автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование режимов работы вибрационного аппарата для высева семян льна

005531357

Реутин Виталий Валентинович

На правах рукописи

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВИБРАЦИОННОГО АППАРАТА ДЛЯ ВЫСЕВА СЕМЯН ЛЬНА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 т гт

3ерноград-2013

005531357

Работа выполнена в Государственном научном учреждении СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Беспамятнова Наталья Михайловна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Богомягких Владимир Алексеевич (ФГБОУ ВПО АЧГАА, профессор кафедры)

кандидат технических наук, доцент Зубрилина Елена Михайловна (ФГБОУ ВПО СтГАУ, доцент кафедры)

Ведущая организация: ФГБУ «Кубанская государственная

зональная машиноиспытательная станция» (ФГБУ «Кубанская МИС»), г. Новокубанск

Защита состоится « <Г» июля 2013 г. в 12— часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01, созданного при ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия», по адресу: 347740, Ростовская область, г.Зерноград, ул. Ленина 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия».

Автореферат разослан « 3» июня 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Н.И. Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. По данным Минсельхозпрода Ростовской области в 2010 - 2012 гг. произошли изменения в структуре посевов яровых зерновых, зернобобовых и масличных культур. Основной причиной этого изменения стали сокращение площадей посева подсолнечника до 15% общей площади пашни, а также пересмотр ведения бизнеса после эмбарго на экспорт пшеницы в 2010 году. Поэтому в области попробовали увеличить масличный клин за счет альтернативных подсолнечнику культур — льна масличного, рапса, а также крупяных, зернобобовых и сахарной свеклы. Площади посева в Ростовской области увеличили с 20 тыс. га в 1999 г. до 134,9 тыс. га в 2010 - 2011 гг., рост произошел в 5 - 6 раз. Однако в ряде хозяйств считают, что лен масличный в Ростовской области не пригоден для возделывания вследствие особенностей его производства: анализ известных исследований показал, что современными высевающими аппаратами агротехнические требования (АТТ) не выполняются, происходит значительный (до 20%) перерасход элитного семени в процессе высева за счет явления самоистечения.

В СКНИИМЭСХ разработаны новые высокоточные технологии посева сельскохозяйственных культур и удобрений с использованием сменных сошниковых блоков и высевающих аппаратов вибродискретного действия, позволяющих высевать широкий диапазон с.-х. культур. Однако процесс истечения сверхсыпучих культур недостаточно исследован ранее.

Представленная работа выполняется в СКНИИМЭСХ в соответствии с Планом фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 2011 - 2015 годы по этапу 09.01.02 «Разработать наукоемкие ресурсосберегающие машинные технологии и технические средства возделывания и уборки зерновых, масличных и других культур».

В работе проведено исследование истечения семян льна при использовании вибрационной интенсификации процесса массообмена, а именно эффекта вибрационного микропсевдоожижения среды. За счет определения соотношения собственной частоты истечения семян и частоты внешнего воздействия на поток со стороны исполнительной подсистемы высевающему потоку семян льна задаются свойства управляемого истечения жидкости.

Поэтому обоснование режимов работы вибрационного аппарата для высева семян льна, обеспечивающих выполнение агротехнических требований, является актуальным и современным.

Научная гипотеза: повышение равномерности истечения семян льна из бункера возможно путем управления вибрационной интенсификацией процессов массообмена, при которой возникает эффект вибрационного псевдоожижения сыпучей среды для понижения скорости проскальзывания семян относительно друг друга.

Рабочая гипотеза заключается в том, что создание управляемого устойчивого истечения потока сверхсыпучих семян льна из бункера возможно приданием истекающему потоку элементов свойств вязкой жидкости при нахождении определенных соотношений управляемых частот в исполнительных подсистемах высева и собственных частот истечения сверхсыпучих семян.

Цель исследования заключается в обосновании режимов работы вибрационных аппаратов для посева семян льна, повышающих качество их высева.

Объектом исследования является вибрационный технологический процесс, выполняемый исполнительной подсистемой высева семян льна при создании микропсевдоожиженного слоя в истекающем потоке.

Предмет исследования: зависимость формирования показателей качества высева семян льна от динамических процессов в элементах управления вибрационных аппаратов.

Научная новизна заключается в том, что приданием потоку семян льна внешних элементов, создающих подъемную силу, достигается возможность точного управления дозированием потока.

Получены значения коэффициентов эффективности вибрирования и частоты внешних воздействий для повышения качества высева семян льна.

Практическая значимость заключается в реализации конкретного технологического решения при создании нового поколения сеялок «Глазовчан-ка», определении для него параметров и режимов устойчивого функционирования и обеспечение точного управления дозированием потока семян льна.

Методы исследования. Применялись методы системно-структурного анализа с использованием компьютерного моделирования, методы теоретической механики, метод математической статистики, теория массообмена.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований переданы в ОАО «Реммаш» (г. Глазов Удмуртская Республика) и используются при создании универсальной сеялки-культиватора «Глазовчанка». Разработаны рекомендации по технологии высева сверхсыпучих семян льна.

Апробация работы. Доложена и одобрена на Международных научно-практических конференциях ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии (г. Зерноград, 2010-2012 гг.), на Международных научно-практических конференциях ДГТУ (г. Ростов-на-Дону, 2010 г.), Рггетеэ! - 2011 г. (Польша).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в их числе 2 в журналах из перечня ВАК.

Основные положения, выносимые на защиту:

- обоснование управляемого процесса равномерности и устойчивости истечения семян льна из бункера под воздействием дополнительной внешней ударной подъемной импульсной силы;

- методика расчета создания подъемной силы потока семян льна в псев-доожиженном слое для повышения качественных показателей их высева;

- результаты экспериментальных исследований процессов истечения сверхсыпучих семян льна в псевдоожиженном слое под воздействием подъемной силы в вибрационном высевающем аппарате.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 110 страницах, содержит 26 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 90 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена краткая характеристика состояния проблемы, обоснована актуальность темы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, аннотация глав.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» представлен краткий обзор уровня отечественных разработок в сравнении с лучшими мировыми аналогами, включающий анализ современных приемов посева, мониторинг технологических приемов посева, результаты исследования точности высева семян различных сельскохозяйственных культур современными высевающими аппаратами, а также рассмотрены вибрационные процессы в современных технологиях сева.

Исследованием процессов вибрации технологического назначения занимались ученые Б.И. Турбин, A.A. Дубровский, Н.М. Беспамятнова, В.А. Бо-гомягких, П.М. Василенко, А.Г. Возмилов, B.C. Сухин, A.A. Вишняков и др.

В СКНИИМЭСХ по заданию Российской академии сельскохозяйственных наук под руководством профессора Н.М. Беспамятновой проводится работа, посвященная особенностям проявления эффектов вибрации при анализе мобильных машин в сельскохозяйственном производстве.

Поскольку выполненная диссертация является частью этой работы, то основная целенаправленность научного исследования заключается в следующем.

Рабочая гипотеза заключается в том, что создание управляемого устойчивого истечения потока сверхсыпучих семян льна из бункера возможно приданием истекающему потоку элементов свойств вязкой жидкости при на-

хождении определенных соотношений управляемых частот в исполнительных подсистемах высева и собственных частот истечения сверхсыпучих семян.

Основными задачами по теме являются:

- проведение теоретических исследований по определению особенностей процессов вибрации и управления ими в технологическом процессе высева семян льна;

- проведение экспериментальных исследований по определению реальных динамических характеристик вибрации при истечении семян льна в лабораторных условиях;

- разработка методики расчета создания подъемной силы потока сверхсыпучих семян льна для выполнения высокоточных технологий посева.

Во второй главе «Элементы высокоточной технологии посева сверхсыпучих семян льна в микропсевдоожиженном слое» рассмотрены вопросы, связанные с передачей кинетической энергии от эффекта вибрации пластины к истекающему из бункера потоку семян льна, и влияние параметров вибрирования на качественные показатели высева семян.

Предварительные исследования подтвердили, что при посеве сверхсыпучих семян льна истечение из бункера за счет текучести происходит стремительно, семена сыплются через зазоры сплошным потоком, что делает невозможным точное дозирование (рисунок 1).

Рисунок 1 - Агротехнические показатели высева семян льна универсальной высевающей системой при различных нормах высева (Q): 1,2 - соответственно неравномерность и неустойчивость высева семян льна при самоистечении; АТТ - агротехнические требования на устойчивость, интервал нормы высева по АТТ 40 - 90 кг/га

Аппроксимируя результаты данных при самоистечении, были получены зависимости:

у{Нх) = 0,00012х2 - 0,08782х + 22,22131;

у(Н2) = -0,00008х2 - 0,00518х + 23,38107, где х - параметр (норма высева); Н, - неравномерность высева; Н2 - неустойчивость высева.

Семена льна даже без дополнительного импульса при малых нормах высева обладают излишней скоростью истечения за счет малого трения семян между собой.

В предлагаемой работе повышение равномерности истечения семян льна из бункера достигается путем управления вибрационной интенсификацией процессов массообмена, при которой возникает эффект видимого повышения сухого трения под воздействием вибрации. Эффект резкого повышения и линеаризации сухого трения проявляется в потере устойчивости истечения потока, когда сыпучая среда приобретает свойства вязкой жидкости. Этот эффект называется вибрационным псевдоожижением сыпучей среды.

В предлагаемой работе эффект повышения и линеаризации сухого трения используется для выяснения механизма воздействия трущихся семян льна на видимый коэффициент трения в виброполе и возможности замедления процесса самоистечения семян из бункера (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема создания микропсевдоожиженного слоя семян в потоке: а) схема движения семени в виброполе; б) график зависимости истечения семени У0} от периода Г (доза)

Сообщим семени А мгновенный импульс от пластины вибратора Уш в положительном направлении оси X, тогда возникает приращение Уверт скорости семени. Для обычных семян сила трения между ними /<" гасит этот им-

пульс. Для семян льна при малой нормы высева этой силы нет. Следовательно, необходима дополнительная сила Д£>е, которая должна обеспечивать дальнейшее повышение силы Уверт. Угол /5 - угол отклонения пластины-вибратора.

Дополнительная сила А Од должна уравновешивать постоянство силы Керт за счет увеличения составляющей силы трения -Р: А£>д >Р .

Из подобия силового и скоростного параллелограммов:

V Р к верт1

Г —» (1)

"а

Vco = \vzop2 + Vlpm + 2VzopVeepm cos <p, (2)

где <p - угол между направлениями Угор и V„epm, равенство (1) принимает вид:

V F

„. у верт1

F* = , у (3)

+ Veepm + 2VaopVeepm cos <p

Сила сухого трения пропорциональна коэффициенту трения семян друг о друга:

F = JP, F* = f * Р,

где Р - модуль силы нормального давления, Па;/- действительный коэффициент трения скольжения; / - видимый коэффициент трения, который создает сила ADq.

В вибрационном поле угол <р может быть в диапазоне 0<<р<ж.

Veem

При еерт ^ 1 для любых углов <р (при Veepm>0y.

V

гор

Л^верт

/ —' (4)

' гор

Следовательно, сила видимого коэффициента трения Р становится пропорциональной скорости Уверт. Сухое трение как бы превращается в линейное вязкое сопротивление, т.е. происходит линеаризация трения.

В диапазоне 0<АИв<Р, будет поддерживаться постоянство скорости У01 истечения семени. При ¿Юв>Р скорость Уверт будет возрастать, т.е. создавать эффект трения семян друг о друга (дополнительное трение скольжение).

При равенстве трения скольжения и трения покоя:

у _ ^ЬУгоР

верт F2-AD2Q

( I 2 F2 - ADq .

cos <р +-——— sin cot\ + cos <p sin cot

adq

Иными словами, при истечении семян льна появляются пульсирующая и колеблющаяся составляющие. Поскольку размах пульсирующей со-

ставляющей больше амплитуды колеблющейся составляющей, поэтому Уеерт - неотрицательна (рисунок 2, б).

Средняя скорость:

КР =

п

{ , -¡СОБ(0 +---

(6)

Эффективность вибрирования потока семян г/ характеризуется (по В.А. Бауману) отношением полуразмаха скорости семени относительно соприкосновения с другими семенами к амплитуде скорости налагаемой извне вибрации. Кроме того параметр г] зависит от параметра а, равного отношению силы сухого трения семени о среду, к произведению массы семени на амплитуду ускорения наложенной вибрации (рисунок 3).

'1 Ч

0,8 \ 1

0,8

0,6 V

\ 0,6

0,4 V

\ 0,4

0,2 \ 0,2

> ч 0

0,2 0,4 0,6 0,8 а

у-1 Я2 - 0,583

Л

\

IV 2 К2 = 0,804

Я2 = 0,811 I ж .....

од

0,2

а)

б)

Рисунок 3 - Зависимость эффективности вибрирования г] от физико-механических свойств а: а) твердая смесь; б) семена льна: 1 - коэффициент трения/,=0,13; 2 - коэффициент трения/2=0,20;

3 - коэффициент трения_/¡=0,26

С учетом очень низкого коэффициента сухого трения льна (0,12 - 0,23) и размеров семян льна порядка 3 - 5 мм при амплитуде ускорения наложенной вибрации график 3, а приобретает вид 3, б. Зависимость г)(а) для сверхсыпучих семян льна отлична от вида кривой В.А. Баумана для твердых тел, и имеет обратную выпуклость (-е). Чем меньше норма высева семян, тем выше должна быть эффективность вибрирования: на всем диапазоне 0<а<1 функция г](а) убывает в виде экспоненты.

Аппроксимация данных на графике 3, б будет иметь вид:

7, = 1,9044е-1б'1048«<; ъ = 2,1327<Г17-4175^; щ = 1 ю,4546е-59>9750а;з.

На рисунке 4 приведены кривые зависимости параметра г] от угловой частоты вибрирования со при постоянной амплитуде скорости наложенной вибрации, где г,.5 - значения размеров семян. Для льна соответствует кривая Г1, из которой следует, что частота вибрирования должна быть 6-8 Гц.

—-г

Г

, 1 / У /

44 Л V г у

71

/ /

-Т г

Рисунок 4 - График эффективности вибрирования ц от частоты вибрирования со

Таким образом, при снижении коэффициента трения семян следует увеличивать на порядок режим эффективности вибрирования потока семян. Следовательно, для нормального истечения сверхсыпучих семян льна необходимо повышать уровень вибрации, что возможно при увеличении внешней частоты колебаний вибрации а>х или повышением мощности Р.

Для повышения показателя вибрации была использована вибросистема с управляемой частотой вибратора (рисунок 5).

Рисунок 5 - Виртуальная имитация создания псевдоожиженного слоя сверхсыпучих семян льна

При повышении частоты вибратора возможен процесс, при котором к семенам подается непрерывно дополнительная сила направленная в

противоположном истечению семени направлении. В результате получается как бы взвешенный слой семян, в котором скорость их истечения замедляет-

ся. Семена льна виртуально принимают увеличенный коэффициент трения, и как бы увеличивается их масса.

Разработана методика расчета создания подъемной силы потока сверхсыпучих семян льна на основе зависимости академика А.Н. Крылова подъемной силы для упругих систем:

I I

АО0 --Г<эА(т)8те?А(/-т)</т> п\

тсо0 о

где для исследуемого процесса:

1

т - приведенная масса системы, г; т = тс+-тт, щс- доза высева семян в

единицу времени на пластине вибратора, г/сек; тпп - масса пластины вибратора, г; со0 - частота свободных колебаний семени на пластине вибратора, Гц; сох - внешнее воздействие вибратора на поток семян, Гц.

Для исследуемой задачи окончательно с учетом коэффициентов жесткости сс семени и пластины сш\

. ~ (0 й>0 1 Г * / Ч /. ч т

--——|«я(г)со8<УЛ(/-г)а?г, (8)

С С С о

где т- переменная интегрирования, имеющая размерность времени; с — коэффициент жесткости системы, Н/м, с — Сс + Ст .

Если заменить силу Уверт на последовательность бесконечно малых импульсов а>(т)с1(т), то

Т '

Айа < — ¿Отах,

у 2 с

т •

где — а« - размерность силы и представляет собой наибольшее прираще-2 с

Т Т

ние силы Уверт за промежуток времени у, (доза); у - полупериод свободных колебаний, обеспечивается открытием вибратора («Ул).

Таким образом, подъемную силу АИд, создающую эффект псевдоожи-женного слоя в потоке семян льна, можно представить ограниченным интегралом:

АБо--У-— | едо(т>/г,

с с 6

(9)

200

где I - диапазон нормы высева семян льна в исследуемом процессе, кг/га. 6

Исходя из этого, внешняя частота сох, возбуждаемая вибратором для создания подъемной силы потока семян и псевдоожиженного слоя, должна оп-

ределяться зависимостью (рисунок 6):

СОо

сол>с

г ^ \

—--J &>о(г)й?г

У

где и - начальное и конечное значение диапазона нормы высева семян.

^ А II

03,

Яш

R2= 0,979

«0

—

. . ■ ■ ■ . ■ R2= 0,9774

О 50 100 150 200 Q, кг/га

Рисунок 6 - Зависимость создания внешнего воздействия вибратора сйд для границы подъемной силы псевдоожиженного потока и собственной частоты а>о потока семян от нормы высева Q семян льна

Аппроксимация расчетных значений на рисунке 6 будет иметь вид: у(а>1) = 0,00004л:2 - 0,01546х + 8,91584;

у(со0) = 0,00002х2 - 0,00768х + 4,45587.

Из анализа зависимостей следует, что происходит экспоненциальное поддержание истекающего потока семян со0 для всех норм высева при создании псевдоожиженного потока подъемной силой, создаваемой вибратором с частотой о);. В полном соответствии с лабораторными исследованиями, при высеве семян льна превышать внешнюю частоту вибратора свыше 10 Гц не следует.

Для создания подъемной силы, обеспечивающей равновесие семян льна в потоке, необходимы определенные режимы для амплитуд и возбуждающей силы вибратора (рисунок 7).

При ограниченной амплитуде вибратора (17 мм) F'l развивается подъемное усилие Fq на поток семян, сдерживающее скорость истечения семян до равновесия, но не останавливающее его.

В третьей главе «Методика проведения экспериментальных исследований» представлена программа и методики (общие и частные) проведения экспериментальных исследований. Цель лабораторных исследований заклю-

чалась в получении экспериментальных данных для уточнения технологических приемов посева семян льна с использованием универсальной высевающей системы.

Рисунок 7 - Зависимости возбуждающей силы вибратора и усилие на поток семян в зависимости от нормы высева семян льна

Объектом исследований является технологический процесс дифференцированного высева семян льна с различными нормами и повышением точности высева.

В качестве лабораторной установки использовалась универсальная вы севающая система вибродискретного действия по патенту №2273979, созданной СКНИИМЭСХ и ТНИИС, а также лабораторная установка (рисунки и 9). ______

1&_Р .................■■■■чдяивжяиэд-ч— ■ ■ ■' 5

«н! ¡Щ|1 — ----- - -...........- - ш ,,, .„ям»'8

.Шй шши III

ШШ чК» " щШ Ж ^

ШШт ^ ШШШтШ р ^ Ша,Я

Ш^гК^'ШШ^Ш«.н ЧЧ 'ЩШ- : ' Ч:Ч?

Рисунок 8 - Лабораторная установка для проведения опытов

Рисунок 9 - Схема лабораторной установки для исследования динамических и агротехнических показателей исполнительных подсистем, где: 1 - источник питания; 2 - управляющий блок;

3 - дозатор; 4 - выносной пульт; 5 - мерные емкости

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты экспериментальных исследований технологического процесса вибровысева семян льна с различными нормами высева и повышением качества посева семян льна с использованием расчетных режимов работы универсальной высевающей системы. Агротехнические показатели нормы высева семян льна от 6 до 200 кг/га представлены на рисунке 10.

¿1.

А i ....... 1 • ■ . |, ■ ■■ J i R2= 0,895

: 1! т ip | V

X к /2__ -

^ —— R2 — 0,770

о 50 100 150 200 Q, кг/га

Рисунок 10 - Агротехнические показатели высева семян льна универсальной высевающей системой при частоте вибрации 6,7 Гц с различными нормами высева (Q): 1 - неравномерность высева по аппаратам; 2 - неустойчивость

общего высева

Аппроксимация полученных экспериментальных данных представлена в виде зависимостей (рисунокЮ):

у(Нх) = 0,00009х2 - 0,0291х + 3,9185; у(Н2) = 0,0001х2 - 0,023 9х +1,7464.

Неравномерность высева ссмян льна (кривая 1) по аппаратам представлена экспонентой, и с увеличением нормы высева показатель улучшается. Норма высева семян льна составляет 40 - 90 кг/га. Однако и при других нормах высева показатель качества значительно ниже АТТ(±10%) и составляет до 3% (в 5 раз).

График неустойчивости высева семян льна (кривая 2) соответствует кривой, близкой к параболе, и имеет перегиб в диапазоне 90 - 120 кг/га. По АТТ для высева семян льна этот показатель не должен превышать ±3%. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что неустойчивость высева семян льна составляет всего 0,5 — 1,5%.

Как показали исследования лаборатории посева СКНИИМЭСХ при одной и той же частоте 6,7 Гц вибратора для малых норм высева более удобно повышать мощность вибратора. Результаты экспериментальных исследований представлены графически (рисунок 11), на малом участке повышения мощности.

Q.

кг/га 80

60

40

20

▲ 1

♦ R2 = 0,9029

0,5 1 1,5 2 Р>Вт

Рисунок 11 - Зависимость норм высева семян льна от мощности, подаваемой в вибрационное поле потока семян при юЛ=6,7 Гц

Аппроксимируя представленную на рисунке 11 зависимость, было получено уравнение:

х = 2,43Р2 + 35,86Р - 24,7.

На рисунке 12 представлены зависимости норм высева семян льна при самотечении при различных показателях амплитуды вибратора при частоте 0 Гц.

<2,

кг/га

500 400 300 200 100

0

Рисунок 12 - Зависимость норм высева семян льна от открытия амплитуды вибратора при самоистечении из бункера (&>я=0 Гц)

Аппроксимация зависимости на рисунке 12 имеет вид: х = -0,95А2 + 89,38Л -160,47.

Сравнение графиков на рисунках 11 и 12 наглядно свидетельствуют о характере изменения норм высева при частоте вибратора а>л=6,7 Гц и величине накачки мощности от 0,8 до 3 Вт происходит управляемое истечение семян льна (угол кривой значительно меньше, чем при самоистечении).

Сравнение графиков на рисунках 1 и 13 свидетельствует о том, что исследуемый фактор качества посева при увеличении мощности тока в вибрационном поле всего до 1 Вт резко, в 5-6 раз снижается по сравнению с обычным посевом льна без вибрации. Аппроксимация показателей нормы высева, неравномерности и неустойчивости указывает на значительное возрастание влияния второй производной мощности тока (импульсное воздействие). При этом полностью выполняются агротехнические требования на посев при показателе Р - 0,8-0,99.

Аппроксимируя представленные зависимости рисунка 13, получим:

_у(#,) = \,211Р2 - 5,726Р + 8,136; у(Н2) = 1,606Р2 -5,243Р + 5,055.

н,

%

4 3 2 1 О

0,5 1 1,5 2 Р>Вт

Рисунок 13 - Зависимость агротехнических показателей высева семян льна а>х=6,1 Гц от увеличения мощности тока Р: 1 - неравномерность высева по аппаратам;

2 - неустойчивость общего высева

Таким образом, создание дополнительной подъемной силы для высева семян льна, создающей в данном случае положительное явление запаздывания скорости истечения семян с малым коэффициентом трения, позволяет полностью решить проблему высева сверхсыпучих семян льна.

В пятой главе «Оценка экономической эффективности» изложен расчет экономической эффективности применения расчетных режимов работы вибросистемы, создающей возможность высева семян льна вибросеялкой СК-3,6Н и Н-6, Н-12 по сравнению с существующими сеялками.

Без учета дополнительного эффекта перерасход семян в 10 - 20% годовой эффект от применения проектируемых сеялок в модельном хозяйстве по новой технологии составляет в расчете на 1 га пашни для сеялки Новая-12 -908,7 руб., для сеялки Новая-6 - 986,3 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ проведенных исследований показал, что серийные катушечные аппараты семена льна высевают крайне неравномерно (неустойчивость общего высева достигает 10 - 20%), кроме того за счет повышенной текучести семян истечение из бункера происходит стремительно, что делает невозможным точное дозирование, семена сыплются через зазоры сплошным потоком. Нормальное сводообразование в потоке возникает при увеличении нормы высева выше 150 кг/га за счет повышения плотности потока, однако такое явление появляется значительно выше агротехнических норм высева семян льна: 40 - 90 кг/га.

ч» 1

♦ R2 = 0,8306 L............■.............................. j

■ , 2 1 .......в ..............

■ " 1И 1 я R2 = 0,3994

2. Разработана научная идея интенсификации процесса дозирования сверхсыпучих семян льна путем придания потоку в вибрационном поле дополнительной подъемной силы, направленной в противоположную истечению семян сторону и ограничивающую избыточную скорость их истечения.

3. Определена зависимость эффективности вибрирования для семян льна с низким коэффициентом трения (0,12 - 0,23) и размеров семян 3 - 5 мм в вибрационном поле, которая имеет вид экспоненты с обратной выпуклостью. Для повышения эффективности высева семян льна показатель вибрирования должен быть повышен, что достигается дополнительным уровнем вибрации: частотой вибрации 6 - 8 Гц, электрической мощностью, подаваемой в вибрационное поле до 2 Вт, амплитудой вибратора - до 2,5 - 4 мм.

4. Доказана возможность достижения точного дозирования семян льна путем управляемого истечения сверхсыпучих семян льна при создании вибрационного микропсевдоожиженного слоя семян с воздействием внешней ударной силы:

- процесс обеспечивается при частоте колебаний вибратора ед 6 - 10 Гц; показатели высева семян льна составляют 0,5 - 1,5% - для неустойчивости и до 3% - неравномерности высева семян льна на всех рабочих нормах высева (от 6 до 200 кг/га);

- неравномерность истечения семян льна из микропсевдоожиженного слоя имеет вид экспоненты, а неустойчивость - вид параболы и имеет перегиб в диапазоне норм высева 90-120 кг/га.

5. Разработана методика расчета создания подъемной силы потока сверхсыпучих семян льна и технологический регламент посева различных сельскохозяйственных культур с учетом льна в условиях недостаточного увлажнения. Результаты переданы в ОАО «Реммаш» (Удмуртская Республика) для изготовления сеялки «Глазовчанка», снабженной универсальной высевающей системой вибродискретного действия.

6. При использовании экспериментальной высевающей системы, создающей эффект микропсевдоожиженного слоя, без учета дополнительного эффекта, снижающего перерасход семян в 10 - 20%, годовой эффект от применения проектируемых сеялок составляет в расчете на 1 га пашни: для сеялки «Новая-12» - 908,7 руб.; для сеялки «Новая-6» - 986,3 руб.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Реутин, В.В. Повышение равномерности высева семян льна / В.В.Реутин // Сельский механизатор, 2010. -№11. - С. 18-19.

2. Реутин, B.B. Повышение эффективности посева сильносыпучих семян / Н.М. Беспамятнова, В.В. Реутин // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2011. - №8. - С. 20-21.

Публикации в сборниках научных трудов:

3. Реутин, В.В. Особенности истечения мелкосыпучих семян в микро-псевдоожиженном слое (на примере льна) / Н.М. Беспамятнова, В.В. Реутин // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: материалы международной научно-практической конференции в рамках 13-й международной агропромышленной выставки «Интерагромаш». -Ростов-на-Дону, 2010. - С. 19-23.

4. Реутин, В.В. Элементы высокоточной технологии посева мелкосыпучих семян льна в микропсевдоожиженном слое / В.В. Реутин, A.A. Колинько // Ресурсосберегающие технологии и техническое обеспечение для инновационного развития агропромышленного комплекса: сб. научных трудов 5-й Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии - основа эффективного развития агропромышленного комплекса России». - Зерноград, 2010. - С. 268-276.

5. Реутин, В.В. Эффект вибрационного микропсевдоожижения при высеве сильносыпучих семян (льна) / Н.М. Беспамятнова, В.В. Реутин // Инновационные технологии и технические средства для полеводства юга России: сб. научных трудов 6-й Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение инновационного развития сельскохозяйственного производства». - Зерноград, 2011. - С.41-47.

6. Реутин, В.В. Перспективы вибрационного посева сильносыпучих семян // Н.М. Беспамятнова, В.В. Реутин // Materialy VII Miedzynarodowej naukowi - praktycznej konferencji «Perspektywiczne opracowania sa nauka i technikami - 2011». Volume 47. Rolnictwo.: Prezemysl. Nauka i studia, 2011. -Str. 19-26.

7. Реутин, В.В. Создание дополнительной подъемной силы в истекающем потоке при высеве сильносыпучих семян льна / В.В. Реутин // Агроин-женерная наука в сфере АПК: инновации, достижения: сб. научных трудов 7-й Международной научно-практической конференции «Агроинженерная наука в повышении энергоэффективности АПК». - Зерноград, 2012. -

С. 76-82.

ЛР 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 31.05.2013. Формат 60x84/16. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 221.

О РИО ФГБОУ ВПО АЧГАА 347740, Зерноград, Ростовской области, ул. Советская, 15.

Российская академия сельскохозяйственных наук

Государственное научное учреждение СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии)

На правах рукописи

04201360535 Реутин Виталий Валентинович

ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВИБРАЦИОННОГО АППАРАТА

ДЛЯ ВЫСЕВА СЕМЯН ЛЬНА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор Беспамятнова Н.М.

Зерноград 2013

стр.

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................3

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................11

1.1 Краткий анализ современных технологий посева льна..........................11

1.2 Мониторинг технологических приемов посева в универсальных блочно-модульных сеялках и комбинированных почвообрабатывающе-посевных агрегатах......................................................................15

1.3 Обзор вибрационных процессов в современных технологиях посева........26

1.4 Рабочая гипотеза, цель и задачи исследований.....................................42

2. ЭЛЕМЕНТЫ ВЫСОКОТОЧНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОСЕВА СВЕРХСЫПУЧИХ СЕМЯН ЛЬНА В МИКРОПСЕВДООЖИЖЕННОМ

СЛОЕ................................................................................................44

2.1 Движение мелких семян при истечении их из бункера...........................44

2.2 Методика расчета создания подъемной силы потока сверхсыпучих

семян льна.................................................................................57

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................................64

3.1 Программа экспериментальных исследований.....................................64

3.2 Лабораторное оборудование и измерительная аппаратура для проведения экспериментальных исследований....................................70

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..................75

5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ...............................82

ВЫВОДЫ И ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................97

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................99

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................110

ВВЕДЕНИЕ

По данным Минсельхозпрода Ростовской области в 2010 - 2012 гг. произошли изменения в структуре посевов яровых зерновых, зернобобовых и масличных культур. Основной причиной этого изменения стали сокращение площадей посева подсолнечника до 15% общей площади пашни, а также пересмотр ведения бизнеса после эмбарго на экспорт пшеницы в 2010 году. Поэтому в области попробовали увеличить масличный клин за счет альтернативных подсолнечнику культур -льна масличного, рапса, а также крупяных, зернобобовых и сахарной свеклы. Площади посева в Ростовской области увеличили в различных районах: в Кон-стантиновском районе - с 3,8 тыс. га до 10,7 тыс. га, в Белокалитвенском районе -с 0,64 до 5,2 тыс. га [1], в трех южных районах - Кагальницком, Сальском и Пес-чанокопском высевают масличные культуры (подсолнечник, лен) - на 1,1 млн. га [2, 3].

В Зимовниковском районе льном в 2011 году засеяно 130 тыс. га; имеются попытки посева льна масличного в Шолоховском, Аксайском и Заветинском районах. Если десятилетие назад лен занимал 20 тыс. га, то в 2010 - 2011 гг. его площадь составила 134,9 тыс. га, рост произошел в 5 - 6 раз [4].

Однако в некоторых хозяйствах, в частности в агрофирме «Целина» считают, что лен масличный в Ростовской области не пригоден для произрастания [1].

Лен - важнейшая технологическая культура. Из более чем 50 видов льна в нашей стране возделывается, в основном, 2 вида - прядильная культура (лен долгунец) и масличная (лен кудряш или масличный лен). В нашей зоне предпринимаются попытки возделывания льна масличного. Масло льна используется для приготовления олифы, лаков, красок, употребляется в пищу. Семена и масло находят применение и в медицине [5].

Агротехнические требования (АТТ) к качеству работы высевающих аппаратов при посеве льна несколько отличаются от других культур вследствие сверхсыпучести семян из высевающих аппаратов: отклонение фактической нормы

от заданной не должно превышать ±10%; неравномерность высевающих аппаратов не должна превышать ±3%. Дробление семян не должно превышать 0,3%- Анализ известных исследований показал, что и эти требования современными высевающими аппаратами не выполняются, происходит значительный (до 20%) перерасход элитного семени в процессе высева за счет явления самоистечения.

Основной задачей современного развития сельскохозяйственного машиностроения является улучшение агротехнических показателей качества высева семян путем совершенствования имеющихся и создания нового поколения рабочих органов для обеспечения более качественного выполнения технологического процесса.

В технологическом процессе высева любой посевной машины основным рабочим органом является высевающий аппарат.

Для каждого типа сеялок разработано большое количество высевающих аппаратов, которые служат для отбора семян из общей массы и формирования дозированного потока с заданными параметрами.

В СКНИИМЭСХ разработаны новые высокоточные технологии приема и операций посева сельскохозяйственных культур и удобрений с использованием сменных сошниковых блоков и высевающих аппаратов вибродискретного действия, позволяющих высевать широкий диапазон сельскохозяйственных культур. Однако процесс истечения сверхсыпучих семян льна недостаточно исследован ранее.

Представленная работа выполняется в СКНИИМЭСХ в соответствии с Планом фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 2011 - 2015 годы по этапу 09.01.02 «Разработать наукоемкие ресурсосберегающие машинные технологии и технические средства возделывания и уборки зерновых, масличных и других культур».

В работе проведено исследование истечения семян льна при использовании вибрационной интенсификации процесса массообмена, а именно эффекта

вибрационного микропсевдоожижения среды. За счет определения соотношения собственной частоты истечения семян и частоты внешнего воздействия на поток со стороны исполнительной подсистемы высевающему потоку семян льна задаются свойства управляемого истечения вязкой жидкости.

Поэтому обоснование режимов работы вибрационного аппарата для высева семян льна, обеспечивающих выполнение агротехнических требований, является актуальным и современным.

Выдвигается научная гипотеза исследования, состоящая в том, что повышение равномерности истечения семян льна из бункера возможно путем управления вибрационной интенсификацией процессов массообмена, при которой возникает эффект вибрационного псевдоожижения сыпучей среды для понижения скорости проскальзывания семян льна относительно друг друга.

Цель исследования заключается в обосновании режимов работы вибрационных аппаратов для посева семян льна, повышающих качество их высева.

Объектом исследования является вибрационный технологический процесс, выполняемый исполнительной подсистемой высева семян льна при создании микропсевдоожиженного слоя в истекающем потоке.

Предмет исследования: зависимости формирования показателей качества высева семян льна от динамических процессов в элементах управления вибрационных аппаратов.

Научная новизна заключается в том, что приданием потоку семян льна внешних элементов, создающих подъемную силу, достигается возможность точного управления дозированием потока.

Получены значения коэффициентов эффективности вибрирования и частоты внешних воздействий для повышения качества высева семян льна.

Практическая значимость заключается в реализации конкретного технологического решения при создании нового поколения сеялок «Глазовчанка», определении для него режимов устойчивого функционирования и обеспечении точного управления дозированием потока семян льна.

Основные положения, выносимые на защиту:

- обоснование управляемого процесса равномерности и устойчивости истечения семян льна из бункера под воздействием дополнительной внешней ударной подъемной импульсной силы;

- методика расчета создания подъемной силы потока семян льна в псевдоожиженном слое для повышения качественных показателей их высева;

- результаты экспериментальных исследований процессов истечения сверхсыпучих семян льна в псевдоожиженном слое под воздействием подъемной силы в вибрационном высевающем аппарате.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований переданы в ОАО «Реммаш» (г. Глазов Удмуртская Республика) и используются при создании универсальной сеялки-культиватора «Глазовчанка». Разработаны рекомендации по технологии высева сверхсыпучих семян льна.

Апробация работы. Доложена и одобрена на Международных научно-практических конференциях ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии (г. Зерноград, 2010 - 2012 гг.), на Международных научно-практических конференциях ДГТУ «Интерагроммаш» (г. Ростов-на-Дону, 2010 г.), Рггетуэ! -2011 г. (Польша).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в их числе 2 в журналах из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав выводов, списка литературных источников и приложения. Работа изложена на 110 страницах, содержит 26 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 90 наименований.

На основании выполненных исследований:

- разработана новая научная идея интенсификации процесса дозирования семян льна путем придания потоку сверхсыпучих семян внешних воздействий, создающих подъемную силу с возможностью точного управления дозированием потока.

- предложены: новая научная идея, обогащающая научную концепцию создания управляемого процесса истечения сверхсыпучих семян из бункера под воздействием дополнительной внешней ударной подъемной силы; получены значения коэффициентов эффективности вибрирования семян льна и частоты вибрирования.

- доказана перспективность использования полученных теоретических положений при разработке новых дозирующих систем высева сверхсыпучих семян;

Теоретическая значимость исследования обоснована тем, что:

- доказаны: реальная возможность достижения точного дозированного истечения сверхсыпучих семян льна путем снижения скорости истечения при дополнительном воздействии на истекающий из бункера поток внешней ударной подъемной импульсной силы;

- применительно к проблематике диссертации результативно использована теория массообмена; методы системно-структурного анализа с использованием компьютерного моделирования, методы теоретической механики, натурный эксперимент;

- изложен вибрационный технологический процесс, выполняемый исполнительной подсистемой высева сверхсыпучих семян льна при создании микропсев-доожиженного слоя в истекающем потоке;

- раскрыта возможность проявления теории А.Н. Крылова для преодоления противоречий, возникающих при стремительном истечении сверхсыпучих семян льна и малой дозой их высева, так как обычные дозирующие устройства не способны замедлять скорость высева семян льна с необходимой агротехническими требованиями точностью;

- изучена зависимость показателей устойчивости высева сверхсыпучих семян льна от режимов работы виброустройств;

- проведена модернизация существующей математической модели высева семян виброустройствами, позволяющая получить новые результаты по совершенствованию процесса высева сверхсыпучих семян льна.

Значение полученных результатов исследования для практики подтверждается тем, что:

- разработаны и внедрены рекомендации по технологии высева сверхсыпучих семян льна; «Технологический регламент посева семян различных сельскохозяйственных культур в условиях недостаточного земледелия»; материалы исследований переданы в ОАО «Реммаш» (г. Глазов Удмуртской Республики) и используются при создании сеялки «Глазовчанка»;

- определены преимущества и перспективы использования вибрационного псевдоожиженного процесса при истечении сверхсыпучих семян льна в проектных организациях сельскохозяйственных предприятий;

- созданы практические рекомендации по интенсификации высева сверхсыпучих семян льна и регламенту по операции этого технологического процесса; (Технологический регламент) [Приложение II];

- представлены рекомендации по совершенствованию посевных машин вибродискретного действия с сокращением норм высева для сверхсыпучих семян льна.

Оценка достоверности результатов исследований выявила:

- для экспериментальных исследований разработаны методики исследований с использованием межрегиональных, национальных и отраслевых стандартов и документов, при обработке экспериментальных данных применены методы математической статистики;

- теория базируется на общепринятых положениях теории массообмена, механики насыпных грузов, и не противоречит опубликованным работам А.Н. Крылова, В.А. Баумана и И.И. Быховского, Р.Л. Зенкова, В.А. Богомягких, Н.М. Бес-памятновой, В. Н. Денисова;

- идея базируется на результатах практического опыта разных стран мира, литературных источниках смежных наук в свете современных тенденций;

- использованы результаты ранних исследований В.А. Баумана и И.И. Быховского, А.Н. Крылова, Р.Л. Зенкова, В.А. Богомягких, Н.М. Беспамятновой, и

др., полученные автором новые данные дополняют общие тенденции науки и практики;

- установлено отсутствие аналогичных по сути и содержанию результатов по тематике исследования в независимых источниках;

- использованы методы сбора данных, обеспечивающие достоверность полученных результатов с достаточным уровнем надежности.

Личный вклад соискателя состоит в:

- непосредственном участии соискателя на всех этапах выполняемых научных работ;

- сборе и анализе данных о применении теории вибровысева в сельскохозяйственном производстве и смежных науках;

- разработке теоретических зависимостей процесса псевдоожиженности слоя семян льна в бункере и уточнении виброрежимов работы универсальной высевающей системы вибродискретного действия для выполнения агротехнических требований на высев семян;

- подготовке всех публикаций по выполненной работе, представлении результатов исследований на международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях (2010-2013гг).

Характеристика работы: во Введении изложена краткая характеристика состояния проблемы, обоснована актуальность темы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» представлена краткая классификация уровня отечественных разработок по сравнению с лучшими мировыми аналогами, включающая анализ современных приемов посева, мониторинг технологических приемов посева, результаты исследования точности высева семян различных сельскохозяйственных культур современными высевающими аппаратами, а также обзор вибрационных процессов в современных технологиях сева. Изложены рабочая гипотеза и задачи исследований.

Во второй главе «Элементы высокоточной технологии посева сверхсыпучих семян льна в микропсевдоожиженном слое» рассмотрены вопросы, связанные с передачей кинетической энергии от эффекта вибрации пластины к истекающему из бункера потоку семян льна, и влияние параметров вибрирования на качественные показатели высева семян. Разработана методика расчета создания подъемной силы потока сверхсыпучих семян льна на основе теории академика А.Н. Крылова определения подъемной силы для упругих систем. Выявлены зависимости создания внешнего воздействия вибратора для границы подъемной силы псевдоожи-женного потока и собственной частоты потока семян от нормы высева.

В третьей главе «Методика проведения экспериментальных исследований» представлены программа и методики (общие и частные) проведения экспериментальных исследований, а также приведено описание лабораторной установки.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты экспериментальных исследований технологического процесса вибровысева семян льна с различными нормами и сделан вывод о повышении качества посева с использованием расчетных режимов работы универсальной высевающей системы.

Подтверждено, что явление вибропсевдоожижения потока семян льна из бункера позволяет создавать замедление скорости истечения семян с малым коэффициентом трения и полностью решить проблему высева сверхсыпучих семян.

В пятой главе «Оценка экономической эффективности» изложен расчет экономической эффективности применения расчетных режимов работы вибросистемы, создающей возможность высева сверхсыпучих семян льна вибросеялками СК-3,6Н и новыми Н-6, Н-12 по сравнению с существующими сеялками (СЗП-3,6, СУПН-8, С3т-3,6,