автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров и режимов работы комбинированного высевающего аппарата вибрационного типа

На правах рукописи КОЗЛОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОГО ВЫСЕВАЮЩЕГО АППАРАТА ВИБРАЦИОННОГО ТИПА

Специальность 05.20.01. - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2012

005009164

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Вишняков Андрей Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Докин Борис Дмитриевич

кандидат технических наук, доцент Семенов Александр Викторович

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева»

Защита состоится 17 февраля 2012 г. в II30 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 220.037.01 при ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90.

Тел/Fax: 8(391)227-36-09, e-mail: dissovet@kgau.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «16» января 2012 г.

Ученый секретарь

Бастрон А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для полного удовлетворения потребностей населения в продуктах питания, а отрасли животноводства - кормами, необходимо довести среднегодовое производство зерновых культур в стране до 1,0 тонны на человека.

Решение этой проблемы во многом определяется урожайностью возделываемых культур, которая зависит от качества посева зерна с одновременным внесением дозы минеральных удобрений.

Отечественные и зарубежные посевные машины для одновременного дозирования семян и минеральных удобрений (туков) оснащаются отдельными высевающими устройствами. Это значительно усложняет конструкцию сеялок, что в конечном счете увеличивает затраты на единицу производимой продукции.

В связи с этим важной народнохозяйственной задачей является разработка универсального высевающего аппарата, обеспечивающего совместный высев семян и туков.

Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Красноярского государственного агроуниверситета и включена в межведомственный координационный план СО РАСХН на период 2006-2010 гг. по заданию IX. 01.02.01 «Обосновать и разработать комплексы конкурентоспособных технических средств нового поколения для машинных технологий производства зерновых культур, выращивания овощей в открытом грунте и улучшения лугопастбищных угодий».

Цель работы: обоснование параметров и режимов работы комбинированного вибрационного высевающего аппарата для повышения урожайности и снижения материальных и энергетических затрат.

Задачи исследований:

1. Разработать технологический процесс совместного высева семян и туков многоструйным вибрационным высевающим аппаратом сеялки.

2. Разработать математические модели процесса высева семян и туков многоструйным вибрационным высевающим аппаратом, определяющие диапазоны изменения основных конструктивно-технологических параметров и факторов, влияющих на эффективность рабочего процесса.

3. Обосновать методику оценки количественных и качественных показателей работы комбинированного вибрационного высевающего аппарата.

4. Провести ^исследования и обосновать рациональные параметры и режимы работы комбинированного вибрационного высевающего аппарата.

5. Изготовить опытный образец зерновой сеялки, оборудованной комбинированными вибрационными высевающими аппаратами, и провести сравнительные полевые испытания с сеялкой С3-3,6А, установив технико-экономический эффект от ее применения.

Объектом исследований является процесс совместного высева семян зерновых культур и удобрений комбинированным вибрационным высевающим аппаратом.

Предметом исследований являются закономерности, определяющие рабочие процессы комбинированного вибрационного аппарата при совмещенном высеве семян зерновых культур и минеральных удобрений.

Научную новизну составляют:

- способ совместного дозирования частиц с разными физико-механическими свойствами при помощи вибрации;

- математические модели, описывающие состояние колеблющегося слоя семян и туков в вибрационном высевающем устройстве;

- экспериментальные зависимости, устанавливающие влияние параметров и режимов работы комбинированного вибрационного высевающего аппарата на его оценочные показатели.

Практическую значимость составляют: конструктивные параметры и эффективные режимы работы комбинированного вибрационного высевающего аппарата зерновой сеялки; номограмма для настройки сеялки на заданную норму высева семян и внесения удобрений; использование результатов исследований в научном и учебном процессе при подготовке специалистов сельскохозяйственного производства.

На защиту выносятся:

- способ совместного высева семян и туков, обладающих различными физико-механическими свойствами;

- математические модели оптимизации процесса совместного высева семян и минеральных удобрений;

- результаты экспериментальных исследований по обоснованию эффективных режимов работы комбинированного вибрационного высевающего аппарата при совместном высеве семян зерновых культур и туков;

- результаты производственной проверки опытной сеялки с комбинированными высевающими аппаратами.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на международных, всероссийских и региональных научных конференциях, проводимых в Красноярском ГАУ (2004-2008 гг.), Новосибирском ГАУ (2005 г.), Омском ГАУ (2007 г.), МГАУ им. В.П. Горячкина (2007, 2009 гг.), Орловском ГАУ (2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы, приложений. Работа изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 40 рисунков, 10 таблиц. Список литературы включает 128 наименований, в том числе 3 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее практическая значимость, новизна, сформулирована цель исследований.

В первой главе «Анализ технических средств для высева семян и внесения удобрений» установлено, что одной из важнейших операций при возделывании с.-х. культур является посев, выполняемый зерновыми сеялками и комбинированными почвообрабатывающими и посевными агрегатами, а основным рабочим органом сеялки, определяющим качество посева, является высевающий аппарат. В связи с этим рассмотрены основные способы посева и агротехнические требования, предъявляемые к этой операции. Исследованиями высевающих аппаратов занимались В.П. Горячкин, А.Н. Карпенко, М.Н. Летошнев, А.Н. Семенов, Н.И. Любушко, В.Н. Зволинский, В.П. Чичкин, ПЛ. Лобачевский, А.Н. Репетов и многие другие авторы. В работах этих ученых отмечаются достоинства и недостатки высевающих аппаратов и высказывается необходимость как в совершенствовании существующих, так и изыскании новых принципов их работы.

Важность внесения удобрений рассмотрена в работах A.C. Бойко, Г.Н. Лысевского, А.О. Петросяна, В.Ф. Салынского, Б.А. Нефедова, Н.С. Авдонина и др. При локальном внутрипочвенном внесении стартовой дозы удобрения равная прибавка урожая, в сравнении с разбросным способом, достигается при сокращении дозы на 25-30 %.

Внесение минеральных удобрений при посеве осуществляется комбинированными сеялками. Дозирование туков в них осуществляется отдельными туковысевающими аппаратами.

Анализ рабочих процессов высевающих аппаратов, осуществляющих одновременный высев семян и туков, показывает, что их дозирование обеспечивается двумя различными по конструкции аппаратами с собственными приводами и настройками на требуемый режим работы. Обеспечить дозирование семян и туков одним аппаратом, работающим на существующих принципах высева, не представляется возможным.

s

Иследованиями И.И. Блехмана, Г.Е. Листопада, Н.В. Антонова, И.В. Сегеды, И.В. Кудрявцева, H.H. Троянова, Р.Г. Кузнецовой, A.C. Вишнякова, B.C. Красовских, А.И. Клишина, A.A. Бричагиной и других авторов доказана возможность использования нового принципа дозирования сыпучего материала за счет вибрации. В качестве сыпучего материала ими использовались только семена различных сельскохозяйственных культур и не рассматривалась возможность совместного внесения удобрений.

Особенностью представленных исследований является обоснование возможности совместного высева семян и туков лотковым высевающим устройством вибрационного аппарата, разделенного на зерновые и туковые емкости.

Во второй главе «Математическое моделирование рабочего процесса комбинированного вибрационного высевающего аппарата» определены диапазоны возможного изменения основных факторов и конструктивных параметров, влияющих на процесс совместного дозирования семян и туков.

Семена и туки в колеблющемся лотке вибрационного высевающего аппарата за счет снижения сил трения между отдельными частицами приобретают новые свойства, характерные для вязкой жидкости. Это позволяет рассматривать их движение в рамках модели несжимаемой жидкости. Гарантией равномерного высева семян и туков высевными отверстиями лоткового высевающего устройства будет отсутствие значительных возмущений свободной их поверхности при колебаниях.

На рисунке 1 Оху - неподвижная система координат. С колеблющимся по закону 00' = s(t) лотком связана подвижная система координат О'х'у'. Лоток имеет длину L, высоту в и уровень в нем семян h.

У

У'

Ь

s(t)

Рисунок 1

0 0' £ Х,Г

- Схема движения свободной поверхности верхнего слоя семян

Для анализа состояния верхней свободной поверхности слоя семян необходимо отыскать гармоническую по х и у функцию <р(

т

удовлетворяющую на дне и торцевых стенках колеблющегося лотка условиям "непротекания"

8<р

ас1*=о ~&1х=а ду

-о -о

~и> „ I х=а ~ и> л,

О)

а на поверхности условию

|Э2(» 5© 3©|

где с (0 - переносная скорость движения частиц верхнего слоя; § - ускорение свободного падения; р - релеевский коэффициент диссипативной вязкости.

При найденной функции <р возмущение верхней свободной поверхности ¡/(я,?) семян в лотке определяется уравнением

(4)

, —х--х.

g 8

Численный эксперимент показал, что если входящие в задачу параметры будут находиться в следующих пределах: Ь = 490...530 мм, /г = 50...90 мм, / = 6... 11 Гц, А = 5...7 мм, то это обеспечит максимальную локализацию возмущения свободной поверхности у торцевых стенок лотка. В средней части, составляющей «80 % поверхности, амплитуда колебаний не превышает 5 % от уровня равновесия.

Полученный в рамках гидродинамической модели результат нельзя признать достаточно полным решением поставленной задачи, что приводит к необходимости построения дискретной модели сыпучей среды, описывающей взаимодействие отдельных частиц между собой, со стенками, дном высевающего устройства и т.д. В работе предлагается имитационный подход к моделированию сыпучих сред, при которых отслеживаются параметры движения отдельных частиц, их упругое взаимодействие друг с другом и со стенками высевающего устройства и выполняется визуализация процесса.

Запишем закон Ньютона для г'-го элемента в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка

Г х, = и,

{ y,=V,

\V.=F -¡uV.

I' у ^ <. (6)

Здесь Fx и Fy - действующие на z'-й элемент суммарные силы в направлениях х и у; ии V, - компоненты скорости центра масс в направлениях х и у соответственно, а диссипативные (вязкие) члены щ и /иГп где /и>0 -коэффициент вязкости, введены искусственным образом для повышения устойчивости решения. При численном эксперименте значение вязкости ц выбирается эмпирически, чтобы обеспечивалась устойчивость процесса, но при этом величина и по возможности должна быть минимальной.

Решение приведенных систем уравнений позволяет определить значения скоростей и перемещений каждой частицы и является основой создания имитационной модели процесса работы высевающего устройства в среде Delphi. На рисунке 2 приведен результат применения имитационной модели.

При создании модели было принято, что на экране компьютера в верхнем лотке находится сыпучий материал, подобный по физико-механическим свойствам семенам пшеницы, а в нижнем - с гранулами суперфосфата простого. С помощью установленных у каждого отверстия счетчиков можно отследить выпавшее количество семян и удобрений. Оптимизация необходимого при высеве количества семян и удобрений проводится на основе необходимой серии расчетов при вычислительном эксперименте. Таким образом оптимизируется процесс одновременного дозирования семян и удобрений комбинированным вибрационным высевающим аппаратом.

Рисунок 2 - Графическое изображение модели процесса работы комбинированного высевающего устройства

По результатам математического моделирования и графического изображения процесса высева подтверждены значения параметров комбинированного высевающего устройства и определены пределы изменения основных факторов:/ = 6...И Гц, А = 5...7 мм, к = 50...90 мм, влияющих на одновременный высев семян и туков.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» определены методы оценки рабочего процесса комбинированного аппарата (патент РФ № 231031.1, рисунок 3) с использованием многофакторного и серии однофакторных экспериментов, уточняющих выводы, полученные при теоретических исследованиях.

Рисунок 3 - Комбинированный вибрационный высевающий аппарат:

I - бункер; 2 - подвеска; 3 - высевающее устройство; 4 - регулировочная пластина; 5 - нижний кронштейн; 6 - наконечник семяпровода; 7 - делительная пластина; 8 - дозатор; 9 - горловина бункера; 10 - пластина подвески;

II - регулировочное устройство; 12 - дно высевающего устройства; 13 - шатун; 14 - кронштейн шатуна; 15 - уголок; А - полости для семян; Б -полость для удобрений

Для проведения исследований предлагаемого аппарата была разработана экспериментальная установка, позволяющая изменять режим его работы, характеризуемый частотой и амплитудой колебаний лоткового высевающего устройства и уровнем в нем семян и туков.

Рабочий процесс любого высевающего аппарата с количественной стороны оценивается коэффициентами средней неравномерности высева Н, % и неустойчивости высева Н^,, %. Согласно а1ротребованиям, их величины при высеве зерновых культур не должны превышать соответственно 6 и 2,8 %.

Качественные показатели рабочего процесса аппарата оцениваются коэффициентом вариации V и среднеквадратическим отклонением <т расстояний между семенами в рядке.

При планировании многофакторного эксперимента в качестве параметров оптимизации выступали коэффициенты Н, Нпр и средний расход семян и удобрений через высевное отверстие аппарата х . Факторами оптимизации выступали частота колебаний лотка высевающего устройства/ его амплитуда Л и уровень слоя семян и удобрений У. По результатам теоретических исследований диапазон изменения факторов был принят: для частоты колебаний высевающего устройства/от 7 до 11 Гц; амплитуды колебаний А от 5 до 7 мм; уровня семенного материала У от 50 до 90 мм. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась по общепринятой методике, предусматривающей аналитическое описание функций в виде уравнений регрессии, построение плана ПФЭ, расчет коэффициентов регрессии, анализ уравнений регрессии. Гипотеза об однородности опытов определялась при помощи критерия Кохрена, значимость коэффициентов регрессии находилась по ¿-критерию Стьюдента, проверка адекватности уравнений регрессии осуществлялась по критерию Фишера.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» определены зависимости среднего расхода семян и туков X, коэффициента средней неравномерности высева Н и коэффициента неустойчивости общего высева Н„р от основных параметров и режимов работы вибрационного высевающего аппарата.

По результатам математической обработки данных, при реализации плана эксперимента (по схеме Бокса-Бенкина) получены соответствующие регрессионные модели и поверхности отклика (рисунок 4):

Я=99,4 -12-/- 10128,75-^ - 340,31 -7+ 287,5/-Л + 8,12/7+4375-А-Г+

+ 0,53/2 + 631250-Л2 +1703,12-Г2; (7)

#„/=35,9 - 2,86/- 3093,75'Л - 335,31-7- 62,5 -/А + 8,13/7- 3125-Л-7+

+ 0,13-/2 + 331250-А2 +1953,12-72 ; (8)

X =1228,57 - 114,77/-164300-Л -1053,75-7- 5500/Л + 37,5/7+

+350т*-7+ 8,88/2 + 16875000Лг +14062,5-У2. (9)

Проведенный регрессионный анализ показал, что все коэффициенты в полученных уравнениях статистически значимы. Расчет критерия Фишера подтвердил адекватность моделей.

Анализ поверхностей отклика позволил установить оптимальный режим, характеризуемый наименьшими оценочными показателями: частота колебаний /= 9 Гц, амплитуда колебаний А = 6 мм, уровень семян и туков У = 70 мм.

а б в

Рисунок 4 - Поверхности отклика при У = 0 (дозируемый материал -пшеница): а - коэффициент неравномерности Н, %; б - коэффициент неустойчивости Нпр, %; в - средний расход семян и туков через отверстие X, г/мин

С целью проверки полученных математических моделей, дополнения результатов исследований и уточнения влияния каждого из факторов был проведен ряд однофакторных экспериментов. На рисунке 5 минимальное значение коэффициента Я соответствует частоте колебаний/= 9 гц, амплитуде А = 6 мм и уровню семян У = 70 мм, что обеспечивает его снижение до 3 %.

Минимальное значение коэффициента Нпр 0,6 % достигается при частоте колебаний /= 9 гц, амплитуде А = 6 мм и уровне семян У = 70 мм. Этот режим работы многоструйного комбинированного вибрационного высевающего аппарата является эффективным.

С целью подтверждения влияния конструктивно-технологических параметров на качественные и количественные показатели работы аппарата были проведены исследования, результаты которых представлены на рисунке 6.

н %

9 6 3

9 6 3

9 6

3

1 ......... - ■ • ^

......■ 1,. 1. б

^ ! | „К. г_. 1

... —.1 -1......... в яря** / {

7 В 9 10 1Т

ии

7 а.......9 ю ~ чг

Рисунок 5 - Зависимости коэффициентов средней неравномерности Я и неустойчивости высева семян пшеницы Н„р от частоты колебаний высевающего аппарата / при различных значениях амплитуды его колебаний и уровня в нем семян: а - амплитуда колебаний 5 мм; 6-6 мм; в - 7 мм; 1 - уровень семян в высевающем устройстве 50 мм; 2-70 мм; 3 - 90 мм ЛГ

г/мин

лоо

зоо гоо юо Н. %

32 21, 16 В

/&. % 16 12

\

\

ч

V,

\

\

V

- ч

—

1в 20 I. ММ

Рисунок 6 - Изменение расхода семян X пшеницы, коэффициента средней неравномерности высева Я и коэффициента неустойчивости общего высева Нпр в зависимости от длины высевных отверстий 10Ш.

Анализ графиков показывает, что зависимость расхода семян от длины отверстий близка к линейной, а коэффициенты Я и Н„р при применяемых нормах высева не превышают агротехнических требований.

Результаты сравнительных испытаний высева с катушечным аппаратом зерновой сеялки С3-3,6А на липкую ленту с нормой 135 кг/га показали (рисунок 7, а), что среднее количество семян, высеянных на учетных участках, для обоих аппаратов практически равно и составляет для катушечного аппарата 3,04, а вибрационного - 3,06 штуки. Однако количество участков со средним числом зерен для катушечного аппарата равно 12 %, для вибрационного аппарата эта величина достигает 47 %.

Для катушечного аппарата характерно наличие участков, содержащих от 0 до 7 штук, а для вибрационного лишь от 2 до 4 семян, причем участки с 2 зернами для катушечного аппарата составляют 16 %, 3 - 12 % и 4 - 14 %, что в сумме составляет 42 %, а у вибрационного эти величины соответственно равны 22 %, 50 % 28 % и эта сумма равна 100 %. Следовательно, вибрационный аппарат равномернее распределяет семена в рядках.

Рисунок 7 - Распределение зерен пшеницы на 5-сантиметровых участках рядка: а - норма высева катушечного аппарата 135 кг/га; вибрационного -136 кг/га; б - соответственно 164 кг/га и 163,6 кг/га; в - 196,7 кг/га и 196 кг/га

Такая же закономерность наблюдается для средней 164 кг/га и большей 197 кг/га норм высева (рисунок 7, б, в).

Кроме подсчета количества зерен на 5-сантиметровых участках проводились замеры расстояний между соседними зернами, расположенными вдоль высеянного рядка. Анализируя результаты этих замеров, можно отметить, что вибрационный высевающий аппарат обеспечивает более равномерное распределение семян в рядках при различных нормах высева. Этот вывод подтверждается тем, что у этого аппарата коэффициент вариации

интервалов между отдельными семенами в среднем в 1,65 раза меньше, чем у катушечного.

Для подтверждения универсальности комбинированного вибрационного аппарата после его испытаний на семенах пшеницы были проведены исследования при высеве семян овса. Характер всех полученных кривых аналогичен кривым, полученным при высеве семян пшеницы.

По результатам исследований совместного высева семян зерновых культур и минеральных удобрений (туков) были определены соответствующие зависимости (рисунок 8), которые позволили определить возможность одновременного дозирования семян и удобрений, различающихся по физико-механическим свойствам. В качестве испытываемого материала применялся суперфосфат простой.

Н %

7 5

з

7 5 3

Игр. %_ 6

А

2

6 42

6 2

50

70

до Ь мм

50

70

до Ь мм

Рисунок 8 - Влияние уровня удобрений в высевающем устройстве на коэффициенты неравномерности Я и неустойчивости Нпр их высева: а — амплитуда колебаний 5 мм; 6-6 мм; в - 7 мм; 1 - частота колебаний 7 Гц; 2 -8 Гц; 3-9 Гц; 4-10 Гц; 5-11 Гц

Анализ зависимостей позволяет заключить, что оптимальным является уровень удобрений в высевающем устройстве, равный 70 мм, так как при нем коэффициенты неравномерности и неустойчивости высева минимальны и равны соответственно 2,5 % и 1,8 %, что значительно ниже агротехнических требований.

В результате математического моделирования и проведенных экспериментальных исследований удалось обосновать эффективный режим работы и конструктивно-технологические параметры комбинированного вибрационного высевающего аппарата.

В пятой главе «Агрооценка экспериментальной сеялки и расчет технико-экономических показателей» приведены материалы производственных

испытаний комбинированной сеялки с вибрационными высевающими аппаратами и технико-экономические расчеты по эффективности ее использования.

Полевые испытания выполнялись в соответствии с методикой проведения агротехнических оценок экспериментальных образцов сеялок. Контролем при этом служила сеялка С3-3,6А. Проведенные испытания подтвердили ранее сделанные выводы о более равномерном распределении семян и туков в рядках, высеянных комбинированным вибрационным аппаратом, что явилось результатом более равномерного распределения растений. Коэффициент вариации интервалов между растениями для экспериментальной сеялки составил 88,6 %, а контрольной - 121,5 %. Лучшие показатели по равномерности распределения гранул удобрений и растений в рядках обеспечили повышение урожайности до 12,1 %. Той же урожайности, что и у катушечного аппарата, комбинированный вибрационный аппарат достигает при меньшей норме высева, что позволяет экономить посевной материал.

Проведенные расчеты позволили определить годовой экономический эффект от внедрения комбинированной сеялки с вибрационными аппаратами в сумме 45219 рублей.

Общие выводы

1. На основании системного анализа конструкций посевных машин установлено, что существующие сеялки оборудуются дополнительными высевающими устройствами для внесения удобрений, что усложняет их конструкцию и приводит к значительным затратам. Одним из перспективных направлений решения данной проблемы является использование комбинированного многоструйного вибрационного аппарата, позволяющего одновременно формировать независимые потоки семян и удобрений.

2. На основании математического моделирования установлены пределы изменения основных факторов и конструктивных параметров, влияющих на процесс одновременного дозирования семян и туков, которые составили:

- частота колебаний 7... 11 Гц, амплитуда 5...7 мм, уровень высеваемого материала 50.. .90 мм;

- длина лотка 490.. .530 мм, ширина 230.. .270 мм,

3. Разработаная методика оценки основных качественных и количественных показателей высева семян зерновых культур с одновременным внесением удобрений позволила методом активного планирования эксперимента установить влияние основных факторов на рабочий процесс исследуемого аппарата.

4. Проведенные экспериментальные исследования комбинированного вибрационного высевающего аппарата позволили обосновать его эффективные конструктивно-технологические параметры и режимы работы:

- при трехрядном размещении 10 высевных отверстий для семян и 5 -для туков длина высевающего устройства i - 510 мм, ширина Ъ - 250 мм и высота h„.y_ - 200 мм, а расстояние между центрами отверстий в ряде 1отв 90 мм;

- ширина высевного отверстия В составляет для пшеницы 10 мм, для овса - 14 мм, а для туков - 8 мм. При высеве зерновых культур и удобрений высевные отверстия должны быть продолговатые, с ре1улируемой длиной до 25 мм;

- уровень семенного материала У в высевающем устройстве должен составлять для пшеницы, овса и туков 70 мм;

- значение амплитуды колебаний высевающего аппарата - 6 мм, а частоты колебаний - 9 Гц;

- коэффициенты неравномерности и неустойчивости при высеве семян пшеницы составили 3 и 0,6 %, при высеве семян овса - 2,9 и 0,9 %, а при внесении удобрений - 2,5 и 1,8 % соответственно, что значительно ниже величин, установленных агротребованиями.

5. Сравнительные испытания вибрационного и катушечного высевающих аппаратов при высеве семян пшеницы показали, что при одинаковой норме высева у экспериментальной сеялки меньший диапазон варьирования количества растений на 5-сантиметровых участках (от 2 до 8 шт.) по сравнению с контрольной (от 0 до 9 шт.). Среднее количество растений на 5-сантиметровых участках у сравниваемых сеялок равно 5 штукам. Однако участков с количеством растений от 4 до 6 штук у экспериментальной сеялки в 1,65 раза больше, чем у контроля.

Коэффициент вариации интервалов между соседними растениями в рядке у комбинированного вибрационного аппарата в 1,37 раза меньше, чем у катушечного.

6. Производственная проверка экспериментального образца комбинированной сеялки с вибрационными высевающими аппаратами подтвердила более равномерное распределение семян и туков в рядке, на основе чего получено заключение о возможности использования таких аппаратов в производстве.

Лучшие показатели по равномерности распределения гранул удобрений и растений в рядках обеспечили повышение урожайности до 12,1 %. Той же урожайности, что и у катушечного аппарата, комбинированный вибрационный аппарат достигает при меньшей норме высева, что позволяет экономить посевной материал.

Годовой экономический эффект от эксплуатации универсальной машины в варианте комбинированной сеялки составляет 45219 руб. в год.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах: В рекомендованных ВАК изданиях

1. Козлов, В.А. Комбинированный вибрационный высевающий аппарат зерновой сеялки / A.A. Вишняков, A.C. Вишняков, В.А. Козлов // Тракторы и сельхозмашины. - 2009. — №11. - С. 3-5.

2. Козлов, В.А. Исследование вибрационного высевающего аппарата зерновой сеялки / A.A. Вишняков, A.C. Вишняков, В.А. Козлов // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2009. - Вып. 1. - С. 124-130.

3. Козлов, В.А. Математическая модель работы комбинированного вибрационного высевающего аппарата сеялки / A.C. Вишняков, В.А. Козлов, A.A. Вишняков, Ар.А. Вишняков // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2011. -Вып. 6.-С. 155-158.

4. Козлов, В.А. Агротехническая оценка сеялки с комбинированными вибрационными высевающими аппаратами / A.C. Вишняков, В.А. Козлов, A.A. Вишняков, Ар.А. Вишняков // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2011. - Вьш.7. -С. 175-180.

5. Патент №2310311 Россия, МКИ А 01 С 7/02. Высевающий аппарат сеялки /A.A. Вишняков, A.C. Вишняков, В.А. Козлов; опубл. 20.11.2007, Бюл. №15. -13 с.

В других изданиях

6. Козлов, В.А. Высев семян овса и туков комбинированным вибрационным высевающим аппаратом сеялки / В.А. Козлов, И.К. Астафьев,

A.И. Клак // Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых ученых: труды IV Междунар. науч. конф. молодых ученых, посвящ. 40-летию СО Россельхозакадемии. Ч. II. - Новосибирск, 2010. - С. 349-353.

7. Козлов, В.А. Агротехническая оценка сеялки с вибрационными высевающими аппаратами / A.A. Вишняков, A.C. Вишняков, Д.А. Каркавин,

B.А. Козлов // Аграрная наука - сельскому хозяйству: сборник статей II междунар. науч. -практ. конф. - Барнаул: Изд-во АГАУ, 2007. - С. 233-235.

8. Козлов, В.А. Лабораторные исследования вибрационных высевающих аппаратов сеялки / В.А. Козлов // Достижения и перспективы студенческой науки: материалы регион, науч.-практ. студ. конф., посвящ. 70-летию Новосиб. гос. аграр. ун-та. Ч. II. - Новосибирск, 2005. - С. 39-40.

9. Козлов, В.А. Вибрационный многоструйный высевающий аппарат рядовой сеялки / В.А. Козлов, Д.А. Каркавин, Д.В. Муховиков // Материалы 42-й студенческой научной конференции: сб. науч. тр. студ. науч. конф. ФГОУ ВПО «Великолукская ГСХА». - Великие Луки, 2006. - С. 47-48.

10. Козлов, В.А. Вибрационный высевающий аппарат сеялки и его оценочные показатели / В.А. Козлов, Д.А. Каркавин, Д.В. Муховиков // Молодежь и наука - третье тысячелетие: сб. материалов Всерос. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / ГОУ ВПГО «ГУЦМиЗ», КРО НС «Интеграция». - Красноярск, 2005. - С. 572-575.

11. Козлов, В.А. Результаты лабораторных исследований вибрационного аппарата при высеве семян огурцов / A.A. Вишняков, A.C. Вишняков,

B.А. Козлов // Ресурсосберегающие технологии механизации сельского хозяйства: прил. к «Вестнику КрасГАУ»: сб. науч. ст. / Краснояр. гос. aipap. ун-т. - Красноярск, 2005. - Вып. 3. - С. 59-62.

12. Манасян, С.К. Статистическое моделирование агротехнических параметров качества функционирования рядовых сеялок / С.К Манасян, A.C. Вишняков, A.A. Вишняков, В.А. Козлов, Г.С. Манасян // Ресурсосберегающие технологии механизации сельского хозяйства: прил. к «Вестнику КрасГАУ»: сб. науч. ст. / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2010. - Вып. 6. -

C. 54-59.

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 24.49.04.953.П. 000381.09,03 от 25.09.2003 г. Подписано в печать 23.12.2011 Формат 60x84/16. Бумага тип. № 1 Печать - ризограф. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 1550 Издательство Красноярского государственного аграрного университета 660017, Красноярск, ул. Ленина, 117

61 12-5/1633

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОГО ВЫСЕВАЮЩЕГО АППАРАТА ВИБРАЦИОННОГО ТИПА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

На правах рукописи

Козлов Владимир Александрович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

д.т.н., доцент Вишняков А.А.

КРАСНОЯРСК - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................4

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ВЫСЕВА СЕМЯН И ВНЕСЕНИЯ УДОБРЕНИЙ....................................................................8

1.1. Способы посева и агротехнические требования к высеву семян..............8

1.2. Влияние удобрений на повышение урожайности сельскохозяйственных культур и способы их внесения..........................................................16

1.3. Анализ конструкции высевающих аппаратов комбинированных рядовых сеялок..........................................................................................19

1.4. Вибрационные высевающие аппараты..............................................25

Выводы по первой главе и задачи исследований.....................................35

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОГО ВИБРАЦИОННОГО ВЫСЕВАЮЩЕГО АППАРАТА.......................................................................................37

2.1. Теоретические основы моделирования.............................................37

2.2. Теоретическое обоснование конструктивных параметров комбинированного вибрационного высевающего аппарата........................40

2.3. Имитационная динамическая модель движения сыпучей среды в

колеблющемся лотке........................................................................42

Выводы по второй главе...................................................................52

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................54

3.1. Программа исследований.............................. .............................54

3.2. Макетный образец комбинированного вибрационного высевающего аппарата........................................................................................55

3.3. Лабораторные установки для исследования комбинированного вибрационного высевающего аппарата..................................................56

3.4. Оценочные показатели работы высевающего аппарата и методики их определения..................................................................................60

3.5. Методика проведения опытов.......................................................63

Выводы по третьей главе...................................................................70

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............71

4.1. Обоснование геометрических параметров комбинированного вибрационного высевающего аппарата..................................................71

4.2. Проведение экспериментальных исследований и статистическая обработка полученных результатов...................................................................74

4.3. Исследование комбинированного вибрационного аппарата при высеве семян зерновых культур...........................................................................77

4.4. Исследование комбинированного вибрационного аппарата при высеве удобрений......................................................................................84

4.5. Построение номограммы для настройки комбинированного аппарата на

заданную норму высева.................................................................... 89

Выводы по четвертой главе...............................................................91

5. АГРООЦЕНКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СЕЯЛКИ И РАСЧЕТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ.................... .............93

5.1. Комбинированная сеялка с вибрационными высевающими аппаратами....................................................................................93

5.2. Настройка сеялки на различные режимы работы...............................95

5.3. Характеристика условий испытаний...............................................96

5.4. Определение показателей качества работы высевающих аппаратов и их анализ............................................................................................97

5.5. Расчет экономической эффективности комбинированной сеялки с

вибрационными высевающими аппаратами.........................................100

Выводы по пятой главе...................................................................107

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................................................109

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................111

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................123

ВВЕДЕНИЕ

Основная задача аграрной отрасли любой страны заключается в том, чтобы полностью удовлетворить потребности населения собственными продуктами питания, а перерабатывающую промышленность - сырьем.

За последние 3 года в России производилось в среднем 80 млн. т. зерна, то есть более 0,5 т. на одного человека[1].

Рассматривая решение задачи, поставленной Президентом РФ, об удвоении ВВП, применительно к зерновой, необходимо довести ежегодное производство зерна до 150... 160 млн. т, тем самым приблизиться к средним мировым нормативам 1,0... 1,2 т/чел. Это в полной мере может обеспечить как внутренние продовольственные и сырьевые потребности, в том числе животноводства и птицеводства, а также позволит экспортировать зерно в значительных объемах без ущерба для внутреннего рынка[2,3].

Для решения проблемы продовольственной безопасности России необходимо повышение урожайности зерновых культур и поддержание почвенного плодородия. Наукой и передовой .рактикой установлено, что наряду с другими мероприятиями, внесение удобрений обеспечивает 50% прибавок урожая сельскохозяйственных культур. В настоящее время объемы их внесения сокращены в 8 - 10 раз. Большая часть объема минеральных удобрений вносится разбросным способом с последующей заделкой различными почвообрабатывающими с.-х. орудиями. В этом случае, до 50 % удобрений размещаются в верхнем (0-5 см) пересыхающем слое и не в полной мере используются растениями. При локальном внутрипочвенном внесении основного удобрения равная прибавка урожая, в сравнении с разбросным, достигается при сокращении дозы на 25-30 %. Неразумное пр именение минеральных удобрений становится экологически опасным, приводит к высоким затратам и неконкурентоспособности растениеводческой продукции. Поэтому важное народнохозяйственное значение имеет разработка комбинированных рабочих

органов посевных машин, позволяющих совмещать операции посева и внесения основного удобрения во влагообеспеченный сх ой почвы [4].

Наряду с внесением удобрений, одной из важных операций при возделывании с/х культур является посев, выполняемый зерновыми сеялками и комбинированными почвообрабатывающими и посевными агрегатами. Основным рабочим органом сеялки, определяющим качество посева, является высевающий аппарат. Наиболее распространенным аппаратом непрерывного высева является катушечный со сдвигаемой или неподвижной катушкой. Эти аппараты являются одноструйными. Ширина захвата сеялки определяется количеством таких аппаратов, размещенных в один ряд поперек движения сеялки. Катушки аппаратов плохо справляются с высевом мелких семян с малой нормой. Замена катушек связана со значительными трудностями, поэтому универсальные сеялки, обеспечивающие высев семян с разными физико-механическими свойствами, не нашли применения. Многие детали катушечного высевающего аппарата требуют сложных технологий их изготовления, а, следовательно, высока их стоимость. Установка сеялки на норму и равномерность высева осуществляется с помощью трех регулировок, что повышает трудоемкость операций по подготовке сеялки к работе и требует высокой квалификации настройщика. В этих аппаратах наблюдается неравномерный, пульсирующий поток семян, выбрасываемый каждой катушкой в семяпровод. Проведенные исследования показывают, что коэффициент вариации интервалов между семенами в рядке при нормах высева семян 2...6 млн. шт./га находится в пределах 93... 122 %. Кроме того, при работе аппарата с различной частотой вращения катушек наблюдается повреждение семян, величина которого может достигать десяти и более процентов [5].

В последнее время получили развитие централизованные высевающие системы (ЦВС), осуществляющие общее дозирование семян и их транспортирование к сошникам воздушным потоком. Существенными недостатками таких высевающих систем являются сложность поддержания постоянной скорости воздушного потока транспортирующего семена, возможность забивания семяпроводов при снижении его скорости, повреждение семян в процессе их транспортировки и делении на

отдельные потоки в распределительных головках. Все это приводит к значительной неравномерности распределения семян вдоль рядков, а следовательно и по занимаемой площади. При общей простоте технологической схемы функционирования, в конструктивном отношении они значительно сложнее механических высевающих аппаратов. Высевающие системы сеялок с центральным дозированием целесообразно использовать в степных районах с большими размерами полей, засеваемые в сжатые сроки.

Использование вибрации при высеве семенного материала явилось импульсом для разработок нескольких типов вибрационных высевающих аппаратов. Однако, технические решения, заложенные в их конструкциях, не позволили получить работоспособный высевающий аппарат вибрационного типа.

Несмотря на многообразие высевающих систем, универсальный аппарат, удовлетворяющий всем агротехническим и эксплуатационным требованиям высева семян с различными физико-механическими свойствами и различными нормами, до сих пор не создан[6].

В связи с этим, работы исследователей и конструкторов, связанные с совершенствованием существующих и разработкой принципиально новых высевающих аппаратов, в большей степени свободных от названных выше недостатков, являются актуальными.

Наиболее перспективным направлением в этом аспекте является разработка технологического процесса многоструйного вибрационного высева семян с.-х. культур с использованием высевающих аппаратов, рабочие процессы которых основаны на формировании потока семян путем сочетания свободного и вынужденного их истечения за счет низкочастотных колебаний слоя семян высевающими устройствами различного конструктивного исполнения. Эти аппараты более универсальны, по сравнению с существующими, позволяют формировать равномерные потоки семян, отличающихся по физико-механическим свойствам, дешевле в изготовлении.

Целью диссертационной работы является обоснование параметров и режимов работы комбинированного вибрационного высевающего аппарата для повышения урожайности и снижения материальных и энергетических затрат.

Научная гипотеза основана на возможности одновременного дозирования семян и удобрений при помощи вибрации, благодаря которой высеваемый материал приобретает повышенную «текучесть», позволяющую ему проходить через калиброванные отверстия высевающего устройства.

Объектом исследований является процесс совместного высева семян зерновых культур и удобрений комбинированным вибрационным высевающим аппаратом.

Предметом исследований являются закономерности, определяющие рабочие процессы комбинированного вибрационного аппарата при совмещенном высеве семян зерновых культур и минеральных удобрений.

1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ВЫСЕВА СЕМЯН И ВНЕСЕНИЯ УДОБРЕНИЙ

Важнейшим этапом технологического процесса при возделывании любой сельскохозяйственной культуры является посев. Качество выполнения этой операции влияет на создание оптимальных условий для нормального роста и развития растений. Это, в конечном счете, определяет урожайность культуры, а, следовательно, и эффективность ее возделывания.

1.1 Способы посева и агротехнические требования к высеву семян

Агротехнические требования, предъявляемые к высевающему аппарату, могут быть определены из агротехнических требований, предъявляемых к сеялке.

По данным Будагова A.A. к аппаратам для односемянного высева предъявляются следующие агротехнические требования: равномерное одиночное распределение семян с интервалами 3, 7 или 10 см. при междурядьях 7,5; 10 и 15 см. соответственно (при междурядьях 10 см. норма составит 4,4... 1,3 млн. на 1 га.); при этом свыше 70 % отрезков рядка, по длине равных удвоенному расчетному интервалу, должны иметь по два семени [7].

М.Н. Летошнев [8] агротехнические требования, предъявляемые к высевающему аппарату, сводит к обеспечению равномерности высева вдоль рядка и по ширине захвата сеялки, постоянству высева, уменьшению травмирования семян и удобству в обслуживании. Ю.А. Вейс [9] дополняет агротехнические требования М.Н. Летошнева: высевающий аппарат не должен реагировать на степень наполнения ящика, толчки и уклоны местности, а также должен быть универсальным. Далее автор замечает, что для некоторых аппаратов известное значение имеет скорость их вращения, но так как скорость перемещения сеялки меняется в ничтожных пределах, этот фактор опущен. Действительно, при посеве конными сеялками скорость их движения была незначительна и правомерно было опускать это требование к высевающему аппарату. При современном уровне

развития техники, когда скорости посева возросли до 15 км/ч, это требование приобретает особое значение.

Б.А. Криль [10] предъявляет к высевающим аппаратам несколько другие требования, хотя в основу их положено равномерное распределение семян. Большое внимание уделяется универсальности высевающего аппарата, который должен высевать полный набор культур, отличающихся размером (от клевера до бобов).

Л.П. Крамаренко [11] объединяет агротехнические требования к высевающему аппарату, сформулированные Ю.А. Вейсом и Б.А. Крилем, дополняя их требованием к скорости движения сеялки. Агротехнические требования к высевающему аппарату, по А.П. Крамаренко, сводятся к следующему:

• высевать семена равномерно, причем эта равномерность не должна зависеть ни от высоты слоя семян в ящике, ни от рельефа местности;

• не повреждать семена;

• обеспечивать высев разного количества семян на единицу площади при простой и удобной регулировке высева;

• высевать семена различных культур (отличающихся формой и состоянием поверхности), т.е. быть универсальным;

• качество посева не должно зависеть от скорости перемещения сеялки по полю;

• простота изготовления и эксплуатации.

Агротехнические требования, включенные в ГОСТ 26711-89 [12], сводятся в основном к следующему:

• равномерное распределение семян вдоль рядка;

• обеспечение для разных культур следующих норм высева,

кг/га.:

пшеницы 602-50; ячменя 90-350; ржи 60-220; овса 100-275; проса 15-30; гороха 80-400; мелкосеменных 5-35; среднесеменных, зернобобовых, рис 50-350.

9

• неравномерность высева семян между отдельными аппаратами не должна превышать для зерновых, льна и риса ±3 %, а для зернобобовых ±4 %;

• неустойчивость высева для всех высеваемых культур не должна превышать ±2 %;

• колебания высева от заданной нормы не должны превышать для всех культур ±3 %;

• сохранение посевных качеств (допускается повреждение семян зерновых культур и трав 0,2 %, зернобобовых 0,7 %);

• простота конструкции и изготовления [12].

Основная задача операции посева состоит в обеспечении наилучших условий прорастания семян и в дальнейшем развитии растений, а также в получении их оптимальной густоты при равномерном размещении по площади питания [13]. Способ посева сельскохозяйственных культур определяется требуемой густотой посева и порядком размещения растений на единице площади. Различают разбросной, рядовой, гнездовой, пунктирный и безрядковый способы посева и посадки сельскохозяйственных культур (рисунок 1.1). Выбор способа посева во многом зависит от посевных качеств семян культуры и почвенно-климатических условий. В зависимости от этого принимается величина междурядья и расстояние между растениями.

Разбросной посев (рисунок 1.1, а) в настоящее время не применяется вследствие неравномерного распределения семян по поверхности поля и неравномерной их заделки по глубине. Суть этого способа заключается в разбрасывании семян по поверхности поля, с последующей заделкой в почву при помощи боронования или каким - либо другим методом. Этот способ используют для посева риса в чеки, заполненные водой. Для этого применяют самолеты, оборудованные разбрасывателями [14].

• 1 • • • • • • • •

• • • •

* • * • • • • •• •

• • • • • .

• * • • • • • • • * •• •

• • • • ** •

• » • • • * • • •• •

• • * * • «

* к *

а

1 7...ВСМ '

: 15см

б

И • I

•) •» «I

' ► • >

•► •

Д

в

« 4

4 4

4^

1 < | I ( 1 ЧБЛПсм1 |

I < 1 < I ( < | < ( р

Ж 3 и

Рисунок 1.1 - Способы посева: а - разбросной; б - рядовой; в - ленточный;

г - узкорядный; д - гнездовой; е - квадратно-гнездовой; ж - пунктирный; з -

посев в борозды; и - широкорядный

Рядовой посев (рисунок 1.1, б) - наиболее распространенный способ посева для целого ряда культур: зерновых, технических, овощных и др. Расстояние между рядками - ширина междурядий является основной характеристикой этого способа сева и устанавливается для различных культур агротехническими требованиями. Форма площади питания растений представляет собой прямоугольник. На склоновых участках целесообразнее проводить посев поперек склонов. Это ослабляет сток воды и уменьшает эрозию почвы. На р�