автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Параметры пневматического горизонтального распределителя с подвижными перегородками для высева семян сельскохозяйственных культур

На правах рукописи

Коробкин Игорь Олегович

ПАРАМЕТРЫ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ С ПОДВИЖНЫМИ ПЕРЕГОРОДКАМИ ДЛЯ ВЫСЕВА СЕМЯН СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

Специальность 05.20.01 — Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2013

2 8 НОЯ 2013

005541395

005541395

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина».

Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент

Шевченко Анатолий Павлович

Официальные оппоненты: Беляев Владимир Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет», заведующий кафедрой «Сельскохозяйственные машины»

Назаров Николай Николаевич,

кандидат технических наук, ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии, заведующий лабораторией «Механизации процессов возделывания зерновых культур»

Ведущая организация: ГНУ Сибирский научно-исследовательний

институт сельского хозяйства (СибНИИСХ) Россельхозакадемии

Защита состоится 17 декабря 2013 года в 9 ч. 00 мин, на заседании диссертационного совета ДМ 006.059.01 при Государственном научном учреждении «Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 630501, Новосибирская область, Новосибирский район, р.п. Краснообск-1, а/я 460 ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии; телефон/факс (383) 348-12-09; e-mail: sibime@ngs.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СибИМЭ Россельхозакадемии, автореферат размещен на сайтах: wwvv.sibime-rashn.ru и www.vak2.ed.gov.ru.

Автореферат разослан « 13 » ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Коротких

Владимир Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших задач сельскохозяйственного производства России является создание и поддержание зерновых ресурсов в объемах, необходимых для полного удовлетворения населения продуктами питания, животноводства - кормами, агропромышленное™ - сырьем. Решение её невозможно без постоянного совершенствования производственных процессов и машин.

В общем комплексе технологических операций при возделывании сельскохозяйственных культур посеву принадлежит одна из основных ролей. Посев в значительной степени определяет урожайность и качество продукции.

Высокопродуктивный посев характеризуется оптимальной для данных экологических условий и сорта плотностью продуктивного стеблестоя, высокой выравненностью, хорошим развитием растений и устойчивостью к полеганию

Для создания качественного посева в последнее время все большее применение получают конструкции навесных и прицепных пневматических сеялок с централизованными высевающими системами и пневматическим транспортированием семян в сошники.

Анализ показал, что пневматические сеялки перед базовыми моделями зерновых сеялок типа СЗ имеют преимущества: меньшая травмируемость семян при высеве, простота конструкции, технологичность, меньшие затраты времени на переналадку, универсальность. Вместе с тем, несмотря на все преимущества, пневматические сеялки к настоящему времени не получили широкого распространения из-за ряда недостатков конструктивного и технологического характера. Опыт высева пневматическими сеялками крупносемянных культур, таких как бобы, показывает, что происходит неравномерная подача семян воздушным потоком, их перераспределение и завал пневмотранспортирующей системы высеваемым материалом.

Поэтому направление исследований, в задачу которых входит разработка и обоснование рациональных параметров конструкции пневматического распределителя, позволяющего более равномерно распределять семена по площади питания, является актуальной.

Цель исследования - повысить качество распределения высеваемого материала пневматическими сеялками за счет применения горизонтального распределителя с подвижными перегородками.

Объект исследования — процесс распределения семян пневматическим распределителем.

Предмет исследования — определение взаимодействия высеваемого материала с пневматической распределительной системой посевной машины.

Научная гипотеза — применение пневматического горизонтального распределителя с подвижными перегородками позволит повысить качество распределения семян.

з

Методы исследований. При проведении экспериментальных исследований использованы стандартные и частные методики с применением физического и математического моделирования.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

•получена математическая модель распределения семян по сошникам в зависимости от характера распределения семян на входе в распределитель и углов поворота распределительных перегородок;

•разработана методика определения характера распределения посевного материала на входе в распределительную камеру;

•получены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния конструктивных параметров распределителя и направителя на качественные показатели процесса распределения семян.

В процессе исследований был разработан пневматический горизонтальный распределитель семян с подвижными перегородками, патент на полезную модель № 111962 от 10.01.2012г.

На защиту выносятся:

- конструктивно-технологическая схема горизонтального пневматического распределителя семян с подвижными перегородками;

результаты теоретических и экспериментальных исследований пневматического горизонтального распределителя семян.

Практическая значимость. В результате проведенных исследований разработано устройство, обеспечивающее равномерное распределение высеваемого материала по отводящим патрубкам и позволяющее повысить эффективность операции посева. Результаты теоретических и

экспериментальных исследований могут быть использованы проектно-конструкторскими организациями для разработки новых распределителей сыпучих либо жидких материалов.

Апробация работы.

Основные положения и результаты исследований докладывались:

- на Международной научно-практической конференции молодых ученых СО РАСХН «Актуальные вопросы научного обеспечения АПК в работах молодых ученых» (г. Омск, 7-8 июля 2010 г.);

-на 4-й научно-практической конференции преподавателей, аспирантов и молодых ученых «Инновационное развитие регионального АПК: проблемы и решения» (г. Тара, 2011 г.)

- на 9-й региональной научно-практической конференции молодых ученых вузов Сибирского федерального округа «Инновации молодых ученых аграрных вузов - агропромышленному комплексу Сибирского региона» (г. Омск, 2-3 июня 2011 г.)

- на 3-й региональной молодежной научно-практической конференции «Омский регион - месторождение возможностей!» ОмГУПС (г. Омск, 28-29 ноября 2012 г.);

- получен грант на данную разработку по федеральной программе «У.М.Н.И.К.» (участник молодежного научно-инновационного конкурса) г.Омск 2012 год.

Работа выполнена в период 2009-2013 гг в Тереком филиале Омского государственного аграрного университета имени П.А. Столыпина на кафедре «Тракторов и автомобилей, СХМ» в соответствии с программой НИР ОмГАУ на 2010-2015 гг. по теме «Совершенствование технологических процессов зональных сельхозмашин, повышение их агроэкологической эффективности» (номер государственной регистрации 01.2.00.102130).

Внедрение. Переоборудованная серийная сеялка ССНП-16 с экспериментальным пневматическим горизонтальным распределителем семян в 2013 году прошла производственные испытания на базе ООО «ОПХ им. Фрунзе» Тарского района Омской области.

По итогам испытаний пневматический горизонтальный распределитель семян с подвижными перегородками считается внедренным в производство.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, в том числе 3 статьи - в изданиях, указанном в «Перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий...», рекомендованном ВАК и патент РФ на полезную модель №.111962

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений, и списка использованной литературы.

Содержание работы изложено на 157 страницах, включает 7 таблиц, 63 рисунка и 6 приложений на 15 страницах.

Список использованной литературы включает 123 наименования, в том числе 3 иностранных источника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы, определена научная новизна и кратко изложены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» дана классификация высевающих систем сеялок, проведен анализ высевающих устройств пневматических сеялок. Рассмотрено большое количество работ, посвященных устройству современных пневматических сеялок с центральным дозированием семян. Проанализированы конструкции высевающих и дозирующих аппаратов.

Проблеме качества посева и совершенствованию пневматических высевающих аппаратов сеялок посвящены труды таких ученых, как: Д.Н. Алимова, В.А. Бахмутова, В.И. Беляева, А.П. Бочарова, Б.Д. Докина, В.А. Домрачева, К.К. Куриловича, П.В. Лаврухина, Н.И Любошко, М.А. Максимчука, H.H. Назарова, Е.П. Огрызкова, A.C. Сентюрова, В.Т. Солдатова, А. В. Ходаревского, А. А. Шварца, А.П. Шевченко, Н.С. Яковлева, и многих других.

Несмотря на все преимущества, пневматические распределители имеют свои недостатки: основной из них — это высокий процент неравномерности распределения семян по сошникам; так же имеет место завал пневматической распределительной системы при высеве крупносемянных культур.

Следует отметить недостаточную научную проработанность вопроса, касающегося режимов работы и конструкции распределителей.

Устранение имеющихся недостатков и повышение равномерности распределения семян предлагается решить за счет применения горизонтального распределяющего устройства, имеющего веерную форму с установленными внутри подвижными перегородками, используемыми в настройке распределителя под высев различных культур.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научные задачи:

1. Обосновать конструктивно-технологическую схему устройства, обуславливающего равномерное распределение семенного материала по сошникам сеялки.

2. Установить зависимости влияния конструктивно-технологических параметров на равномерность распределения семян предлагаемым устройством.

3. Обосновать рациональные конструктивно-кинематические параметры и режимы работы пневматического горизонтального распределителя семян с подвижными перегородками.

4. Определить качественные показатели работы пневматического горизонтального распределителя и оценить экономическую эффективность его применения.

Во второй главе «Математическое моделирование процесса распределения семян по сошникам» предложена конструктивно-технологическая схема пневматического горизонтального распределителя семян по сошникам (рис. 1).

Рисунок 1 - Схема пневматического горизонтального распределителя семян с подвижными перегородками 6

Распределитель семян работает следующим образом: посевной материал из бункера высевающей катушкой подаётся на заслонку направителя, которая выравнивает поток семян. С заслонки направителя семена скатываются в воздушный поток, нагнетаемый вентилятором. Воздушный поток турбулизируется посредством турбулизатора для наилучшей равномерности распределения семян по всему объему эластичного патрубка. Затем семена поступают в распределитель, где с помощью поворота подвижных распределительных перегородок настраивается количество семян, попадающих в каждый из сошников.

Выделим три зоны движения высеваемого материала в расчетной модели пневматического распределителя семян:

- зона направления (I);

- зона транспортирования (II);

- зона распределения (III).

Движение семян в зоне направления. Зададим координаты движущегося зерна х = х„ у = у„ z = z„ и проекции его скорости У„УауУ„, начальными условиями при 1 = 0:

где х0 у0 г0 - координата зерна в начальный момент времени;

Уг = (У,,_, Уг , УР ) - проекции скорости зерна, (рис. 2). Предположим, что модуль вектора скорости есть величина постоянная:

При изменении угла направления движения и на величину Au соответственно изменятся величины V , V . Обозначим их новые значения

Рж ' Р,

х = *0. У = Уо. z = z0,

(1)

(2)

через Vу, Уг.

Z

Рисунок 2 - Схема для определения сил 7

Тогда

= |f| • sin и, VPi =|f|-cosu т.е.

Vy = |F|-sin(M + Дм) = |F|-(sin и -cos Дм + cos и -sin Дм) , (3)

Vг = |K|-cos(u + Дм) = |K|-(cos и -cos Аи -sin и -sin Ди), (4)

\V\-At „

Au = arctg[-L—=0, (5)

к,

где Rz - радиус изгиба траектории зерна, R¿= «з; Ди - пренебрегаем, за счет малой величины.

Примем модель удара о поверхность в виде системы уравнений: Sx = mux-mvx,

Sy = muy — mvy, (6)

S, = mut -mvt,

где Sx = jpxdí,Sy = \Pyd<, S, = JPtdt - проекции импульса ударной силы на оси

ООО

координат; т — масса зерновки.

Проведя некоторые преобразования дифференциальные уравнения движения зерна по заслонке направителя можно представить в следующем виде:

i = V,. y = vy■ *-v„

mV„ =R — -j-R^¡, дх J \V\

v BdF ■ РУУ (7)

mV„ =R--j-R-r^r,

'' эй И' dF V

где j - коэффициент трения качения;

R - величина, характеризующая силу реакции к поверхности, направленную вдоль нормали; g — ускорение свободного падения.

Движение семян в зоне транспортирования является турбулентным, т.к. семена в составе зерно-воздушной смеси постоянно испытывают соударения друг с другом за счет различных скоростей движения, зависящих от коэффициента парусности и веса зерновки.

При движении в зоне транспортирования скорость зерно-воздушной смеси резко изменяется только вблизи стенок и весьма мало в пределах основного центра движения, поэтому скорость потока зерно-воздушной смеси можно принять постоянной.

Движение семян в зоне распределения происходит вдоль плоской распределительной перегородки горизонтального распределителя.

Предположим, что характер распределения семян представляет собой некоторую симметричную кривую. Проявление характера распределения представлено на рисунке 3.

Равномерность распределения семян по сошникам зависит от угла поворота распределительных перегородок, которые настраиваются таким образом, чтобы отсекать под кривой распределения семян одинаковую площадь. Площадь, находящаяся под кривой отсеченной перегородкой пропорциональна количеству семян находящемуся под этой кривой.

Модель разделения семенного потока распределительными перегородками представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Модель распределения семян по сошникам

В виду симметричности характера распределения и самого распределителя достаточно найти расстояние Д, чтобы выставить перегородки №1 и №5 получив под кривой площадь Б:

распределение семян б плоском распределителе

Рисунок 3 - Проявление характера распределения

(8)

(|*3 + Ъ-хг + «) = |[(и + А)5 -т'] +1[(и + Д)2 - т1] + с[(т + Д)-т] = Д3(-) + А\ат + -) + А(ат2 +Ьт + с) = 5 .

Далее найдем расстояние 5 на которое необходимо поставить перегородки №2 и №4, чтобы получить под кривой площадь 5:

(ах2+ &<: + <)<& = 5 , (10)

,а 3 " 2 ч

(—Л- +-Х + С*)

ч3 2 '

> 1

-- 5г (+ 81 {ак +1) + 5{ак2 + Ък + с) = 5 .

(П)

Площадь над оставшейся частью кривой равна:

5^-45 = 25. (12)

Для того, чтобы разделить оставшуюся площадь на две равные части, необходимо перегородку №3 выставить ровно по середине под углом 0°.

В результате вычислений получили расстояния, на которые необходимо выставить каждую из подвижных распределительных заслонок, чтобы получить одинаковое количество семенного материала в каждом из сошников.

В результате решения уравнений (9) и (11) можно получить значения показателя равномерности распределения от углов положения перегородок.

Зависимости показателя равномерности распределения семян приведены на рисунках 5, 6, 7.

Рисунок 5 — Равномерность р,% распределения семян в зависимости от углов поворота распределительных перегородок «1,5 и а-2,4 при фиксированном угле поворота перегородки №3 равном 0 градусов и скорости воздушного потока 10 м/с;

1X2.1. град

(XI ,5, град

СС 2А град

Рисунок 6 - Равномерность распределения семян в зависимости от углов поворота распределительных перегородок а15 и а2,4 при фиксированном угле поворота перегородки №3 равном 0 градусов и скорости воздушного потока 15 м/с

Рисунок 7 - Равномерность распределения семян в зависимости от углов поворота распределительных перегородок а15 и а2,4 при фиксированном угле поворота перегородки №3 равном 0 градусов и скорости воздушного потока 20 м/с

Максимальные значения

равномерности распределения Р указывают области, которым соответствуют значения оптимальных параметров, и позволяют сделать вывод, что равномерное распределение семян обеспечивает пневматический горизонтальный распределитель с параметрами: скорость воздушного потока V=13...17 м/с, углы поворота распределительных перегородок а^ - 24...28°, перегородок а2,4 - 13... 17°.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» приведены программа, общие и частные методики экспериментальных исследований, применяемое оборудование и измерительная аппаратура.

Исследования процесса распределения семян по сошникам проводились в лабораторных условиях на экспериментальной установке.

Для качественной оценки равномерности распределения семян по сошникам использована относительная величина среднеквадратического отклонения и коэффициент вариации.

Проведена методика исследования по моделированию угла наклона распределителя и определению критических значений перекоса распределителя.

В отсеивающем эксперименте исследовалось влияние следующих факторов на процесс деления зерно-воздушной смеси распределителем: V — скорость воздушного потока; (3 - угол открытия заслонки направителя; а15 — угол поворота 1-й и 5-й перегородок; а2,4 - угол поворота 2-й и 4-й перегородок; G — подача семян катушкой; 0 - средний размер семян.

Значимыми оказались четыре фактора.

Для них был выполнен планируемый полнофакторный эксперимент, таблица 1.

Таблица 1. Уровни варьирования факторов планируемого полнофакторного эксперимента

Фактор (натуральное значение) Скорость воздушного потока, м/с Угол заслонки направителя, град Угол поворота 2,4 заслонок, град Угол поворота 1,5 заслонок, град

Кодированное обозначение X, х2 Х3 X,

Основной 15 30 15,5 24,5

Интервал варьирования 2 5 2 1

Верхний уровень 17 35 17,5 25,5

Нижний уровень 13 25 13,5 23,5

Звездная точка + 17,82 37,05 18,32 25,91

Звездная точка - 12,18 22,95 12,68 23,09

il

Для лабораторно-полевых испытаний модернизирована серийная сеялка ССНП-16. На ней установлен горизонтальный пневматический распределитель семян с подвижными перегородками. Ширина захвата 2,1 м, рисунок 8.

Рисунок 9 - Диаграмма, распределение семян по ширине воздушного канала

Рисунок 8 - модернизированная серийная сеялка ССНП-16 а. вид сбоку б. вид сзади 1 - направитель с заслонкой направителя; 2 - горизонтальный распределитель с подвижными перегородками; 3 - семяпроводы; 4 - сошники

В сравнительные испытания серийного и экспериментального распределителя входило определение равномерности распределения семян в рядке и определение урожайности зеленой массы полученных посевов.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены результаты статистической обработки опытных данных с использованием прикладной компьютерной программы Microsoft Excel 2007. Дана качественная и количественная оценка факторов, влияющих на равномерность распределения семян.

При определении характера распределения семян на входе в распределитель получена диаграмма, а также результаты представлены в виде точек и данная зависимость аппроксимирована кривой, что показано на рисунке 9.

300

Номер приемника

Как видно из рисунка 9, характер распределения семян по ширине трубы имеет вид кривой второго порядка - параболический. Это связано с процессами, протекающими при распределении струй воздушного потока в гладкой трубе и трением по ее контуру, что подтверждают теоретические исследования.

В результате проведения отсеивающего эксперимента определено, что статистически значимыми по критерию Стьюдента на 5%-ном уровне являются следующие факторы: V - скорость воздушного потока; Р - угол открытия заслонки направителя; оц>5 - угол поворота 1-й и 5-й перегородок; ot2j4 - угол поворота 2-й и 4-й перегородок.

При проведении классического эксперимента выявлены основные закономерности показателя равномерности распределения семян по сошникам (рис. 10) и обоснованы границы планируемого полнофакторного эксперимента.

Рисунок 10 - Зависимости показателя равномерности от скорости воздушного потока и угла заслонки направителя при установленных углах поворота заслонок распределителя а.! 5= 25°, а2,4= 15°

В результате проведения планируемого полнофакторного эксперимента получено уравнение регрессии, адекватное на 5%-ном уровне значимости (Рта л = 5,70 >ррасч = 4,49), описывающее процесс изменения показателя равномерности распределения семян по сошникам в кодированных величинах:

у = 0,841 - 0,01 \х2 - 0,00995х, - 0,00995л,, + 0,03375л,х4 - ^ 1 ^

-0,03625х,х„ -0,02875х3х4 -0,02324х;! -0,03326Л22 -0,02074^ -0,06329*42

Из предварительного анализа модели процесса по коэффициентам уравнения регрессии следует, что в приведенном уравнении регрессии малозначимыми являются единичные факторы. Факторы, определяющие совместное влияние двух величин, в большей степени влияют на качество процесса дозирования зерно-воздушной смеси. Поверхности отклика описываются выпуклыми линиями кривых второго порядка, о чём известно из наличия знаков «минус» перед квадратичными коэффициентами.

При анализе модели, описываемой уравнением регрессии (13), получены поверхности отклика — зависимости показателя равномерности от установочных параметров, приведенные на рисунках 11 и 12.

Рисунок 11 - Зависимость показателя равномерности от скорости воздушного потока и угла наклона заслонки направителя при а, 5= 24,5 град и а24 =15,5 град

Рисунок 12 - Зависимость показателя равномерности от углов наклона заслонки направителя р и 2-й и 4-й перегородок при а, 5= 24,5 град и V = 15м/с град

При рассмотрении поверхностей отклика (рисунки 11-12) установлено:

1. Зависимости показателя равномерности от настроечных параметров нелинейны.

2. В зону охвата планируемого эксперимента попали все рациональные режимы.

3. Рациональные регулировочные параметры пневматической распределительной системы: У=15 м/с, р = 28...32°, а, 5= 24,5°, а2,4 = 1 5,5°.

В результате проведение эксперимента с моделированием углов продольного и поперечного наклона распределителя выявлено, что они влияют на равномерность распределения семян по сошникам. Устойчивая работа распределителя возможна при его боковых наклонах:-4°...+4° и поперечных: -2°...+4°.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований совпадают как в закономерностях, так и в абсолютных значениях.

В5

Р,%

ОС 1,6, град

Рисунок 13 - Зависимости показателя равномерности распределения при теоретическом и экспериментальном исследованиях от угла поворота 1-й и 5-й перегородок при а2,4=15°, а3=0°, скорости воздуха 15 м/с, Р = 30°.

Для проведения испытаний в полевых условиях экспериментальный распределитель семян был установлен на сеялку. При замере расстояний между взошедшими растениями в рядках наибольшая равномерность соответствует рядкам, посеянным с применением экспериментального распределителя. Наибольшая равномерность распределения растений по площади питания соответствует сеялке с экспериментальным распределителем. Урожайность зелёной массы кормовых бобов, полученная с делянок, засеянных модернизированной сеялкой с экспериментальным распределителем, составила 22 т/га, что выше урожайности с делянок, засеянных серийной сеялкой 20,6 т/га.

В пятой главе оценивается экономическая эффективность нового устройства, которая определяется характером улучшения конечных показателей сельскохозяйственного производства. Главным образом это увеличение урожайности за счет повышения равномерности распределения семян по площади питания, снижение затрат на посевной материал вследствие уменьшения расхода семян, улучшение качества распределения, сокращение энергетических затрат и снижение себестоимости производства продукции (работ, услуг). Расчеты ведутся в сравнении с базовой моделью, за которую принимается серийно выпускаемая для аналогичных целей селекционная сеялка ССНП-16.

Экспериментальные показатели урожайности бобов на зеленый корм для экспериментального и серийного распределителя приводим в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты урожайности

Показатель при норме высева N=0,7 млн/га Значение показателя Величина изменения.

Серийный распределитель, Ус Экспериментальный распределитель, У,

Урожайность, т/га 20,6 22,0 1,4

Годовой экономический эффект от внедрения переоборудованной сеялки составит 131626 руб.

Таким образом, дополнительные вложения окупятся в первый год эксплуатации модернизированной посевной машины, что делает данную разработку экономически выгодной.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа существующих пневматических распределителей семян, применяемых на сеялках, выявлено, что они не обеспечивают высокой равномерности распределения при высеве крупносемянных культур по рядкам, что негативно сказывается на урожайности.

2. Предложена новая конструктивно-технологическая схема горизонтального пневматического распределителя семян с подвижными перегородками. Данное устройство позволяет равномерно распределять семена по сошникам и обеспечивает выполнение агротехнических требований при высеве семян различных сельскохозяйственных культур.

3. Установлены зависимости влияния углов положения распределительных перегородок на равномерность распределения семян. Полученные математические выражения (9), (11) позволяют определять значения показателя равномерности распределения семян в зависимости от углов положения распределительных перегородок.

4. Обоснованы рациональные параметры пневматического горизонтального распределителя семян фигурной формы: длина распределителя Ь=200 мм, нижнее основание распределителя Н=90 мм, верхнее Ь=40 мм, длина заслонки направителя Ь3=77 мм, диаметры входных и выходных отверстий соответственно Е)=86 мм, <1=35 мм, длины подвижных перегородок /;=158 мм, /¿=104 мм, /з=50мм. При данных размерах распределителя определены рациональные конструктивно-кинематические параметры: углы поворота распределительных перегородок №1 и №5 равны 24,5°, перегородок №2 и №4 — 15,5°, угол открытия заслонки направителя р = 28...32°, скорость воздушного потока У=15 м/с.

5. Установлены качественные показатели работы экспериментального распределителя семян. Равномерность распределения растений в рядке при посеве экспериментальным распределителем составила 87% в сравнении с контролем 81%, при этом коэффициент вариации равен 12,4%, что на 6,2% меньше чем у серийного распределителя. Урожайность зелёной массы кормовых бобов, высеянных сеялкой с экспериментальным распределителем, повысилась на 6...9% по сравнению с урожайностью кормовых бобов, высеянных серийной сеялкой.

6. Определено, что применение усовершенствованной сеялки экономически обосновано. Экономический эффект составляет 131626 руб. на одну сеялку в год при посеве кормовых бобов на зеленый корм.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Шевченко, А.П. Усовершенствование высевающего аппарата селекционной сеялки/ А.П. Шевченко, И.О. Коробкин // Сельский механизатор.- Москва, 2011.- № 5.- С. 9-10

2. Шевченко, А.П. Движение воздушо-зерновой смеси в плоском распределителе семян / А.П. Шевченко, И.О. Коробкин // Омский научный вестник. - Омск, 2013. - № 1. - С. 104-106

3. Шевченко, А.П. Исследование горизонтального пневматического распределителя семян / А.П. Шевченко, И.О. Коробкин // Техника в сельском хозяйстве.-Москва, 2013. - №5.- С. 30-31

Изобретения и полезные модели

1. Пат. 111962 Российская Федерация, А01С15/04. Распределительное устройство семян / Шевченко А.П., Коробкин И.О.; заявитель и патентообладатель - 2011124850/13; заявл. 17.06.2011; опубл. 10.01.2012.

Статьи в сборниках научных трудов

1. Шевченко, А.П. Обоснование высевающего аппарата сеялки/ А.П. Шевченко, И.О. Коробкин // Вклад студенческой науки в развитие Омской области: материалы VII науч.-практ. студ. конф. (20 марта 2008 г.) - Тара, 2008.- С. 246-250.

2. Евченко, A.B. Разработка экспериментальной установки для пневматической подачи семенного материала к сошникам/ A.B. Евченко, И.О. Коробкин // Вклад студенческой науки в развитие Омской области: материалы VII науч.-практ. студ. конф. (20 марта 2008 г.) - Тара, 2008.- С. 250-255.

3. Евченко, A.B. Развитие посевных машин/ A.B. Евченко, И.О. Коробкин // Студенческая наука - 90-летию университета: материалы IV университетского конкурса на лучшую научную работу — Омск, 2008.- С. 106-110.

4. Шевченко, А.П. Совершенствование конструкции высевающего аппарата сеялки СЗТ-3,6/ А.П. Шевченко, И.О. Коробкин // Студенческая наука 10-летию ТФ ФГОУ ВПО ОмГАУ: материалы VIII науч.-практ. студ. конф. (26 марта 2009 г.) - Тара, 2009.- С. 24-26.

5. Шевченко, А.П. Обоснование пневматического высевающего аппарата с горизонтальным распределением движения семян/ А.П. Шевченко, И.О. Коробкин // Актуальные вопросы научного обеспечения АПК в работах молодых ученых: материалы междунар. науч.-практ. конф. молодых учёных Россельхозакадемии (г.Омск, 7-8 июля 2010 г.)/ Рос. акад. с.-х. наук, Сиб. науч.-исслед. ин-т сел. хоз-ва,- Омск, 2010,- С. 102-105.

6. Коробкин, И.О. Экспериментальные исследования пневматического распределителя семян/ И.О. Коробкин// Инновационное развитие регионального АПК: материалы VI науч.- практ. конф. преп., асп. и мол. ученых.-Омск, 2011.-С. 65-68.

7. Шевченко, А.П. Пневматический распределитель семян/ А.П. Шевченко, И.О. Коробкин // Инновации молодых ученых аграрных ВУЗов -агропромышленному комплексу Сибирского региона: материалы IX регион, науч.- практ. конф. мол. ученых Сибирского федерального округа.- Омск, 2011.- С. 73-75.

8. Коробкин, И.О. Распределительное устройство/ И.О. Коробкин, Д.В. Буков// Студенческая наука об актуальных проблемах и перспективах инновационного развития регионального АПК: материалы XI науч.-практ. студ. конф,- Омск, 2012,- С. 91-94

9. Коробкин, И.О. Пневматической горизонтальный распределитель семян с подвижными перегородками/ И.О. Коробкин, А.П. Шевченко// «Омский регион - месторождение возможностей» III Региональная молодежная научно-техническая конференция. — Омск, 2012.- С. 234-237.

Подписано в печать 13.11.13. Формат 60 х 84 Vie. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 576.

Отпечатано в редакционно-полиграфическом отделе Тарского филиала ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П. А. Столыпина. 646530, г. Тара, ул. Тюменская, 18, тел. 2-02-40.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. П.А. СТОЛЫПИНА»

04201451 479 „

На правах рукописи

Коробкин Игорь Олегович

ПАРАМЕТРЫ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ С ПОДВИЖНЫМИ ПЕРЕГОРОДКАМИ ДЛЯ ВЫСЕВА СЕМЯН СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент А.П. Шевченко

Новосибирск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................................5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ... 9

1.1 Классификация высевающих систем сеялок..................................9

1.2 Анализ распределительных устройств пневматических сеялок..........................................................................................................................................19

1.3 Цель и задачи исследования..........................................................................25

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЕМЯН ПО СОШНИКАМ..................................26

2.1 Конструктивно-технологическая схема работы пневматического горизонтального распределителя........................26

2.2 Обоснование исходных данных для моделирования процесса распределения семян..............................................................................28

2.2.1 Обоснование параметров заслонки направителя..................29

2.2.2 Обоснование формы и радиуса турбулизатора........................30

2.2.3 Обоснование диаметра эластичного патрубка..........................33

2.2.4 Обоснование размеров подвижных перегородок....................34

2.2.5 Обоснование входных и выходных отверстий распределителя..................................................................................................................36

2.2.6 Обоснование размеров распределителя..........................................36

2.3 Движение зерно-воздушной смеси в горизонтальном распределителе семян..................................................................................................38

2.3.1 Расчет движения семян в зоне направления..............................39

2.3.2 Расчет движения семян в зоне транспортирования..............45

2.3.3 Расчет движения семян в зоне распределения..........................47

2.4 Дифференциальное уравнение движения зерно-воздушной смеси в горизонтальном распределителе семян... 50

2.5 Обоснование равномерности распределения семян по сошникам................................................................................................................................54

2.6 Выводы по второй главе....................................................................................64

Глава 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...... 65

3.1 Программа исследований........................................ 65

3.2 Методика проведения эксперимента по обоснованию формы распределителя семян....................................... 65

3.3 Методика определения характера распределения семян

на входе в распределитель........................................................................................67

3.4 Методика проведения отсеивающего эксперимента..............69

3.5 Методика проведения классического эксперимента..............71

3.6 Методика проведения планируемого полнофакторного эксперимента......................................................................................................................73

3.7 Методика проведения эксперимента с моделированием наклона распределителя............................................................................................78

3.8 Методика проведения лабораторно-полевых исследований........................................................................................................................80

3.8.1 Методика определения равномерности распределения растений в рядке........................................................ 82

3.8.2 Методика определения урожайности........................ 83

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ............................................ 85

4.1 Обоснование формы распределителя семян.................. 85

4.2 Определение характера распределения семян на входе в

распределитель....................................................................................................................89

4.3 Результаты отсеивающего эксперимента..........................................90

4.4 Результаты классического эксперимента..........................................91

4.5 Результаты планируемого полнофакторного эксперимента........................................................................................................................99

4.6 Результаты эксперимента с моделированием наклона распределителя..................................................................................................................104

4.7 Результаты лабораторно-полевых исследований......................108

4.7.1 Определение равномерности распределения растений в рядке..........................................................................................................................................108

4.7.2 Определение равномерности распределения растений

по площади питания......................................................................................................111

4.7.3 Урожайность зелёной массы бобов в полевых опытах. 112 4.7.4 Агротехническая оценка применения горизонтального пневматического распределителя семян на сеялке ССНП - 16. 113

4.8 Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований....................................................................114

4.9 Выводы по четвертой главе............................................................................116

Глава 5. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ......................118

5.1 Экономическая эффективность применения сеялки ССНП - 16 с экспериментальным пневматическим горизонтальным распределителем семян....................................................118

5.2 Результаты внедрения..........................................................................................124

5.3 Выводы по пятой главе....................................................................................125

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ....................................................126

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................128

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одной из важнейших задач сельскохозяйственного производства России является создание и поддержание зерновых ресурсов в объемах, необходимых для полного удовлетворения населения продуктами питания, животноводства - кормами, агропромышленное™ - сырьем. Решение её невозможно без постоянного совершенствования производственных процессов и машин.

В общем комплексе технологических операций при возделывании сельскохозяйственных культур посеву принадлежит одна из основных ролей. Посев в значительной степени определяет урожайность и качество продукции. От качества посева зависят: количество проросших семян к общему количеству семенного материала, сроки прорастания культуры (что даёт преимущество в развитии над сорняками), равномерность всходов (обуславливает равномерное созревание растений и уменьшает потери урожая при уборке), что в конечном итоге определяет урожайность [12], [117].

Из-за неравномерности посева многие растения оказываются в условиях жесточайшей конкуренции с самых ранних этапов развития. Это приводит к снижению полевой всхожести семян, выживаемости и продуктивности растений [103].

Для создания качественного посева в последнее время все большее применение получают конструкции навесных и прицепных пневматических сеялок с централизованными высевающими системами и пневматическим транспортированием семян в сошники [14], [68].

В настоящее время широкое распространение получили пневматические сеялки. Анализ показал, что пневматические сеялки перед базовыми моделями зерновых сеялок типа СЗ имеют преимущества: меньшая травмируемость семян при высеве, простота конструкции, технологичность, меньшие затраты времени на переналадку, универсальность. Вместе с тем, несмотря на все преимущества, пневматические сеялки к настоящему времени не получили широкого распространения из-за ряда недостатков конструктивного и технологического характера. Опыт высева пневматическими сеялками крупносемянных культур, таких как бобы, показывает, что происходит

неравномерная подача семян воздушным потоком, их перераспределение и завал пневмотранспортирующей системы высеваемым материалом. [35]. Поэтому направление исследований, в задачу которых входит разработка и обоснование рациональных параметров конструкции пневматического распределителя, позволяющего более равномерно распределять семена различных культур по площади питания при посеве пневматическими сеялками, является актуальным.

Цель исследования - повысить качество распределения высеваемого материала пневматическими сеялками за счет применения горизонтального распределителя с подвижными перегородками.

Объект исследования - процесс распределения семян пневматическим распределителем.

Предмет исследования - определение взаимодействия высеваемого материала с пневматической распределительной системой посевной машины.

Научная гипотеза - применение пневматического горизонтального распределителя с подвижными перегородками позволит повысить качество распределения семян.

Методика исследований. При проведении экспериментальных исследований использованы стандартные и частные методики с применением физического и математического моделирования.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: •получена математическая модель распределения семян по сошникам в зависимости от характера распределения семян на входе в распределитель и углов поворота распределительных перегородок;

•разработана методика определения характера распределения посевного материала на входе в распределитель;

•получены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния конструктивных параметров распределителя и направителя на качественные показатели процесса распределения семян.

В процессе исследований был разработан пневматический горизонтальный распределитель семян с подвижными перегородками, патент на полезную модель № 111962 от 10.01.2012г.

На защиту выносятся:

конструктивно-технологическая схема горизонтального пневматического распределителя семян с подвижными перегородками;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований пневматического горизонтального распределителя семян.

Практическая значимость. В результате проведенных исследований разработано устройство, обеспечивающее равномерное распределение высеваемого материала по отводящим патрубкам и позволяющее повысить эффективность операции посева. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы проектно-конструкторскими организациями для разработки новых распределителей сыпучих либо жидких материалов.

Апробация работы.

Основные положения и результаты исследований докладывались:

- на Международной научно-практической конференции молодых ученых СО РАСХН «Актуальные вопросы научного обеспечения АПК в работах молодых ученых» (г. Омск, 7-8 июля 2010 г.);

-на 4-й научно-практической конференции преподавателей, аспирантов и молодых ученых «Инновационное развитие регионального АПК: проблемы и решения» (ТФ ОмГАУ, 2011 г.)

- на 9-й региональной научно-практической конференции молодых ученых вузов Сибирского федерального округа «Инновации молодых ученых аграрных вузов - агропромышленному комплексу Сибирского региона» (г. Омск, 2-3 июня 2011 г.)

- на 3-й региональной молодежной научно-практической конференции «Омский регион - месторождение возможностей!» ОмГУПС (г. Омск, 28-29 ноября 2012 г.);

- получен грант на данную разработку по федеральной программе «У.М.Н.И.К.» (участник молодежного научно-инновационного конкурса) г.Омск 2012 год.

Работа выполнена в период 2009-2013 гг. в Тарском филиале Омского государственного аграрного университета имени П.А. Столыпина на кафедре

«Тракторов и автомобилей, СХМ» в соответствии с программой НИР ОмГАУ на 2010-2015 гг. по теме «Совершенствование технологических процессов зональных сельхозмашин, повышение их агроэкологической эффективности» (номер государственной регистрации 01.2.00.102130).

Внедрение. Переоборудованная серийная сеялка ССНП-16 с экспериментальным пневматическим горизонтальным распределителем семян в 2013 году прошла производственные испытания на базе ООО «ОПХ им. Фрунзе» Тарского района Омской области.

По итогам испытаний комиссия считает разработку пневматического горизонтального распределителя семян с подвижными перегородками внедренной в производство.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, в том числе 2 статьи - в издании, указанном в «Перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий...», рекомендованном ВАК и патенте РФ на полезную модель №.111962.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений и списка использованной литературы.

Содержание работы изложено на 157 страницах, включает 7 таблиц, 63 рисунка и 6 приложений на 15 страницах.

Список использованной литературы включает 123 наименования, в том числе 3 на иностранных языках.

В проведении исследований по теме диссертационной работы автору оказывали помощь: заведующий кафедрой «Тракторов и автомобилей, СХМ» Тарского филиала ФГБОУ ВПО «ОмГАУ им. П.А. Столыпина» канд. техн. наук A.B. Черняков, канд. с-х. наук A.B. Красовская, канд. с-х. наук Т.М. Веремей.

В проработке главы 2 «Математическое моделирование процесса распределения семян по сошникам» методическую и консультационную помощь автору оказывал доктор физ.-мат. наук O.P. Каюмов.

Всем им автор выражает благодарность и глубокую признательность.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Классификация высевающих систем сеялок

На сегодняшний день имеется большое количество посевных машин и агрегатов, которые различаются по многим признакам, но их объединяет одна единственная цель - это качественный и равномерный посев, удовлетворяющий всем агротехническим нормам.

В зарубежных странах наряду с традиционными сеялками механического типа широкое распространение получают пневматические зерновые сеялки, в конструкциях которых реализован принцип централизованного дозирования с пневматическим транспортированием семян в сошники. Наибольший эффект от реализации этого принципа отмечается в широкозахватных сеялках. За счет применения одного централизованного бункера существенно сокращается время на заправку и обслуживание агрегата, что создает предпосылки к повышению производительности труда на посеве [27], [58].

Пневматические сеялки выпускаются многими фирмами европейских стран, Канады, США, Австралии, а в нашей стране созданы модели СЗС-14, СЗПЦ-12, СПУ-6, ССНП-16. В большинстве сеялок используются оригинальные высевающие системы, которые различаются схемами технологического процесса и конструктивным исполнением основных узлов [15].

Высевающие системы состоят из бункера с высевающим аппаратом, механизмов привода высевающего аппарата, пневмотранспортирующей сети с вентилятором и распределительной системой. На схеме (рис. 1.1) дана классификация основных типов высевающих систем пневматических сеялок и взаимосвязь их конструктивных и технологических параметров.

Рисунок 1.1 - Типы высевающих систем пневматических сеялок

Пневматические высевающие системы должны быть удобны в эксплуатации и обеспечивать необходимую для принятой ширины захвата производительность, устойчивый высев без повреждения семян и равномерное их распределение [4].

На рисунке 1.2 показаны технологические схемы высевающих систем наиболее распространенных моделей пневматических сеялок и устройств для ввода семян в воздушный поток. Обеспечение необходимых условий для захвата воздухом дозируемого потока семян имеет важное значение, так как поступающая под избыточным давлением струя воздуха от вентилятора стремится отбросить семена обратно к высевающему элементу. При отсутствии оптимальных условий для захвата семян может нарушаться синхронность подачи их высевающим аппаратом и пневмосистемой [5].

б)

Рисунок 1.2 - Технологические схемы высевающих систем с наддувом (а) и без наддува с шлюзовым затвором (б) и с забором воздуха из атмосферы (в): 1 - в бункер и приемную камеру; 2 - в бункер

Все пневматические высевающие системы можно разделить на два типа: с наддувом и без наддува. Системы с наддувом имеют герметизированный бункер, который сообщается с магистральным трубопроводом непосредственно или через приемную камеру высевающего аппарата. При равенстве давлений над семенами в бункере и в зоне захвата воздухом дозируемый поток семян полностью отбирается от высевающего аппарата и транспортируется по пневмосети к сошникам. В системах без наддува с негерметизированным бункером для полного захвата семян предусмотрены питатели и шлюзовые затворы.

Высевающие системы с наддувом более сложны в изготовлении из-за необходимости герметизации бункера. Кроме того, ограниченные размеры люков создают неудобства при заправке. При изменении уровня семян в бункере устойчивость высева снижается. Для таких систем требуется дополнительный расход воздуха.

Шлюзовые затворы (воздушные замки), как правило, представляют собой катушку, вращающуюся в корпусе. Герметичность узла обеспечивается высоко�