автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Улучшение качественных показателей заделки семян при посеве зерновых культур совершенствованием дискового сошника

005536849 ^а пРавахрукописи

Горбачев Семен Павлович

УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗАДЕЛКИ СЕМЯН ПРИ ПОСЕВЕ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ДИСКОВОГО СОШНИКА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

31 ОКТ 2013

Волгоград - 2013

005536849

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор, заслуженный изобретатель РФ Руденко Николай Ефимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Волгоградский ГАУ», заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности», заслуженный работник высшей школы Российской Федерации Шапров Михаил Николаевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ставропольский ГАУ», заведующий кафедрой «Технический сервис, стандартизация и метрология» Лебедев Анатолий Тимофеевич

Ведущая организация: Новокубанский филиал Федерального

государственного научного учреждения «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса» (ФГНУ «Росинформагротех») - КубНИИТИМ

Защита диссертации состоится 18 ноября 2013 г. в 10 ч 15 мин на заседании диссертационного совета Д220.008.02 при 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 16 октября 2013 г. и размещен на официальных интернет-сайтах ВАК РФ и ВолГАУ.

Ученый секретарь

диссертационного совета ' Ряднов Алексей Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Технология заделки семян при посеве определяет энергию прорастания, всхожесть и в конечном итоге урожайность. Однако применяемые сошники не в полной мере обеспечивают выполнение агротехнических требований, предъявляемых к посеву зерновых культур. Поэтому данная работа актуальна.

Работа выполнена в рамках Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы (раздел «Техническая и технологическая модернизация сельского хозяйства»), утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июля 2007 г. № 446.

Степень разработанности темы. В настоящее время в РФ и за рубежом ведутся исследования по созданию сошников, качественно выполняющих процесс заделки семян. Предложены двухдисковые сошники нескольких модификаций: со смещенными дисками, с дисками разных диаметров, с дополнительными дисками в виде колтера. Однако в известных работах не найдены эффективные технологические и технические решения, и проблема требует дальнейшей проработки.

Цель исследования - улучшение качественных показателей заделки семян при посеве путем совершенствования дискового сошника.

Для выполнения поставленной цели определены следующие задачи исследования:

1. На основе анализа существующих способов заделки семян при посеве зерновых культур выявить основные направления их совершенствования и обосновать конструктивно-технологическую схему сошника зерновой сеялки.

2. Теоретически исследовать процесс взаимодействия сошника зерновой сеялки с почвой и семенами.

3. Уточнить физико-механические и технологические характеристики почвы и семян озимой пшеницы, влияющие на процесс их заделки.

4. Выявить взаимосвязь конструктивно-технологических параметров с силовыми характеристиками предлагаемого сошника.

5. Оценить качественные показатели работы комбинированного дискового сошника зерновой сеялки и его экономическую эффективность при посеве зерновых культур.

Объект исследования - технологический процесс заделки семян зерновых культур при посеве.

Предмет исследования — закономерности взаимодействия сошника с почвой и семенами зерновых культур.

Научная новизна работы:

1. Разработана принципиально новая технология заделки семян путем их вдавливания в почву дна посевной бороздки и комбинированный дисковый сошник, реализующий эту технологию.

2. Обоснованы основные технологические и конструктивные параметры предлагаемого сошника.

3. Найдены аналитические зависимости, характеризующие взаимодействие семян с сошником и почвой.

4. Разработана математическая модель процесса заделки семян при посеве комбинированным дисковым сошником.

Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на изобретение № 2483517.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработан комбинированный дисковый сошник зерновой сеялки, обеспечивающий повышение качественных показателей посева зерновых культур.

Установлены аналитические зависимости по определению оптимальных конструктивных параметров и режимов работы, которые могут использоваться при проектировании сошников. Разработана адекватная математическая модель, описывающая работу комбинированного дискового сошника. Даны рекомендации по установке разработанного комбинированного дискового сошника на сеялках С3-3,6А и СЭП-3,6А.

Методология и методы исследования. В методологию исследования входит системный подход, обеспечивающий раскрытие целостности связей между параметрами сошника, физико-механическими свойствами семян и почвы и качественными показателями работы.

Для проведения экспериментальных исследований были использованы существующие и разработанные лабораторные установки. Результаты измерений обрабатывались методами математической статистики с применением ЭВМ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Технологическая и конструктивная схемы комбинированного дискового сошника. Конструкция сошника защищена патентом РФ на изобретение № 2483515, А01С7/20.

2. Уточненные физико-механические свойства семян и почвы.

3. Теоретический анализ процесса заделки семян при посеве, его энергетическая оценка.

4. Рациональные параметры и режимы работы комбинированного дискового сошника зерновой сеялки.

5. Сравнительные результаты полевых исследований предложенных технических и технологических решений.

6. Технико-экономические показатели эффективности использования разработанной конструкции сошника и процесса заделки семян.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Ставропольский ГАУ» (2010-2012 гг.), на Всероссийском смотре-конкурсе лучших научных работ аспирантов и молодых ученых вузов МСХ РФ, КБГСХА (Нальчик, 2011 г.), на Международной агропромышленной выставке «Агроуниверсал-2012», на Международной научно-практической конференции молодых ученых «Аграрная наука XXI века. Актуальные исследования и перспективы» (Санкт-Петербург, 2013 г.), теоретическом семинаре инженерных факультетов ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ (2013 г.).

Реализация результатов исследования. Экспериментальный образец комбинированного дискового сошника зерновой сеялки прошел производственные испытания в КФХ ИП Мазикин С. Н. Шпаковского района Ставропольского края. Конструкторская документация передана в ОАО «Агропромтехника» г. Михайловск. Изготавливаются сошники по заявкам четырех фермерских хозяйств.

Публикация материалов исследования. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, 4 из них - в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 112 наименований. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка, 23 таблицы и 6 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и представлена общая характеристика работы.

В первой главе «Состояние вопроса. Обоснование цели и задач исследования» проведен краткий анализ способов заделки семян зерновых культур, агротехнических требований, предъявляемых к посеву. Охарактеризованы существующие технологические решения для заделки семян, а также выделены серийно выпускаемые сошниковые устройства сеялок для посева зерновых культур.

По результатам анализа научных работ В. П. Чичкина, Г. М. Бузенко-ва, Г. Е. Листопада, А. И. Шабаева, П. А. Бондаренко, М. Н. Летошнева,

П. Я. Лобачевского, Н. И. Кленина, И. В. Горбачева, В. Е. Хорунженко, Н. Е. Руденко, Н. М. Беспамятовой и других выявлены основные недостатки сошников зерновых сеялок и определены направления исследований для их устранения.

Применяемые в настоящее время двухдисковые сошники зерновых сеялок имеют ряд существенных недостатков. Они не уплотняют семенное ложе, хотя по агротребованиям плотность почвы в зоне заделки семян должна быть 1,1... 1,3 т/м3. В результате поверхностного прика-тывания происходит уплотнение верхнего надсеменного слоя, это приводит к ухудшению аэрации почвы, увеличению испарения почвенной влаги, затрудняет выход проростков на дневную поверхность. Диски вдавливают растительность в посевную бороздку, что негативно сказывается на семенах и проростках при ее разложении.

Во второй главе «Теоретические исследования» представлено аналитическое исследование процесса заделки семян зерновых культур при посеве путем вдавливания их в почву дна посевной бороздки.

На основании проведенного анализа и поисковых опытов предложена новая технологическая схема заделки семян зерновых культур (рисунок 1).

Роэреэше берхнего Офйз та обш [фаси&ше сет -» ШйЬтЬте сетдпочОу М5орвздки Заджпршт пон5ой посев-

с/шпочби кдки Ь бороздку ной бороздки

Рисунок 1 — Структурная схема технологического процесса заделки семян

Для реализации предложенной технологической схемы разработана конструктивная схема комбинированного дискового сошника зерновой сеялки. Сошник включает расположенные на оси 1 с подшипниковым узлом 2 плоский диск 3, заточенный по окружности, и семявдавливаю-щий элемент 4- в виде диска меньшего диаметра (рисунок 2).

Оба диска соединены между собой равномерно по окружности винтами 5. В передней части к дискам примыкает семятукопровод 6 и бо-роздообразующий рабочий орган в виде наральника 8 со стойкой 7. На поводке 9 за плоским диском 3 размещен чистик 10. К задней части поводка 9 закреплен на гибкой подвеске (цепи) загортач П.

В процессе работы сеялки плоский диск 3 свободно вращается на оси /, разрезает поверхность почвы. Он перерезает расположенные на поверхности стебли растений. Это исключает забивание растительными

остатками комбинированного дискового сошника. Наральник 8 отводит в сторону отрезанную почву, образуя бороздку. Семена, выходя из семя-тукопровода 7, попадают под диск 4. Семена вдавливаются им в почву дна бороздки на глубину заделки. Бороздка засыпается загоргачем 11. Прилипающая к плоскому диску почва удаляется чистиком 10.

5

мт Ю /з /

Вид едоку

Г\<! \

4 \ 8 \ 7 \ 9

Вид сверху

1 - ось; 2 - подшипниковый узел; 3 - плоский диск; 4 - семявдавливающий диск; 5 - стягивающие винты; 6 - семятукопровод; 7 - стойка; 8 - наральник; 9 - поводок; 10 — чистик; 11 - загортач

Рисунок 2 - Общий вид комбинированного дискового сошника

Составной частью комбинированного дискового сошника зерновой сеялки является плоский диск 1, заточенный по окружности (рисунок 3).

Т7туг

1 — диск; 2 — бороздка посевная; 3 - щель подсеменная; 4 — семя Рисунок 3 — Схема взаимодействия плоского диска с почвой

По аналогии с дисками такой же функции толщина его составляет 2,5 мм. Он служит для разрезания почвы, перерезания лежащих на поверхности поля растений, поделки подсеменной щели 2, предназначенной для проникновения зародышевых корешков в почву и аккумулирования влаги. Одностороннее разрезание почвы облегчает подрезание и отвод в сторону почвы наральником при поделке посевной бороздки 3.

Глубина хода плоского диска:

hH = h + (1)

ще h - глубина заделки семян, м;

— глубина подсеменной щели, м.

Из АОЛС: cosa =

R

Отсюда: R ■ cosa = R-hH; R( 1 - cosa) = hH. (2)

Чтобы диск разрезал почву и перерезал стебли растений на поверхности поля, угол защемления a должен быть меньше суммы углов трения стеблей ф j и почвы ср2 о лезвие диска:

a < (ср. + ф2). (3)

h + Ищ

Тогда: R[ 1 - cos (Ф, + ср2)] = Л; R > {l _ cos(% + •

Учитывая, что глубина заделки семян h = 0,05 м, глубина подсеменной щели h = 0,045...0,05 м, ф, = 26°, ф2 = 32°, радиус плоского диска исходя из формулы (3):

0,05 + 0,05 0,1 ^ ~ [1 — cos(26 + 32)]

Принимаем диаметр плоского диска Dn= 400 мм.

Диаметр семявдавливающего диска:

D=Dn-2h =400-2 • 50 = 300мм.

СП щ

Процесс заделки семян комбинированным дисковым сошником выглядит следующим образом (рисунок 4). Перед семяпроводом 1 установлен на стойке 2 наральник 3 под углом у к вертикальной плоскости. Он делает бороздку на глубину h0. Идущий сзади диск 4 вдавливает сбрасываемые семена в почву дна бороздки на глубину 5. При этом глубина заделки семян: А = А0 + 8. Загортач 5 засыпает бороздку рыхлой почвой.

1 - семяпровод; 2 — стойка; 3 - наральник; 4 - семявдавливающий диск; 5 - загортач; 6 — поводок

Рисунок 4 - Схема заделки семян

Глубину образованной после вдавливания семян канавки, «глубину колеи» 5, определяют по формуле, предложенной В. А. Сакун:

5 = 0,65 з

(4)

где т - масса сошника, кг;

Ь,с1- ширина, диаметр семявдавливающего диска, м; (] — коэффициент объемного смятия почвы, Н/м3.

С учетом угла наклона поводка (3, связывающего сошник с рамой сеялки, плотности почвы р, коэффициента пористости (скважности) почвы К, коэффициента перекатывания а, скорости рабочего движения сеялки V глубину образованной после вдавливания семян канавки можно определить:

8 = -

ш • соэ Р(1 - Кп)

7 ■ 10 • р • й • р, • с1\\ + КС(У —У0)]

(5)

Известно, что уплотняющее действие катков уменьшается с повышением скорости свыше V = 1,5 м/с. Коэффициент, учитывающий изменение давления на дно посевной бороздки при изменении рабочей скорости движения на 0,28 м/с: Кс = 0,10. ..0,12 (м/с)-1.

По известным данным, при диаметре прикатывающего диска до 0,3 м плотность почвы прирастает в слое до 8а = 0,05 м. С учетом это-

г

го коэффициент уплотнения К ———При этом 5 не превышает

0,020 м.

Зд-5

Используя формулы (4), (5), определяем плотность почвы после вдавливания семян (т/м3):

Р, =-2---~-1 , • (6)

4,5.10s +

Полученная аналитическая зависимость связывает плотность почвы семенного ложа с шириной семявдавливающего диска Ъ, глубиной вдавливания семени 5, скоростью рабочего движения сеялки V при известных параметрах (Кп, 8Й, ц, q, р, d ).

Тяговое сопротивление комбинированного дискового сошника определяется из суммы сил сопротивления резанию почвы лезвием плоского диска F, горизонтальных составляющих силы сопротивления деформации почвы пластинчатым наральником Fd, силы, затрачиваемой на смятие почвы при вдавливании семян в дно посевной бороздки F, силы динамического сопротивления почвенного пласта Fo, силы трения почвы по поверхности наральника Fmp. Сопротивление в подшипниковой паре незначительно и оно не учитывается.

Сила сопротивления резанию:

F = К г-h, (7)

р н' v у

где К — удельное сопротивление почвы, Н/м2; е - толщина плоского диска, м.

Горизонтальная составляющая силы сопротивления деформации почвы наральником:

Fd= К-ho-е- cosy, (8)

где у - угол наклона наральника к вертикальной плоскости, град; е — ширина наральника, м.

Сила трения почвы по стальной поверхности:

Fmp = К ' hQ - е ■ tgcp, (9)

где ф — угол трения, град.

Сила динамического сопротивления почвенного пласта:

F =£р -h-e-V2,

о ^ г о р '

где р0 - объемная масса почвы, кг/м3; ^ — скоростной коэффициент; V — скорость рабочего движения, м/с.

Горизонтальная составляющая силы, идущей на смятие почвы при вдавливании в нее семени, определяется по формуле, предложенной профессором М. Н. Летошневым:

F = 0,5q • 52 ■ Ь. (11)

Тогда математическая зависимость для определения тягового сопротивления комбинированного дискового сошника зерновой сеялки (J) примет вид

Т=К- г • hn + К ■ ho (cosy + tg<p) + • р0 • ho ■ е • V;1 + 0,5q -52 ■ b. (12)

Тяговое сопротивление зависит от конструктивных параметров сошника, технологических свойств почвы и в значительной степени от скорости рабочего движения.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследовании» описаны общая и частные методики экспериментальных исследований, изложен перечень оборудования и приборов, используемых при проведении опытов.

Представлены методики определения: влажности почвы при помощи влагомера «Эвла-С»; фрикционных свойств семян на лабораторной установке «Трибометр»; коэффициента восстановления семян при ударе с использованием скоростной видеосъемки.

Длина, ширина и толщина семени измерялась штангенциркулем с цифровым отсчетным устройством тип ШЦЦ-I ГОСТ 24156-02 в трех повторностях по пятьдесят семян.

Дана методика определения усилия, необходимого для разрушения семян озимой пшеницы. Для определения разрушающих нагрузок разработана лабораторная установка.

Опыты проводились с сортом озимой пшеницы «Зустрич». Почва -чернозем обыкновенный малогумусный.

Для определения усилий вдавливания в почву и разрушения семян использовали установку (рисунок 5), состоящую из пресса винтового 1, тензометрической станции KYOWA 2, датчиков тензометрических силы растяжения-сжатия «DACELL» UU-K100 3, компьютера с программным обеспечением 4. Семена вдавливали в почву на глубину 5, 10, 15 и 20 мм. Плотность почвы - 1,0 т/м3.

Коэффициенты трения, липкость почвы определяли по общепринятым методикам. Материал поверхности: сталь, фторопласт.

1 — пресс винтовой; 2 - тензостанция КУО\УА; 3 — датчик тензометрический; 4 - компьютер с программным обеспечением; 5 - семя

Рисунок 5 — Установка для определения усилия разрушения семян

Представлена методика определения тяговой характеристики комбинированного дискового сошника. Для проведения измерения лабораторную установку «Почвенный канал» оборудуют барабаном 5 (рисунок 6), на который наматывают тяговый трос, соединенный через тензометрический датчик 4 силы растяжения-сжатия «ОАСЕЬЬ» 1Л1-К200 с подвижной тележкой 3. На ней закреплена посевная секция 3.

1 - комбинированный дисковый сошник зерновой сеялки; 2 - высевающее устройство; 3 — тележка с посевной секцией; 4 - тензодатчик «ОАСЕЬЬ» иЬГ-К200; 5 - барабан с тяговым тросом; 6 — шкаф управления установкой; 7 - почвенный канал; 8 - тензометрическая станция КУОХУА; 9 — компьютер с программным обеспечением

Рисунок 6 — Установка для определения тягового сопротивления комбинированного дискового сошника

На основании теоретических исследований установлено, что на процесс заделки семян комбинированным дисковым сошником влияют три фактора: скорость движения посевного агрегата V, км/ч; ширина семявдавливающего диска Ь. мм; глубина вдавливания семян в почву дна посевной бороздки 5, мм.

Для определения рациональных значений факторов, влияющих на процесс заделки семян в почву, проведен полный факторный эксперимент ПФЭ типа 23. За критерии рационализации приняты: равномерность распределения семян в рядке Т, %; всхожесть семян В, %.

В четвертой главе «Результаты и анализ экспериментальных исследований» представлены результаты проведенных лабораторных и полевых исследований.

Экспериментально уточнены размерно-массовые и физико-механические характеристики семян озимой пшеницы и почвы. Установлено, что для семян озимой пшеницы сорта «Зустрич» средние размеры составляют: длина - 6,77 мм; ширина - 3,44 мм; толщина - 3,10 мм. Коэффициент трения в движении для семян: по стали - 0,40, по фторопласту - 0,28; для почвы: по стали - 0,53, по фторопласту - 0,42.

Максимальное усилие вдавливания семян в почву 34,2 Н существенно меньше усилия их разрушения - 111,7 Н, что исключает повреждение семян при работе семявдавливающего диска сошника.

Установлено, что на фторопластовую поверхность почва при диапазонах влажности от 14 до 24 % не прилипает, что исключает вынос семян на дневную поверхность.

В результате проведения ПФЭ 23 получены уравнения регрессии:

Г = 85,304 - 0,871 • X, - 3,329 • Х2 + 1,0125 • Х3 - 1,429 • X, ■ Х3--2,329 -ХГХ2-ХГ (13)

В = 88,417 - 4,25 • Х2 - 1,083 • Х3 + 3,083 ■Х1-Х2 - 3,083 • X, • Хг -

— 2,417 ■ Х1 ■ Х2- Ху (14)

Эти уравнения регрессии устанавливают зависимость между параметрами рационализации (В, Т) и следующими факторами: шириной семявдавливающего диска Ь, мм, скоростью рабочего движения сеялки V, км/ч, и глубиной вдавливания семян в почву дна посевной бороздки 5, которая является наиболее значимым фактором.

Были построены поверхности отклика (рисунок 7).

Установлены рациональные параметры и режимы работы комбинированного дискового сошника: ширина семявдавливающего диска -

10... 12 мм; глубина вдавливания семян в почву дна посевной бороздки - 5... 8 мм; скорость рабочего движения сеялки - 10 км/ч.

Рисунок 7 - Поверхности отклика функции при глубине вдавливания § = 10 мм: а) равномерность распределения семян в рядке Т, %; б) всхожесть В, %

Тяговое сопротивление у экспериментального сошника при скорости 10 км/ч на 23 % меньше, чем у контроля (стандартной сошниковой группы сеялки СЗП-3,6А). Полученные экспериментальная и теоретическая зависимости адекватны по %2-критерию Пирсона (рисунок 8).

12 К км/ч

Т = ОАуг+т+№ 8 <¥<12

Т=алЛ 9у+90 8 <у<12

-----контроль

-----теоретическая

— вариант

Рисунок 8 — Теоретическая и экспериментальные зависимости тягового сопротивления сошника в зависимости от скорости движения сеялки

По результатам полевых испытаний (рисунок 9) получены более высокие качественные показатели посева (таблица).

Таблица - Показатели качества посева

Показатель Ед. изм. Вариант Контроль

Рабочая скорость движения км/ч 10,0 10,0

Глубина заделки семян мм 51,0 54,0

Коэффициент вариации глубины заделки семян % 3,3 4,8

Равномерность распределения семян в рядке % 83,6 45,6

Всхожесть семян % 86,9 81,7

Плотность почвы на дне посевной бороздки т/м3 1,15 1,0

Рисунок 9 - Фрагмент посевного агрегата, оборудованного комбинированным дисковым сошником 1 и стандартным сошником 2

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность комбинированного дискового сошника зерновой сеялки» приведены расчеты экономической эффективности, которая достигается за счет по-

вышения полевой всхожести семян, по сравнению с сеялкой С31Т-3,6А, снижения расхода топлива, металла. Годовая экономия составляет 386225,3 руб., или 1915,8 руб/га. Срок окупаемости затрат- 0,8 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Применяемые на зерновых сеялках дисковые сошники не образуют плотного ложа для семян, не осуществляют равномерного распределения семян в рядке, двухдисковый сошник вдавливает растительность в бороздку, что негативно сказывается на семенах и проростках при ее разложении.

2. Обоснована технологическая и конструктивная схемы комбинированного дискового сошника, состоящего из режущего плоского диска 0 400 мм, семявдавливающего диска 0 300 мм и наральника (Патент на изобретение № 2483517). Осуществляется новая технология заделки семян путем их вдавливания в почву дна посевной бороздки. Обеспечивается плотный контакт семян с почвой, что создает условия для поглощения влаги семенами и их более дружного прорастания.

3. Уточнены технологические свойства семян озимой пшеницы и почвы: длина, ширина, толщина семени - 6,77; 3,44; 3,10 мм. Коэффициент восстановления семени при ударе о почву плотностью 1,0 т/м3 снижается с увеличением скорости удара с 0,22 до 0,17 м/с. Коэффициент трения в движении по стальной поверхности семени 0,40, почвы -0,53, по фторопластовой поверхности соответственно — 0,28 и 0,42.

4. Для разрушения семени озимой пшеницы требуется усилие 111,7 Н. Максимальное усилие вдавливания семян в почву составляет 34,2 Н, что исключает повреждение семян при работе комбинированного дискового сошника.

5. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что оптимальные условия при заделке семян озимой пшеницы создаются семявдавливающим диском шириной 10... 12 мм, глубиной вдавливания в почву дна посевной бороздки на 5...8 мм при скорости рабочего движения 10 км/ч.

6. Разработанный комбинированный дисковый сошник обеспечивает лучшие показатели качества посева по сравнению с сошниками сеялки СЗП-3,6А: всхожесть семян - 86,9 %; равномерность распределения семян в рядке — 83,6 %; плотность почвы в зоне семян — 1,15 т/м3. В контроле соответственно - 81,7 %; 45,6 %; 1,0 т/м3. Тяговое сопротивление снижается на 23 %.

7. Расчетная годовая эффективность от внедрения сеялки, оснащенной комбинированным дисковым сошником, составит 386225,3 руб., срок окупаемости затрат — 0,8 года.

Рекомендации производству

1. Разработанный комбинированный дисковый сошник может быть использован для замены двухдисковых сошников зерновых сеялок СЗ-3,6А и СЗП-3,6А.

2. Комбинированный дисковый сошник состоит из режущего плоского диска о 400 мм, семявдавливающего диска в 300 мм шириной 10... 12 мм и наральника.

3. Для максимальной эффективности процесса заделки семян при посеве зерновых колосовых культур глубина вдавливания в почву дна посевной бороздки составляет 5...8 мм, скорость рабочего движения сеялки 10 км/ч.

Перспективы дальнейшей разработки темы

- разработать и обосновать параметры универсального семявдавливающего диска для посева семян не только зерновых, но и пропашных культур;

- разработать конструкцию пластинчатого грядиля, позволяющего использовать сошник на всех известных сеялках.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Горбачев, С. П. Комбинированный дисковый сошник / С. П. Горбачев, Е. В. Кулаев, Н. Е. Руденко, Д. С. Калугин // Сельский механизатор. - 2012. - № 9- С. 12.

2. Горбачев, С. П. Новая технология заделки семян / С. П. Горбачев, Н. Е. Руденко // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. - № 12. -С. 16...17.

3. Руденко, Н. Е. Моноблочная пропашная сеялка / Н. Е. Руденко, Е. В. Кулаев, Д. С. Калугин, С. П. Горбачев // Сельский механизатор.-2013.-№ 7.-С. 12...13.

4. Руденко, Н. Е. Теоретическое обоснование пластинчатого грядиля секции сеялки с комбинированным дисковым сошником / Н. Е. Руденко, Е. В. Кулаев, С. П. Горбачев, Д. С. Калугин // Вестник АПК Ставрополья. - 2013. - № 2 (10). - С. 118... 120.

Патенты:

5. Патент на изобретение № 2483 517 РФ, АО 1С 7/20 «Комбинированный дисковый сошник зерновой сеялки» / С. П. Горбачев, Е. В. Кулаев, Н. Е. Руденко, Д. С. Калугин (Россия). - № 2011154780/13; заявл. 09.11.2011 ; опубл. 10.06.2013. Бюл. № 16.

Публикации в других изданиях:

6. Руденко, Н. Е. Анализ технологических схем заделки семян в почву при посеве / Н. Е. Руденко, Е. В. Кулаев, С. П. Горбачев // Вестник АПК Ставрополья. - 2011. - № 4. - С. 42...43.

7. Горбачев, С. П. Ширина семявдавливающего диска комбинированного дискового сошника зерновой сеялки / С. П. Горбачев, Н. Е. Руденко // Вестник АПК Ставрополья. - 2012. - № 1. - С. 42.. .43.

8. Горбачев, С. П. Диаметр гладкого режущего диска комбинированного дискового сошника зерновой сеялки / С. П. Горбачев, Н. Е. Руденко // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК: сб. науч. ст. по материалам VII Междунар. науч.-пракг. конф. в рамках XIX Междунар. агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2012». - Ставрополь : АГРУС, 2012. - С. 73.. .75.

9. Горбачев, С. П. Угол наклона образующей семявдавливающего диска комбинированного дискового сошника зерновой сеялки / С. П. Горбачев, Н. Е. Руденко // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК : сб. науч. ст. по материалам VII Междунар. науч.-практ. конф. в рамках XIX Междунар. агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2012». - Ставрополь : АГРУС, 2012.-С. 75...77.

10. Горбачев, С. П. Технологические свойства семян озимой пшеницы и почвы применительно к комбинированному дисковому сошнику зерновой сеялки / С. П. Горбачев, Е. В. Кулаев, Д. С. Калугин // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК: сб. науч. ст. по материалам VII Междунар. науч.-практ. конф. в рамках XIX Междунар. агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2012». - Ставрополь : АГРУС, 2012. - С. 77...83.

11. Руденко, Н. Е. Новая технология заделки семян при посеве зерновых культур / Н. Е. Руденко, Е. В. Кулаев, С. П. Горбачев, Д. С. Калугин // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК : сб. науч. ст. по материалам VII Междунар. науч.-практ. конф. в рамках XIX Междунар. агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2012». - Ставрополь : АГРУС, 2012. -С. 266...269.

12. Горбачев, С. П. Технико-экономическая эффективность комбинированного дискового сошника зерновой сеялки / С. П. Горбачев, Е. В. Кулаев // Сб. науч. ст. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых «Аграрная наука XXI века. Актуальные исследования и перспективы» / Санкт-Петербургский ГАУ. - Санкт-Петербург, 2013. - С. 165... 168.

Горбачев Семен Павлович

УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗАДЕЛКИ СЕМЯН ПРИ ПОСЕВЕ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ДИСКОВОГО СОШНИКА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

В авторской редакции

Подписано в печать 04.10.2013. Формат 60x84 '/16. Гарнитура «Тайме». Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 424.

Отпечатано в типограф»» издательско-полиграфичеекого комплекса СтГАУ «АГРУС», г. Ставрополь, ул. Пушкина, 15.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201365112

ГОРБАЧЁВ СЕМЁН ПАВЛОВИЧ

УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗАДЕЛКИ СЕМЯН ПРИ ПОСЕВЕ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ДИСКОВОГО СОШНИКА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор

заслуженный изобретатель РФ Руденко Николай Ефимович

Ставрополь- 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ

И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................................8

1.1 Анализ способов посева семян зерновых культур......................................8

1.2 Агротехнические требования, предъявляемые к посеву зерновых культур и применяемым средствам механизации....................................................10

1.3 Анализ способов заделки семян зерновых культур при существующих технологиях обработки почвы..........................................................11

1.4 Обзор современных посевных машин......................................................................15

1.5 Обзор конструкций сошников зерновых сеялок..........................................18

1.6 Выявление эффективной схемы заделки семян..............................................21

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ................................... 27

2.1 Обоснование технологической схемы заделки семян............... 27

2.2 Обоснование параметров плоского диска комбинированного дискового сошника............................................................... 30

2.3 Обоснование ширины семявдавливающего диска................... 32

2.4 Плотность почвы дна посевной бороздки после вдавливания семян................................................................................. 34

2.5 Теоретический расчет тягового сопротивления комбинированного дискового сошника..................................... 36

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................... 39

3.1 Программа исследований.................................................. 39

3.2 Методика уточнения физико-механических характеристик

семян озимой пшеницы.......................................................... 41

3.3 Методика определения усилия вдавливания и усилия разрушения семян озимой пшеницы.......................................... 44

3.4 Методика определения коэффициента восстановления семени

при ударе о почву.................................................................. 48

3.5 Методика определения коэффициента трения движения почвы

по стальной и фторопластовой поверхности..................................... 49

3.6 Методика определения зависимости плотности почвы

от ее твердости......................................................................... 51

3.7 Методика определения липкости почвы к стальной

и фторопластовой поверхности.................................................... 53

3.8 Методика исследования процесса заделки семян комбинированным дисковым сошником......................................... 55

3.9 Методика определения тягового сопротивления

комбинированного дискового сошника зерновой сеялки.................. 62

3.10 Методика проведения полевых исследований

экспериментального образца комбинированного дискового

сошника............................................................................. 64

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................... 66

4.1 Результаты изучения физико-механических характеристик

семян озимой пшеницы.......................................................... 66

4.2 Результаты определения усилия вдавливания и усилия разрушения семян озимой пшеницы.......................................... 67

4.3 Результаты определения коэффициента восстановления семени

при ударе о почву.................................................................. 69

4.4 Результаты определения коэффициента трения движения почвы

по стальной и фторопластовой поверхности..................................... 71

4.5 Результаты определения зависимости плотности почвы

от ее твердости...................................................................... 72

4.6 Результаты определения липкости почвы к стальной

и фторопластовой поверхности.................................................... 75

4.7 Результаты исследования процесса заделки семян комбинированным дисковым сошником......................................... 77

4.8 Результаты определения тягового сопротивления комбинированного дискового сошника зерновой сеялки................. 86

4.9 Результаты проведения полевых исследований экспериментального образца комбинированного дискового

сошника............................................................................ 89

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМБИНИРОВАННОГО ДИСКОВОГО СОШНИКА

ЗЕРНОВОЙ СЕЯЛКИ................................................................. 92

5.1 Общие положения определения технико-экономической эффективности..........................................................................................................................................92

5.2 Расчет технико-экономических показателей......................................................93

5.3 Расчет производительности труда и трудоемкости......................................94

5.4 Расчет эксплуатационных затрат....................................................................................95

5.5 Расчет дополнительной экономии................................................................................99

5.6 Расчет эффективности капитальных вложений................................................100

5.7 Коэффициент (индекс) доходности капиталовложений..........................102

5.8 Срок окупаемости капитальных вложений............................................................103

Общие выводы..................................................................................................................................................104

Список литературы.................................................................... 106

Приложения..........................................................................................................................................................117

ВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Технология заделки семян во - многом определяет энергию прорастания, всхожесть и в конечном итоге урожайность.

В настоящее время в зерновых сеялках используются в основном одно- и двухдисковые сошники. В соответствии с предъявляемыми агротехническими требованиями сошники должны обеспечивать плотный контакт семян с почвой, равномерное расположение семян в рядке и выдержанность глубины заделки [61]. Однако применяемые дисковые сошники не уплотняют семенное ложе [11,30], поэтому используют прикатывающие катки, которые создают плотный слой не только в зоне семян, но и над семенами. Это в свою очередь ухудшает аэрацию почвы, способствует подтягиванию почвенной влаги в верхние, более прогреваемые слои почвы, в которых расположены семена сорняков. К тому же при посеве возможно попадание семян на вращающиеся диски, отбрасывание их и, как следствие, неравномерное распределение в рядке, а также не выдержанная глубина заделки. Поэтому исследования, направленные на создание новых сошников для посева зерновых культур, являются актуальными и значимыми [31, 59, 65, 72, 86].

Степень разработанности темы. В настоящее время в РФ и за рубежом ведутся исследования по созданию сошников, качественно выполняющих процесс заделки семян. Предложены двухдисковые сошники нескольких модификаций: со смещенными дисками, с дисками разных диаметров, с дополнительными дисками в виде колтера. Однако, в известных работах не найдены эффективные технологические и технические решения и проблема требует дальнейшей проработки.

Цель исследования - повышение качественных показателей заделки семян при посеве путем совершенствования дискового сошника.

Задачи исследования:

1. На основе анализа существующих способов заделки семян при посеве зерновых культур выявить основные направления их совершенствования и обосновать конструктивно-технологическую схему сошника зерновой сеялки.

2. Теоретически исследовать процесс взаимодействия сошника зерновой сеялки с почвой и семенами.

3. Уточнить физико-механические и технологические характеристики почвы и семян озимой пшеницы, влияющие на процесс их заделки.

4. Выявить взаимосвязь конструктивно-технологических параметров с силовыми характеристиками предлагаемого сошника.

5. Оценить качественные показатели работы комбинированного дискового сошника зерновой сеялки и его экономическую эффективность при посеве зерновых культур.

Объект исследования. Технологический процесс заделки семян зерновых культур при посеве.

Предмет исследования. Закономерности взаимодействия сошника с почвой и семенами зерновых культур.

Научная новизна работы:

1. Разработана принципиально новая технология заделки семян путем их вдавливания в почву дна посевной бороздки и комбинированный дисковый сошник, реализующий эту технологию.

2. Обоснованы основные технологические и конструктивные параметры предлагаемого сошника.

3. Найдены аналитические зависимости, характеризующие взаимодействие семян с сошником и почвой.

4. Разработана математическая модель процесса заделки семян при посеве комбинированным дисковым сошником.

Новизна технических решений подтверждена патентом на изобретение №2483517 [74].

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработан комбинированный дисковый сошник зерновой сеялки, обеспечивающий повышение качественных показателей посева зерновых культур.

Установлены аналитические зависимости по определению оптимальных конструктивных параметров и режимов работы, которые могут использоваться при проектировании сошников. Разработана адекватная математическая модель, описывающая работу комбинированного дискового сошника. Даны рекомендации по установке разработанного комбинированного дискового сошника на сеялках СЗ - 3,6А и СЗП - 3,6А.

Методология и методы исследования. В методологию исследования входит системный подход, обеспечивающий раскрытие целостности связей между параметрами сошника, физико - механическими свойствами семян и почвы, и качественными показателями работы.

Для осуществления экспериментальных исследований использовались уже известные и разработанные лабораторные установки. Полученные результаты обрабатывались методами математической статистики с использованием ЭВМ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Технологическая и конструктивная схемы комбинированного дискового сошника.

2. Уточненные физико-механические свойства семян и почвы.

3. Теоретический анализ процесса заделки семян при посеве.

4. Рациональные параметры и режимы работы комбинированного дискового сошника зерновой сеялки.

5. Сравнительные результаты полевых исследований предложенных технических и технологических решений.

6. Технико - экономические показатели эффективности использования разработанной конструкции сошника и процесса заделки семян.

Апробация работы. Основные результаты исследований по работе докладывались на научно - практических конференциях ФГБОУ ВПО «Ставропольский ГАУ» (2010...2012г), на Всероссийском смотре - конкурсе

лучших научных работ аспирантов и молодых ученых ВУЗов МСХ РФ, КБГСХА (Нальчик 2011г.), на Международной агропромышленной выставке «Агроуниверсал 2012», на Международной научно - практической конференции молодых ученых «Аграрная наука XXI века. Актуальные исследования и перспективы» (Санкт-Петербург 2013 г.).

Реализация результатов исследования. Экспериментальный образец комбинированного дискового сошника зерновой сеялки испытывался на производстве в КФХ ИП Мазикин С.Н. Шпаковского района Ставропольского края. Конструкторская документация передана в ОАО «Агропромтехника» г. Михайловск. Изготавливаются сошники по заявкам четырех фермерских хозяйств.

Публикация материалов исследования. По материалам диссертационной работы было опубликовано 12 печатных работ, 4 из них - в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ способов посева семян зерновых культур

Для получения запланированного урожая сельскохозяйственных культур большое значение имеет правильный выбор способа посева. Основной способ движения посевных агрегатов при посеве зерновых культур - челночный.

Для посева зерновых культур используют три способа (рисунок 1): рядовой (а), полосовой (б) и разбросной (в) [3, 4, 63, 73, 82, 91, 94, 99].

а - рядовой; б- полосовой; в - разбросной Рисунок 1 - Способы посева семян зерновых культур

Расположение семена в почве после заделки представлено на рисунке 2.

о.

о, а

Сэ ^ тч ^

^ £

- чл О О гч

й оРМ

о

О, <3

го.

о О

^ ер о ЧУЪ0 ^ о О ъ

о о

^ £

а б в

а - при разбросном способе посева; б - при полосовом способе;

в - при рядовом способе Рисунок 2 - Схема расположения семян в почве после заделки

Наиболее распространенным является рядовой способ посева, обеспечивающий более равномерное распределение семян и создающий лучшие условия прорастания.

Различают следующие виды рядового посева (рисунок 3): обычный (неупорядоченный) (а), когда не задается расстояние между семенами в рядке, и точный (б), обеспечивающий определенный шаг посева.

0 0 0 0

ъ о о о

о ъ о Ъ

о ъ О

^ ъ 0 Ъ

о о о

о Ъ

с> о

а б

а - обычный (неупорядоченный); б - точный (пунктирный) Рисунок 3 - Виды рядового посева

Для зерновых культур используют обычный рядовой посев при ширине междурядий 0,15 м или 0,075 м.

1.2 Агротехнические требования, предъявляемые к посеву зерновых культур и применяемым средствам механизации

Для создания благоприятных условий, для дружных равномерных всходов культурных растений, их развития и созревания, а также получения высоких урожаев, необходимо соблюдать агротехнические требования [23, 40, 71, 83, 106].

Основные агротехнические требования к посеву: равномерное распределение семян в рядке, минимальное варьирование оптимальной глубины заделки, высев заданной нормы на единицу площади.

Посев следует проводить в сроки, оптимальные для данной культуры в данном районе.

При посеве необходимо учитывать, что:

- в соответствии с установленной нормой высева сеялки должны обеспечивать равномерное распределение семян в рядах, заделку их в увлажненный слой почвы на необходимую глубину;

л

- плотность почвы в зоне заделки семян должна составлять 1,2±0,1 т/м [1,39, 76];

- допустимая погрешность заданной нормы высева семян не должна превышать ±3 %;

- неравномерность высева семян зерновых культур в рядках, то есть индивидуальными высевающими аппаратами, не должна превышать ±3 %, зернобобовых ± 4 %, при этом неустойчивость высева составляет ±2 % ;

- допустимое повреждение семян рабочими органами посевных машин при посеве зерновых культур не должно превосходить 0,3 %, зернобобовых культур - 1 %;

- отклонение от заданной глубины заделки семян не должно превышать ±15 %;

- во время сева должна быть строго выдержана ширина основных и стыковых междурядий, а также прямолинейность рядков. У смежных сеялок в сцепке, отклонение ширины стычных междурядий не должно превышать ±2 см, а стыковых междурядий двух соседних проходов -±0,5 см;

- при посеве не допускаются огрехи и перекрытия, а также на поверхности поля незаделанные семена;

- полосы для разворотов должны быть засеяны;

- агротехнические рекомендуемые рабочие скорости при посеве зерновыми сеялками - до 10 км/ч, сеялками-культиваторами - до 8 км/ч.

1.3 Анализ способов заделки семян зерновых культур при существующих

технологиях обработки почвы

Существует несколько видов обработки почвы.

Традиционная технология обработки почвы включает в себя лущение стерни и зяблевую вспашку. При лущении образуется рыхлый слой почвы (глубиной 6-10 см), в котором прорастают сорняки, уничтожаемые вспашкой. Тип почвы и пожнивных остатков предшествующей культуры определяет кратность, способ и глубину обработки почвы. На засоренных многолетними сорняками полях применяют полупаровую обработку (до 3-х дискований, на глубину 10-12 см,

вспашку плугами с предплужниками на глубину 20-35 см, с последующим проведением 2-х 3-х культиваций - в этом случае гибель корневищных и корнеотпрысковых сорняков достигает 80%). Чем тяжелее по механическому составу почва и выше содержание в ней глины, тем раньше рекомендуется проводить пахоту. Пахать следует только при достижении почвы физической спелости. Основное внесение минеральных и органических удобрений проводится под вспашку. Глубина пахоты определяется не только предшественником, но и мощностью плодородного слоя.

Альтернативой традиционной системе обработки почвы могут быть различные модификации систем нулевой и минимальной обработки почвы. Эти технологии, по которым сегодня работает большинство сельхозпроизводителей мира.

Минимальная технология «Mini - Till» предусматривает уменьшение количества обработок и их глубины при условии более интенсивного применения средств химизации по сравнению с традиционной технологией. Данный вид обработки почвы применяется на легких по механическому составу почвах, не засоренных многолетними сорняками. Пригодны для почвозащитной технологии глинистые и суглинистые почвы, хорошо дренированные суглинки и богатые гумусом (2-3%) песчаные почвы. После уборки предшественника проводится лущение стерни, как и в случае традиционной технологии. Дальнейшие технологические операции определяются качеством заделки пожнивных остатков, интенсивностью появления всходов сор�