автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и обоснование параметров технологии и технических средств посева проращенных семян тыквы

На правах рукописи

005061833 /^гсии^

Моторин Вадим Андреевич

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПОСЕВА ПРОРАЩЕННЫХ СЕМЯН ТЫКВЫ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Волгоград-2013

005061833

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

заслуженный работник сельского хозяйства РФ Лбезин Валентин Германович Официальные оппоненты: доктор технических наук, лауреат

Государственной премии СССР, заслуженный изобретатель РФ, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», профессор кафедры «Механика» Пындак Виктор Иванович кандидат технических наук, гл.инженер ОАО «Шарпа» Кетченеровского района Республики Калмыкия Мутулов Владимир Николаевич Ведущая организация: ГНУ Нижне-Волжский НИИ сельского

хозяйства (НВ НИИСХ) Россельхозакадемии Защита диссертации состоится 21 июня 2013 года в 10 часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д220.008.02 на базе ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» по адресу: 400002, г. Волгоград, пр-т Университетский, 26, зал заседаний диссертационного совета.

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

Автореферат разослан 20 мая 2013 года и размещен на официальных интернет-сайтах ВАК РФ и ВолГАУ.

Ученый секретарь ^^гг"^* ----

диссертационного Ряднов Алексей Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИС ТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одной из самых ответственных технологических операций при возделывании бахчевых культур является посев. От качества его проведения зависит дальнейшее развитие растений и получение высокого урожая.

Для получения ранних и дружных всходов эффективным решением является посев проращенными семенами, обработанными электроактивированной водой для повышения их всхожести и биологической активности.

В связи с этим сохраняется актуальность проблемы по совершенствованию технологии посева, обеспечивающей оптимальные условия для роста и развития растений и конструкции высевающего аппарата, позволяющего выполнять точный гнездовой высев проросших семян бахчевых культур, без их повреждения.

Решение данной проблемы будет способствовать улучшению энергетических показателей сельскохозяйственного производства за счёт экономии семян, снижения энергосодержания операций возделывания культуры. Результатом будет являться получение раннего урожая с низким процентом нестандартной продукции, реализуемой по более выгодным ценам, снижение себестоимости.

Степень разработанности темы. Авторами В.Г. Абезин, А.Н. Цепля-ев, М.Н. Шапров, В.П. Бороменский, Д.А. Абезин, A.B. Харлашин и др. разработаны конструкции высевающих аппаратов для посева проращенных семян бахчевых, защищенные патентами на изобретения, однако предлагаемые технические решения не обеспечивают необходимой точности высева, допускают повреждение ростков. Кроме того отсутствует технология подготовки семян к посеиу с использованием электроактивированной воды.

Цель исследования - разработка и обоснование параметров технологии и технических средств посева проращенных семян тыквы высевающим

аппаратом, обеспечивающим получение ранней продукции, снижение трудоёмкости возделывания, травмирования и расхода семенного материала.

Для решения поставленной цели были определены следующие задачи исследования:

1. Разработать технологию подготовки семян тыквы к посеву.

2. Изучить физико-механические свойства проросших семян тыквы, обработанных электроактивированной водой, применительно к посеву механическим высевающим аппаратом.

3. Разработать и исследовать высевающий аппарат для гнездового посева проросших семян тыквы с минимальным повреждением ростков.

4. Теоретическими и экспериментальными исследованиями обосновать конструктивные и кинематические параметры высевающего аппарата.

5. Определить энергетическую эффективность механизированного способа посева разработанным высевающим аппаратом.

Объект исследования. Технологический процесс подготовки семян и посев проращенных семян тыквы с применением разработанной конструкции высевающего аппарата.

Предмет исследования. Процесс подготовки и высева проращенных семян тыквы «Волжская серая - 92» с исследованием влияния конструктивно - технологических параметров высевающего аппарата на точность высева.

Научная новизна работы заключается в разработке и исследовании технологии подготовки семян и конструкции транспортерного высевающего аппарата для посева проросших семян тыквы, защищенного патентами РФ на изобретение; теоретическом и экспериментальном обосновании конструктивных и кинематических параметров высевающего аппарата, работающего по принципу индивидуального отбора семян из их общей массы, находящихся непосредственно в воде.

Теоретическая и практическая значимость работы. Использование новой технологии подготовки семян и конструкции высевающего аппарата; теоретическое обоснование и экспериментальное определение его параметров, технология посева проращенных семян тыквы.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования по определению технологических параметров высевающего аппарата выполнены с использованием положений и методов классической механики. Экспериментальные исследования проведены с использованием стандартных и частных методик проведения и метода планирования эксперимента. Полученные экспериментальные данные обработаны методами математической статистики на ЭВМ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Технология подготовки семян к посеву.

2. Конструкция транспортерного высевающего аппарата, защищенная патентом РФ на изобретение № 2479976 С1, АО 1С 7/16.

3. Теоретическое определение конструктивных и кинематических параметров транспортерного высевающего аппарата.

4. Результаты лабораторных исследований и полевых испытаний высевающего аппарата.

5. Влияние электроактивации воды на физико - механические и биологические свойства семян тыквы.

6. Энергетическая оценка использования разработанной технологии и высевающего аппарата.

Степень достоверности и апробация результатов. Результаты проведенных исследований по теме работы были представлены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Волгоградский ГАУ» (2011...2013гг.), конкурсе НП ВЦТТ «У.М.Н.И.К.» программы фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (2012г.), региональной конференции молодых исследователей Волгоград-

ской области ФГБОУ ВПО «Волгоградский ГАУ» (2012г.), «Всероссийски конкурс молодежных проектов» федерального агентства по делам молодежи (2012г.).

По материалам исследований опубликовано 12 печатных работ, 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 3 патента РФ на изобретение. Полный объем публикаций составляет 4,31 печ.л., из них 2,61 печл. принадлежит автору.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит краткую характеристику технологии посева проращенных семян тыквы, состояние производства тыквы в отрасли бахчеводства, актуальность данной темы, цель работы, положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса механизации посева тыквы» опи-сгшы существующие технологии посева, возделывания и хранения плодов тыквы, биологические особенности данной культуры.

Приведен анализ способов, технологий и технических средств для подготовки и посева семян тыквы, основные агротехнические характеристики высевающих аппаратов, а так же схемы о описанием принципа и результатов работы различных высевающих аппаратов с посевом как сухого, так и проращенного семенного матершша.

На основшши исследований Абезиьа В.Г., Цепляева А.Н., Шапрова М.Н., Абезина Д.А., Харлашина А.В и других, был выбран перспективный гравитационный способ заполнения ячегк транспортерного высевающего аппарата семенами, производящим захват ячейками проращенного семенного материала непосредственно из воды, без использования отражателя семян.

Во второй главе «Теоретические исследования по определению технологических параметров транспортерного высевающего аппарата» представлена конструктивная схема предлагаемого высевающего аппарата с

описанием и принципом работы. В теории рассмотрены: процесс ориентирования и западения семени в ячейку, теоретико - вероятностное обоснование параметров направляющих и ячеек высевающего транспортера, теоретическое определение скорости движения высевающего транспортера и значение угла наклона транспортера к горизонту.

Для посева замоченных и проращенных семян пропашных, овощных и бахчевых культур нами разработан высевающий аппарат (рис. 1), который включает семенной ящик 1, у боковой стенки которого установлен на приводном 2 и натяжном барабанах 3 высевающий транспортер 4, который смонтирован в боковой стенке семенного я щика 1 опирается на поддон 9 и: состоит из сегментовидных звеньев 6, соединенных с помощью шарнирных сочленений 10. Задняя стенка, семенного ящика сопряжена с высевающим транспортером за осевой линией натяжного барабана 3.

12 8

Вид А 10 В |

С оЧ- оЧп

еэ : О— о

ог

в I

Б-Б

1

6 7 5

1 - семенной ящик; 2 - приводной барабан; 3 - натяжной барабан; 4 - высевающий транспортер; 5 - ячейки; 6 - сегмент; 7 - направляющие; 8 - семяпровод; 9 - поддон:. 10 - ось:

Рисунок 1 - Е!ысевающий аппарат. Перед началом посева в семенной ящик устанавливается высевающий транспортер 4 с ячейками, выполненными по форме и размерам семян высеваемой культуры.

Семенной ящик 1 заполняется замоченными в католите и проращенными семенами вместе с водой, в которой они замочены. Включается привод высевающего транспортера 4 через приводной барабан 2. Верхняя ветвь транспортера 4, проходя под слоем семян, взаимодействует с семенами, вызывая их колебания в вертикальной плоскости, что обеспечивает гарантированное заполнение ячеек 5. Этому способствуют активные направляющие 7, которые ориентируют семена над ячейками. Свободное пространство между стенками ячейки и семени при этом будет заполнено водой. Как только ячейки 5 выходят из под слоя семян, лишние семена, расположенные над ячейкой, скользят вниз, благодаря углу наклона транспортера 4. В ячейке 5 остается только одно семя. На приводном барабане 2 ячейка 5 поворачивается, а семя захватывается водой, заполняющей ячейку, выталкивается в семяпровод 8 и далее в бороздку, образованную сошником. Взаимодействие семян с ячейками происходит следующим образом.

Вес семени в и всего слоя семян вызывают нормальную реакцию N элемента транспортера и силу трения по поверхности элемента Б! (рис.2).

Рисунок 2 - Схема сил, действующих на семя, после прохождения его центра тяжести края ячейки Так как движение транспортера является переносным, то присутствует ускорение и необходимо учитывать силу инерции Ри, при относительном

движении семян, приложенную в точке О и направленную противоположно движению транспортера.

Составим уравнение предельного равновесия. Для этого приравняем к нулю сумму моментов всех сил, действующих на семя, относительно Oj.

Sm(P¡)0 = G cos w Д + ^(А-і-д). —(--Д) + Y 2 4 2 4

+ Fu£ cos у + 2F3S COS\J/-F2 / =0, (1)

Сила трения и сила инерции выражаются как:

F2 = /в„ Р6; F3 = /вн. F„ = m у = - у, . (2)

2 g

После преобразования получаем значение Д:

Л = Рб/в„/-Рв/вн<5+ ^-уд /PB + G. (3)

2 S

Введем обозначения, основываясь на том, что значение силы инерции намного меньше сил бокового и вертикального значений, то момент от сил инерции (3) можно опустить, что не повлияет на достоверность результата:

Рб/Р„ = п и PB/G = ц,

имеем:

Д = ц/вн(п / - (4)

Так как коэффициент ц не оказывает значительного влияния на значение Л из — за того, что ц» 1 в заполненном бункере, упростим выражение:

Д = /вн (п / - ¿0- (5)

Значение Л зависит от внутреннего трения и отношения между силами боковых и вертикальных давлений. Учитывается разность между длиной и толщиной семян, т.е. значение А имеет максимальное значение для плоских и вытянутых семян. Процесс западения семени в ячейку. Как только происходит перемещение семени на величину Л, происходит процесс запа-

дения его в ячейку. В этот момент на семя так же действуют сила тяжести и сил а давления вышележащих слоев.

За промежуток времени ^ центр тяжести семени (рис. 3) смещается из точки О) в точку Ог. Время ^ намного меньше времени перемещения элемента. транспортера, поэтому скорость относительного движения семени V,- на этом участке принимаем постоянной. Составим дифференциальное уравнение движения центра тяжести семени, допустив, что геометрический центр и центр тяжести семени совпадают.

Рисунок 3 - К теории западения семени в ячейку На рисунке 3 показаны оси координат с началом в точке Оь

шХ =0; тУ = цО = шцд. Приводим к общему знаменателю ш:

X = 0; У = ц

Интегрируем:

ах „

—-С,; --=Ц£Ц-С2,

Ш а!

при 1 = 0 X = V,, У = 0: тогда уравнение (8) примет вид:

.¿У

сК Л

Л

: м ё і-

(6)

(7)

(8) (9)

Для получения значения перемещения центра тяжести по осям, проинтегрируем еще раз: Х = \М + С3; У= ц 0^/2 + 04, (10) Если при 1 = 0, X = 0 и У = 0, следовательно С3 = С4 = 0.

Значит, для определения движения центра тяжести семени в момент западения в ячейку, составим два уравнения для каждой оси координат::

X = Vrt + C3, (11)

Y = ц g t2 / 2 + С4. (12)

Для того, чтобы семя запало в ячейку, необходимо достижение центра тяжести семени уровня кромки ячейки. Это можно записать в виде

Y = S /2. Преобразуем уравнение (12).

I? / 2 = ц g t2/ 2, (13)

выражаем ti:

= (14)

Y/s

Найдем перемещение центра тяжести семени с учетом ti (11) вдоль оси X за это время.

X, = Vr.p. (15)

\fg

Западение семени в ячейку возможно при условии:

X, </,-{//2 +А), (16)

Объединим уравнения (15) и (16):

X, = V р< [/,-(//2 +А)]. (17)

V Mg

Для теоретического определения параметров ячейки, будем считать, что глубина ячейки будет равна средней толщине семени тыквы. Значит, следует определить длину и ширину ячеек транспортерного высевающего аппарата. Основываясь на расчетах предыдущей главы, определим данные параметры.

Находим длину ячейки:

1Я > VrJ— + / /2 + А. (Ш

Проведя анализ выражения (18), заметим влияние относительной скорости семени на его западение в ячейку. Эту скорость можем определить:

Уг < ( /„- //2-Д) М. (19)

V о

В формуле очевидна зависимость размера ячейки от давления верхних слоев ( ц ), размеров семян, коэффициента внутреннего трения, отношения сил бокового давления к вертикальным силам ( А ); в итоге имеем:

I» > V /А +//2+ /„(11 1-8). (20)

V Мё

Но в случае появления семян с нестандартными размерами, возможна вероятность прохода в ячейку более одного семени. Для исключения этой возможности семена нуждаются в калибровке.

Анализ различных возможных укладок семян в ячейку показал, что для семян тыквы возможна укладка только плоско.

Произведем расчет угловой скорости вала привода транспортера. Машина движется со скоростью утр , тогда угловая скорость ее колеса:

(£>к = Утр / (21)

Угловая скорость вала привода барабана транспортера может быть представлена по формуле:

^кп(с) ^тр / Як, (22)

Для определения величины радиуса барабана необходимо обосновать размер звена транспортера исходя из размера среднестатистического семени и конструкции его ленты.

Выбираем минимальный Ьда по возможности изготовления. Размер учитывает среднее значение семени и двух радиусов крепления (рис. 4).

I__5_____I

-5-4---Г _

Рисунок 4 - Звено транспортера

Тогда по формуле определяем: Ьдз > а + 2г +2С. (23)

Для необходимой точности высева необходимо определить угол наклона транспортера к горизонту. Обозначим минимальный угол наклона транспортера аті„(рис. 5).

Рисунок 5 - Диапазон углов транспортера.

F тр = N tg amm , (24)

Полученное значение amin = 12° . Однако для F тр имеется разброс значений, обусловленный погрешностью измерений. Но f тр меняется в пределах (fcp + За),

«min > («mm " а3СГ) . (25)

Однако amin обеспечивает только теоретическую возможность скольжения. Необходимо экспериментальное исследование (рис. 2). При увеличении угла высевающего транспортера к горизонту, наступит момент, когда семя не сможет западать в ячейку. При 90° семена перестанут западать в ячейки, обозначим этот угол как атя1.

В третьей главе «Методика проведения экспериментальных исследований работы транспортерного высевающего аппарата» приведены разработанная программа и методика экспериментальных исследований по следующим вопросам: определение размерно - массовых характеристик и физико - механических свойств проращенных семян тыквы сорта «Волжска? серая 92», широко распространенной в Волгоградской области; определение механических свойств ростка, в зависимости от его размеров. Разработана технология подготовки семян тыквы к посеву.

В результате исследования влияния электроактивированной воды на скорость проращивания и качество урожая, установлено, что в основе роста и развития любого организма, в том числе и растений, являются окислительно - восстановительные реакции, связанные с передачей или присоединением электронов в молекулах. Энергия, выделяемая при этих реакциях, расходуется на обеспечение процессов жизнедеятельности.

Наиболее значимым фактором, влияющим на параметры окислительно - восстановительных реакций, протекающих в любой жидкой среде, является окислительно - восстановительный потенциал (ОВП) среды, в которой протекает эта реакция. Изменение окислительно - восстановительного потенциала воды обеспечивается электроактиватором, в котором переход электронов через межфазную границу электрод - жидкость сопровождается электрохимическими реакциями, среди которых основной является разложение воды: анодные реакции: 2Н20 - 4е —>• 4Н + 02, катодные реакции: 2Н20 - 2е —» Н2 + 20Н .

Способ подготовки семян тыквы к посеву включает предварительную подготовку, замачивание в активированной воде, полученной путем электроактивации. После выделения семена погружаются в воду при температуре +20...+25 °С и выдерживаются до всплытия легковесных семян и их удаления. Оставшиеся полновесные семена высушиваются до кондиционной влажности 13... 14 %, и хранятся в мешкотаре до весеннего периода. За 3 дня до посева семена замачивают в анолите -электроактипированной воде, с окислительно - восстановительным потенциалом +700...+800 мВ в течение 0,25...0,5 часа при температуре + 20... +25 °С. Затем семена проращиваются в католите -

электроактивированной воде с окислительно-восстановительным потенциалом-500..-600 мВ в течение 1...2 часов при температуре 20...25 °С. Посев семян производится при появлении ростков до 3...4 мм.

Проведение лабораторных и производственно-полевых испытаний проводилось на базе однофакторных экспериментов.

Лабораторные опыты транспортерного высевающего аппарата проводились на кафедре «Сельскохозяйственные машины» Волгоградского государственного аграрного университета на лабораторной установке (рис. 6,7), а производственные испытания на полях СПК «Ахтуба» Волгоградской области в 2.012 году (рис. 8), на что имеется акт о внедрении научно -исследовательской работы.

1 бункер для семян; 2 - сменный высевающий транспортер; 3 - приводной блок; 4-й опорный блок; 5 - пластина с радиальными проточками и винтами; 6 - двигатель постоянного тока с резистором; 7 - датчик оборотов; 8 - неподвижные штанги; 9 - шарнир; 10 - семяпровод; Рисунок 6 - Схема лабораторной установки

Рисунок 7 - Лабораторная установка

а) б)

Рисунок 8 - Сеялка: а) общий вид, б) способ установки аппарата

Проведен многофакторный эксперимент с целью определения оптимальных значений основных параметров высевающего аппарата.

II четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» определены: размерно - массовые характеристики семян тыквы; усилие облома ростка семян тыквы; зависимость скорости прорастания семян.от условий среды; скорость развития и со::ревания плодов (рис. 9). Применение предложенной технологии посева сокращает время созревания плодов на 10 - 15 дней по сравнению с существующими технологиями.

10 20 30 40 50 60

90 100 110 120

І рр, дни

Рисунок 9 - Сравнение развития растений тыквы «Волжская серая 92», посеянных: 1) проросшими в электроактивированной воде, 2) в обычной воде, 3) сухими Для выявления нескольких основных факторов, влияющих на качество работы транспортерного высевающего аппарата, были проанализированы литературные источники по теории эксперимента, результаты поисковых опытов, теоретические исследования процесса захвата проросших семян ячейками высевающего транспортера. Факторы и их характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Факторы и і-іх характеристики

Факторы Уровни фактора Интервал варьирования, є

0 -1 +1

Х[ — длина ячейки, мм 19 16 22 3

х2 — ширина ячейки, мм 12 10 14 2

х3 - глубина ячейки, мм 5 4 6 1

)(4 - угол наклона, град 35 10 60 25

Для проведения исследований по нахождению оптимума применялся предельно насыщенный план второго порядка (план Рехтшафнера).

Определены экспериментальные зависимости влияния угла наклона высевающего транспортера к горизонту, параметров ячеек и скорости транспортера на точность высева с помощью однофакторных экспериментов.

Для построения математической модели процесса работы высеваюшего аппарата был реализован план Рехтшафнера для 4-х факторного эксперимента. Экспериментально рассчитаны коэффициенты регрессии:. В результате расчетов получены уравнения регрессии в кодированном виде: У = 89 + 9,8х, + 9,5хг + 5,8х3 + 2,1х4 + 1,3хл + 0,8х,х3 + 0,2х,х4 + + 0,7хгх, + 0,ЗхЛ + 0,2х,х4 - 6,8л;2 - 7,7л:2 - 4,9*2 - 3,1x1 ^

Адекватность полученных математических моделей оценивалась по критерию Фишера. Оптимальные значения факторов представлены в таблице 2.

Уравнение регрессии, представленное в канонической форме, имеет вид:

Уу -99 = -6,5Х,2 -8,1** -4.8Х,2 -ЗХ2, (27)

Таблица 2 - Оптимальные параметры факторов

Фактор Оптимальные параметры факторов

XI - длина ячейки, мм 0,85 21,6

х2 - ширина ячейки, мм Ы 13,4

х3 — глубина ячейки, мм ■ о| <п

Х4 - угол наклона, град 47.5

Примечание: данные числителя в кодированном виде, знаменателя в раскодированном

Так как все коэффициенты у квадратных значений имеют отрицательные знаки, значит поверхности: откликов, представленные в уравнении (26), представляют собой четырехмерные параболоиды., с

г) д) е)

а) влияние факторов х, и х 2 при х,=0,7 и Х4=0,5 б) влияние факторов х, и х3 при х2 =0,7 и х<= 0,5 в) влияние факторов х, их, при х2=0,7 и х3=0,7 г) влияние факторов х2 и х> при х,=0,85 и х4= 0,5 д) влияние факторов х2 и х4 при х,=0,85 и х3=0,7е) влияние факторов х3 и х4 при х,=0,85 и х2=0,7 Рисунок 10 - Двумерное сечение по изучению влияния факторов на точность

высева

Анализ двумерных сечений показал: для максимальной точности высева Н, рекомендованы следующие интервалы значения факторов: х,= 0,8...0,92; х2=0,7...0,8; х3 = 0,65...0,75 и х4 = 0,4...0,5. При этом точность

высева составит 99%.

В пятой главе «Энергетическая оценка применения разработанного транспортерного высевающего аппарата» приведен расчет для сравнения энергоэффективности при посеве сухих семян тыквы ручным способом и посеве проращенных семян тыквы, обработанных электроактивированной водой, разработанным высевающим аппаратом.

координатами центров поверхностей в оптимальных значениях факторов.

Анализ влияния факторов на точность высева проводился с помощью двумерных сечений (рис. 10).

Энергетическая оценка использования разработанной технологии посева, по отношению к существующей технологии, установила превосходство уровня интенсификации механизированного способа по полным затратам энергии Ei на 320%.

Заключение

1. Разработана технология подготовки семян к посеву, включающая предварительную обработку семян тыквы анолитом, предпосевное замачивание в католите (решение о выдаче патента на изобретение № 2011143529/13(065327) от 18.01.2013 г.). Для обеззараживания семян необходимо использовать анолит, воду с окислительно - восстановительным потенциалом + 700... + 800 мВ, а для проращивания католит, с окислительно - восстановительным потенциалом -500...-600 мВ.

2. На основе результатов исследования установлено: у замоченных и проращенных увеличиваются размеры по длине на 3%, ширине на 2% и толщине на 20%, коэффициент трения покоя уменьшается на 40%, движения на 5 5%.

3. Разработана конструкция высевающего аппарата, защищенная патентом на изобретение РФ № 2479976 CI, А01С 7/16. Опытный образец прошел лабораторные и производственные испытания.

4. При лабораторном исследовании процесса работы транспортерного высевающего аппарата были определены оптимальные геометрические и кинематические характеристики: а,р = 48°, Утр .л. = 0,02...0,03 м/с. При заданных значениях параметров высевающего аппарата повреждения семян с ростком, не превышающим 4 мм, составляют менее 1%.

5. Полевые испытания показали, что после посева семенами тыквы, проращенными в электроактивированной воде, развиваются быстрее, в сравнении с семенами, посеянными в сухом виде и проращенными в обычной воде, с получением товарной продукции на 2...3 недели раньше.

6. Минимальным углом наклона транспортера к горизонту составляет 12°. Максим!шьный угол наклона транспортера к горизонту, превышение которого сокращает точность высева до нуля равен 86°.

8. При реализации многофакторногс эксперимента построены математические модели западения семян тыквы в ячейки высевающего транспортера по одному критерию оптимизации: точность высева.

Для сорта тыквы «Волжская серая - 92» составили: длина ячейки 21,6 мм, ширина ячейки 13,4 мм, глубина ячейки 5,7 мм, угол наклона транспортера к горизонту 47,5°, при этом оптимальное значение точности высева составила 99%.

9. Расчеты энергетической оценки показали, что при использовании предлагаемой технологии с транспортерным высевающим аппаратом, сократили затраты энергии с 7500 МДж/га при ручном способе посева, до 2340,74 МДж/га при предложенной технологии посева. Тем самым сокращение энергетических затрат составило ¡то полным затратам 320 %.

Рекомендации производству

1. Размер ростка тыквы для высева транспортерным высевающим аппаратом не должен превышать 4 мм.

2. Для посева проращенных семян тыквы «Волжская серая - 92» разработанным высевающим аппаратом необходимо использовать транспортерную ленту со следующими размерами ячеек: 4=20,5...21,5мм; ¿>.,=12,5... 13,5мм; ая=5,6...6,0мм.

3. Для максимальной точности высеьа угол наклона транспортера к горизонту должен быть 48°.

Перспективы дальнейшей разработки темы: » - разработать и теоретически обосновать параметры сменных транспортеров для возможности высева проращенных семян различных бахчевых, овощных и пропашных культур.

- оснастить высевающий аппарат дополнительным оборудованием для дозированного внесения жидких слабоконцентрированных минеральных удобрений во время посева непосредственно в гнезда.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1.Абезин, В.Г. Теоретическое обоснование параметров высевающего аппарата для проращенных семян гыквы. / В.Г. Абезин, В.А. Моторин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса.- 2011-№4.-С. 186-191.

2. Моторин, В.А. Исследование физико-механических свойств проращенных семян тыквы. / В.А. Моторин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса,- 2012--№3.-С. 209-213.

3. Моторин, В.А. Ресурсосберегающая технология возделывания тыквы. / В.А. Моторин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса,- 2012-№2.-С. 219-223.

патенты:

4. Патент № 2475013 С1 Российская Федерация, А01С 7/16, А01С 7/18. Высевающий аппарат для посева пророщенных семян пропашных, овощных и бахчевых культур. / В.Г. Абезин, А.Н. Цепляев, В.А. Моторин // за-явл.: 20.07.2011, Бюл. № 5. - 7с.

5. Патент № 2479976 С1 Российская Федерация, А01С 7/16. Высевающий аппарат для посева замоченных и пророщенных семян пропашных, овощных и бахчевых культур. / В.Г'. Абезин, В.А. Моторин, А..Н. Цепляев // заявл.: 12.10.2011, Бюл. № 12. - 6с.

6. Патент № 2479977 С1 Российская Федерация, А01С 7/18. Волновой высевающий аппарат. / В.Г. Абезин, В.А. Моторин, A.C. Овчинников, А.Н. Цепляев, A.B. Харлашин // заявл.: 12.10.2011, Бюл. № 12. - 6с.

в других изданиях:

7. Моторин, В .А. Высевающий аппарат для посева проращенных семян пропашных, овощных и бахчевых культур. / В.А. Моторин // Вестник АПК

Волг.обл. 2011-№11.-С. 27.

8. Моторин, В.А. Высевающий аппарат для посева проращенных семян тыквы. / В.А. Моторин, // Наука и молодежь: новые идеи и решения/ Мете-риалы VI Международной научно-практической конференции молодых исследователей, г. Волгоград, часть I. - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2012,- с 98-101.

9. Абезин, В .Г. Барабанный высевающий аппарат. / В.Г. Абезин, В.А. Моторин // Информ. листок Волгоградского ЦНТИ. - 2011. - № 34-063-11.-4с.

10. Абезин, В.Г. Высевающий аппарат для гнездового посева замоченных и проращенных семян. / В.Г. Абезин, В.А. Моторин // Информ. листок Волгоградского ЦНТИ. - 2011. - № 34-061-11. - 5с.

11. Абезин, В.Г. Комбинированный двухдисковый сошник. / В.Г. Абезин, В.П.Бороменский, В.А. Моторин // Информ. листок Волгоградского ЦНТИ. - 2011. - № 34-062-11. -4с.

12. Абезин, В.Г. Электроактиватор воды. / В.Г. Абезин, В.А. Моторин // Информ. листок Волгоградского ЦНТИ. - 2011. - № 34-070-11.-5с.

Моторин Вадим Андреевич

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПОСЕВА ПРОРАЩЕННЫХ СЕМЯН ТЫКВЫ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

В авторской редакции

Подписано в печать 17.05.2013 г. Формат 60x84 ,/16. Усл.-печ. л.1,0. Тираж 100. Заказ 195. ИПК ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ «Нива». 400002, Волгоград, пр. Университетский, 26.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный аграрный университет»

УДК 635.621:631.331.85

На правах рукописи

04201359061 /шО&С(-

Моторин Вадим Андреевич

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПОСЕВА ПРОРАЩЕННЫХ СЕМЯН ТЫКВЫ

Специальность 05.20.01 — Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Научный руководитель: д. т. н., профессор Абезин Валентин Германович

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2013

Содержание

Введение...................................................................................................5

Глава I. Состояние вопроса механизации посева тыквы..........11

1.1. Значение тыквы в аграрном комплексе...........................................11

1.2. Существующие способы и технологии посева семян тыквы.........16

1.3. Анализ известных экспериментальных высевающих аппаратов для посева проращенных семян................................................18

1.4. Цель и задачи исследования..............................................................30

Глава II. Теоретические исследования по определению

технологических параметров транспортерного высевающего аппарата...................................................................................31

2.1. Конструкция транспортерного высевающего аппарата и принцип его работы..............................................................................................................31

2.2. Теоретическое исследование процесса заполнения ячейки высевающего аппарата.........................................................................................33

2.2.1. Взаимодействие ячейки с семенем.....................................33

2.2.2. Процесс ориентации семени активными направляющими.......36

2.2.3 Процесс западения семени в ячейку.................................. 39

2.3. Теоретическое определение параметров ячейки.............................42

2.4. Теоретические исследования по определению скорости движения высевающего транспортера..................................................................................45

2.5. Теоретическое определение угла наклона транспортера высевающего аппарата.....................................................................49

Глава III. Методика проведения экспериментальных исследований работы транспортерного высевающего аппарата...... 53

3.1. Программа исследований..................................................................53

3.2. Методика проведения поисковых опытов.......................................55

3.3. Общая методика экспериментальных исследований......................56

3.4. Методика определения некоторых физико-механических свойств проращенных семян тыквы....................................................................60

3.4.1. Фрикционные свойства семян................. .................................61

3.4.2. Размерно-массовые характеристики..............................................67

3.4.3. Прочностные характеристики ростков.........................................69

3.5. Методика проращивания семян тыквы............................................74

3.6. Предпосевная обработка семенного материала электроактивированной водой..........................................................77

3.7.Агротехнические требования к сеялкам для посева проращенных семян бахчевых культур....................................................................82

3.8. Методика лабораторных исследований транспортерного высевающего аппарата...................................................................83

3.9. Методика проведения полевых испытаний..........................86

3.10. Устройства и приборы, применяемые при проведении исследований...................................................................................................89

3.11. Планирование факторного эксперимента..........................90

Глава IV. Результаты экспериментальных исследований...........98

4.1. Данные коэффициентов трения покоя и движения проращенных семян тыквы........................................................................................................98

4.2. Размерные характеристики проращенных семян тыквы.............100

4.3. Масса проросших семян тыквы......................................................102

4.4. Размеры ростков семян тыквы........................................................103

4.5. Прочностные характеристики ростков семян тыквы..................105

4.6. Результаты наблюдений за развитием растений...........................106

4.7. Результаты исследования работы транспортерного высевающего аппарата................................................................................................................111

4.8. Оптимизация конструктивных параметров...........................115

Глава V. Энергетическая оценка применения разработанного

транспортерного высевающего аппарата.......................................125

5.1. Принципы энергетической оценки технологий в сельскохозяйственном производстве.....................................................126

5.2. Метод и критерий оценки энергетических затрат при выборе технологий и средств механизации сельского хозяйства................................130

5.3. Определение энергетических затрат на проращивание семян.. .132

5.4. Определение энергетических затрат на посев проращенных семян

тыквы разработанным высевающим аппаратом....................................133

5.5. Определение энергетических затрат на ручной посев сухих семян

тыквы........................................................................................135

Заключение.............................................................................................137

Обозначения, принятые в диссертации...........................................139

Библиографический список................................................................144

Приложения...........................................................................................157

Введение

Бахчевые культуры являются растениями универсального использования. Их плоды богаты сахаром, органическими кислотами, витаминами, солями железа, фосфора, калия, а также веществами, способствующими регулированию многих физиологических процессов в организме человека. Продукция бахчеводства так же широко используется в качестве корма для животных, в пищевой промышленности перерабатываются на мед, патоку, цукаты, используется в детском питании. Мякоть бахчевых, очищенная от корки, используется для получения натурального сока, джемов, цукатов, детского питания, кора используется для получения пектина. В медицине из масла тыквы изготавливают лекарственный препарат «Тыквеол».

Продукция бахчеводства употребляется в натуральном виде и в качестве продуктов переработки.

В результате производства масла из семян тыквы образуются отходы (жмых, фуз), которые используются на ветеринарные цели и на корм животным.

Бахчевые культуры являются самыми засухоустойчивыми из пропашных культур. Это свойство позволило с успехом возделывать их в засушливых районах, позволяя получать стабильные урожаи даже в неблагоприятные годы. Они являются лучшими предшественниками для яровой пшеницы, за счет повышенного ухода за посевами бахчевых, с очищением почвы от сорняков в процессе их возделывания.

Однако производство бахчевых трудоемкий процесс, требующий больших затрат. Но в современном производстве продукции бахчеводства широко применяется механизация существующих технологий. В результате чего возможно снизить или полностью отказаться от ручного труда при механизации технологических процессов производства [9,59,121].

Но в последнее время, из - за увеличения цен на энергоносители, удобрения, пестициды и сельхозмашины, выращивание сельскохозяйственной продукции является дорогостоящим производством.

Специфика, как растений тыквы, так и их плодов не позволяет полностью исключить использование ручного труда [15,21]. Для повышения эффективности возделывания бахчевых культур необходима модернизация технологии и технических средств, позволяющих увеличить урожайность, улучшить качество продукции, снизить её себестоимость.

В настоящее время, из - за отсутствия промышленных образцов машин для высева проращенных семян бахчевых, и в частности тыквы, в хозяйствах применяются машины для посева зерновых, хлопка и других культур. Это сказывается на качество посева, всхожести, и, в итоге, на урожайность. [59,74].

Актуальность темы. Одной из самых ответственных технологических операций при возделывании бахчевых культур является посев. От качества его проведения зависит дальнейшее развитие растений и получение высокого урожая.

Для получения ранних и дружных всходов эффективным решением является посев проращенными семенами, обработанными электроактивированной водой для повышения их всхожести и биологической активности.

В связи с этим сохраняется актуальность проблемы по совершенствованию технологии посева, обеспечивающей оптимальные условия для роста и развития растений и конструкции высевающего аппарата, позволяющего выполнять точный гнездовой высев проросших семян бахчевых культур, без их повреждения.

Решение данной проблемы будет способствовать улучшению энергетических показателей сельскохозяйственного производства за счёт экономии семян, снижения энергосодержания операций возделывания культуры. Результатом будет являться получение раннего урожая с низким

процентом нестандартной продукции, реализуемой по более выгодным ценам, снижение себестоимости.

Степень разработанности. Авторами В.Г. Абезин, А.Н. Цепляев, М.Н. Шапров, В.П. Бороменский, Д.А. Абезин, A.B. Харлашин и др. разработаны конструкции высевающих аппаратов для посева проращенных семян бахчевых, защищенные патентами на изобретения, однако предлагаемые технические решения не обеспечивают необходимой точности высева, допускают повреждение ростков. Кроме того отсутствует технология подготовки семян к посеву с использованием электроактивированной воды.

Цель исследования. Разработка и обоснование оптимальных параметров технологии и технических средств посева проращенных семян тыквы транспортерным высевающим аппаратом, обеспечивающим получение ранней продукции, снижение трудоёмкости возделывания, травмирования и расхода семенного материала.

Для решения намеченных целей, определены следующие задачи исследования.

1. Разработать технологию подготовки семян тыквы к посеву.

2. Изучить физико-механические свойства проросших семян тыквы, обработанных электроактивированной водой, применительно к посеву механическим высевающим аппаратом.

3. Разработать и исследовать высевающий аппарат для гнездового посева проросших семян тыквы с минимальным повреждением ростков.

4. Теоретическими и экспериментальными исследованиями обосновать конструктивные и кинематические параметры высевающего аппарата.

5. Определить энергетическую эффективность механизированного способа посева разработанным высевающим аппаратом.

Объект исследования. Технологический процесс высева проращенных семян тыквы с применением разработанной конструкции транспортерного высевающего аппарата.

Предмет исследования. Процесс высева проращенных семян тыквы «Волжская серая - 92» с исследованием влияния конструктивно -технологических параметров высевающего аппарата на точность высева.

Методика исследований. Теоретические исследования по определению технологических параметров высевающего аппарата выполнены с использованием положений и методов классической механики. Экспериментальные исследования проведены с использованием стандартных и частных методик проведения и метода планирования эксперимента. Полученные экспериментальные данные обработаны методами математической статистики на ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в разработке и исследовании технологии подготовки семян и конструкции транспортерного высевающего аппарата для посева проросших семян тыквы, защищённого патентами РФ на изобретение; теоретическом и экспериментальном обосновании конструктивных и кинематических параметров высевающего аппарата, работающего по принципу индивидуального отбора семян из их общей массы, находящихся непосредственно в воде.

Практическая значимость Использование новой конструкции транспортерного высевающего аппарата; теоретическом обосновании и экспериментальном определении его параметров, рекомендация к посеву проращенных семян тыквы.

Вклад автора в проведенное исследование. Изготовлен опытный образец транспортерного высевающего аппарата для посева проращенных семян тыквы. Установлены аналитические зависимости по определению оптимальных конструктивных параметров рабочего органа. Проведены экспериментальные исследования в лабораторных и полевых условиях. Разработана адекватная математическая модель процесса высева проращенных семян тыквы.

Реализация результатов исследований. Производственные испытания транспортерного высевающего аппарата для посева проращенных семян тыквы проводились на полях СПК «Ахтуба» Ленинского района Волгоградской области, в учхозе «Горная поляна» и лаборатории кафедры «Сельскохозяйственные машины» Волгоградского аграрного университета.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований по теме работы были представлены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Волгоградский ГАУ» (2011... 2013 гг.), конкурсе НП ВЦТТ «У.М.Н.И.К.» программы фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (2012 г.), региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области ФГБОУ ВПО «Волгоградский ГАУ» (2012 г.), «Всероссийский конкурс молодежных проектов» федерального агентства по делам молодежи (2012 г.).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 12 печатных работ, 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 3 патента РФ на изобретение. Полный объем публикаций составляет 4,31 печ.л., из них 2,61 печ.л. принадлежит автору.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основной части, общих выводов, практических рекомендаций производству, списка условных обозначений, списка литературы и приложений.

Работа представлена на 189 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц и 59 иллюстраций, 7 приложений. В списке литературы 129 источник, из которых 6 на иностранных языках.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Конструкция транспортерного высевающего аппарата, имеющая патент РФ на изобретение № 2479976.

2. Теоретическое определение зависимостей конструктивных и кинематических параметров транспортерного высевающего аппарата.

3. Результаты лабораторных исследований транспортерного высевающего аппарата;

4. Влияние степени электроактивации воды на физико - биологические свойства при предпосевной обработке семян.

5. Энергетическая оценка использования разработанного высевающего транспортера.

11

ГЛАВАI

Анализ существующих технологий и технических средств посева проращенных семян тыквы 1.1 Значение тыквы в аграрном комплексе.

К семейству тыквенные (Cucurbitaceae Juss.) принадлежит род тыквы (Cucurbita L), насчитывающий по разным источникам от 13 до 27 видов [14,18,30]. Шесть видов тыквы культивируются, остальные дикорастущие. Тыква известна людям с древнейших времен. Она издавна пользовалась большой популярностью у народов мира. Большинство видов тыквы происходит из районов Северной и Центральной Америки, кроме крупноплодной — выходца из Южной Америки.

Впервые начали выращивать это растение индейцы Мексики и Техаса более 5 тыс. лет назад. При раскопках гробниц перуанских захоронений находили ее семена, остатки стеблей и кожуры плодов. В Европу семена тыквы завезли после открытия Колумбом Америки в середине XVI века. Сначала тыква распространилась в южных теплых странах континента, а затем попала в Россию и Украину. Американские ученые считают, что пищевой комплекс «Кукуруза, бобы, тыква» способствовал процветанию доколумбовой цивилизации ацтеков и инков [34,41,60].

В 30-е годы XX столетия была предпринята специальная экспедиция Всероссийского института растениеводства, которая собрала и систематизировала сведения о тыкве. Тогда же учеными были получены для селекционной работы семена тыквы из Южной и Центральной Америки, Восточной Африки, Индии и других тропических стран.

Российская Федерация занимает первое место в СНГ по производству плодов бахчевых растений. На юге ее выращивают на больших площадях в открытом грунте. Культивируемые виды тыквы растут повсеместно до 60° северной широты. С продвижением на север она становится огородным растением и размещается на небольших участках.

Сегодня тыкву можно встретить во всех земледельческих районах мира. Она пользуется большим спросом у населения. Тыква оказалась на редкость неприхотливым и отзывчивым на уход растением. В лучшие урожайные годы плоды ее вырастают массой до 100 кг и более. Наибольшее хозяйственное значение имеют три вида тыквы: обыкновенная, или твердокорая; крупноплодная, или гигантская; и мускатная. По использованию плодов тыква подразделяется на многочисленные столовые и кормовые сорта, а также применяется как декоративное растение.

Нижнее Поволжье - родина российского бахчеводства. В эту зону входят Саратовская, Волгоградская, Астраханская области и республика Калмыкия. Данная территория характеризуется супесчаными почвами, граничащими с полупустынями Казахстана [14,17,18,19,29,30,33,34,41,54].

Крупнейшим центром выращивания бахчевых в России является Астрахань. Там же и появился всем известный сорт арбуза Астраханский, ставший символом, торговым брендом, гордостью Астраханской области