При расчетах принимались усредненные значения физико-механических свойств семян, величина разрежения в вакуумной камере для подсолнечника - 4 кПа, для кукурузы - 4,5 кПа, диаметр дозирующих элементов 3 и 5 мм соответственно.

Рисунок 2 - Зависимости вероятности образования нулевых подач присасывающими отверстиями от угловой скорости высевающего диска

Полученные зависимости позволили установить, что при увеличении угловой скорости высевающего диска свыше 4…4,5 рад/с вероятность появления "нулевых" подач семян превышает допустимые агротребованиями 2% уже на начальном этапе дозирования, что подтверждается экспериментально.

Одним из способов повышения вероятности захвата семян дозирующими элементами является применение периферийных ворошителей, в том числе пневматических [8], однако, конструктивно более простой представляется модернизация центрального ворошителя семян.

Например, частоту образования нулевых подач можно снизить путем оснащения центрального ворошителя дополнительными лопастями, расположенными так, чтобы их рабочие грани были обращены в направлении вращения ворошителя и к плоскости высевающего диска (рис.3). Это позволит использовать ворошитель не только для активизации слоя семян, но и для подпора их к присасывающим отверстиям высевающего диска [9, 10].

1 - корпус; 2 - высевающий диск; 3 - прокладка; 4 - предлагаемый ворошитель семян; 5 - семенная камера; 6 - вакуумная камера;

7 - сбрасыватель "лишних" семян

Рисунок 3 - Схема аппарата с предложенным ворошителем семян

Условие выноса единичного семени из слоя семян (рис.4 а) в упрощенной форме можно выразить неравенством

, (3)

где - равнодействующая сил, способствующих выносу семени, Н; - равнодействующая сил сопротивления выносу семени, Н.

Сила определяется двумя основными составляющими - силой трения высевающего диска о семя (F) и силой подпора семени через слой семян со стороны ворошителя (Р_ПВ). Равнодействующая сил сопротивления включает силу трения прилежащего слоя семян о выносимое семя, лобовое сопротивление вышележащего слоя семян, центробежную силу, силу тяжести, силу инерции и т.д. В проекции на ось х, проходящую через центр тяжести семени и лежащую в одной плоскости, нормальной к поверхности высевающего диска, с силой подпора семян со стороны ворошителя Р_ПВ (рис.4 а), условие выноса единичного семени из слоя семян можно отобразить в виде

F_х + Р_ПВх > R_x, (4)

где F_х, Р_ПВх, R_x - проекции соответствующих сил на ось х.

Рисунок 4 - Схема к определению условия выноса семени из слоя

В случае применения серийного ворошителя (рис.4 б) силу подпора с его стороны на присасываемое семя с определенным приближением можно считать направленной параллельно плоскости высевающего диска, т.е. Р_ПВ = Р_ПВх.

Силу трения поверхности высевающего диска после ряда допущений, преобразований и упрощений можно определить как

, (5)

где Р_пр - сила присасывания, действующая на семя, Н; - угол трения семян о поверхность высевающего диска, град. С учетом выражения (6) условие (5) примет вид

. (6)

где - в данном случае угол, характеризующий взаимное расположение присасываемого семени и лопасти ворошителя, град.

При применении предлагаемого ворошителя с лопастями, обращенными к поверхности высевающего диска (рис.4 в), значение проекции силы Р_ПВ на ось х определяется как

, (7)

где г - угол наклона рабочей поверхности дополнительной лопасти ворошителя к плоскости высевающего диска, град.

Пренебрегая боковой составляющей поддавливания вышележащего слоя семян, сила трения поверхности высевающего диска о семя при применении предложенного ворошителя равна

. (8)

Тогда условие выноса семени из слоя

. (9)

Сравнивая выражения (6) и (9) можно сделать вывод, что применение дополнительных лопастей ворошителя эффективно в том случае, если

(10)

В неравенстве (10) угол переменный, его уменьшение приводит к увеличению эффективности действия ворошителя, что естественно, т.к. чем ближе лопасть ворошителя к семени, тем активнее она на него воздействует.

Определим рациональный угол установки лопастей предлагаемого ворошителя к плоскости высевающего диска, исходя из условия

. (11)

Для нахождения экстремума продифференцируем выражение (11) и, после необходимых проверок, приравняем полученную зависимость к нулю

или. (12)

Откуда следует, что рациональное значение угла г

=arc. (14)

В высевающих аппаратах большинства российских и зарубежных сеялок применяют высевающие диски, выполненные из нержавеющей стали. Для семян наиболее распространенных пропашных культур значение ц_ст находится в интервале от 20-25° (клещевина, кукуруза) до 35-40° (свекла, бахчевые). Для инженерного расчета примем усредненное значение ц_ст=30°, тогда рациональное значение угла г=60°. На рисунке 5 представлено графическое отображение неравенства (11) при данном значении г.

Рисунок 5 - Кривая эффективности применения предложенного ворошителя семян

Из графика, представленного на рисунке 5, видно, что применение усовершенствованного ворошителя позволит добиться увеличения захватывающей способности семян дозирующими элементами примерно на 10%. При этом число его дополнительных лопастей должно быть больше шести, так ка функция больше единицы при условии, что ?60⁰.

Для проверки предположения, что применение ворошителя с дополнительными лопастями (рисунок 6) позволяет повысить вероятность захвата семян дозирующими элементами высевающего диска, а также для определения рациональных значений отдельных параметров такого ворошителя был проведен ряд экспериментов, в которых сравнивались показатели работы серийного и модернизированного высевающих аппаратов.

а - сеялки МС-8; б - сеялки СПК-8

Рисунок 6 - Ворошители семян с дополнительными лопастями

На первом этапе был проведен ряд экспериментов при различных углах установки дополнительных лопастей ворошителя (от 35 до 65 град при количестве лопастей ворошителя n=9 шт), в которых определялись следующие показатели: р₀, р₁, р₂ - частость нулевых, одно - и двухштучных подач (к ним приравнивались также и тройные подачи), М - средняя подача семян отверстиями высевающего диска, у - среднее квадратическое отклонение подачи семян и m₀ - относительная ошибка опыта.

Эксперименты проводились при высеве семян тыквы сорта "Серая Волжская" высевающим аппаратом сеялки СПК-8 и семян подсолнечника гибрида "Пионер " высевающим аппаратом сеялки МС-8 (ранее СПБ-8К) на универсальном компьютеризированном стенде [11]. При проведении экспериментов были заданы следующие параметры и режимы работы аппарата: при высеве тыквы: угловая скорость высевающего диска щ=2,4 рад/с; разрежение в вакуумной камере Н=3,0 кПа; диаметр отверстий высевающего диска d₀=6,0 мм; при высеве подсолнечника: угловая скорость высевающего диска щ=4,8 рад/с; разрежение в вакуумной камере Н=4,0 кПа; диаметр отверстий высевающего диска d₀=3,0 мм.

Сбрасыватель лишних семян был зафиксирован в одном положении. Опыты проводились в трех повторностях, число подач каждой повторности - 400 шт. Дополнительно была проведена оценка работы вакуумного высевающего аппарата без ворошителя семян.

Результаты экспериментов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты исследования влияния конструкции ворошителя на качество работы вакуумного высевающего аппарата

Анализ данных таблицы позволяет сделать следующие выводы: ворошитель семян является важным элементом в конструкции вакуумного высевающего аппарата. Его отсутствие приводит к значительному снижению захватывающей способности присасывающих отверстий высевающего диска, при этом частота нулевых подач возрастает до 20-40%, что многократно превышает допустимые агротребованиями пределы; применение дополнительных лопастей ворошителя при высеве тыквы и подсолнечника позволило сократить вероятность образования нулевых подач на 30…50% по сравнению с серийными высевающими аппаратами. Причем при высеве семян с более сложными физико-механическими свойствами (тыква) показатели эффективности предложенного усовершенствования возрастают; увеличение угла наклона дополнительных лопастей ворошителя к плоскости высевающего диска с 35 до 65⁰ привело к повышению вероятности захвата семян, частота нулевых подач при этом снизилась на 12…14%. Однако следует отметить, что снижение вероятности нулевых подач при увеличении значения данного угла более 55⁰ мало и находится в пределах статистической ошибки.

С целью определения влияния количества и размеров дополнительных лопастей на работу аппарата, в экспериментах испытывались различные варианты модернизации ворошителя: с тремя, шестью, девятью и двенадцатью дополнительными лопастями (рисунок 7) при углах их установки к плоскости высевающего диска - 55⁰.

а - с тремя лопастями; б - с шестью лопастями; в - с девятью лопастями; г - с двенадцатью лопастями

Рисунок 7 - Блоки дополнительных лопастей ворошителя

Эксперимент проводился при высеве семян сахарной свеклы крупной фракции при разрежении в вакуумной камере Н=2,5 кПа, диаметре присасывающих отверстий - 2,2 мм и числе отверстий на высевающем диске - 40 шт. Аналогичный эксперимент производился на семенах кукурузы гибрида Рик 340МВ при разрежении в вакуумной камере Н=4,5 кПа, диаметре присасывающих отверстий - 5,0 мм, числе отверстий на диске - 20 шт. Угловая скорость устанавливалась на трех уровнях: щ₁=1,6 рад/с; щ₂=2,8 рад/с; щ₃=4,0 рад/с. Каждый опыт проводился в трех повторностях, число подач каждой повторности - 300 шт.

На рисунке 8 представлены зависимости частоты образования нулевых подач от числа дополнительных лопастей ворошителя.

а - при высеве семян сахарной свеклы; б - при высеве семян кукурузы

Рисунок 8 - Частота нулевых подач семян высевающими аппаратами с различным количеством дополнительных лопастей ворошителя

Из данных рисунка можно сделать вывод, что увеличение числа дополнительных лопастей ворошителя приводит к снижению вероятности образования нулевых подач, причем показатели эффективности более очевидны при высоких значениях угловой скорости высевающего диска. Однако следует отметить, что изменение вероятности образования нулевых подач происходит экспоненциально и при числе дополнительных лопастей более девяти изменения числа "пропусков" практически не происходит.

В целом проведенное исследование позволило заключить, что использование дополнительных лопастей ворошителя семян является перспективным направлением совершенствования вакуумных высевающих аппаратов, позволяющим повысить захватывающую способность присасывающих отверстий высевающего диска и способствующее сокращению вероятности образования нулевых подач на 30…50%, а в отдельных случаях - до 70%. При этом рациональным можно считать наличие 9…12 дополнительных лопастей при углах их установки к плоскости высевающего диска 55…65⁰.

Использованная литература

1. Большая советская энциклопедия (в 30 томах) / Гл. редактор А.М. Прохоров // Изд.3-е. - Москва: "Советская энциклопедия", 1975. - Т. 20. - 1975. - С.97.

2. Постановление Правительства РФ от 14 июля 2012 г. N 717 "О Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы". Опубликовано 7 августа 2012 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.garant.ru/products/ ipo/prime/doc/70110644. Дата обращения - 09.01.2014.

3. Посевные площади основных сельскохозяйственных культур под урожай 2011 года [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: // www.gks.ru/bgd/free. - Дата обращения - 20.12.2013.

4. Оптимизация вакуумных высевающих аппаратов пропашных сеялок: монография/ А.Ю. Несмиян, В.И. Хижняк, В.В. Должиков, А.В. Яковец, Д.Е. Шаповалов. - Зерноград, ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2013. - 186 с.

5. Бондарь, И.В. Агроэкологические основы оптимизации сроков сева кормовой свеклы в условиях потепления климата / В.И. Бондарь. - Земледелие, № 5. - 2013. - С.30.

6. Багринцева, В.Н. Влияние раннего срока сева на урожайность новых гибридов кукурузы / В.Н. Багринцева, Г.Н. Сухоярская, С.В. Никитин. - Земледелие, № 6 - 2011. - С.31.

7. http://sistemamis.ru/protocols/vid/2/. - Дата обращения - 01.10.2013 г.

8. Пат.ru 2230446, МПК⁷ А 01 С 7/04. Пневматический высевающий аппарат / П.Я. Лобачевский, Ю.М. Черемисин, А.Ю. Несмиян, В.И. Хижняк, А.С. Реуцкий // Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия. - № 2002125547/12, заявл.24.09.2002; опубл. 20.06.2004, бюл. № 17. - 12 с.

9. Пат.ru 2215396, МПК⁷ А 01 С 7/04. Пневматический высевающий аппарат / П.Я. Лобачевский, А.Ю. Несмиян, В.И. Хижняк, Ю.М. Черемисин // Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия. - № 2001128311/13, заявл.18.10.2001; опубл.10.11.2003, бюл. № 31. - 8 с.

10. Пат.ru 2363129, МПК⁷ А 01 С 7/04. Пневматический высевающий аппарат / П.Я. Лобачевский, В.В. Шумаков, А.Ю. Несмиян, В.И. Хижняк, Ю.М. Черемисин // Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия". - № 2008115984/12, заявл.22.04.2008; опубл.10.08.2009, бюл. № 22. - 4 с.

11. Лобачевский, П.Я. Стенд для исследования высевающих систем пропашных сеялок / П.Я. Лобачевский, П.А. Бондаренко, А.Ю. Несмиян, Ю.М. Черемисин, В.И. Хижняк // Механика дискретных сред. - Зерноград, 2002. - С.90-91

Размещено на Allbest.ru