Технологические и технические решения производства элитных семян зернобобовых культур

39

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛИТНЫХ СЕМЯН ЗЕРНОБОБОВЫХ КУЛЬТУР

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Родимцев Сергей Александрович

Москва - 2008

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Выведение новых и возобновление используемых сортов на научной основе невозможны без полевой стадии их отработки на селекционно-опытных делянках. В свою очередь, эффективность и интенсификация селекционно-семеноводческих процессов в значительной степени зависят от оснащенности селекционных учреждений средствами технического обеспечения. В настоящее время в России действует около 750 опытных сельскохозяйственных учреждений. Оснащенность их средствами механизации работ в селекции, сортоиспытании и первичном семеноводстве зерновых и зернобобовых культур находится на уровне 40…45%, изношенность парка селекционных машин составляет 65…70%. Общая потребность селекционно-семеноводческих учреждений в специальной технике составляет от 350 до 1400 единиц, в зависимости от наименования машины.

Новый вызов прогресса знаний убеждает в необходимости разработки и внедрения средств комплексной механизации селекционно-семеноводческих процессов на качественно новом уровне. Создание нового поколения машин должно осуществляться с учетом достигнутого технического уровня и конструктивных решений, реализующих направление ресурсосбережения и наиболее полного учета агробиологических особенностей объектов машинного воздействия. Последнее наиболее важно в отношение зернобобовых культур, для которых разработка вопросов механизации селекционно-семеноводческой работы осложняется целым рядом агробиологических особенностей.

В связи с вышеизложенным, проблема научного обоснования и создания новых технологических и технических решений, обеспечивающих интенсификацию производства элитных семян зернобобовых культур и высокие показатели технологической эффективности за счет оптимизации воздействия рабочих органов на обрабатываемый материал, является актуальной, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Исследования проводились в соответствии с производственными заданиями НИР и ОКР календарного плана выполнения работ по Государственному контракту ГНТР/ГК ВНИИ Зернобобовых и крупяных культур, по следующим основным разделам: 06.04.02; 08.06.04; 08.06.05 и др., а также по тематическим научно-прикладным планам НИР и НИРС кафедры “МТП в АПК” ФГОУ ВПО «ОрелГАУ».

Объект исследований. Технологические процессы возделывания, уборки и послеуборочной обработки семян зернобобовых культур в селекции и первичном семеноводстве, экспериментальные образцы новых рабочих органов и машин.

Предмет исследований. Закономерности влияния конструктивных, кинематических и динамических параметров рабочих органов машин на качественные показатели их работы.

Цель работы. Разработка теоретических основ высокоэффективного машинно-технологического комплекса для целей селекции, сортоиспытания и первичного семеноводства зернобобовых культур, создание, исследование и внедрение рабочих органов и машин в производство.

Задачи исследований:

- Систематизация элементов перспективного машинно-технологического комплекса и обоснование альтернативной системы машин для селекционно-опытных работ по выведению новых сортов зернобобовых культур;

- Изучение физико-механических и посевных свойств семян перспективных сортов гороха и фасоли, определение степени влияния на них матриакальной разнокачественности;

- Разработка математических моделей зависимости критической скорости соударения рабочего органа с обмолачиваемым материалом, а также кинематики движения свободного зерна на поверхности обмолачивающей лопасти, с целью установления закономерностей процесса и оптимизации конструктивно-технологических параметров МСУ, улучшающих условия зональной сепарации;

- Разработка теоретических основ и исследование динамических факторов процессов бороздообразования лаповыми сошниками и клиновидными формирователями направляющих борозд, разравнивания почвенных гребней ротационными рабочими органами шнеко-лопастного типа, равномерного распределения гербицида заделывающими устройствами;

- Разработка машинно-технологического комплекса для двухпоточной системы сепарации и очистки биологически ценных семян; изготовление и исследование в лабораторных и полевых условиях рабочих органов и машин для обмолота, посева и ухода за растениями, определение их технологических и энергетических показателей;

- Теоретическое обоснование и разработка методического комплекса и лабораторного оборудования для оценки пригодности селекционного материала к механизированному возделыванию и уборке;

- Определение технико-экономической эффективности предлагаемых технологических процессов.

Методика исследований. Теоретические исследования базируются на основополагающих законах земледельческой механики: теории упругости, теории удара, механики разрушения, теории подобия. Физико-механические и биологические свойства растительного материала определены с использованием методик, разработанных ГНУ ВИМ, ОАО ВИСХОМ, а также частных теоретических и прикладных методик. Качество работы экспериментальных рабочих органов машин, параметры технологических процессов исследовались в лабораторных и полевых условиях с помощью стандартных и специально разработанных и изготовленных оборудовании и стендах, опытных образцах машин. Полевые испытания проводились по ОСТ 70.5.1-74, ОСТ 10.8.1-99, агротехническим и исходным требованиям на селекционные молотилки, разработанными лабораторией механизации работ в селекции и первичном семеноводстве ГНУ ВИМ, а также по специально разработанным требованиям к качеству обмолота с фракционным разделением зернового вороха.

Достоверность результатов теоретических и экспериментальных исследований, подтверждена актами о проведении полевых испытаний технологий и машин. Ошибка в определении контролируемых показателей не превышала 10%. Адекватность теоретических положений подтверждена экспериментальными исследованиями по критериям согласия К. Пирсона, А.Н. Колмогорова, Р. Фишера.

Научную новизну представляют:

- Классификация и ранжирование доминирующих факторов, определяющих работу комплекса машин для селекции и первичного семеноводства зернобобовых культур;

- Статистические распределения физико-механических свойств семян гороха и фасоли и закономерности влияния на локализацию семян ранних сроков образования на материнском растении и качественные параметры обмолота;

- Методика расчета коэффициента формы и состояния поверхности семян зернобобовых культур, позволяющая получить комплексную оценку физиологической выполненности семян;

- Полученные математические модели критической скорости соударения рабочего элемента со свободным зерном и методика установления закономерностей его перемещения по обмолачивающей лопасти МСУ;

- Установленные теоретические закономерности, описывающие процессы деформации почвы и распределения рабочей жидкости рабочими органами машин для посева и междурядной обработки, а также энергетические показатели процесса бороздообразования.

Практическую ценность представляют:

- Технология производства элитных семян зернобобовых культур с применением новой высокоэффективной техники;

- Технологические и конструктивно-компоновочные схемы машин для посева, ухода за растениями и обмолота зернобобовых культур и методика расчета конструктивно-технологических, кинематических и динамических параметров их рабочих органов;

- Номограмма для определения конструктивно-технологических параметров аксиального конического МСУ шнеко-лопастного типа, обеспечивающая оперативное определение оптимальных технологических режимов его работы в производственных условиях;

- Статистические данные по физико-механическим свойствам перспективных сортов гороха и фасоли, рекомендуемые для сравнительной оценки новых сортов в селекционно-семеноводческом процессе и в производстве;

- Схемы локализации на материнском растении семян ранних сроков образования, позволяющие использовать данный признак при поиске эффективного показателя комплексного критерия механического разделения семенных партий;

- Комплекс методических рекомендаций и лабораторное оборудование для оценки пригодности селекционного материала к механизированному возделыванию и уборке урожая.

Новизна технических решений, полученных в результате исследований, защищена четырнадцатью патентами Российской Федерации.

Реализация результатов исследований. Созданы, прошли лабораторные и хозяйственные испытания на опытных полях ГНУ ГНЦ ВНИИЗБК следующие машины: молотилка сноповая коническая с фракционным разделением зернового вороха МСК-1Ф (Протокол №1, от 28.02.07г); зерноуборочный комбайн для обмолота зернобобовых и крупяных культур с МСУ шнеко-лопастного типа (отчет о НИР (заверш.) №ГР 01200215097); зерновая сеялка широкополосного посева, оборудованная комбинированными лаповыми сошниками с тупым углом вхождения на паралелограммной подвеске (Отчет №14-20-2003 (4210102), от 29.12.03г); формирователи направляющей борозды полозовидного и отвально-каткового типов (Протокол №1, от 25.11.02г); культиватор-разравниватель гребневых посевов.

Методика и лабораторное оборудование для определения усилий вымолота семян сельскохозяйственных культур центрифугированием, а также способ и прибор для экспериментальной оценки физиологической выполненности семян нашли применение при оценке пригодности селекционного материала к механизированному возделыванию и уборке урожая.

Внедрение в производство предложенных технических решений подтверждены 10-ю актами об использовании изобретений ГНУ ГНЦ ВНИИЗБК (г. Орел), справками и актами о внедрении НИР в ГНУ ВИМ (г. Москва), ОАО «ГСКБ «Зерноочистка» (г. Воронеж), ОАО «Автосельмаш» (г. Орел), НИИСХ ЦРНЗ (Московская обл.), рекомендациями ФГУ ЦЧ МИС (г. Курск).

Научно-методические разработки по обоснованию параметров рабочих органов машин и изучению физико-механических свойств семян сельхозкультур внедрены в учебный процесс по направлениям 110301 “Механизация сельского хозяйства”, 110201 “Агрономия”, 110203 “Агроэкология” (Акт “О выдаче грифа УМО” №07-8а/52, от 7.07.04г; протоколы научно-методического Совета ФГОУ ВПО «ОрелГАУ» №3, от 21.11.06г и №4, от 13.12.06г).

Работы по созданию и внедрению в производство новой сельскохозяйственной техники и комплекса лабораторного оборудования отмечены Дипломом победителя конкурса молодых ученых Администрации Орловской обл. 1999г и Свидетельством Администрации г. Орла о присвоении звания “Лучший изобретатель г. Орла 2004г”.

Положения, выносимые на защиту:

- Классификационные схемы машинно-технологического комплекса для производства элитных семян зернобобовых культур;

- Теоретические положения процесса взаимодействия элементов хлебной массы с рабочими органами шнеко-лопастного МСУ, теория и методы его расчета;

- Общие закономерности и оптимизация процессов взаимодействия с почвой комбинированных лаповых сошников, формирователей направляющей борозды, ротационных гребнеразравнивателей;

- Конструктивно-технологические схемы рабочих органов, машин и лабораторного оборудования;

- Результаты производственных испытаний, технико-экономические и энергетические показатели функционирования разработанных технических средств.

Личный вклад автора. Все результаты представленные в работе получены при непосредственном личном участии автора в период с 1998 по 2007гг, в результате научных исследований, проведенных на базе ГНУ ГНЦ “Всероссийский научно-исследовательский институт зернобобовых и крупяных культур”, а также ФГОУ ВПО “Орловский государственный аграрный университет”.

Апробация работы. Основные положения доложены и обсуждены на научных конференциях ОрелГАУ и ОрелГТУ (Орел, 1998-2008гг.), научно-практической конференции Рязанского СХИ (Рязань, 1999г), 12-й всемирной конференции по механизации полевых экспериментов (Санкт-Петербург, 2004г), IV-ой и V-ой Международных научно-практических Интернет-конференциях “Энерго- и ресурсосбережение - XXI век” (Орел, 2005, 2007гг), Международной научно-практической конференции “Инновации в области земледельческой механики” (Москва, 2008г), научно-практической конференции “Аграрная наука - сельскому хозяйству” Самарской ГСХА (Самара, 2007г), II-й Международной выставке-Интернет-конференции “Энергообеспечение и безопасность” (Орел, 2007г); заседаниях Ученого Совета ГНЦ ГНУ ВНИИЗБК (Орел, 2004-2005гг).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 63 научных работах. Общий объем публикаций составляет 62,14 п.л.

2. Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность решаемой научно-технической проблемы, формулируются цель работы и задачи исследований.

В Главе 1 “Анализ состояния проблемы механизации селекционно-семеноводческого процесса зернобобовых культур. Обоснование задач исследования” рассматривается современное состояние отрасли зернобобовых культур в мире и в России. Выполнен анализ и освещены тенденции развития технологий и средств технического обеспечения селекционно-семеноводческого процесса, рассмотрены морфолого-анатомические особенности и физико-механические свойства семян зернобобовых культур, в применение их к конструктивно-режимным параметрам рабочих органов машин.

Резкое снижение посевных площадей зернобобовых культур, в частности, гороха и фасоли, являющихся важной и специфической составляющей зернового комплекса России, обусловлено их требовательностью к качеству проведения технологических операций и необходимостью обеспечения специализированной техникой для опытных работ. Оснащенность селекционных учреждений средствами механизации составляет 40…50%. Поэтому, экономически целесообразно наладить разработку и выпуск селекционной техники, позволяющей существенно расширить масштабы селекционной работы, повысить ее достоверность, снизить затраты и, тем самым, ускорить выведение новых, более урожайных сортов.

Производство элитных семян включает ряд механизированных операций. При выполнении каждой из них на селекционный материал воздействуют рабочие органы машин, изменяя его состояние и создавая определенные условия его развития. Поэтому, решение проблемы механизации опытных работ должно быть комплексным, учитывающим все значимые факторы улучшения селекционно-семеноводческого материала. Приоритетными направлениями при этом, следует считать использование в качестве посевного материала биологически ценной фракции семян, свободных от механических повреждений и повышение эффективности механизированных операций, особенно, посева и уборки, как наиболее ответственных в общем комплексе механизированных работ.

В разработке системы машин и средств механизации в селекции, сортоиспытании и первичном семеноводстве зерновых и зернобобовых культур в разные годы участвовали ведущие отечественные ученые - Н.Н. Ульрих, В.И. Анискин, И.Ф. Алдошин, Ю.А. Космовский, Ю.Ф. Некипелов, А.А. Губанов, Е.Н. Конюшков, И.П. Кунцевич, Ю.В. Ермаков, Ю.Л. Бланк, П.К. Никонов, А.С. Рохлин, В.П. Балашов, И.В. Горбачев, Б.В. Чесноков, Л.И. Гайфулин, В.М. Дринча, В.П. Пьяных, а также зарубежные исследователи - L.J. Clark, H.-U. Hege, E. Johansson, T. Leuchovius, E. Oyjord и др.

Исследованию анатомических и физико-механических свойств семян зернобобовых культур, в применение их к механо-технологическим процессам посвятили свои работы Н.Н Ульрих, В.И. Тарушкин, В.М. Халанский, В.Н. Шмигель, И.Г. Строна, П.М. Заика, С.Д. Птицын, А.И. Пьянков, А.Ф. Соколов, Н.В. Калашникова, J. Sadowska, C.D. Bormuth, W.K. Bilanski, B. Szot и др.

В развитие исследований технологического процесса обмолота и сепарации, закономерностей влияния физико-механических свойств семян на конструктивно-технологические схемы и режимы работы молотильных устройств и сепарирующих рабочих органов большой вклад внесли В.П. Горячкин, Н.М. Летошнев, В.Г. Антипин, М.А. Пустыгин, Э.И. Липкович, Э.В. Жалнин, Н.И. Кленин, А.И. Русанов, С.А. Алферов, Ю.Ф. Лачуга, М.В. Туаев, А.В. Авдеев, F. Bieganowski, K.A. Dreszer, J. Gieroba, J. Jech и др.

Исследованием процесса сепарации физиологически полноценных семян на этапе обмолота занимались К.Г. Колганов, П.А. Черномаз, С.Х. Багиров, А.П. Тарасенко.

Изучению и оптимизации параметров рабочих органов машин для посева и ухода за растениями посвящены работы Г.Н. Синеокова, И.С. Верникова, М.Е. Мацепуро, А.П. Грибановского, А.С. Бурякова, А.Н. Зеленина, Н.И Мокроусова, В.А. Желиговского, В.И. Жигана, А.А. Мухина, Б.А. Нефедова, В.Е. Ковтуна, В.А. Шмонина, С.А. Ивженко, Д.Т. Харапьяк.

В трудах этих и ряда других авторов решались как общие, так и частные вопросы теории и расчета рабочих органов машин для посева, ухода за растениями, уборки и послеуборочной обработки, проблемы повышения их производительности, технологической эффективности, снижения энергоемкости, оптимизации параметров рабочих органов.

Обобщенный анализ состояния проблемы совершенствования производства элитных семян зернобобовых культур, позволяет сделать следующие выводы:

- Отсутствует общепринятая модель предмета деформации, описывающая анатомическое строение, физико-механические и реологические свойства семян зернобобовых культур. Технологическими приемами, снижающими травмирование семян являются дифференцированный обмолот, увеличение зоны активной сепарации, снижение влияния окружной скорости на величину травмирования, за счет использования эффекта “косого” удара влет по свободному зерну;

- Существующая машинная технология подготовки семян не позволяет распознавать “полноценные” семена, отличающиеся большей продуктивностью и выравненностью. Одним из косвенных признаков комплексного критерия оценки семян по степени биологической выполненности являются усилия связи с плодоэлементом или работа на вымолот семян. Фракционное разделение по данному признаку возможно только на этапе обмолота, т.к. впоследствии семена “обезличиваются”. Техническим решением задачи может стать зональная сепарация в аксиальном (тангенциально-аксиальном) МСУ гиперболического или конического типов;

- Равномерное распределение семян по площади питания и глубине заделки, совмещение предпосевной культивации и посева способно обеспечить применение лаповых сошников на параллелограммной подвеске. Повышение качества их работы и снижение тягового сопротивления достигается локализацией зоны разрушения почвы и скользящим лобовым резанием наклонных стойки и установленного в вертикальной плоскости ножа, перенесенных к носку лапы, исключением приращения площади лобовой проекции сошника, при копировании микрорельефа;

- Величина защитных зон рядков, обусловленная совокупным допуском среднеквадратических отклонений поперечных смещений тягового средства может быть существенно уменьшена использованием клиновидных направляющих борозд. Обоснование геометрических параметров лобовой части формирователей направляющих борозд позволит снизить тяговое сопротивление на 18…23%;

- Равномерность внесения и эффективность применения почвенных гербицидов может обеспечить оптимизация параметров защитного кожуха рабочего органа;

- Эффективность и качество разравнивания почвенных гребней могут быть улучшены разработкой и применением ротационных разравнивателей;

- Принципы проведения лабораторных исследований селекционного материала не всегда эффективны. Ускорению испытания новых сортов и селекционных номеров способствует снижение погрешностей результативных оценок и повышение производительности опытной работы разработкой и внедрением новых методических лабораторных комплексов и оборудования.

Все вышеуказанное позволяет сформировать общую модель перспективного машинно-технологического комплекса для целей селекции и первичного семеноводства зернобобовых культур и указать возможные пути, способствующие решению проблемы повышения эффективности селекционно-семеноводческого процесса, при производстве элитных семян зернобобовых культур.

В Главе 2 “Формирование модели перспективного машинно-технологического комплекса для селекционно-опытных работ. Анализ и оптимизация параметров его элементов” разработана классификационная схема доминирующих факторов, определяющих эффективность работы машинно-технологического комплекса для селекционно-семеноводческого процесса производства элитных семян зернобобовых культур (рис. 1), предложена альтернативная система машин. Приводятся основные теоретические положения процесса взаимодействия хлебной массы и единичного свободного зерна с обмолачивающими элементами шнеко-лопастного типа в МСУ с тангенциальной и тангенциально-аксиальной схемами подачи. Даны аналитические зависимости, определяющие процесс деформации почвенного пласта, динамику почвенных частиц и условия перерезания сорняков, при формировании бороздки комбинированным лаповым сошником с тупым углом вхождения. Рассмотрены основы динамики, энергетические и качественные показатели процессов формирования и использования направляющей борозды полозовидными формирователями, разрушения почвенных гребней ротационным шнеко-лопастным разравнивателем, распределения частиц рабочей жидкости в подлаповом пространстве.

Исследованиями динамики процесса взаимодействия зерна и плоской поверхности установлено, что семена зернобобовых можно рассматривать, как упруговязкопластичную среду, характеризующую не вполне упругий удар, при котором часть энергии затрачивается на пластические деформации и разрушение. Предельное напряжение, при котором происходит разрушение деформируемого тела характеризуют периметр площади контакта пары “зерно-лопасть” (рис. 2, а) и величина приложенной нагрузки, при повторных ударах влет, наносимых по свободному зерну обмолачивающими элементами. Снизить повреждения семян возможно применением внецентренного или косого удара. В этом случае, относительная скорость элемента хлебной массы перед ударом направлена под углом 90 к общей касательной, проведенной к ударяющимся телам в точке удара. Как следствие, нормальная составляющая скорости U_n окажется на U(1-cos ) меньше скорости U при прямом ударе. Соответственно, уменьшится связанная с ударным импульсом S динамическая нагрузка F. Это позволяет обеспечить “мягкий” режим обмолота, в первую очередь, необходимый для обработки таких легко травмируемых культур, как зернобобовые и крупяные.

Рис. 1. Классификационная схема доминирующих факторов, определяющих эффективность работы перспективного машинно-технологического комплекса для селекционно-опытных работ по выведению новых сортов зернобобовых культур

Пусть на зерно, движущееся поступательно со скоростью U_з, воздействует рабочий элемент в форме лопасти, имеющий окружную скорость U_б (рис. 2, б).



Рис. 2. Схемы к определению деформации зерна при сжатии (а) и скоростей соударения с обмолачивающей лопастью (б)

Наиболее неблагоприятные условия для обеспечения сохранности зерна будут созданы тогда, когда центр масс зерна m_з и лопасть движутся по одной прямой. Определим полный ударный импульс из выражения:

(1)

Применяя к первой и второй фазам удара точки теорему об изменении количества движения, получим:

; (2; 3)

откуда, решая (1) относительно U, имеем:

, м с^-1 (4)

Для нахождения критической скорости приложения нагрузки, вызывающей нарушение целостности зерна, была принята теория Герца и произведен теоретический расчет сил и продолжительности удара семян с обмолачивающей лопастью. Подставив найденные значения максимальных усилий взаимодействия P и продолжительности удара ф в формулу (4), используя предложенные Н.В. Калашниковой выражения для модуля упругости семян зернобобовых культур и выражая статическую нагрузку Р_ст через коэффициент динамичности k_д, окончательно имеем:

, м с^-1 (5)

, м с^-1 (6)

где S_n и S - нормальная и касательная составляющие ударного импульса; U_n, u_n - нормальные составляющие скорости до и после удара; U, u - касательные составляющие скорости до и после удара; k, f - коэффициенты восстановления и ударного трения; е₁ - продольная относительная деформация; m, R, l - масса, радиус и длина семян; м - коэффициент Пуассона.

Установлено, что для зерна гороха, влажностью w=14,5…19,9% оптимальная скорость ударного взаимодействия со стальной плоскостью составляет 10,4 м с^-1; для фасоли, влажностью w=14,1…15,8% - 7,4 м с^-1. С увеличением угла б установки лопасти, по отношению к направлению вектора окружной скорости u от 15° до 60° значение u_кр возрастает с 10,7 до 19,3 м с^-1 - для семян гороха и с 7,8 до 14,1 м с^-1 - для семян фасоли.

Улучшению условия сепарации в молотильном устройстве способствует активизация подвижности пространственной решетки соломы. Для определения растаскивающей способности хлебной массы шнеко-лопастными рабочими элементами МСУ с тангенциальной схемой подачи (рис. 3), использована методика, изложенная В.Г. Егоровым.

Рис. 3 Схема шнеко-лопастного МСУ зерноуборочного комбайна: 1 - молотильный барабан; 2- дека; 3 - обечайка; 4 - обмолачивающие лопасти (Патент РФ №2147169)

Под растаскивающей способностью н понимается время, в течение которого единица площади рабочей поверхности бича взаимодействует с хлебной массой. Величина н зависит от окружной скорости барабана, количества и геометрических размеров обмолачивающих элементов, угла б их установки, относительно образующей цилиндра (рис. 4). Учитывая величину заполнения рабочими элементами следа сходящихся винтовых линий, растаскивающая способность находится из выражения:

, с^-1 (7)

где r_д, в_д - радиус, м, и угол обхвата, град, деки; b_л - ширина лопасти, м; r_с - радиус скругления переднего торца лопасти, м; m_лi - количество лопастей ряда; l_pi - длина дуги, образованной основанием i-того ряда, м; l'_лi - длина дуги, образованной основанием i-той лопасти ряда, м.

Теоретическими исследованиями кинематики перемещения единичного зерна по плоской поверхности выявлена зависимость траектории движения зерна от способа перемещения. Последний определяется преимущественным влиянием сил трения качения или скольжения.

Рис. 4 Влияние угла установки обмолачивающих лопастей на величину растаскивающей

Увеличение площади контакта пары трения “зерно-лопасть” регламентирует увеличение момента вращения и критического угла поворота зерна. Площадь контакта в значительной степени определяется длиной l_с пятна контакта и зависит от состояния и свойств поверхности семян. Обосновано, что для физиологически выполненных семян l_с=1/3 L_c, для семян с незаконченным периодом развития l_c=2/3 L_с.

Процесс качения зерна на пластине, представленный, как функция Ф₁ от силовых и геометрических параметров и критический угол б_к, определяющий положение центра тяжести единичного зерна по отношению к полюсу вращения, определяются по формулам:

; , град (8; 9)

Перемещение свободного зерна по плоской поверхности под воздействием сил трения качения происходит при окружной скорости u_окр не менее 30…35 м с^-1; вероятность перемещения семян со скольжением возрастает на 20…25%, при увеличении коэффициента трения f_тр с 0,1 до 0,5.

Выполнен анализ взаимодействия единичного зерна с вращающейся лопастью молотильного барабана конического типа с тангенциально-аксиальной схемой подачи (рис. 5). Предложен алгоритм решения задачи по определению кинематических параметров системы “зерно-лопасть”, под влиянием действующих факторов.

Система уравнений движения единичного свободного зерна на поверхности лопасти молотильного барабана, в дифференциальной форме:

(10)

Дифференцируя первое уравнение системы (10) по времени и подставив в него второе, после некоторых преобразований, получим:

(11)

(12-14)

Значение А₁/щ² может изменяться в широких пределах, в зависимости от соотношения параметров б и f. Трижды интегрируя уравнение (11) при начальных условиях и преобразуя, окончательно имеем:



Рис. 5. Схема к расчету сил взаимодействия единичного свободного зерна с обмолачивающей лопастью конического тангенциально-аксиального МСУ

(15)

Для определения второй координаты r(t), продифференцируем второе уравнение системы (10) и подставим в первое:

(16)

откуда, подставив соответствующую функцию ф(t), интегрируя при начальных условиях и записывая общее решение дифференциального уравнения, получим вторую координату:

 (17)

где коэффициенты А₁…А₁₀ определяются конструктивно-режимными параметрами МСУ и физико-механическими свойствами семян.

Основные уравнения (15, 17) позволяют определить текущие координаты ф и r положения единичного зерна на поверхности вращающейся лопасти молотильного барабана, в параметрической форме.

Построены графики изменения численных значений координат ф и r, во времени t, в зависимости от физико-механических свойств семян (рис. 6). Установлено, что на разность численных значений тангенциальных координат схода с лопасти семян, отличающихся по своим свойствам, большее влияние оказывает угол б установки лопасти, меньшее - угловая скорость щ. Показатель фракционного разделения обусловлен разностью областей предельных значений тангенциальных координат для различных по качеству семян и зависит от соотношения коэффициентов восстановления k и трения скольжения f_трс. Минимальный угол б, регламентирующий дифференцирование областей схода семян составляет 42°. Повышение показателя фракционного разделения обеспечивает подъем торца лопасти в зоне схода семян с меньшими значениями f_трк; k и большими f_трс.

Высота h лопасти найдена из условия равенства объемов хлебной массы, обусловленного максимальной величиной подачи и сформированной лопастью призмы волочения, по формуле:

, мм (18)

где q - подача, кг с^-1; ц_{ст вн} - угол, определяемый коэффициентом статического внутреннего трения материала, град; z - количество лопастей в зоне приемного окна; n - частота оборотов вала молотильного барабана, мин^-1; с - плотность хлебной массы, кг м^-3.

Рис. 6. Кривые расчетных зависимостей текущих координат ф и r единичного зерна на лопасти, при изменении времени t и различных показателях физико-механических свойств семян

При выполнении технологических операций на селекционный материал воздействуют рабочие органы машин, изменяющие его состояние или создающие определенные условия его развития. Следовательно, оптимизация рабочих органов машин для посева и ухода за растениями, также является необходимой.

При посеве качество распределения семян по глубине заделки во многом зависит от формы и размеров подсошникового пространства, так как время осыпания почвы определяется траекторией движения ее частиц после подрезания пласта и схода с лапы сошника. Координаты сходящей с лапы сошника почвенной частицы, в текущий момент времени:

(19)

где t - время, в течение которого почвенная частица переместится из начальной в конечную точку, с; б, в, г - углы подъема, оборачивания и сдвига пласта, при воздействии рабочего органа, град.

Продолжительность полета почвенной частицы, после схода ее с лапы сошника:

, с (20)

При увеличении высоты h расположения тыльного обреза сошника над линией его подошвы с 25 до 40 мм, время t падения почвенной частицы изменяется с 0,74 до 0,92 с (рис. 7). Дистанция отбрасывания почвенного пласта при поступательной скорости рабочего органа V_п=2,5 м с^-1, может достигать 0,2 м. Следовательно, для выполнения качественного размещения семян при скорости, не менее 1 м с^-1, длина подсошникового пространства должна находиться в пределах 0,18 м.

Рис. 7. Влияние высоты подсошникового пространства и поступательной скорости сошника на продолжительность полета почвенной частицы

При обосновании расположения стойки-семяпровода исходили из того, что при увеличении угла вхождения в почву уменьшается дальность бокового смещения частиц почвы и улучшаются условия перерезания сорняков вертикальным ножом сошника. Этим обеспечивается снижение сопротивления рабочего органа при посеве, уменьшается бороздообразование, повышается способность к самоочистке. В основе технологического процесса (рис. 8) лежит резание клином с округлой рабочей поверхностью, сводящееся к разрушению почвенного пласта путем сдвига (скалывания) на куски трапецеидальной формы.

Рис. 8. Схема к рассмотрению процесса взаимодействия стойки сошника с почвой и обоснование кинематической трансформации сечения

Используя геометрическую характеристику l_эл, являющуюся длиной периметра эллипса, образованного кинематической трансформацией горизонтального сечения стойки, установленной под углом б_с к направлению движения рабочего органа в вертикальной плоскости, выразим длину хорды l” через зависимость, предложенную О.А. Сизовым:

, м (21)

Тогда мощность, потребная для перемещения почвенных частиц стойкой-семяпроводом, установленной под углом б_с?р/2 к горизонтали:

, Вт (22)

При б_с>0 N”>0; при б_с=р/2 N”=N' (рис. 9). Т.е., мощность N”, затрачиваемая на перемещение почвы вертикально расположенной стойкой-семяпроводом достигает некоторого максимума, зависящего от геометрических характеристик поперечного сечения рабочего органа, глубины обработки и свойств почвы. Для поступательной скорости сошника V_с=2,5 м с^-1, h=0,15 м и d=0,06 м, при изменении угла б_с с 90° до 50°, мощность N снижается с 100,1 до 86,0 Вт.

Рассматривая схему взаимодействия лезвия вертикального ножа с корневищами сорняков находим, что отклонение равнодействующей R от нормали к линии лезвия, составит ц-в. Отсюда, оптимальный угол б_с установки стойки и плоского ножа сошника:

, град (23)

При ц_к=18° и ц_п=22° оптимальный угол установки б_с=54°.



Рис. 9. Влияние поступательной скорости и угла установки стойки сошника на мощность, необходимую для отбрасывания почвенного пласта

С целью обоснования креплений сошников зерновой сеялки для широкополосного посева, рассмотрены кинематические схемы радиального и параллелограммного механизмов подвески.

С изменением угла б_вх вхождения ухудшаются условия заделки семян и возрастает сопротивление посевного агрегата. Увеличение угла вхождения сошника в почву на величину д влечет уменьшение глубины h_з, м заделки семян и возрастание площади S, м² лобовой проекции сошника на соответствующие величины

; (24; 25)

С увеличением площади S лобовой проекции рабочего органа возрастает сопротивление Р, а следовательно и тяговая мощность агрегата, необходимая для выполнения технологической операции (рис. 10).



Рис. 10. Влияние отклонения лапового сошника от средней глубины хода на площадь его лобовой проекции и глубину заделки семян, при использовании радиальной подвески

Угол д, град, поворота поводка параллелограммного механизма подвески можно найти из разности углов в и в' (рис. 11):

(26)

Рис. 11 Кинематическая схема параллелограммного механизма подвески

Установлено, что транспортный просвет по сошникам переднего и заднего рядов сеялки, равный 150 мм, обеспечивается поворотом сошникового вала на угол д=17° и 12°, для радиальной подвески и д=12° и 9° - для параллелограммной подвески - соответственно.

Курсовая устойчивость хода полозовидного формирователя направляющей борозды в горизонтальной плоскости определяется углом 2б_р раствора основания формирователя (рис. 12):

, град (27)

Рис. 12 Схема к расчету угла раствора 2б_р полозовидного формирователя направляющей борозды

Для фактических усилий, действующих на агрегат при междурядной обработке посевов фасоли (боковой нагрузке P_б=1,5…1,7 кН и массе формирователя m=30 кг), величина угла 2б_р составит 55°.

Расчет полного тягового сопротивления одного формирователя произведен по аналогии с методикой, предложенной для расчета уплотнителя-валкователя, выполненным В.Е. Ковтуновым. Тяговое сопротивление находится в прямой зависимости от плотности почвы, ширины и глубины хода рабочего органа и в обратной зависимости от величины угла в установки фронтальной рабочей поверхности формирователя к направлению движения:

, Н (28)

При глубине хода формирователя h=0,12 м, средней ширине формирователя в зоне взаимодействия с почвой b_вз=0,1 м и общей длине L=0,5 м, тяговое сопротивление его составит не более 0,7 кН (рис. 13).

Рис. 13 Влияние глубины хода и угла установки фронтальной поверхности рабочего органа формирователя направлящей борозды на тяговое усилие агрегата

Для эффективности работы лопастного барабана разравнивателя, при разрушении почвенных гребней на посевах, угол установки лопастей на цилиндре должен исключать проскальзывание почвенных частиц относительно поверхности лопастей (рис. 14). Для этого, угол б_в наклона винтовой поверхности на развертке цилиндра барабана должен быть больше угла трения ц почвы по стали, т.е.: б_в ? ц.



Рис. 14 Схема к расчету угла установки лопасти разравнивателя

Угол наклона винтовой поверхности б_в и диаметр d_б цилиндра барабана определяем, как

, град; , мм (29; 30)

Принимая, b=0,45 м и ц=27°, получим оптимальные геометрические характеристики шнеко-лопастного рабочего органа: б_в=29°; l_б=0,3 м; d_б=0,19 м. Значение показателя кинематического режима работы ротационного шнеко-лопастного разравнивателя гребневых посевов: л=1,9.

Одним из основных требований выполнения технологической операции внутрипочвенного внесения гербицида будет соответствие максимальной дистанции отбрасывания частиц рабочей жидкости длине подлапового пространства в продольно-вертикальной плоскости. При движении культиваторной лапы с распылителем с поступательной скоростью V_п, равной скорости движения агрегата (рис. 15), частица рабочей жидкости, массой m, выбрасывается из сопла полевого наконечника с относительной начальной скоростью V₀, под углом е к горизонту, в направлении, обратном направлению поступательной скорости. На частицу m после выхода ее из сопла распылителя действуют сила тяжести mg, направленная вертикально вниз и сила сопротивления воздуха R, направленная по касательной к траектории в сторону, противоположную скорости V₀.



Рис. 15. Схема к определению траектории движения частиц рабочей жидкости в подлаповом пространстве

Дифференциальные уравнения точки m в проекциях на оси координат:

(31)

Уравнение движения частицы рабочей жидкости, в проекции на ось X, в зависимости от заданных параметров:

, м (32)

Уравнение траектории частицы рабочей жидкости:

, м (33)

Определяя начальную скорость V₀ рабочей жидкости, как осевую скорость потока на выходе из сопла распылителя и постоянный коэффициент сопротивления k_c, зависящий от критической скорости u_кр, площади миделевого сечения S_м, массы m частицы рабочей жидкости и плотности воздуха с_в, по формулам:

,м с^-1; , с^-1 (34; 35)

где q - минутный расход жидкости, л мин^-1; s - площадь сечения выходного отверстия сопла наконечника, м², при исходных данных V_п=1,9 м с^-1; е=0…-10°; h=0,03 м, построены траектории движения частицы рабочей жидкости в зависимости от показателей кинематического режима (рис. 16). Дальность отбрасывания частиц рабочей жидкости в значительной мере зависит от ее начальной скорости и угла установки наконечника. Для размещения распыленных частиц в пределах подлапового пространства целесообразно выполнять установку полевого наконечника с углом е=-8…-10°. При этом при угле факела распыла 100±10°, ширина обработанной полосы составит 220…260 мм.

Рис. 16. Влияние угла установки распылителя на траекторию движения частицы рабочей жидкости в подлаповом пространстве

В Главе 3 “Программа и методика экспериментальных исследований” излагается общая программа и методика определения физико-механических и посевных свойств семян новых перспективных сортов гороха и фасоли, как основных культур зернобобовых; исследований параметров технологических процессов в лабораторно-стендовых испытаниях рабочих органов машин. Дается описание специально изготовленных приборов, лабораторно-производственных установок, методик обработки и оценки точности полученных результатов и организации проведения отдельных этапов исследования. Спецификой исследований являлась необходимость исследования свойств семян, с учетом их матриакальной разнокачественности.

Основные элементы оригинальной технической базы для проведения комплекса лабораторных исследований:

- способ и устройство для определения усилий связи семян с плодоэлементом, основанные на использовании стробоскопического эффекта и метода статического силового воздействия на образец центрифугированием, при бесступенчатом приложении нагрузки (Патент РФ № 2176932);

- оценка комплексного показателя, характеризующего форму и свойства поверхности семян, по предложенной формуле:

(36)

где рd₀ - длина окружности известного диаметра d₀, мм; b, д, l - ширина, толщина и длина семян, мм; P_n - периметр поперечного сечения зерна, мм. Способ и устройство для определения выполненности семян сельскохозяйственных культур защищены Патентом РФ № 2310308.

Для лабораторно-стендовых испытаний, разработано и изготовлено оборудование: экспериментальные молотильные установки с МСУ шнеко-лопастного типа с тангенциальной и аксиальной схемами подачи; стенд для исследования параметров распределения рабочей жидкости в подлаповом пространстве. Разработаны способ и устройство для изменения молотильных зазоров в малогабаритных молотилках (Патент РФ № 2245015) и специальный пробоотборник семян (Патент РФ № 2229210).

В Главе 4 “Результаты экспериментальных исследований свойств растительного материала и конструктивно-технологических параметров рабочих органов машин и их анализ” представлены результаты исследований и дан анализ физико-механических свойств и биологических особенностей районированных перспективных сортов гороха и фасоли, в зависимости от принадлежности к зонам растения, разработаны схемы локализации семян с законченным периодом физиологического созревания на материнском растении, приведены основные результаты лабораторных испытаний новых рабочих органов тангенциальных и тангенциально-аксиальных МСУ шнеко-лопастного типа, а также параметров распределения частиц рабочей жидкости в подлаповом пространстве культиваторной лапы.

Установлено, что средние значения коэффициента k восстановления составляют, в среднем, 0,64 и 0,58 - для гороха и фасоли, соответственно. Коэффициент k зависит от влажности и состояния поверхности семян. С повышением влажности семян значение k уменьшается. Значения коэффициента k использованы при вычислении критической скорости рабочего органа МСУ.

Усилия связи семян с плодоэлементом, при воздействии статических усилий центрифугированием, варьируют в зависимости от сорта и принадлежности семян к определенной зоне растения. Семена гороха сортов Зарянка и Алла имеют усилия связи, в среднем, 0,160 Н. По сортам Норд, Вятич и Витязь, обладающих признаком неосыпаемости, усилия отрыва составили, соответственно, 0,324 и 0,396 Н. Таким образом, семена неосыпающихся сортов, имеют усилия отрыва, в среднем, на 0,234 Н или в 2,9 раза больше, чем для сортов с обычными семенами.

Сила отрыва семян возрастает с повышением яруса растения - для сортов Норд и Зарянка. В пределах плодоэлемента, семена 1й зоны (шейка боба) имеют меньшие, а семена 2й зоны - большие усилия отрыва от створок боба. Так, в среднем, по культуре, усилия связи семян с плодоэлементом в верхних ярусах превышают усилия связи в средних и нижних - в 1,19 и 1,24 раза. Усилия связи в 1й зоне боба ниже, чем в 3й зоне в 1,08 и 1,16 раза - для сортов Зарянка и Норд, соответственно. Семена исследованных сортов фасоли Шоколадница и Л-176 имеют усилия отрыва, в пределах 0,461…0,715 Н и 0,444…0,581 Н - соответственно. Характер зонального распределения семян с меньшими значениями усилий отрыва от створок бобов имеет ту же тенденцию, что и для сортов гороха.

Статическими исследованиями установлено, что раскрытие створок боба, как правило, происходит в зоне носика, с последующим развитием в зону брюшка. Исходя из изложенного можно констатировать, что, несмотря на очевидно существующую закономерность порядка отрыва семян от плодоэлемента (в направлении от 1й к 3й зоне), в процессе обмолота в начале выделяются более ценные семена 2й и 3й (зона носика) частей соцветия.

Использование коэффициента формы и состояния поверхности семян позволило установить, что средние значения показателей ш и о для более крупных и обладающих большей выравненностью семян в 1,01…1,2 раза больше, чем для семян сортов, обладающих большим коэффициентом вариации. Менее выполненные семена гороха, имеющие показатель ш=0,969…0,981, составляют около 16%. Для фасоли, меньшие значения коэффициента ш=0,878…0,926 имеют 23,1% всех семян. Основная часть семян, с меньшими значениями ш и о содержится на растении в зонах позднего образования. Так, например, для гороха сорта Витязь, зоны позднего созревания содержат 92,8% семян, с коэффициентом ш=0,983…0,998.

Таким образом, предлагаемый показатель о дает адекватную оценку физиологического состояния семян сельхозкультур и может быть использован в качестве критерия отбора биологически ценных семян.

Динамическая нагрузка, вызывающая травмирование семян, различна и в значительной степени зависит от сорта, состояния семян и угла установки рабочего органа. Средние значения максимально допустимой ударной нагрузки для семян гороха и фасоли составили, соответственно, 163,4 и 138,4 Н. Семена из потенциально более продуктивных зон раннего образования имеют меньшую сопротивляемость механическим повреждениям. Так, если для более выполненных семян гороха Норд, дробление обнаруживалось при усилии 208,3 Н, то дробление менее ценной в биологическом отношении фракции начиналось при усилии 247,3 Н, что в 1,2 раза больше. Аналогичная закономерность наблюдалась и в отношении других сортов. Последнее обусловливает необходимость использования принципа дифференцированного обмолота.

Увеличение угла б установки бойка, по отношению к направлению вектора окружной скорости уменьшает значение u_кр. Это обеспечит возможность некоторого увеличения окружной скорости молотильного барабана, без существенного повышения травмирования семян. Используя значения динамических усилий, удовлетворяющих условию допустимых величин травмирования семян (не более 10% микроповреждений), а также полученные ранее коэффициенты восстановления, построены теоретические линии тренда зависимостей критической скорости от угла установки рабочего элемента (рис. 17).

Рис. 17. Критические скорости начала разрушения семян фасоли, в зависимости от угла приложения нагрузки

Оценкой достоверности различия сравниваемых распределений подтверждена адекватность полученных аналитических выражений. Полученные значения критической скорости для различных фракций семян одного сорта использованы при обосновании конструктивно-технологических параметров МСУ.

В соответствии с результатами исследований физико-механических свойств семян, определены наиболее вероятные зоны растения, содержащие семена ранних сроков образования (рис. 18). Очевидна тенденция раннего образования семян в нижних ярусах растения, а также в пределах центральной части и зоны носика плодоэлемента. Подобная тенденция вполне согласуется с предложенной теорией характера и особенностями распределения в переделах растения питательных веществ и влаги, описанная А.П. Костычевым. Использование схем локализации физиологически полноценных семян на материнском растении, в пределах данного сорта позволит выявить фракцию семян, наиболее ценных в биологическом отношении и вести поиск эффективного показателя комплексного критерия механического разделения, основываясь на данном показателе.

Рис. 18. Условные схемы локализации и содержание на материнском растении семян с законченным периодом физиологического развития

Отбор более ценной фракции семян, при использовании в качестве критериев разделения работы на вымолот и крупности семян (5й вариант), обнаруживает возможность повышения эффективности сортирования семян по степени биологической ценности (рис. 19). Всхожесть составляет 98,7…99,0%. Данный вариант обеспечивает возможность механического сортирования при использовании МСУ с фракционным разделением зернового вороха. Объем отсортированной фракции составляет 73,8%.

Рис. 19. Сводный график влияния варианта отбора фракций на энергию прорастания и всхожесть семян

На основании результатов факторного эксперимента по обмолоту хлебной массы в тангенциальном МСУ шнеко-лопастного типа, получены математические модели зависимостей показателя равномерности зональной сепарации s, захватывающей способности k и дробления семян d от трех контролируемых параметров. Поверхности отклика изучаемых показателей иллюстрируются графиками на рис. 20. Уравнения регрессии имеют следующий вид:

(37-39)

Рис. 20. Поверхность отклика для параметров s,%, k,% и d,%, при влиянии частоты оборотов n (x₁) и угла установки обмолачивающих лопастей б (x₂)

Изучение свойств зернового вороха в отдельных зонах сепарации тангенциально-аксиального МСУ шнеко-лопастного типа (рис. 21) позволило получить гистограммы распределения значений массы 1000 семян и их плотности и определить параметры более ценной фракции. Такой фракцией явились семена, имеющие индивидуальную массу не менее 0,135 г и плотность - не менее 1,225Ч10³ г мм^-3 - для семян гороха Орлус и не менее 0,255 г и 1,875Ч10³ г мм^-3 - для семян фасоли Ока. Принимая показатели индивидуальной массы и плотности семян за критерий фракционного разделения, построены диаграммы, дающие представление о содержании биологически более ценной фракции семян данного сорта в отдельных зонах сепарации аксиально-конического МСУ.

Результаты эксперимента по исследованию параметров распределения частиц рабочей жидкости в подлаповом пространстве показали (табл. 1), что качество распределения гербицида в подлаповом пространстве удовлетворяет условию проведения технологической операции.



Рис. 21. Качественные характеристики обмолота фасоли в аксиально-коническом МСУ по зонам сепарации

Таблица 1. Качественные показатели распределения рабочей жидкости в подлаповом пространстве