Обґрунтування параметрів універсального висівного апарата для просапних культур

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Просапні культури відіграють суттєву роль у виробництві продуктів харчування, а також кормів для худоби та сировини для харчової промисловості. Вони займають близько чверті посівних площ сільськогосподарських угідь України. Для сівби насіння просапних культур використовують сівалки з висівними апаратами різноманітної конструкції та принципу дії. В зв'язку з цим сільськогосподарські підприємства вимушені мати кілька типів сівалок, кожний з яких призначений для сівби насіння групи просапних культур на протязі короткого агротехнічного строку. Це підвищує витрати на виробництво сільськогосподарської продукції. Крім того, навіть насіння однієї культури відрізняється формою і розмірами, що негативно впливає на якість їх розподілу по довжині рядка. Нерівномірність розподілу викликає необхідність збільшення норми висіву та виконання додаткової операції по формуванню густоти сходів. Існуючі конструкції висівних апаратів не забезпечують достатнього ступеня універсальності та точності однозернового дозування насіння просапних культур.

Отже обґрунтування раціональної конструкції та параметрів універсального висівного апарата для сівби основних просапних культур з необхідною якістю є актуальною проблемою сільськогосподарського виробництва.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розширення функціональних можливостей висівного апарата та підвищення точності висіву просапних культур.

Для досягнення мети поставлені такі задачі досліджень:

Проаналізувати вплив розмірів присмоктувального отвору на якість однозернового дозування насіння просапних культур.

Встановити зв'язок між розмірами насіння та раціональною формою і параметрами відбивача зайвого насіння.

Обґрунтувати форму поверхні присмоктувального отвору, яка забезпечить максимальну точність розподілу насінин по довжині рядка.

Оцінити техніко-економічну ефективність використання пропонуємого висівного апарата з раціональними параметрами присмоктувальних отворів та відбивача.

1. Аналітичний огляд конструктивних особливостей і умов роботи пневматичних висівних апаратів

приведено огляд фізико-механічних властивостей насіння просапних культур, виконано аналіз конструкцій пневматичних апаратів точного висіву та виявлено вплив елементів конструкції вакуумного пневмомеханічного висівного апарата (ВПМВА) на якість висіву. Наукові основи пневматичного висіву закладено у працях В.І. Александрова, В.С. Басіна, Г.М. Бузенкова, С.А. Ма, Н.І. Глазьєва, Б.І. Журавльова, Л.С. Зеніна, В.П. Іванова, С.В. Кардашевського, В.Ю. Комарістова, В.Ф. Семенова та інших. Істотний внесок у вирішення сучасних проблем точного висіву зробили Л.В. Погорілий, Л.В. Аніскевич, П.В. Сисолін, В.О. Бєлодєдов, С.І. Шмат, В.П. Чичкін і інші вчені.

Виходячи з проведеного аналізу встановлено, що нові перспективи точного посіву відкриваються в універсалізації пневмомеханічного висівного апарата для висіву насіння ряду просапних культур. Для цього необхідно більш досконале вивчення процесу роботи пневмомеханічного апарата з розширенням його функціональних можливостей.

За матеріалами першого розділу сформульовані задачі досліджень.

2. Теоретичні дослідження однозернового дозування пневмомеханічним висівним апаратом

Визначено раціональне співвідношення між діаметром присмоктувального отвору та діаметром насінини, при якому забезпечується найвища якість однозернового дозування тобто створюються найкращі умови для захвату одиночної насінини присмоктувальним отвором.

При розв'язанні цієї задачі проведені дослідження процесу присмоктування та утримання сферичної насінини отвором висівного диска, який має циліндричну форму. Розглянуто два граничних випадки розташування насіння: на бічній поверхні висівного диска у стані рівноваги в момент захоплення та на ребрі (гострій кромці) присмоктувального отвору.

Універсальність математичного моделювання процесу присмоктування насінин для різних випадків їх розташування і розміру, досягається введенням безрозмірних відносних основних параметрів процесу. Це силовий параметр f (відношення сили, яка присмоктує насінину до отвору, до сили тяжіння насінини), геометричний н (відношення радіусів отвору і насінини) та дистанційний л (відношення відстані між центрами отвору і насінини до радіуса насінини).

Для першого граничного випадку на основі аналізу сил, під дією яких насінина перебуває у рівновазі на бічній поверхні, вcтановлено залежність силового параметру від геометричного та дистанційного у вигляді:

, (1)

де а -коефіцієнт, який визначається експериментально і залежить від форми отвору (для круглого отвору за даними Зеніна Л.С. а=0,019).

Мінімальна сила достатня для утримання насінини на бічній поверхні висівного диска визначається дослідженням функції (1) на екстремум шляхом диференціювання по дистанційному параметру . Приблизне значення мінімального силового параметру знайдено у вигляді усіченого ряду за степенями параметру .

(2)

Однак отримане значення мінімального силового параметру від дистанційного носить характер умовного екстремуму. Тому для встановлення абсолютного екстремуму-мінімуму важливо визначити також вид функції f().

Як видно з графіків, встановлена залежність носить нелінійний характер. На ній можна виділити дві особливі дільниці. Перша з них відповідає різкому спаду параметра f1бічн при малих значеннях (до 0,1). При сталому значенні розміру насіння rсем зі зменшенням діаметра присмоктувального отвору сила присмоктування різко падає. При подальшому збільшенні параметра (друга ділянка) силовий параметр f1бічн практично не змінює свого значення і знаходиться на мінімальному рівні, що і обумовлює абсолютний екстремум цього параметру.

Для другого граничного випадку, виходячи із умови рівноваги сил, насінина масою m перебуває на ребрі присмоктувального отвору і сила F визначається рівнянням:

.

Після підстановки сили F силовий параметр дорівнює:

Відповідно мінімальне значення силового параметру для насінини щільно притиснутої до отвору (при ) буде дорівнювати:

(3)

Таким чином, абсолютні мінімальні значення силового параметра для однієї насінини в різних фазах присмоктування (на бічній поверхні і щільно притиснутої до отвору) визначаються рівняннями (2) і (3).

Якщо присмоктувальним отвором одночасно захвачуються дві насінини, то згідно умови рівноваги сил і по аналогії з попереднім дослідженням силовий параметр дорівнює:

(4)

Приблизне значення екстремуму-мінімуму параметру після підстановки чисельних значень л визначається формулою:

(5)

Особливістю графіка є те, що він встановлює зв'язок параметрів при значно більших їх абсолютних величинах, ніж у попередніх випадках. Це вказує на необхідність застосування технічних засобів по скиданню зайвого насіння для забезпечення однозернового дозування.

Дослідженням обґрунтована така геометрія робочої поверхні пластинчастого відбивача зайвого насіння, яка реалізує плавне поступове зростання діючої сили при максимальній тривалості взаємодії з насіниною.

При цьому зайва насінина виводиться з зони присмоктування на відстань, при якій зусилля її притягування зменшуються до величин менших мінімально необхідних для утримання. Аналітичним дослідженням встановлено, що раціональною формою робочої поверхні відбивача є дуга кола, виконаного по радіусу:

, (6)

де ц=цнк - кут повороту диска, який відповідає рівню насіння у насінневій камері; - максимальна відстань між колом присмоктувальних отворів та колом відбивача, відповідно, в момент його дотику з насіниною і в момент скидання зайвої насінини; Ro - радіус кола присмоктувальних отворів.

Чіткість і точність роботи пневмомеханічного висівного апарата багато в чому визначається виконанням процесів присмоктування і відокремлення насінин. Ці процеси в свою чергу залежать від форми зернин та присмоктувального отвору.

Присмоктування зернини отвором триває на протязі періоду, поки отвір диска перебуває в секторі завантаження. Він є першим етапом роботи апарата і впливає на точність однозернового дозування. Безпосередньо однорідність потоку висіваємого зерна формується при його відокремленні від отвору диска. Тому в дослідженні важливо виявити, яка з можливих форм присмоктувального отвору найбільш точно формує потік висіваємого зерна.

В дослідженні проведено аналіз динаміки відокремлення сферичної насінини від присмоктувальних отворів циліндричної, конічної та тороїдальної форми на основі побудови і рішення відповідних рівнянь руху.

При відокремленні від гострої кромки циліндричної поверхні рівняння руху насінини має такий кінцевий вигляд:

, (7)

де - кут між центром насінини і горизонтальною віссю; g - прискорення вільного падіння.

Його розв'язок дає визначення кутової швидкості та кута, при якому насінина відокремиться від кромки:

, (8)

, (9)

де н=rотв/rсем.

Відповідно, час відокремлення:

, (10)

Отриманий інтеграл не вирішується аналітично і його значення визначено чисельним методом за допомогою програми MathCAD.

Відносна швидкість насінини в момент відокремлення дорівнює:

. (11)

Відокремлення насінини від конічної поверхні досліджене акад. П.М. Заїкою. На основі цих результататів у даній роботі визначено час руху насінини по конічній поверхні, який складає:

, (12)

де dmax к - максимальний радіус конічної поверхні присмоктувального отвору; е - параметр, значення якого для однорідної кулі е=5/7; г- кут між віссю та твірною конуса присмоктувального отвору.

Відповідно, відносна швидкість центра мас насінини в момент відокремлення від конічної поверхні дорівнює:

, (13)

де dк - діаметр кола контакту насінини з конічною поверхнею присмоктувального отвору.

При відокремленні від тороїдальної поверхні початковий кут, з якого починає рухатись насінина, визначається рівнянням:

, (14)

де rф - радіус тороїдальної поверхні присмоктувального отвору.

Кутова швидкість руху насінини дорівнює:

. (15)

де з - кут повороту насінини відносно вертикальної осі, пов'язаної з висівним диском.

Кут відокремлення насінини від поверхні присмоктувального отвору:

. (16)

Час кочення насінини по поверхні отвору складає:

(17)

Інтегрування рівняння виконано чисельними методами з використанням ЕОМ.

Таким чином, встановлені залежності описують динаміку руху насінин при відокремленні насінини від поверхонь присмоктування різної геометрії. Вони входять в основу математичного моделювання процесу однозернового дозування насінин.

3. Моделювання процесу однозернового дозування насінин на ЕОМ

Розроблено математичну модель, яка імітує випадковий процес відокремлення насінин, розмір яких розподілений за усіченим нормальним законом. Алгоритм моделювання реалізований на мові MathCAD. Результатом моделювання є вектор інтервалів між насінинами на дні борозни. Його обробка методами математичної статистики дозволила отримати залежності показника рівномірності розподілу насінин (середньоквадратичне відхилення інтервалів між насінинами) від їх розмірів та конструктивних і кінематичних параметрів ВПМВА.

Як видно з отриманих залежностей найбільш висока точність спостерігається у присмоктувальних отворів тороїдальної форми, де і інтервал зміни розмірів насінин, який задовольняє вимогам точності посіву, теж вище, ніж для конічної або циліндричної форми отворів.

Встановлено також, що в розглянутому інтервалі розмірів насіння точність висіву збільшується зі збільшенням їх розміру.

Моделювання виявило загальну закономірність покращення рівномірності розподілу насінин зі зменшенням розміру присмоктувального отвору.

Стабілізація середньоквадратичного відхилення для крупних насінин спостерігається на більш низькому рівні, ніж для дрібних, а в цілому для всіх розмірів насінин стабілізація досягається при розмірах отвору rотв1,5мм.

Приведені результати вказують на переваги в точності висіву і інтервалі розмірів насінин для тороїдальної форми отворів. Пояснити це можна тим, що насінина одного і того ж розміру у випадку тороїдальної форми базується в отворі по колу меншого діаметру, ніж у випадку конічної форми, що згідно проведених досліджень приводить до підвищення точності. В той же час використання циліндричної форми не сприяє досягненню універсальності апарату внаслідок несприятливого розподілу зусиль, які діють на насінину.

Представляє науковий інтерес вибір форми і стану тороїдальної поверхні для обґрунтування універсальності висівного апарата при регламентованій точності висіву. Якщо прийняти форму тора у перерізі як частину кола, то кількісно її можна визначити радіусом цього кола rф.

Вивченням впливу форми тора на точність висіву встановлені практично прямолінійні залежності втрати точності при зменшенні кривизни тороїдальної поверхні. В той же час стан тороїдальної поверхні (коефіцієнт тертя kтр) впливає таким чином, що з його збільшенням точність висіву насінин зменшується. Це може бути пояснено втратами вакууму і зменшенням присмоктувальної сили при неповному приляганні насіння до отвору.

4. Програма і методика експериментальних досліджень

Викладено програму і методику проведення досліджень.

Програмою досліджень передбачається уточнення раціональних розмірів присмоктувального отвору та форми його поверхні, визначення раціональної форми, розмірів і положень відбивача зайвого насіння, а також підтвердження універсальності пропонованого апарата на виконанні технологічного процесу висіву з необхідною точністю для ряду просапних культур.

Стенд оснащений програмованим мікропроцесорним пристроєм, призначеним для оперативної оцінки якості розподілу насінин у потоці, який формується висівним апаратом.

Інформація від датчиків стенда через інтерфейс подається на вхідні порти персонального комп'ютера. Датчик висіву ПДС-03, є цифровим датчиком прямої дії, який призначений для реєстрації насінин у потоці.

Сигнал від оптронних пар надходить після підсилення до блока розпізнавання зображень, імпульси від пролітаючих насінин подаються до комп'ютера. Важливою особливістю стенда є наявність вузла імітації руху сівалки, який дозволяє формувати імпульси від насіння з урахуванням координат їх падіння на дно борозни.

Для проведення досліджень виготовляються дозуючі диски з циліндричними, конічними та тороїдальною поверхнею присмоктувальних отворів. Діаметри отворів варіюються в межах 1-5,5 мм, а радіус кривизни тороїдальної поверхні в інтервалі 0,5-0,9 мм.

Ефективність скидання зайвих насінин визначається на дослідному зразку відбивача зі змінною робочою поверхнею. Секції робочої поверхні виконуються радіусом Rс=56, 60, 64 мм. Досліди проводяться при раціональних параметрах присмоктувальних отворів, визначених на попередньому етапі дослідження кожної з культур.

Експлуатаційні дослідження виконуються в польових умовах, де перевіряється точність висіву насіння кукурудзи та соняшника.

Дослідження проводяться згідно стандартної методики випробування посівної техніки РД 10.5.1-91.

Для досягнення необхідної точності результатів досліджень (похибка не більше 10 %) проводиться попередня серія дослідів, за результатами якої згідно статистичної обробки виявляється кількість повторностей.

5. Експериментальні дослідження процесу однозернового дозування пневмомеханічним висівним апаратом

Наведені основні результати експериментальних досліджень.

На основі обробки даних багатофакторного експерименту по висіву цукрового буряка отримано відповідне рівняння регресії:

.

Перевірка показала, що воно адекватно описує реальний процес. Це дало змогу визначити раціональні параметри ВПМВА: dотв=2мм; Z=22; =2 кПа; П=12 шт/с.

Дослідженням впливу форми присмоктувального отвору на точність виконання процесу висіву встановлені лінійні залежності від швидкості переміщення висівного диска.

У найбільшому ступені якісному висіву відповідають отвори тороїдальної форми. Дещо нижче точність висіву у конічної і циліндричної форм отворів.

Діаметр прохідного отвору може забезпечити ефективне однозернове дозування тільки в певному інтервалі змін геометричного безрозмірного параметру н. Коли н наближується до 1, насінина глибоко заходить в отвір, що ускладнює її відокремлення при скиданні. Це сприяє зменшенню якості висіву. Зі збільшенням діаметра насінини маса суттєво зростає і умова утримання погіршується, що також веде до зниження точності дозування (права частина графіків). Співпадання експериментальних даних з теоретичними спостерігається тільки в правій частині залежностей. Тобто експериментальним дослідженням охоплено більш широкий діапазон змін геометричного параметру н, коли відносно малий діаметр отвору при сталому значенні перепаду тиску не забезпечує достатнього утримання насіння отвором. У цьому випадку неточність дозування (низька точність висіву) переважно обумовлена пропусками насінин у рядку.

Конічна і тороїдальна форми отвору сприяють розширенню зон оптимальних значень діаметрів отворів Дd. Це розширює функціональні можливості апарата стосовно його універсалізації та застосування для висіву різних культур. Завдяки зміні співвідношень нормальної та тангенційної складових сил при русі зернини по тороїдальній поверхні, скидання насінин відбувається в більш короткий час. Тобто процес стає дискретнішим і чіткішим, що сприяє підвищенню точності висіву.

6. Техніко-економічна ефективність результатів досліджень

Доведено, що розширення функціональних можливостей ВПМВА досягається застосуванням присмоктувальних отворів тороїдальної форми і відбивача зайвого насіння з параметрами R=61 мм, ш=90°. При цьому скорочується кількість дисків, які використовуються, час на переналагодження сівалок і зростає продуктивність сівалок і точність однозернового висіву основних просапних культур, що відповідає існуючим агровимогам.

Впровадження модернізованого висівного апарата тільки в сфері виробництва дає прогнозований економічний ефект 341 грн. на одну машину СУПН-8А та 256 грн. на одну машину СУПН-6А у цінах станом на 1 липня 2006 року.

Висновки

присмоктувальний висівний відбивач однозерновий

1. Аналіз існуючих конструкцій висівних апаратів показав достатньо вузьку спеціалізацію їх використання, що привела до необхідності мати в господарствах декілька типів сівалок або набір додаткових елементів по розширенню можливостей їх застосування. Встановлено, що найбільш перспективним для універсалізації є вакуумний пневмомеханічний висівний апарат з вертикальним диском та пластинчастим відбивачем зайвого насіння.

2. На основі математичного моделювання процесу виділення насіння від загальної маси встановлено, що існують два інтервали співвідношень між розмірами присмоктувального отвору та насіння (н=0,1...0,25 і н=0,75...0,9), при яких підвищується якість однозернового дозування.

3. Відбивач зайвого насіння поліпшує якість виконання посіву (коефіцієнт варіації знижується на 6-10%). Радіус відбивача визначається рівнянням (6) і повинен бути Rс?61 мм, а кут нахилу робочої поверхні до площини висівного диска ш=90°.

4. Теоретично моделюванням обґрунтовано і експериментально підтверджено, що розподіл насіння по довжині рядка в залежності від діаметра присмоктувального отвору носить екстремальний характер. Найбільша рівномірність спостерігається для отворів в інтервалі 2мм?dотв?4мм.

5. Найбільший діапазон відношення діаметра насінини до діаметра присмоктувального отвору (н=0,2-0,4) спостерігається для тороїдальної форми отвору rф=0,5-0,7 мм, що вказує на розширення функціональних можливостей апарата при висіві насіння ряду просапних культур.

6. Встановлено, що зі збільшенням швидкості руху висівного диска точність висіву прямолінійно зменшується. Найбільша точність і стабільність процесу висіву досягається для тороїдальної форми присмоктувального отвору. Коефіцієнт варіації більше для конічної форми і циліндричної форми отворів.

7. Продуктивність (дозуюча здатність) висівного апарата нелінійно зростає зі збільшенням перепаду тиску в камерах апарата. При цьому зменшується кількість пропусків, але збільшується кількість двійників в процесі висіву.

8. Впровадження модернізованого висівного апарата тільки в сфері виробництва дає економічний ефект 341 грн. на одну машину СУПН-8А та 256 грн. на одну машину СУПН-6А у цінах станом на 1 липня 2006 року.

Література

1. Юзбашев В.А., Гусев В.М., Амосов В.В., Хорунженко В.Е. Направления совершенствования универсальных пневматических аппаратов пропашных сеялок // Тракторы и сельхозмашины - 1986. - №10 - С.31-33.

2. Гусев В.М., Амосов В.В. Исследование универсального высевающего аппарата для пропашных культур // Тракторы и сельхозмашины.-1986.-№6.-С.32-34.

3. Хорунженко В.Е., Амосов В.В., Шинкевич Е.Б. Оптимизация радиуса дуги пластинчатого сбрасывателя высевающего аппарата пропашных сеялок // Теория и методика создания почвообрабатывающих и посевных машин: Сб. науч. тр. НПО “Лан”.- Кировоград, 1996.-С.110-111.

4. Хорунженко В.Е., Амосов В.В., Шинкевич Е.Б. Обоснование элементов высевающих аппаратов овощных сеялок // Теория и методика создания почвообрабатывающих и посевных машин: Сб. науч. тр. НПО “Лан”.- Кировоград, 1996.-С.118-119.

5. Амосов В.В., Філімоніхін Г.Б., Бойко А.І. Обґрунтування діаметра присмоктувального отвору вакуумного пневмомеханічного висівного апарата // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. -Вип.21; “Механізація с.-г. виробництва”.-Харків, 2003.-С.174-180.

6. Амосов В.В. Аналіз процесу відокремлення насінин від присмоктувальних отворів вакуумного пневмомеханічного висівного апарата //Техніка в с.-г. виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація: Зб. наук. пр. Кіровоград. нац. техн. ун-ту. - Кіровоград: КНТУ, 2004.-Вип. 15.- С. 438-444.

7. Пат. 46278 Україна, МПК А01С7/04. Пневматичний висівний апарат / В.В. Амосов, Г.Б. Філімоніхін, А.І. Бойко (Україна)-№2001063720; Заявл. 1.06.2001; Опубл. 16.08.2004, Бюл. №8.- 4с.

Размещено на Allbest.ru