Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований
1.1 Особенности лесовосстановления в лесостепной и степной зонах 9-12
1.2 Анализ исследований механического повреждения семян 13-16
1.3 Анализ способов транспортировки семян из семенного бункера в семяпровод 17-26
1.4 Анализ нагнетательных высевающих аппаратов 26-31
1.5 Анализ исследований пневматического транспортирования семян 31-36
1.6 Цель и задачи работы 36-37
2. Теоретическое обоснование процесса высева семян пневмопотоком
2.1 Особенности высева семян пневмопотоком 38-40
2.2 Анализ процесса истечения семян 40-56
2.3 Анализ процесса транспортирования семян воздушным потоком 56-63
2.4 Обоснование параметров пневматического высевающего аппарата 63-67
3. Программа и методика экспериментальных исследований
3.1 Программа экспериментальных исследований 68
3.2 Методика определения механического повреждения семян 68-71
3.3 Описание лабораторной установки 71-74
3.3.1 Методика определения подачи семян пневматическим высевающим аппаратом в зависимости от его конструктивных параметров 74-75
3.3.2 Методика определения равномерности подачи семян в зависимости от вида семяпроводной системы 75-77
3.3.3 Методика многофакторного планирования 78-79
3.4 Методика проведения полевых исследований и производственной проверки пневматического высевающего аппарата 79-81
3.4.1 Устройство и работа экспериментальной сеялки 82-87
4. Результаты и анализ экспериментальных исследований пневматического высевающего аппарата
4.1 Оценка влияния механического повреждения семян 88-89
4.2 Результаты исследования влияния параметров и режимов работы пневматического высевающего аппарата на подачу семян 89-94
4.3 Результаты многофакторного эксперимента по исследованию влияния конструктивно- режимных параметров работы пневматического высевающего аппарата на подачу семян 94-101
4,4 Определение равномерности подачи в зависимости от вида семяпроводной системы 101 -102
4.5 Результаты полевых исследований 102-108
5. Экономическая эффективность применения пневматического высевающего аппарата при выращивании сеянцев сосны обыкновенной 109-115
Общие выводы 116-117
Список литературы 118-131
Приложения 13 2-147
- Анализ исследований механического повреждения семян
- Анализ процесса истечения семян
- Методика определения механического повреждения семян
- Результаты исследования влияния параметров и режимов работы пневматического высевающего аппарата на подачу семян
Введение к работе
Актуальность темы. В законодательных актах Российской Федерации [36] отмечается необходимость сохранения высокой продуктивности лесов и их роли в экологическом оздоровлении страны. Поэтому важной задачей лесовосстановления и лесоразведения лесостепной и степной зон является повышение биологической устойчивости лесов, их своевременное восстановление, а также создание новых лесных насаждений, в качестве одной из эффективных форм борьбы с засухой, ветровой, водной эрозией почв. В связи с этим в условиях лесостепной и степной зон немаловажное значение приобретает выращивание качественного посадочного материала. Для того чтобы получить его в достаточных количествах приходится идти на значительные затраты. Улучшение качества посадочного материала, снижение затрат на его получение за счёт интенсивного производства и совершенствования технологии выращивания являются главной задачей работников лесного хозяйства, решение которой возможно на основе комплексного подхода к проблеме. Одним из основных факторов, влияющих на выход стандартного посадочного материала, является наличие высококачественного семенного материала. Семена в процессе производства подвергаются механическим воздействиям, которые приводят к снижению их посевных качеств. Уровень травмирования семян зависит от погодно- климатических условий в момент их созревания, влияющих на внутреннюю структуру семян, а так же степени травмирования посевного материала транспортирующими средствами, машинами послеуборочной обработки и посева. Лесные семена отличаются многообразием по размерам, абсолютному и объёмному весу, сыпучести и т.д. Эти свойства семян оказывают существенное влияние на процесс высева и определяют типы и конструктивные особенности лесных
сеялок. Одним из важнейших качественных показателей работы машин посевного комплекса является дробление семян при их транспортировании из семенного бункера в семяпровод. Оно вызывается работой высевающего устройства и зависит от его конструктивных особенностей, вида материала из которого он изготовлен, точности деталей, технологических режимов работы и физико- механических свойств высеваемых семян. На важность решения проблемы механического повреждения семян указывали многие учёные: Чазов С.А., Куперман Ф.М., Плаксин В.Ф., Пошарников Ф.В., Яли Н.Н., Кунц Д.А. [79;80;103;109;131;145]. В настоящее время высевающие устройства производят транспортировку семян из бункера в семяпровод механическим, электрическим и пневматическим способами. Самое широкое распространение получили высевающие устройства, использующие в своей работе механический способ перемещения семян. Это обусловлено относительной простотой конструкции, надёжностью работы и несложной настройкой высевающего аппарата. Однако наблюдается высокая степень травмирования семян. Поэтому, для снижения травмирования, технологический процесс высева семян внедряется пневматический способ транспортирования семян. Для перемещения семенного материала используется пневмопоток. Изучение конструкций пневматических высевающих устройств показало, что они требуют дальнейшего совершенствования. Поэтому разработка конструкции, обоснование параметров и режимов работы пневматического высевающего аппарата лесной сеялки, снижающего степень травмирования семян является актуальной задачей лесного хозяйства.
Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы состоит в повышении качества посева и снижении травмирования семян за счёт применения транспортирования их воздушным потоком.
Достижение цели осуществляется решением следующих задач:
Изучить влияние способов транспортирования семян на их травмируемость;
Теоретически обосновать процесс истечения семян из бункера через высевное отверстие и их пневмотранспортирование в семяпровод;
Обосновать конструктивно-технологические параметры пневматического высевающего аппарата и его режимы работы;
Провести экспериментальное обоснование параметров высевающего аппарата, влияющие на норму высева и равномерность подачи семян;
Провести в полевых условиях сравнительные исследования качественных показателей работы сеялки с пневматическим высевающим аппаратом;
Определить экономическую эффективность работы пневматического высевающего аппарата.
Объект исследований. Семенной поток; экспериментальный пневматический высевающий аппарат для лесной сеялки.
Предмет исследования. Закономерность движения семян в пневматическом высевающем аппарате и аналитические зависимости для определения параметров и режимов его работы.
Методика исследований. При изучении потока семян и степени его
травмирования использованы общие и стандартные методики.
Теоретические исследования основаны на методах дифференциатьного и интегрального исчисления, законах механики. При экспериментальных исследованиях применены методы физического моделирования и теория планирования полнофакторного эксперимента. Обработка результатов исследований и проведение расчётов выполнены на ЭВМ с использованием стандартных и вновь разработанных программ.
Работа выполнена на кафедре «Ландшафтное строительство и механизация лесного хозяйства» Саратовского государственного аграрного
университета им. Н.И.Вавилова. Экспериментальные ииследования проведены в лаборатории кафедры и на питомнике учебно-опытного лесного хозяйства «Вязовское» ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ».
Научная новизна заключается в изучении факторов, влияющих на норму высева и равномерность подачи семян, высеваемых пневматическим аппаратом; в определении конструктивно-технологических параметрах пневматического высевающего аппарата; в изучении показателей травмируемости семян сосны обыкновенной.
На защиту выносятся следующие научные положения:
математические модели процесса истечения семян из бункера через высевное отверстие и их пневмотранспортирования в семяпровод;
теоретическое обоснование параметров пневматического высевающего аппарата;
обоснование параметров пневматического высевающего аппарата, обеспечивающего заданную норму высева и равномерность подачи семян.
Достоверность основных положений и рекомендаций подтверждена хорошей сходимостью экспериментальных и теоретических данных и положительными результатами лабораторных и полевых испытаний пневматического высевающего аппарата.
Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что в ходе научных исследований разработана конструкция пневматического высевающего аппарата для лесной сеялки. Определены его основные параметры и режимы работы, разработаны практические рекомендации по использованию, позволяющие повысить эффективность работы предлагаемого высевающего аппарата за счёт снижения травмирования семенного материала. Результаты научных исследований использованы в
лесном питомнике УОЛХ «Вязовское» (с. Вязовка СО) при посеве экспериментальной сеялкой с пневматическим высевающим аппаратом семян сосны обыкновенной, а также в учебном процессе ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на:
- научных конференциях ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (2000-
2003 г.г.);
межвузовской конференции «Молодые учёные Саратовской области», посвященная году молодежи (Саратов,2002 г.);
Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Интеграция науки и высшего лесотехнического образования, инновационная деятельность на предприятиях лесного комплекса» (Воронеж, 2002 г.)
объединенном заседании кафедр «Ландшафтное строительство и механизация лесного хозяйства», «Лесомелиорация», «Теоретическая механика и ТММ», «Технология металлов и материаловедение» и «Сопротивление материалов и стандартизация» ФГОУ ВПО СГАУ (2002 г.);
заседании кафедры «Механизация лесного хозяйства и проектирование машин» ВГЛТА (2002 г.) Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ. Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 156 источников, в том числе 11 иностранных. Общий объем диссертации 147 страниц. Из них основного текста 131 страница и 15 приложений. Текст иллюстрирован 6 таблицами и 49 рисунками.
Анализ исследований механического повреждения семян
Семенной материал в процессе производства подвергается механическим воздействиям, которые приводят к существенному снижению его посевного качества. Уровень травмирования семян зависит от погодно- климатических условий в момент их созревания, влияющих на внутреннюю структуру семян, а также степени травмирования посевного материала транспортирующими средствами, машинами для послеуборочной обработки и посева [48;63;92]. Одним из важнейших качественных показателей работы машин посевного комплекса является дробление семян при их транспортировании из семенного бункера в семяпровод. Оно вызывается работой высевающего устройства и зависит от его конструктивных особенностей, материала из которого изготовлен, точности деталей, технологических режимов работы и физико-механических свойств высеваемых семян [67;71].
На важность проблемы механического повреждения семян указывают многие учёные: Чазов С.А., Архангельский С.Ф., Абрамова Т.К., Ерёмин В.Н., Куперман Ф.М., Плаксин В.Ф., Пашнин В.В., Пошарников Ф.В., Яли Н.Н., Кунц Д.А.[10;16;51;79;80;99;103;109;137;145].
Кунц Д.А. в своей работе [79] проводит изучение влияния движения зерна по желобам и трубам на травмируемость материала. Исследование движение потоков сыпучих материалов позволили установить зависимости скорости потока от угла наклона самотёков, его параметров и физико-механических свойств сыпучих материалов. В работе также исследуется влияние ударных воздействий на семена при транспортировании их в самотечных устройствах и при соударении с другими поверхностями. На основании этих исследований выявлены причины, вызывающие травмирование семенного материала, и отражены некоторые предложения для предотвращения этого явления. Например, из исследований следует, что травмирование семян возрастает с увеличением скорости и повторности соударения и зависит от твёрдости поверхности, на которую они падают. Для уменьшения травмирования семян необходимо снижать скорость соударения потока с поверхностью самотёка, бункера и т.д. В местах соударения следует устанавливать амортизирующие отражатели из эластичных материалов, избегать резкого изменения в направлениях семяпроводов.
На повреждение семян высевающими аппаратами, действие которых основано на механическом перемещении семян из бункера в семяпровод указывали Карпенко А.Н., Семёнов А.И., Гриценко Ф.В.[53;92]. Причины дробления семян в катушечных аппаратах сеялок наиболее полно освещено в работах Сысолина П.В., Ликкея А.В., Иваницива К.Г.[126]. Они отмечают, что главная причина дробления и повреждения семян высевающими аппаратами - защемления семян между катушкой и нижним выступом муфты (аппарат с литым корпусам). Защемление семян между катушкой и донышком возможно в том случае, когда сила трения FT семян о донышко будет больше сдвигающего усилия (рис. 1.1)., т.е. FT P; FT =Nfcosa ; P = Nsina (1.1) где N- усилие защемления; f - коэффициент трения семян о донышко; а- угол между направлением силы давления катушки на семя и прямой, проведённой из центра катушки через точку контакта семени с донышком. Следовательно, условием защемления семян между катушкой и донышком аппарата будет ср a , где р - угол трения семян о донышко. Если величину зазора С между рёбрами катушки и донышком выбрать из условия С 2а (а- ширина или толщина семени), то защемление семян не может быть и давление на семена не опасно для их прочности.
На количество и силу защемления оказывает влияние технологические регулировки - уменьшение рабочей длины катушки вызывает возрастание количества и силы отдельных защемлений; увеличение числа оборотов катушки вызывает уменьшение количества и силы защемления. Поэтому надо выбрать оптимальное соотношение рабочей длины катушки и скорость её вращения.
Снижению травмируемости семян в высевающих аппаратах катушечного типа может способствовать изменение конструкции катушки, т.е. передние кромки катушечно-лопастного аппарата выполнены по отрезку логарифмической спирали относительно центра вращения крестовины [9]. Благодаря такой конструкции лопостей происходит плавное, со скольжением, взаимодействие передних кромок лопостей с семенами, определяющее стабильность формируемого потока.
Проблему повреждения семян в дисковом высевающем аппарате рассматривает в своей работе Яли Н.Н. [145]. На основании проведённых опытов было установлено, что на процесс дробления семян влияет качество их калибровки. Исследование работы высевающего аппарата показала, что при неправильной установки диска - большим диаметром отверстия вверх — резко ухудшается его работа. Если зуб-выталкиватель не работает, т.е. изношен и не реставрирован, то в некоторых ячейках залегают семена и, таким образом, ячейки диска не участвуют в работе. Из ячеек, незабитых семенами, выпадает по 2-3 штук, в связи с чем резко нарушается равномерность распределения семян по площади. Если зуб-выталкиватель работает, а диск поставлен неправильно, то заклинившиеся семена раздавливаются зубом.
Анализ процесса истечения семян
На первом этапе высева осуществляется подготовка семян к дальнейшему перемещению их пневмопотоком. Следовательно, первый этап имеет существенное значение в общем процессе высева и требует изучения влияния различных факторов на процесс истечения семян. На этом этапе семена под действием собственного веса перемещаются в зону истечения, затем в семенную коробку. Прежде чем заполнить рабочий объём семенной коробки, семена проходят через высевное отверстие в бункере, соединяющее бункер непосредственно с нагнетательным потоком. Изменяемый диаметр высевного отверстия обеспечивает заданную норму высева.
Следовательно, задача расчёта технологических параметров дозатора сводится к определению объёмной производительности \Уд_у_ (подачи) из условия истечения семян через определяющее сечение и последующему нахождению его конструктивных и режимных параметров [139]. Из формулы (2.4) видно, что требуемое значение объёмной производительности может быть достигнуто при различных значениях S0 и V0, поэтому необходимо определить рациональное значение этих параметров. Для определения скорости истечения семян, обуславливаемой, силой тяжести самих семян, следует учесть физические явления, сопровождающие данный процесс [39]. При исследовании движения сыпучего материала примем следующие допущения: сыпучий материал является дискретной средой; сыпучий материал состоит из одинаковых абсолютно твердых шаров, уложенных правильными слоями, перпендикулярными к оси бункера; сила внутреннего трения между шарами определяется законом Кулона.
В процессе движения сыпучего материала происходит переход от уплотнённого упорядочного расположения частиц к более рыхлому, беспорядочному. Объёмный (насыпной) вес уменьшается, приближаясь к значению ymLn и затем остаётся практически постоянным в течение всего времени движения. На основании этого принимаем: Y = 7mie= «mst, т.е. постоянство веса сыпучего материала в процессе его движения равносильно его несжимаемости.
Для определения осевой составляющей реакции стенки бункера, приходящаяся на элемент dx, рассмотрим усилия в смежных слоях сыпучего материала. Выделим из семенного материала элемент, состоящий из трёх смежных слоев: ведущего, ведомого и промежуточного (рис. 2.2). У ведущего слоя внешняя осевая сила М = ХМ; совпадает по направлению с вектором V скорости движения (шары 1 и 2). У ведомого внешняя сила К = ХК; противоположна скорости перемещения (шары 5 и 6). Промежуточный слой расположен между ведомым и ведущим слоями так, что его крайние шары прилегают к стенке бункера (шары 3 и 4). Ось X направляем в сторону вектора скорости перемещения; вес и массу шаров во внимание не принимаем. Осевое усилие (М;К), сжимающее уложенное слоями сыпучее тело, изменяется скачкообразно при переходе от одного слоя шаров к другому. Это происходит потому, что силы сопротивления движению Rt - проекции реакций стенок бункера на направление осевой скорости - сосредоточены в точках, расположенных вдоль линии соприкосновения промежуточного слоя со стенкой. Между двумя соседними промежуточными слоями нет точек соприкосновения шаров со стенкой, нет и сил сопротивления движению [39;40].
Методика определения механического повреждения семян
Все механические повреждения семян можно разделить на две большие группы: макро- и микроповреждения. Между макроповреждениями и микроповреждениями семян существует резкое различие, сущность которого заключается в том, что дробленые (вдоль и поперек), раздавленные и обрушенные семена по своим физико-механическим показателям (размеру, массе, форме) и аэродинамическим показателям значительно отличаются от целых, и поэтому большинство из них можно легко различить с помощью органолептического метода. Микроповрежденные семена не имеют таких отличий, и их нельзя отделить от неповрежденных. В связи с этим семена с полностью выбитым или частично поврежденным зародышем, то есть с повреждениями, хорошо различимыми невооруженным глазом, но практически неотделимыми от целых, методически правильнее относить к микроповрежденному [112]. К макроповреждениям относят дробление и плющение семян. К микроповреждениям - повреждения зародыша и небольшие повреждения эндосперма. Каждый тип механического повреждения семени влияет на грунтовую всхожесть и развитие посевов. Некоторые типы повреждений приводят к полной потери всхожести, другие - к ослаблению проростков, которые погибают, не достигнув поверхности почвы [140].
Поэтому для оценки качества работы высевающего аппарата лесной сеялки необходимо определить макро- и микроповреждения семян. Существуют прямые и косвенные методы определения повреждений. Макроповреждения определяют прямым или органолептическим (визуальным) методом, а микроповреждения — косвенным или биологическим методом. Применение органолептического метода позволяет быстро и с большой точностью определить количество повреждённых семян, а также классифицировать их по типам травм. Однако этот метод не позволяет определить количество скрытых внутренних повреждений. Поэтому их можно установить только косвенным путём, по величине снижения всхожести. Для определения макроповреждений от партии семян в соответствии с [112; 140] отбирался средний образец, он основа для получения показателей, характеризующих качество семенного материала. Количество повреждённых семян определялось путем выделения двух навесок от среднего образца. Для семян сосны обыкновенной размер навески составляет 200 штук. Сущность органолептического метода в том, что каждое зерно просматривают под лупой и, которое имеет то или иное повреждение, выделяют. Количество дроблёных и плющеных семян взвешивают и определяют в процентах к первоначальному весу всей рассматриваемой навески семенной массы. Количество обрушенного, плющенного или раздавленного семени можно определить не только по весу, но и в штуках на определённое первоначальное число разобранных семян, что нельзя сделать по отношению к дроблёным семенам, так как по отдельным частям дроблёного семени нельзя сказать, сколько семян было раздроблено [112]. Для исследования степени травмирования семян высевающими аппаратами необходимо знать и количество дроблёных семян, поэтому воспользуемся весовым определением повреждённых семян. Исследования проводились в сравнении повреждений семян, пропущенных через пневматический и катушечный высевающие аппараты.
Некоторые типы микроповреждений (полностью выбит зародыш, частично повреждён, повреждён эндосперм) могут быть установлены невооружённым глазом. Наиболее мелкие травмы оболочек обнаруживаются с помощью лупы достаточного увеличения. Степень травмирования, установленная визуально и выражающая процентное содержание семян со всеми видами травм, не даёт конкретного представления об отрицательном её влиянии на биологические свойства семян. Разные травмы по-разному опасны для семян, и соотношение травм не всегда одинаково. Наилучшим показателем целостности семян является всхожесть [124; 140]. С этой целью в соответствии с ГОСТ [34] проводилось исследование всхожести семян сосны обыкновенной. Пробы семян были взяты после пропуска через катушечный высевающий аппарат и экспериментальный пневматический высевающий аппарат. Затем эти результаты сравнивались с контрольным образцом пробы.
Наиболее объективное представление об ущербе, наносимом механическими повреждениями, даёт всхожесть семян, высеянных в почву [80; 112]. Уменьшение жизненности проростков из травмированных семян, ослабление их сопротивляемости к болезням и вредителям ведут к значительному угнетению и зачастую к полной их гибели. Грунтовую всхожесть семян сосны обыкновенной, как показали исследования Ю. А. Корниенко, для условий Саратовской области можно определить в 30 суток, т.е. двукратная величина времени определения всхожести семян в лабораторных условиях и поэтому критерию сравнивать качество работы сеялок, оснащённых различными высевающими аппаратами [71]. Появление всходов фиксировалось через три дня на 25-ти пробных отрезках. Пробные отрезки определялись по методу рандомизации [10;47;95].
Результаты исследования влияния параметров и режимов работы пневматического высевающего аппарата на подачу семян
Экспериментальные исследования проводились с целью обоснования конструктивных и режимных параметров высевающего аппарата и установления значений, обеспечивающих заданную норму высева. Анализ теоретических и предварительных лабораторных исследований технологического процесса работы пневматического высевающего аппарата показал, что наибольшее влияние на подачу семенного материала оказывают размер высевного отверстия, скорость воздушного потока и размер выходного отверстия семенной коробки.
Экспериментальные исследования проводились в соответствии с ранее разработанной методикой . Опыты проводились с использованием семян сосны обыкновенной в естественном состоянии.
Анализ полученных результатов показывает, что при диапазоне 11-51 мм наблюдается устойчивый рост подачи семян. При дальнейшем увеличении диаметра происходит резкое снижение подачи. Это объясняется тем, что происходит оседание и образование завала семян на дне семенной коробки.
Экспериментальные исследования зависимости подачи семян сосны обыкновенной от скорости воздушного потока проводились в интервале 3,2- 10,1 м/с. Нижний предел соответствует скорости витания данного вида семян, значение которой получено теоретически по формуле 2.63 и равное 3,4 м/с. Верхний предел получен из условия критической скорости, величина которой равна 9,4 м/с [118]. Зависимость подачи от диаметра выходного отверстия семенной коробки В ходе проведения лабораторных экспериментов было установлено влияние диаметра выходного сечения семенной коробки на подачу. Минимальная величина диаметра взята на основании исследований [18; 120] и равная 20 мм.
Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что увеличение диаметра приводит к снижению давления внутри семенной камеры, улучшая вхождение семян в воздушный поток. Максимальное значение диаметра обуславливается конструктивными размерами и равно 50 мм. Дальнейшее его увеличение нецелесообразно. Таким образом, в результате сопоставления полученных данных, можно сделать вывод, что диаметр высевного отверстия бункера, скорость воздушного потока и диаметр выходного отверстия семенной коробки должны находиться соответственно в следующих пределах: D= 0,011...0,051 м, VB= 3,3 ... 10,1 м/с, Ш= 0,02 ... 0,05 м.
В целях определения комплексного воздействия конструктивно-режимных параметров пневматического высевающего аппарата на подачу семян сосны обыкновенной проведены лабораторные исследования по методике многофакторного планирования эксперимента [45;69;85]. Дія получения математической модели технологического процесса посева семян реализован полный факторный эксперимент 23. Уровни и интервалы варьирования вышеперечисленных факторов, представлены в разделе 4.2 и выбирались на основании результатов предварительных лабораторных исследований приведённых в том же разделе. При помощи программы «Statgrafics plus for Windows» был составлен план многофакторного эксперимента. Работая с модулем планирования эксперимента «Design of Experiment» анализ данных получается наиболее корректным образом. Используемый двухфакторный центральный композиционный план более тщательно изучает области экспериментальных значений, по сравнению с симплексным факторным планом. Центральный композиционный план состоит из двух частей: куба и звезды. Куб соответствует полному факторному плану. Звезда содержит дополнительное множество точек, расположенных на одинаковых расстояниях от центра куба на отрезках, исходящих из центра и проходящих через каждую сторону куба. При планировании эксперимента использовался ротатабельный план, для которого дисперсия отклика является постоянной во всех точках, одинаково удалённых от центра плана. Составленный таким образом план эксперимента представлен в таблице П.4.6.
