автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка сеялки для посева зерновых культур с обоснованием ее конструктивных параметров и режимов работы

КУРУШИН Виктор Валерьевич

РАЗРАБОТКА СЕЯЛКИ ДЛЯ ПОСЕВА ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР С ОБОСНОВАНИЕМ ЕЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МА'Ті 2012

Уфа-2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА»)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Курдюмов Владимир Иванович

Официальные оппоненты Артемьев Владимир Григорьевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА», кафедра сельскохозяйственных машин, профессор

Шарафутдинов Азат Вилевич,

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет», кафедра сельскохозяйственных машин, старший преподаватель,

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет» им. Н.П. Огарева

Защита состоится 31 мая 2012 г. в 10— часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 при ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» по адресу: г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан « ¿-У» апреля 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

С.Г. Мударисов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современных условиях сельскохозяйственные предприятия сталкиваются с постоянным ростом цен на промышленную продукцию, несоизмеримым со стоимостью производимой сельскохозяйственной продукции. Поэтому энерго- и ресурсосберегающие технологии, в которых используют соответствующие средства механизации, находят все большее применение.

Одним из наиболее востребованных направлений развития растениеводства стало использование нулевой обработки почвы и высев зерновых, овощных и технических культур непосредственно по стерневому фону. Посев по стерневому фону признается учеными многих стран перспективным при возделывании зерновых культур, кукурузы, многолетних и однолетних трав, масличных и зернобобовых культур. Данный способ посева исключает ряд технологических операций, что позволяет уменьшить количество проходов агрегатов по полю, а также проводить посев в заданные агротехнические сроки. Уменьшение времени на посев минимизирует потери влаги, позволяет укладывать семена во влажную почву. В районах, подверженных ветровой и водной эрозии, сохранение стерневого фона уменьшает потерю плодородного слоя почвы.

Эффективность такого посева заключается в значительном снижении энергозатрат за счет отказа от вспашки и предпосевной обработки почвы. Для создания оптимальных условий для роста и развития растений необходимы посевные агрегаты, которые бы выполняли качественный посев. Однако анализ показывает, что выпускаемые отечественными производителями сеялки не способны качественно высевать семена при наличии стерни в поле, что требует применения дополнительных устройств или дополнительных проходов агрегатов по полю. Зарубежная промышленность выпускает достаточно дорогостоящие сеялки, большинство из которых не обеспечивает выполнение агротехнических требований, принятых в нашей стране. Также они нерентабельны в эксплуатации. Все эти недостатки выпускаемой посевной техники приводят к увеличению затрат на посев и снижению урожайности.

На основании вышеизложенного разработка сеялки для посева зерновых культур по стерневому фону является актуальной и важной задачей, решение.которой внесет значительный вклад в развитие, как сельского хозяйства, так и экономики страны в целом.

Работа выполнена в соответствии с планами НИОКР Ульяновской ГСХА на 2006-2010 г.г. «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго- и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства» (регистрационный номер 01.200.600147) и на 2011-2015 г.г. «Разработка ре-сурсо-, энергосберегающих технологий и средств механизации сельского хозяйства» (регистрационный номер 01.200.600147).

Цель исследований - повышение эффективности посева зерновых культур по стерневому фону путем разработки сеялки с определением оп1

тимальных конструктивных параметров и режимов ее работы, обеспечивающих требуемое качество посева и снижение затрат топливо-смазочных материалов.

Объект исследования - технологический процесс посева зерновых культур стерневой сеялкой.

Предмет исследования - закономерности влияния конструктивно-режимных параметров стерневой сеялки на качество посева зерновых культур.

Методика исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием методов системного анализа и синтеза, а также положений и методов классической механики и математики. Экспериментальные исследования проводили с использованием методики планирования эксперимента, регрессионно-корреляционного анализа согласно действующих ГОСТов, ОСТов и разработанных частных методик. Полученные экспериментальные данные обрабатаны методами математической статистики с помощью программ «Excel», «Statistica 6.1» и «Derive-5» для ПЭВМ.

Научная новизна работы:

- получены аналитические зависимости по определению оптимальных конструктивных параметров и режимов работы зерновой сеялки;

- разработаны математические модели образования профиля почвы после прохода сферического и плоского дисков;

- теоретически и экспериментально обоснованы оптимальные конструктивно-режимные параметры работы зерновой сеялки;

- новизна технических решений сеялки подтверждена патентами РФ № 90961; № 90962, № 102455.

Практическая ценность заключается в разработке конструкции зерновой сеялки, предназначенной для высева семян по стерневому фону. Применение разработанной сеялки позволяет снизить расход топливо-смазочных материалов на 7,93 %, увеличить урожайность на 10,4 % по сравнению с аналогичными сеялками.

Реализация результатов исследований. Пневматическая сеялка для посева зерновых культур по стерневому фону внедрена в КФХ «Зубкова А.Н.» Новоспасского района Ульяновской области.

Вклад автора в проведенное исследование. Определены аналитические зависимости по определению оптимальных конструктивных параметров и режимов работы зерновой сеялки; проведены экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях предлагаемой сеялки; получены адекватные математические модели работы сферического и плоского дисков; выявлены оптимальные конструктивно-режимные параметры работы предложенной зерновой сеялки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (Мордовский ГУ им. Н.П. Огарёва, 2009 г.), на И-ой Международной научно-практической конференции «Аграрная

наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения» (Ульяновская ГСХА, 2010 г.), на Международной научно-практической конференции «Инновационному развитию АПК - научное обеспечение» (Пермская ГСХА, 2010), на Международной научно-практической конференции «Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК» (Мордовский ГУ им. Н.П. Огарёва, 2011 г.), на Ш-ей Международной научно-практической конференции «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения» (Ульяновская ГСХА, 2011 г.).

Публикации. По основным положениям диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 1 работа - в перечне изданий, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента РФ на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и общих выводов. Работа изложена на 146 с. основного текста содержит 65 рисунков, 11 таблиц и приложение на 56 с. Список литературы включает 125 наименования, в т.ч. 7 - на иностранных языках.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- теоретические выражения по определению конструктивных параметров и режимов работы разработанной зерновой сеялки;

- математические модели образования профиля почвы после прохода рабочих органов сеялки;

- теоретически и экспериментально обоснованная конструкция зерновой сеялки;

- результаты лабораторных исследований по определению оптимальных режимов работы зерновой сеялки и проверки их в производственных условиях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность выбранной темы исследований.

В первом разделе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования» выполнен анализ существующих технологий и средств механизации посева зерновых культур, на основе которого выявлены основные направления их совершенствования.

Посеву зерновых культур по стерневому фону посвящены работы А. Бондарева, С. Булыгина, В.В. Гультяевой, Р. Дерпш, В.Н. Зволинского, В.А. Корчагина, Е.В. Кузиной, Н.П. Ларюшина, С. Лорензатти, В. Небавского, И.А. Чуданова, B.C. Нестяка, К.Т. Мабеталина В.А. Сысуева, A.A. Нуйкина и других ученых.

Однако, несмотря на значительное количество работ, посвященных посеву зерновых культур по стерневому фону, сеялки для посева по стерневому фону еще недостаточно совершенны.

С учетом этого сформулирована цель работы и определены следующие задачи исследований:

- выполнить анализ существующих средств механизации посева зерновых культур по стерневому фону, выявить основные направления их совершенствования;

- выполнить теоретическое обоснование конструктивных параметров зерновой сеялки;

- исследовать процесс взаимодействия рабочих органов сеялки в лабораторных условиях, получить модель их функционирования определить оптимальные режимные параметры;

- исследовать разработанную сеялку в производственных условиях, определить ее экономическую эффективность при посеве зерновых культур.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование конструктивно-режимных параметров зерновой сеялки»

Сеялка (рисунок 1) включает установленные на раме 1, снабженной ходовыми 2 и опорным 3 колесами, бункер 4, вентилятор 5, сошники 6, катушечный высевающий аппарат 7, центральный трубопровод 8 с делительной головкой 9, семяпроводы 10, а также механизмы привода колеса вентилятора и катушки высевающего аппарата (на рисунке не показаны). Привод колеса вентилятора 5 может осуществляться от гидромотора, или от вала отбора мощности трактора, а катушки высевающего аппарата 7 - от ходовых колес 2 посредством цепной передачи. Рама 1 сеялки выполнена в виде равнобедренного треугольника, причем брусья рамы равной длины распо-

Бункер 4 установлен в центральной части рамы 1. Сошники 6 выполнены в виде сферических дисков, установленных на поворотных стойках 11 через равные интервалы с наружной стороны вдоль передних брусьев рамы 1 выпуклой стороной к направлению движения сеялки. Сзади сферических дисков 6 на стойках 12 установлены плоские диски 13 с внутренней стороны рамы 1 вдоль ее передних брусьев. Поворотные стойки 11 сферических дисков 6 установлены в кронштейнах 14 с возможностями изменения угла атаки сферических дисков 6 и их положения по высоте. Стойки 12 плоских дисков 13 установлены в направляющих втулках 16 с возможностью изменения положения плоских дисков 13 по высоте. Требуемое положение по высоте плоского диска 13 фиксируют болтом 17.

Определим диаметр диска из условия обеспечения заданной глубины обработки почвы (рисунок 2). При этом необходимо учитывать, что рабочие органы имеют индивидуальное размещение на раме сеялки.

а - глубина хода диска в почве; с1 - диаметр корпуса подшипника; V - толщина корпуса подшипника; Э - толщина диска; Б' - толщина фланца оси диска; Ь - вылет стрелы прогиба диска

Рисунок 2 - К определению диаметра диска

(1)

где в - угол атаки сферического диска, град.

Зная диаметр, найдем угол атаки сферического диска:

b2 eosа

(2)

в

b-Jcosa

(3)

вш

где а - угол наклона сферического диска, град.

Так как диск используем без наклона, то а = 0. В этом случае

¿? = агсзш—, (4)

г^аф-а)

Таким образом, угол атаки сферического диска зависит от ширины и глубины образуемой бороздки, а также диаметра диска.

Рассмотрим случай перемещения «сминаемого» пласта, так как для реального пласта, занимающего промежуточное положение между «сминаемым» и «несминаемым» пластами сохраняются те же закономерности.

Примем точку схода пласта с диска за начало неподвижной системы координат.

Траектория движения частиц представляет собой параболу и подчиняется законам движения для тела, брошенного под углом к горизонту.

Рассмотрим траекторию движения почвенной частицы (рисунок 3).

x = v„ COS

y = v0cosAcosy

z = vncosAcoscr

sin Я sin у/

/

COS ЦГ

-tg%ctgX

cos Го cosy

sin y/ctgy

t;

t\

(

1 - tgcp0ctgX

cos у/ -

COS c^

cos a

J J \\

sin y/ctgX

ж 2

(5)

(6)

(7)

где фо - угол трения почвы о поверхность диска, град; Л - угол между внутренней нормалью ON к рабочей поверхности и осью ОХ, град; у- угол между внутренней нормалью ON к рабочей поверхности и осью OY, град; а-угол между внутренней нормалью ON к рабочей поверхности и осью OZ, град; I//- угол между нормалью и скорости данной точки рабочей поверхности диска; Лл ул сгл ц/о - длина сторон сферических треугольников, м; cos Ag, cos yg, cos ag - направляющие векторы скорости любой точки рабочей поверхности вращающегося диска.

Рисунок 3 - Траектория движения частиц почвы

С помощью формул (5 - 7) можно определить:

- максимальную высоту подъема частиц почвы Нтах\

- дальность перемещения частиц почвы Ьп.

Для этого вычислим время подъема Г„0() и время перемещения 1по„ частицы почвы.

Код - СОЭАСОБСГ

\-tg%ctgX

COSI// -

COS(Xc

coscr

\\

sin ц/ctgX

(8)

= 2 eos/Icos с

\-tg<p0ctgÁ

eos;// -

созсг

sin y/ctgX

V g;

ТУ

тах

СОБ Я СОБ СТ

(

1 -tgcp0ctgX

eos ЦГ --

C0SC7n

w \

sin y/ctgX

L„ = y(t) = eos X eos y

\-tgcp0ctgX

eos Ц/ -

л 7

eos eos /

вт у/^у

(9)

(10)

= 2СОЗЯС08£7

1 - tg(pactgX

cos^ -

СОБ СТ

вт^с/^Л

v2Jg-

(11)

Следовательно, дальность перемещения и максимальная высота подъема почвенной частицы зависит от скорости движения агрегата и физико-механических свойств почвы.

Далее обоснуем диаметр разравнивающего диска, основной целью применения которого является засыпание полученного от сферического диска борозды до образования гладкой поверхности, т.е. он должен разгладить бугор почвы. Ширина этого бугра представляет собой дальность перемещения почвенных частиц (рисунок 4).

Таким образом, диаметр плоского диска из условия оборота пласта

Д., = -

4//sin в'

-+Н,

i' '

(12)

где Ье - ширина образующегося бугорка, м; в'- угол атаки плоского диска, град.

Рисунок 4 - Схема к определению диаметра плоского диска Если выразить Дм через конструктивные параметры, то

О.. =2 (я + |Ч

(13)

Используя аналогию плоского и сферического дисков, найдем выражение для определения диаметра плоского диска с учетом его конструктивных особенностей.

Построим схему для определения расстояния между плоским и сферическим диском (рисунок 5).

Рисунок 5 - Схема к определению расстояния между дисками Из рисунка 5 видно, что расстояние между плоскими и сферическими

дисками

Ъ Ь Ъ + Ь

х — —I— —--

2 2 2

(14)

где Ъ - ширина впадины, образовавшейся после прохода сферического диска, м.

Исходя из изложенного выше, можно найти необходимый диаметр плоского диска

4#зіп/

а, зная этот диаметр, можно найти угол атаки

= arcsm

2jH(Dlw-H)

(16)

Следовательно, угол атаки разравнивающего диска зависит от дальности перемещения почвенной частицы, диаметра диска, а также от высоты бугорка почвы, образуемый сферическим диском.

Плоский диск необходим для получения идеальной выравненное™ после прохода агрегата. Следовательно, для соблюдения данного условия необходимо определить, какой объем почвы отбрасывает сферический диск.

После ряда преобразований получим формулу:

S cos Я cos сг

1 - tg<p0ctg;I

cos ЦТ - -

cosa

sin i//ctgA

V = -

J J

2 cos Л cos у

1 - tgcp^ctgX

cos ц/ ■

cos r0 cos у

sin ysctgy

SgL6

6cos Я cosу

\-tgcpüctgX

cos^

cos Го

cos у

\\

sin y/ctgy

(16)

где 5- длина образуемого бугра почвы, м; L6 - ширина бугра почвы, м.

Из полученной формулы следует, что объем почвы зависит от скорости агрегата, размеров образуемого бугра почвы и физико-механических свойств почвы.

На основании теоретических исследований получена формула для определения взаимосвязи углов атаки сферического и плоского дисков:

<9 = arcsin6sin<9' /—j—.—7-—тт-. , • О7)

]ja(L2+(a-N))4Hsin2É>'

Таким образом, на углы атаки дисков оказывает влияние технологические параметры процесса.

В третьем разделе «Исследование зерновой сеялки в лабораторных условиях» представлены программа и методика лабораторных исследований, даны описания лабораторного комплекса (рисунок 6) и измерительной аппаратуры, представлены результаты выполненных исследований, определены оптимальные режимы зерновой сеялки.

Результаты опытов статистически обрабатывали на ПЭВМ с помощью пакетов прикладных программ «Excel», «Statistica 6.1» и «Derive-5».

1 - рама; 2 - плоский диск; 3 - стойка плоского диска; 4 - регулировочные пластины плоского и сферического дисков; 5 - сферический диск; 6 - стойка сферического диска

Рисунок 6 - Лабораторная модель рабочих органов зерновой сеялки

Для совместной оценки влияния независимых факторов на процесс работы сошников сеялки был выбран параметр оптимизации - коэффициент гребнистости Д, который характеризует профиль почвы после прохода дисков:

Д = ^, (12)

К

где Ьп - ширина междурядий, м; Ькр - длина линии, образовавшейся после прохода дисков на поверхности почвы между соседними рядками, м.

При идеальном состоянии поверхности почвы после проходе дисков в соответствии с агротехническими требованиями Д = 1. Этот критерий является универсальным и позволяет оценить качество поверхности почвы после прохода рабочих органов.

В качестве основных факторов процесса образования поверхности почвы после прохода дисков были выбраны четыре основных фактора, оказывающие влияние на поверхность образованной почвьг. х, (всф) - угол атаки сферического диска, град; х2 {9т) - угол атаки плоского диска, град; х3 (и)-скорость движения агрегата, м/с; х4 (/) - расстояние между дисками, м.

При различных сочетаниях независимых факторов с помощью профи-ломера определяли профиль почвы, образованный после прохода сферического и плоского диска. После этого рассчитывали коэффициент гребнистости Д.

После обработки результатов проведенных опытов было получено уравнение регрессии.в натуральных значениях факторов, характеризующее влияние углов атаки сферического всф и плоского вт дисков на параметр оптимизации

А = 0,8638 - 0,0025б^ + 0,00460™ - 0,00009346,^ всф +

+ 0,Ш2всф6пл-0,000\6швт. (13)

Уравнение (13) в кодированных значениях факторов имеет вид: А = 0,8638 - 0,0025х/ + 0,0046х2 - 0,0000934л-,2 +

+ 0,0002х,х2 - 0,0001х22. (14)

Анализ уравнений (14) показывает, что среди линейных значений факторов наибольшее влияние на критерий оптимизации оказывает угол атаки плоского диска, причем при увеличении значения этого фактора значение критерия оптимизации увеличивается. Наименьшее значение среди линейных оказывает сочетание факторов углов атаки плоского и сферического дисков. Среди нелинейных факторов наибольшее влияние оказывает квадрат угла атаки плоского диска, причем при увеличении этого значения, значение критерия оптимизации уменьшается. Наименьшее значение среди нелинейных факторов оказывает квадрат угла сферического диска, причем при его увеличении, уменьшается значение критерия оптимизации.

Графическое изображение поверхности отклика от углов атаки дисков, и их совместного влияния на критерий оптимизации представлено на рисунке 7.

Рисунок 7 - Поверхность отклика от взаимодействия углов атаки дисков

Данная поверхность имеет выпуклую форму, центру которой соответствуют оптимальные углы установки дисков для обеспечения наибольшей выравненное™ поверхности почвы.

Уравнение регрессии в натуральных значениях факторов, от взаимодействия скорости движения агрегата и угла атаки плоского диска и их влияния на выравненность поверхности почвы выглядит следующим образом:

А = 0,704 + 0,008б„л +0,0995 и - 0,000\вт2 -

- 0,00030™ и- 0,0244с/. (15)

Уравнение (3.9) в кодированных значениях факторов: А = 0,9142 + 0,0431х2 + 0,0123х3 - 0,0345х/ -

- 0,0063х2 х3-0,031х/. (16)

Анализ коэффициентов уравнений (16) показывает, что наибольшее влияние на критерий оптимизации среди линейных значений факторов ока-

зывает угол атаки плоского диска. Наименьшее влияние среди линейных значений факторов оказывает сочетание факторов скорости движения агрегата и угла атаки плоского диска. Среди нелинейных факторов наибольшее влияние оказывает угол атаки плоского диска. Наименьшее влияние среди нелинейных факторов оказывает квадрат скорости движения агрегата.

Графическое изображение поверхности отклика от взаимодействия между углом атаки плоского диска и скорости движения агрегата представлено на рисунке 8.

Рисунок 8 - Поверхность отклика от взаимодействия угла атаки плоского диска и скорости движения агрегата

Аналогично были получены уравнения регрессии и соответствующие им поверхности отклика от взаимодействия скорости движения агрегата и угла атаки сферического диска, расстояния между дисками и углом атаки сферического диска, расстоянием между дисками и углом атаки плоского диска, расстоянием между дисками и скоростью движения агрегата.

После определения вида поверхностей отклика выполняли их анализ с помощью двухмерных сечений. Двухмерное сечение поверхности отклика, характеризующей значения Д от углов атаки сферического и плоского дисков, представлено на рисунке 9.

На основе анализа полученного двухмерного сечения выявлено, что максимальное значение коэффициента гребнистости в точке 5 У12 = 0,92 достигается при угле атаки сферического диска всф = 10°, вш = 23°.

Аналогично было выполнено каноническое преобразование уравнений регрессии от взаимодействия между углом атаки плоского диска и скорости движения агрегата.

На основе анализа полученного двухмерного сечения (рисунок 10) выявлено, что максимальное значение коэффициента гребнистости в точке 5 ¥23= 0,94 достигается при угле атаки сферического диска вт = 23° и скорости движения агрегата и= 1,8 м/с.

в' 0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

-0,2

-0,4

-0,6

-0,8 -1,0

-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 в

Рисунок 9 - Двухмерное сечение поверхности отклика, характеризующее коэффициент гребнистости в зависимости от углов атаки дисков

о 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0

Рисунок 10 - Двухмерное сечение поверхности отклика, характеризующее коэффициент гребнистости в зависимости от угла атаки плоского диска и скорости движения агрегата

Оценка полученных уравнений регрессии с помощью критериев Стью-дента, Кохрена и Фишера показала, что коэффициенты уравнений статистически значимы, результаты измерений воспроизводимы, а математические модели процесса образования профиля почвы адекватны.

В четвёртом разделе «Исследование процесса высева семян зерновых культур в производственных условиях и его экономическая эффективность» изложены программа, методики и результаты производственных исследований, которые проводили в КФХ «Зубкова А.Н.» Новоспасского района Ульяновской области.

При производственных исследованиях применяли посевной агрегат, в состав которого входили трактор Т-150К, зерновая стерневая пневматическая сеялка (рисунок 11). Посев производили без предварительной обработки почвы.

/ / у у х / ' / „ / / ^ \ас \

ЦП \ 1 ч

0,85 ---И / 0,9 ( /

\\\\

ч

0,8 • .. 'ч \ .....

Рисунок 11 - Посевной агрегат

Для оценки качества работы дисков использовали коэффициент греб-нистости Д. В процессе исследований выявлено, что качество образования профиля почвы после прохода зерновой сеялки соответствует агротехническим требованиям, Д находился в пределах 0,89.. .0,96.

Для обеспечения благоприятных условий для роста и развития растений необходимо уложить семена на уплотненное ложе борозды, а также разрыхлить слой почвы над семенем с наибольшим крошением почвенных комков. Для соблюдения данного условия определяли плотность и фракционный состав почвы. Замеры производили с пятикратной повторностью по всей площади поля. Плотность почвы составила до посева: слой 0...3 -1070. ..1132 кг/м3, слой 3...6 - 1098...1180 кг/м3, слой 6...9 -1200...1286 кг/м3. После посева: слой 0...3 - 750... 1050 кг/м3, слой 3...6 -860...1020 кг/м3, слой 6...9 - 1210... 1294 кг/м3. Таким образом, плотность почвы должна обеспечить оптимальный рост и развитие корневой системы озимой пшеницы. Требуемая плотность почвы для озимой пшеницы на черноземных почвах составляет 1100. ..1300 кг/м3.

После поверхностной обработки дисками разработанной сеялки содержание комков почвы размером до 10 мм увеличилось на 3,8 %, размером 10,1...30 мм снизилась на 52,5 %, а размером 30,1...50 мм снизилось на 71,7 % по сравнению с состоянием почвы до посева. Комки почвы размером свыше 50 мм отсутствовали.

Кроме того, в результате производственных исследований выявлено, что за счет более стабильной работы сошников всходы озимой пшеницы появились дружнее и раньше на 2..3 дня. Кроме того, оценочные показатели сравнения посевов предлагаемой и серийной (АУП-18) сеялками показывают, что при использовании предлагаемой сеялки количество всходов пшеницы на 1 погонный метр на 9... 13 % больше по сравнению с посевом серийной сеялкой (рисунок 12). Это связано с частичным забиванием рабочих органов серийной сеялки, что приводит к изреживанию всходов.

а б

Рисунок 12 - Всходы озимой пшеницы: а - серийной сеялкой; б - предлагаемой сеялкой

Урожайность пшеницы, посеянной предлагаемой сеялкой по нулевой технологии с использованием описанных выше средств механизации, оказалась на 10,4 % больше по сравнению с урожайностью этой культуры на контрольных участках и составила соответственно 26,5 ц/га (при посеве серийной сеялкой — 24 ц/га).

Использование предлагаемой сеялки позволило дополнительно получить в среднем 2,3 ц/га озимой пшеницы.

Расчет экономической эффективности показал, что годовой экономический эффект составил 122634 руб. на 250 га посевов озимой пшеницы. Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений от внедрения предлагаемой сеялки не превысит 1,89 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ конструкций зерновых сеялок показал, что они имеют недостатки: невозможность работы по необработанной поверхности почвы; неравномерная заделка семян; забивание рабочих органов; неспособность заделки пожнивных и растительных остатков в почву без дополнительных устройств; большая металлоемкость конструкций и др.

На основании проведенного анализа предложена сеялка, включающая, установленные на раме, выполненной из брусьев в виде равнобедренного треугольника, снабженной колесами, бункер, вентилятор, катушечные высевающие аппараты, центральный трубопровод с делительной головкой и семяпроводами, механизмы привода колеса вентилятора и катушки высевающего аппарата. Сошники выполнены в виде сферических дисков, сзади которых установлены плоские разравнивающие диски.

2. Получены аналитические зависимости углов атаки дисков от ширины и глубины образуемой бороздки, а также диаметра дисков; выровнено-сти почвы после прохода дисков от максимальной высоты почвенного бугорка, дальности перемещения частиц почвы, а также от времени подъема и перемещения частиц и физико-механических свойств почвы.

3. Исследования в лабораторных условиях позволили получить адекватные математические модели, после анализа которых выявлены значения факторов, при которых выравненность почвы оптимальна (коэффициент гребнистости Д = 0,94): угол атаки сферического диска всф = 10°, плоского диска = 23°, расстояние между дисками х = 0,075м, скорость движения агрегата v = 1,8 м/с.

4. Исследования предлагаемой пневматической стерневой сеялки в производственных условиях показали, что сеялка способна одновременно обрабатывать поверхностный слой почвы, образовывать бороздку для семян с уплотненным ложем, заделывать пожнивные и растительные остатки, а также разравнивать почву после высева семян, образуя гладкую поверхность.

После поверхностной обработки дисками разработанной сеялки содержание комков почвы размером до 10 мм увеличилось на 3,8 %, размером 10,1...30 мм снизилась на 52,5 %, а размером 30,1...50 мм снизилось на 71,7 %. Комки почвы размером свыше 50 мм отсутствовали.

Плотность почвы после посева составила в слое 0...3 см - 750... 1050 кг/м3, слое 3...6 см - 860... 1020 кг/м3, слое 6...9 см - 1210... 1294 кг/м3, что удовлетворяет условиям нормального роста и развития растений.

Кроме того, за.счет более стабильной работы сошников всходы озимой пшеницы появились дружнее и раньше на 2..3 дня.

Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемой сеялки составил 122634 руб. на 250 га посевов озимой пшеницы. Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений не превышает 1,89 года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Курушин В.В. Энергосберегающее средство механизации для стерневого посева / В.И. Курдюмов, В.В. Курушин // Сельский механизатор. -2011. - № 2, с. 5. ..6.

Патенты

2. Курдюмов В.И., Зыкин Е.С., Курушин В.В. Сеялка. - Патент РФ на полезную модель № 90961. Опубл. 27.01.2010г., Бюл. № 3.

3. Курдюмов В.И., Зыкин Е.С., Курушин В.В. Сеялка. - Патент РФ на полезную модель № 90962 . Опубл. 27.01.2010г., Бюл. № 3.

4. Курдюмов В.И., Зыкин Е.С., Курушин В.В. Сеялка. - Патент РФ на полезную модель № 102455. Опубл. 10.03.2011г., Бюл. № 8.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

5. Курушин В.В. Зерновая сеялка для стерневого посева / В.И. Курдюмов, Е.С. Зыкин, В.В. Курушин // Материалы всероссийской научно -технической конференции «Повышение эффективности функционировании механических и энергетических систем» Саранск, Издательство Мордовского университета, 2009, с. 277...280.

6. Курушин В.В. Исследования зерновой сеялки в производственных условиях / В.И. Курдюмов, Е.С. Зыкин, В.В. Курушин // Материалы Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы аграрной науки и образования», Ульяновск: ГСХА, 2010, т. III, ч. 1, с. 67...70.

7. Курушин В.В. Анализ средств механизации посева по стерневому фону / В.И. Курдюмов, В.В. Курушин // Международная научно-практическая конференция «Инновационному развитию АПК - научное обеспечение», 18 ноября 2010 г. - Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», 2010, с. 281...283.

8. Курушин В.В. Классификация конструкций зерновых сеялок / В.И. Курдюмов, Е.С. Зыкин, В.В. Курушин // Материалы III международной научно - практической конференции молодых ученых « Молодежь и наука 21 века» Ульяновск: ГСХА, 2010, т. IV, с. 59...61.

9. Курушин В.В. Обоснование параметров разравнивающего диска зерновой сеялки / В.И. Курдюмов, В.В. Курушин // Материалы III Международной научно-практической конференции «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения» / Ульяновск, ГСХА, 2011, т. II, с. 317...320.

10. Курушин В.В. Определение диаметра сферического диска / В.И. Курдюмов, В.В. Курушин // Материалы международной научно-практической конференции «Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК», Саранск. 2011, с. 161... 164.

11. Курушин В.В. Ресурсосберегающая зерновая сеялка / В.В. Курушин, Е.С. Зыкин // Сборник работ по результатам конкурса «Инновационный потенциал молодежи 2012» - Ульяновск, 2011, ч. III, с. 462...466.

Подписано в печать 14.04.lOHi. Формат 60x84^

Бумага типогр. Гарнитура Times New Roman

432980 г. Ульяновск, б. Новый Венец, 1

Усл. печ. л. 1,0 Тираж - 100 экз. Заказ —Sib

61 12-5/2935

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

«Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия»

КУРУШИН Виктор Валерьевич

РАЗРАБОТКА СЕЯЛКИ ДЛЯ ПОСЕВА ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР С ОБОСНОВАНИЕМ ЕЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И

РЕЖИМОВ РАБОТЫ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации

сельского хозяйства

высшего профессионального образования

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, профессор Курдюмов В.И,

Уфа 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ способов посева зерновых культур, их эффективность..................7

1.2 Анализ конструкций и классификация средств механизации посева зерновых культур.....................................................................................16

1.3 Анализ конструкций рабочих органов сеялок и основные направления их совершенствования............................................................................32

1.4 Цель работы и задачи исследования..................................................41

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЗАДЕЛКИ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР В ПОЧВУ

2.1 Конструктивно-технологическая схема пневматической зерновой стерневой сеялки и сущность ее работы.................................................................43

2.2 Определение диаметра сферического диска........................................45

2.3 Кинематика движения почвенной массы...........................................52

2.4 Перемещение почвенной массы рабочей поверхностью сферических дисков................................................................................................60

2.5.Обоснование параметров разравнивающего диска................................65

2.6 Определение объема почвы, образованной после прохода сферического диска..............................................................................................68

2.7 Определение взаимосвязи углов атаки плоского и сферического дисков....69 Выводы..........................................................................................71

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕРНОВОЙ СЕЯЛКИ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

3.1 Программа и методика исследований................................................72

3.2 Разработка и изготовление лабораторного комплекса............................75

3.3. Методика использования лабораторного комплекса..............................77

3.3.1 Выбор средств измерений............................................................78

3.4 Результаты исследования рабочих органов сеялки................................80

3.5 Анализ полученных математических моделей с помощью

двухмерных сечений.........................................................................89

3.6 Характер образования поверхности почвы после прохода рабочих органов зерновой сеялки...............................................................................97

Выводы........................................................................................100

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫСЕВА СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ И ЕГО ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

4.1 Методика производственных исследований......................................101

4.1.1 Определение плотности и фракционного состава.............................102

4.1.2 Подготовка посевного агрегата к работе, выбор базы для сравнения.....104

4.1.3 Оценка технических параметров зерновой пневматической сеялки.......106

4.2 Посев зерновых с использованием предлагаемой сеялки......................108

4.2.1 Контроль качества посева...........................................................111

4.2.2 Энергетическая оценка..............................................................113

4.2.3 Результаты исследований в производственных условиях....................115

4.3 Экономическая эффективность внедрения пневматической сеялки

4.3.1 Определение стоимости изготовления пневматической сеялки............118

4.3.2 Сравнение серийно выпускаемой и предлагаемой сеялок...................122

4.3.3 Расчет эксплуатационных затрат..................................................125

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.........................................................................134

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................136

ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................................................147

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях сельскохозяйственные предприятия сталкиваются с постоянным ростом цен на промышленную продукцию, несоизмеримым со стоимостью производимой сельскохозяйственной продукции. Поэтому энерго- и ресурсосберегающие технологии, в которых используют соответствующие средства механизации, находят все большее применение.

Одним из наиболее востребованных направлений развития растениеводства стало использование нулевой обработки почвы и высев зерновых, овощных и технических культур непосредственно по стерневому фону. Посев по стерневому фону признается учеными многих стран перспективным при возделывании зерновых культур, кукурузы, многолетних и однолетних трав, масличных и зернобобовых культур. Данный способ посева исключает ряд технологических операций, что позволяет уменьшить количество проходов агрегатов по полю, а также проводить посев в заданные агротехнические сроки. Уменьшение времени на посев минимизирует потери влаги, позволяет укладывать семена во влажную почву. В районах, подверженных ветровой и водной эрозии, сохранение стерневого фона позволяет уменьшить потерю плодородного слоя почвы.

Эффективность такого посева заключается в значительном снижении энергозатрат за счет отказа от вспашки и предпосевной обработки почвы. При посеве по стерневому фону себестоимость возделываемой продукции снижается в два раза, экономия топлива составляет 45 %, времени — 32 % по сравнению с традиционной технологией. Вопросам посева по стерневому фону посвящены работы ученых С. Булыгина, В.В. Гультяевой, Р. Дерпш, В.Н. Зволинского, В.А. Корчагина, Е.В. Кузиной, Н.П. Ларюшина, С. Лорензатти, В. Небавского, И.А. Чуданова, B.C. Нестяка, К.Т. Мабеталина В.А. Сысуева, А.А. Нуйкина и других ученых [24,28, 40, 41, 46, 54, 57, 61, 63, 71, 72, 81,87, 110, 111].

Для создания оптимальных условий для роста и развития растений необходимы посевные агрегаты, которые бы выполняли качественный посев. Однако анализ показывает, что выпускаемые отечественными производителями се-

ялки не способны качественно высевать семена при наличии стерни в поле, что требует применения дополнительных устройств или дополнительных проходов агрегатов по полю. Зарубежная же промышленность выпускает достаточно дорогостоящие сеялки, большинство из которых не обеспечивает выполнение агротехнических требований, принятых в нашей стране. Также они нерентабельны в эксплуатации. Все эти недостатки выпускаемой посевной техники приводят к увеличению затрат на посев и снижению урожайности.

На основании вышеизложенного разработка сеялки для посева зерновых культур по стерневому фону является актуальной и важной задачей, решение которой внесет значительный вклад в развитие, как сельского хозяйства, так и экономики страны в целом.

Работа выполнена в соответствии с планами НИОКР Ульяновской ГСХА на 2006-2010 г.г. «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго- и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства» (регистрационный номер 01.200.600147) и на 2011-2015 г.г. «Разработка ресурсо-, энергосберегающих технологий и средств механизации сельского хозяйства» (регистрационный номер 01.200.600147).

Цель исследования - повышение эффективности посева зерновых культур по стерневому фону путем разработки сеялки с определением оптимальных конструктивных параметров и режимов ее работы, обеспечивающих требуемое качество посева и снижение затрат топливо-смазочных материалов.

Объект исследований - технологический процесс посева зерновых культур стерневой сеялкой.

Предмет исследований - закономерности влияния конструктивно-режимных параметров стерневой сеялки на качество посева зерновых культур.

Научную новизну работы составляет теоретические зависимости, описывающие совместную работу работы сферического и плоского диска; математические модели процесса стерневой сеялки; конструкция предлагаемой сеялки, новизна технического решения которой подтверждена патентами РФ на по-

лезную модель № 90961, № 90962 и № 102455 «Сеялка».

Практическая ценность работы заключается в разработке конструкции зерновой сеялки, предназначенной для высева семян по стерневому фону. Применение разработанной сеялки позволяет снизить расход топливо-смазочных материалов на 7,93 %, увеличить урожайность на 10,4 % по сравнению с аналогичными сеялками.

На основании результатов выполненных исследований разработана стерневая сеялка, которая успешно прошла производственные испытания.

Реализация результатов исследований. Пневматическая сеялка для посева зерновых культур по стерневому фону внедрена в КФХ «Зубкова А.Н.» Новоспасского района Ульяновской области.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (Мордовский ГУ им. Н.П. Огарёва, 2009 г.), на П-ой Международной научно-практической конференции «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения» (Ульяновская ГСХА, 2010 г.), на Международной научно-практической конференции «Инновационному развитию АПК - научное обеспечение» (Пермская ГСХА, 2010), на Международной научно-практической конференции «Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК» (Мордовский ГУ им. Н.П. Огарёва, 2011 г.), на Ш-ей Международной научно-практической конференции «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения» (Ульяновская ГСХА, 2011 г.).

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Анализ способов посева зерновых культур, их эффективность

Посев зерновых культур является одним из важнейших технологических процессов. К процессу посева предъявляют три основных требования: размещение заданного количества семян на единицу площади поля, равномерное распределение их по засеваемой площади, равномерная заделка семян на одинаковую глубину, определенную для каждой конкретной культуры (таблица 1.1). При посеве на засушливых почвах и почвах, подверженных ветровой эрозии, необходимо проводить уплотнение почвы после посева. Основной задачей посева является обеспечение наилучших условий прорастания семян и в дальнейшем - развития растений, а также в получении их оптимальной густоты при равномерном размещении в рядках. Каждая культура требует для нормального развития определенной площади питания. Исходя из этого, обосновывается оптимальная густота насаждения растений, при которой учитывается не только максимальная продуктивность одного растения, но и суммарная урожай-ность[33, 50, 52, 62, 67, 82, 84, 94, 102].

Равномерное распределение семян по поверхности поля возможно в том случае, если площадь питания вокруг каждого растения будет иметь форму квадрата [52, 62]. Форма площади питания - функция двух величин: ширины междурядья и расстояния между семенами в рядке. Причем расстояние между семенами в рядке определяется нормой высева семян, а ширина междурядья -способом посева. Норма высева устанавливается агротехническими требованиями для различных культур в разных почвенно-климатических районах в соответствии со способом посева.

Таблица 1.1 - Агротехнические требования, предъявляемые к посеву зерновых культур

Наименование показателей Значение показателей

Глубина заделки семян, см 3...8

Неравномерность глубины заделки семян, см 1

Отклонение ширины междурядий, см - основных - стыковых 2 5

Неравномерность высева отдельными высевающими аппаратами, % - семян - удобрений 3 не более 10

Наличие огрехов и незасеянных поворотных полос не допускается

Высота гребней и глубина борозд, см не более 3

Дробление семян, % не более 0,3

Сохранность растительных остатков (для посева по стерне), % 85...90

Скорость движения агрегата, км/ч 9...12

На урожайность зерновых культур существенное влияние оказывают приемы основной и предпосевной обработки почвы, которые в широких пределах изменяют ее агрофизические свойства (степень крошения, плотность, вы-ровненость и т.д.) [52, 62].

Главной задачей основной и предпосевной обработки является создание оптимальных условий для посева, максимальное накопление влаги за счет осенне-зимних осадков и бережное их расходование в весенне-летний период в фазе формирования урожая, обеспечение микробиологической деятельности почвы, борьбы с сорняками.

В современных условиях при возделывании растениеводческой продукции чрезвычайно важно грамотно и профессионально подходить к выбору почвообрабатывающих технологий, так как обработка почвы является энергоемким технологическим процессом. В среднем на нее расходуется от 18 до 40 % энергии, потребляемой в сельском хозяйстве, до 25 % трудовых затрат от всего их объема на полевых работах [24, 40, 47, 48, 49, 53, 60, 61, 67, 71, 79, 81, 95, 118].

Мировой и отечественной практике известны три способа обработки почвы [52, 62, 84]:

- традиционная, включающая в себя при возделывании зерновых культур около десяти технологических приемов;

- минимальная, обеспечивающая уменьшение механического воздействия почвообрабатывающих машин на почву и уплотняющего действия ходовых систем движителей и сельскохозяйственных машин на нее путем сокращения проходов агрегата по полю;

- нулевая, предусматривающая посев семян в почву по стерне без вспашки и предпосевной обработки.

Традиционная технология возделывания зерновых культур со вспашкой зяби, весенним боронованием, несколькими культивациями характеризуется большой трудоемкостью и высокими энергозатратами. Повышение продуктивности при этом достигается прогрессирующе-растущим потреблением топливо-смазывающих материалов, когда каждый процент увеличения объемов производства требует 2...4 % дополнительного расхода топлива. При возделывании по данной технологии сельскохозяйственные агрегаты и автотранспорт проходят по полю не менее 10 раз, при этом каждый квадратный метр поля, по крайней мере, 2-3 раза подвергается действию ходовых частей агрегатов. Уплотнение почвы в связи с этим приводит к увеличению плотности почвы в пахотном слое (после двух проходов тракторов тягового класса 30 кН на 3...6 %, а после двух и четырех проходов тракторов тягового класса 50 кН соответственно на 9...18 %), и, как следствие, происходит снижение урожайности на 12...30 %. За счет большого количества технологических приемов увеличивается и время на возделывание зерновых культур, что также приводит к снижению урожайности. Именно по этим причинам совершенствование технологий возделывания зерновых осуществляется в направлении минимизации обработки почвы по количеству технологических операций.

Из выше сказанного следует, что к наиболее перспективным экономическим энергосберегающим и почвозащитным приемам относят минимальную и

нулевую обработку почвы [60, 67, 82, 95, 115, 116, 117, 118, 123], которые позволяют:

- сократить потери почвы от водной и ветровой эрозии [48, 49], затраты энергии, труда, топливо-смазочных материалов и времени;

- проводить операции в оптимальные агротехнические сроки;

- сохранить влагу и повысить урожай [121];

- сократить количество агрегатов и число их проходов по полю [31, 51 55, 65, 68, 69, 85, 89, 102, 108, 114, 124, 125].

Данные технологии позволяют снизить трудовые затраты в 6 раз, по сравнению с традиционной. Экономия топлива составляет 45 %, времени - 32 %, смыв почвы уменьшается в 6 раз [47].

Варианты энергосберегающих технологий различаются в зависимости от природно-климатических, технических возможностей, опыта их применения и других факторов.

Основной задачей при посеве зерновых культур является выбор способа посева. Выбор того или иного способа посева во многом зависит от посевных качеств семян сельскохозяйственных культур и почвенно-климатических условий. Основной задачей посева является обеспечение наилучших условий прорастания семян и в дальнейшем - развития растений, а так же в получении их оптимальной густоты при равномерном размещении в рядках.

Каждая культура требует для нормального развития определенной площади питания. В зависимости от этого принимают величину междурядья и расстояние между растениями. При посеве зерновых культур ширина междурядий может составлять 7,5; 12,5; 15; 18; 21 см. Исходя из этого, обосновывают оптимальную густоту насаждения растений, при которой учитывают не только максимальную продуктивность одного растения, но и суммарную урожайность. Способ посева зерновых культур определяет требуемая густота насаждения и порядок их размещения на единице площади [56, 94].

Способы посева можно классифицировать по двум основным признакам (рисунок 1.1): размещению семян в вертикальной плоскости (профилю дневной

поверхности) и в горизонтальной плоскости (ширине междурядий и размещению семян в рядках).

По размещению семян в вертикальной плоскости различают следующие виды посева: посев на ровную поверхность (гладкий или по стерне), посев в гребни (гребневой).

спос