Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса посева зерновых культур. Цель и задачи исследований 10
1.1 Обзор способов посева зерновых культур 10
1.2 Посевные машины с механическими высевающими устройствами 16
1.3 Анализ конструкций сошников и распределительных устройств стерневых сеялок для подпочвенно-разбросного посева 23
1.4 Анализ исследований по распределению семян пассивными распределителями лаповых сошников 29
1.5 Выводы по главе 44
Глава 2 Теоретические исследования процесса распределения семян зерновых культур двухплоскостным распределителем 47
2.1 Отражение зерна при падении на наклонную поверхность 47
2.2 Расчётная схема распределения семян лаповым сошником с двух плоскостным распределителем 54
2.3 Блок-схема расчёта характеристик полёта частицы в программе Mathcad 59
2.4 Результаты теоретических исследований влияния конструктивных параметров сошника на процесс распределения семян в подсошни ковом пространстве 69
2.5 Обоснование конструктивной схемы двухплоскостного распредели теля 72
2.6 Распределение семян различных культур двухплоскостным распределителем 75
2.7 Методика расчёта времени открытия борозды 78
2.8 Выводы по главе 83
Глава 3 Методика экспериментальных исследований 85
3.1 Программа экспериментальных исследований 85
3.2 Методика изучения коэффициента восстановления скорости семян зерновых культур 87
3.3 Методика определения коэффициента трения-покоя семян зерновых культур по металлической поверхности 89
3.4 Методика исследования процесса распределения семян от отражающей плоскости и влияние потолочной поверхности на их распределение по ширине сошника 91
3.5 Методика определения влияния конструктивных параметров распределителя на процесс распределения семян по ширине экспериментального сошника 96
3.6 Методика определения влияния углов наклона плоскостей распределителя на процесс распределения семян по площади питания и ширине сошников стерневых сеялок 97
3.7 Методика проведения сравнительных испытаний сошника сеялки СКП–2.1 с существующим распределительным устройством и с двухплоскостным распределителем семян 102
3.8 Методика проведения полевых испытаний сошников с двухплоскостным распределителем семян 103
3.9 Выводы по главе 107
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований 108
4.1 Результаты определения коэффициента восстановления скорости семян зерновых культур 108
4.2 Результаты определения коэффициента трения-покоя семян яровой пшеницы сорта «Ария» по металлической поверхности 108
4.3 Результаты исследования процесса распределения семян от отражающей плоскости и влияния потолочной поверхности на их распределение по ширине сошника 109
4.4 Результаты исследования влияния конструктивных параметров сошника на процесс распределения семян 112
4.4.1 Результаты исследования влияния конструктивных параметров сошника на процесс распределения семян по ширине экспериментального сошника 112
4.4.2 Результаты исследования влияния углов наклона плоскостей распределителя на процесс распределения семян по площади питания и ширине сошников стерневых сеялок 116
4.5 Результаты сравнительных испытаний сошника стерневой сеялки СКП-2.1 с различными распределительными устройствами 120
4.6 Результаты проведения полевых испытаний сошников с двухплос-костным распределителем семян 121
4.7 Технико-экономическая эффективность использования стерневой сеялки, оснащенной лаповыми сошниками с двухплоскостными распределителями семян 122
4.8 Выводы по главе 130
Заключение 133
Список литературы 136
Приложения 148
- Посевные машины с механическими высевающими устройствами
- Блок-схема расчёта характеристик полёта частицы в программе Mathcad
- Методика исследования процесса распределения семян от отражающей плоскости и влияние потолочной поверхности на их распределение по ширине сошника
- Технико-экономическая эффективность использования стерневой сеялки, оснащенной лаповыми сошниками с двухплоскостными распределителями семян
Посевные машины с механическими высевающими устройствами
В настоящее время на рынке посевной техники существует большое многообразие машин отечественного и зарубежного производства ведущих производителей в странах СНГ, США, Канады, Германии и Западной Европы [43].
По данным департамента сельского хозяйства в Курганской области посев зерновых культур осуществляется посевными комплексами, зерновыми и стерневыми сеялками (приложение Б) [88]. Динамика использования посевной техники за 2015 – 2017 года представлена на рисунках 1.1, 1.2. Анализ графиков показывает, что за анализируемый период количество посевной техники для ресурсосберегающей технологии возделывания зерновых культур увеличивается, а количество зерновых сеялок, применяемых для традиционной технологии возделывания зерновых культур, уменьшается [131].
Самые распространенные сеялки, используемые на полях Курганской области это стерневые сеялки для прямого посева СЗС-2.1М, СКП-2.1 количество которых составляет около четырех с половиной тысяч единиц (рисунок 1.2). Общее количество посевных комплексов применяемых в Курганской области незначительно, составляет всего около двухсот штук (приложение Б). В основном это посевные комплексы «Агромастер» (производитель Республика Башкартостан, город Уфа); «Кузбасс» и «Томь 10.6» (производитель ООО «Агро», город Кемерово); «John Deer» (фирмы «John Deer», США); «Horsch» (фирмы «Horsch-Агро-Союз», Германия); «Salford» (Канада); «Конкорд» (ОАО «Юргинский машиностроительный завод», Кемеровская обл.) [87, 128].
В зависимости от конструктивного устройства сеялки для зерновых культур делятся на два типа: сеялки и посевные комплексы с механическими высевающими устройствами; сеялки и посевные комплексы с центральным высевающим аппаратом и транспортировкой семян с пневматической системой.
По технологическому процессу и устройству посевные машины подразделяют на группы: стерневые сеялки-культиваторы; посевные комплексы; специализированные сеялки для прямого посева [47, 72, 139, 142].
Заводами ОАО «Сибагромаш» (город Рубцовск Алтайского края) и Буде-новским машиностроительным завод (город Будённовск Ставропольский край) серийно выпускаются сеялки-культиваторы СЗС-2.1, СЗС-2; Украина «Червона зирка» (город Кировоград) выпускает сеялки стерневые СТС-2, для высева зерновых культур по стерневым фонам [50, 93, 111]. Данные сеялки применяются для посева зерновых культур в зонах подвержанных ветровой эрозии и при ресурсосберегающих технологиях.
Сеялки оборудованы механической высевающей системой, при которой в каждый сошник семена подаются отдельным катушечным высевающим аппаратом. При таком конструктивном решении, обеспечивается наиболее точное дозирование семян, что соответствует агротехническим требованиям предъявляемых к посеву [19, 20, 21]. Однако, большое количество высевающих аппаратов требуют значительных затрат на техническое обслуживание и технологические регулировки. Недостатком сеялок-культиваторов является недостаточный объём бункеров, что приводит к увеличению затрат времени на заправку сеялок семенами и удобрениями. Конструктивные особенности позволяют комплектовать из сеялок-культиваторов различные по ширине посевные машинно-тракторные агрегаты. Этим обеспечивается агрегатирование сеялок с различными по тяговому классу тракторами, и подбирать агрегаты по ширине захвата в зависимости от формы поля и длины гона. Относительно небольшая ширина и продольная база обеспечивает удовлетворительное копирование поверхности поля и глубину заделки семян.
Основным недостатком сеялок-культиваторов является большая ширина междурядий 22-23 см, что приводит к нерациональному использованию площади питания. Путём модернизации сошников сеялок-культиваторов достигнут посев ленточным и подпочвенно-разбросным способом. Лаповые сошники, обеспечивающие такой посев, установлены на сеялки СКП-2.1 (город Омск, Россия), сеялки СКС-2 (город Лида, Республика Беларусь), сеялки УСК-2 (КФ ТОО «Каз-НИИМЭСХ» (ЦелинНИИМЭСХ), город Костанай, Республика Казахстан) [135].
ООО «Сибзавод» выпускает сеялку-культиватор СКП-2.1 «Омичка» для прямого посева семян при ресурсосберегающих технологиях (рисунок 1.3а) [86]. Данная сеялка применяется в зонах подверженных ветровой и водной эрозии и в зонах с недостатком влаги.
ОАО «Сибагромаш» (Алтайский край, город Рубцовск) выпускает сеялку-культиватор зерновую стерневую СЗС-2.1 (рисунок 1.3б), предназначенную для посева рядовым способом зерновых культур на почвах подверженных ветровой эрозии по стерневым фонам. Одновременно с посевом проводится внесение гранулированных удобрений, культивация и послепосевное прикатывание почвы.
Сеялка-культиватор СКС-2 производства «Лидагропроммаш» (город Лида, Республика Беларусь) аналогична сеялке СКП-2.1 по технологическому процессу и конструктивному устройству. Предусмотрено комплектование сеялка СКС-2 зер-нотуковыми емкостями повышенной вместимости. Основным недостатком рассматриваемых сеялок, является необходимость дополнительного послепосевного прикатывания. Однорядные кольчато-шпоровые катки, которыми укомплектованы сеялки, недостаточно уплотняют взрыхленную сошниками почву, что не обеспечивает сохранение почвенной влаги.
ТОО «КазНИИМЭСХ» на базе сеялки СТС-2 изготавливают универсальную сеялку УСК-2 для разбросного посева [111, 135]. Сеялка оснащена сошниками с усиленными стойками, обеспечивающими подпочвенно-разбросной посев. Для сохранения почвенной влаги катки сеялки установлены по двухрядной схеме, обеспечивающей прикатывание всей площади взрыхленной сошниками. Двухрядная схема установки катков, обеспечивает посев на почвах повышенной влажности, так как происходит очищение катков от налипшей почвы. Помимо этого достигает снижение гребнистости поверхности поля. Аналогичными преимуществами обладает универсальная сеялка-культиватор СУ-2, выпускаемая ТОО «КазНИИМЭСХ» город Костанай для разбросного посева [135].
Филиалом АО «Агромаш Холдинг», город Костанай выпускается универсальная зерновая сеялка СЗУ-21. По устройству она аналогична сеялке СКП-2.1 [135]. Модификации данной сеялки СЗУ-21 содержат увеличенный на на 40% бункер, двухрядное исполнение кольчато-шпорового катка и двухколесную переднюю опору.
Предприятие АО «Белинсксельмаш», город Каменка, Россия, выпускает стерневую сеялку-культиватор СКП-2.1-0.2 с повышенной скоростью транспортирования. Отличительная особенность сеялки – наличие задних пневматических опорно-транспортных колес и укороченного кольчато-шпорового катка. Такое конструктивное решение обеспечивает увеличение скорости при переездах на дальние расстояния, кроме того существенно увеличивается срок службы прикатывающих катков.
В городе Сызрань Россия предприятием «Сызраньсельмаш» выпускаются агрегаты универсальные посевные АУП-18.05 шириной захвата модуля 4,5 м, предназначенные для разбросного посева. Рабочими органами сеялки являются сошники на жёстких стойках со стрельчатыми лапами и прикатывающие катки цилиндрической формы. Для выравнивания поверхности почвы предусмотрен цепной шлейф, закрепленный за прикатывающими катками. Применение сцепок позволяет составлять агрегаты шириной от 9 м и более.
Блок-схема расчёта характеристик полёта частицы в программе Mathcad
Разработана модель, моделирующая траекторию движения частицы в стойке сошника и в подлаповом пространстве. При моделировании процесса распределения семян и дальности их отскока L, представленной в виде функции L= f (H, 1, 2, m, K, ), в программу вводятся физико-механические свойства семян (K – коэффициент восстановления скорости; – коэффициент мгновенного трения) и геометрические параметры сошника (H – высота стойки сошника, 1 – угол плоскости распределителя, 2 – угол наклона потолочной поверхности сошника). Положение поверхности отражателя и потолочной поверхности в программе задавали уравнениями прямой.
Процесс распределения в правой и левой части сошника одинаков, поэтому в расчётной схеме представлена только половина сошника. Методики расчёта траекторий полёта частицы в программе Mathcad, представлена в виде блок-схемы на рисунках 2.11-2.13. В первой части (рисунок 2.11) осуществляется ввод исходных данных граничных условий: высота падения координатами y0 и x0, коэффициент сопротивления k , t0 = 0, V0 = 0, n = n0, T = 0, y1, b1 , y2, b2.
Далее формулами описывается вертикальный полёт траектория движения частицы от семяпровода до отражающей поверхности и производятся вычисления: R = k m gV2, a = g -hg- V2 .
Полученным результатам присваиваются новые значения переменных: у=у + V- At - (a (Atf/2 , V = V + а At , t = t + At , Ay = y - yi + hi x0
Затем проверяется первое условие:
Пока число расчётов меньше 1000 (выход «НЕТ»), расчёт повторяется вновь и вновь. После того, как операции цикла выполнены 1000 раз (выход «ДА»), отрезок времени составит 0.01с (t =0.01с), записывается значение времени Т в матрицу результатов. Кроме этого записываются значения V скорости и координаты у уровень частицы над семенным ложем.
При выполнении или невыполнении первого условия проверяется второе условие Ау 0,0001. При каждом повторе расчётов проверяется: не достигла ли частица отражателя. Если расстояние между ними Ау 0,0001м, то осуществляется выход из первого цикла и переход ко второй части - расчёту характеристик косого удара об отражатель (рисунок 2.12).
Условие первое:
После того, как операции цикла выполнены 1000 раз, отрезок времени составит 0,01с (t =0,01с), записывается значение времени Т в матрицу результатов (выход «ДА»). Кроме этого записываются значения скорости и координаты у уровень частицы над семенным ложем. До этого момента, пока число расчётов меньше 1000, расчёт повторяется вновь и вновь, (выход «НЕТ»).
Условие второе:
При каждом повторе расчётов проверяется: не достигла ли частица отражателя. Если расстояние между ними Ау 0,0001м, то выходим из цикла и переходим к расчёту характеристик удара.
После проверки второго условия: «не достигла ли частица потолочной поверхности» из-за того, что траектория частицы может оказаться такой, что она не коснувшись потолочной поверхности упадёт на семенное ложе (у=0 или при расчёте у окажется меньше 0).
Если же второе условие «касание частицы потолочной поверхности сошника» выполнено, то выполняется переход к расчёту параметров удара об потолочную поверхность сошника. Далее выполняется расчёт траектории полёта частицы после отражения о потолочную поверхность сошника (рисунок 2.13).
Часть третья:
Характеристики косого удара о потолочную поверхность
Условие первое:
После того, как операции цикла выполнены 1000 раз, отрезок времени составит 0.01с (t =0.01с), записывается значение времени Т в матрицу результатов (выход «ДА»). Кроме этого записываются значения скорости и координаты у уровень частицы над семенным ложем. До этого момента, пока число расчётов меньше 1000, расчёт повторяется вновь и вновь, (выход «НЕТ»).
Условие второе:
Как и раньше касание частицы семенного ложа (у=0 или при расчёте окажется меньше 0), приводит к завершению расчёта.
Результатом расчёта является информация, которая выдается в виде таблиц с числовыми значениями координат траектории и дальности отскока и графического изображения траекторий движения частиц.
Предполагается, что частицы падают внутри стойки сошника на расстоянии 2 мм друг от друга и от стенок сошника, две плоскости распределителя выполнены по 1см, поэтому траекторий рассчитывается 10, обозначаем их (SI - S10). Числовые значения результатов расчёта траектории для каждой частицы выдаются программой, соответственно, десятью таблицами. Результат расчёта числовых значений траектории движения для одной из частиц в программе Mathcad представлен на рисунке 2.14.
Кроме того, результаты расчёта траекторий движения частиц выдаются программой в графическом виде. Частные случаи графического изображения траекторий движения частицы программой в Mathcad для различных углов установки плоскостей распределителя при взаимодействии с потолочной поверхностью лапы сошника представлены на рисунках 2.15, 2.16, 2.18, без взаимодействия с потолочной поверхностью на рисунке 2.17.a
Методика исследования процесса распределения семян от отражающей плоскости и влияние потолочной поверхности на их распределение по ширине сошника
Для экспериментального исследования процесса распределения семян и определения факторов влияющих на равномерность распределения семян по ширине сошника разработана лабораторная установка, рисунок 3.4.
Установка позволяет исследовать зависимость распределения семян от:
- высоты падения зерна H = 200…700 мм;
- место падения зерна на плоскостной распределитель;
- угла установки плоскостного распределителя от 10 до 70 градусов с шагом 5 градусов.
Работа установки состоит в следующем. Семена засыпаются в воронку трубки 2, высоту которой можно изменять с помощью штатива 1. Кронштейн 4, на котором закреплена трубка 2, позволяет регулировать место падения зерна на плоскостной распределитель 3, рабочий угол которого можно менять от 0 до 90 градусов [63, 81, 82].
Падая с высоты на поверхность плоскостного распределителя, семена ударяются о плоскостной распределитель 3 и отскакивают в приёмник 5, в котором имеются ячейки с шагом 15 мм.
В программу предварительных лабораторных исследований распределения семян сошником входило: исследование процесса распределения семян при отскоке от отражающей плоскости; определение влияния угла наклона плоскостного распределителя на распределение семян по ширине сошника при свободном отскоке и с учётом влияния потолочной поверхности подсошникового пространства .
Для исследования процесса распределения семян при отскоке от отражающей плоскости 3 откалиброванные семена пшеницы по одному зерну 100 раз сбрасывали через трубку 2 лабораторной установки (рисунок 3.4) с определённой высоты. Семена пшеницы отлетали в приемник 5, дно которого покрывали липким составом, чтобы исключить отскок и перекатывание зерна после приземления. Фиксировали дальность отскока каждого зерна. Изменяли угол наклона плоскостного распределителя и повторяли эксперимент. Наклон плоскостного распределителя 3 к горизонту изменяли в пределах от 10 до 70 градусов с диапазоном 5 градусов. Результаты экспериментальных исследований позволили получить гистограммы распределения отскока зерна и средние значения дальности полёта зерна L для различных углов наклона отражающей поверхности.
Экспериментальные исследования влияния потолочной поверхности подсошникового пространства проводились по следующей методике. Над приёмником 5, в котором расположены ячейки, под углом 18 градусов установили металлическую пластину 6, имитирующую потолочную поверхность сошника. Наклон плоскостного распределителя семян 3 к горизонту изменяли в пределах от 10 до 70 градусов с шагом 5 градусов.
Откалиброванные семена пшеницы по одному зерну 100 раз сбрасывали через трубку 2 лабораторной установки. Зерно пролетало через трубку 2, на выходе трубки ударялись о плоскостной распределитель 3 и отскакивали в приёмник 5 с ячейками (рисунок 3.4). Анализировали результаты эксперимента, где подсчитывали количество семян в каждой ячейке приёмника.
Технико-экономическая эффективность использования стерневой сеялки, оснащенной лаповыми сошниками с двухплоскостными распределителями семян
В соответствии с ГОСТ Р 53056-2008 «Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки» новой техники проводят сравнением с базовым вариантом (аналогом).
В качестве базовой модели применяли сцеп из шести стерневых сеялок СЗС-2.1М агрегатируемых трактором К-744. В качестве экспериментального использовали такой же посевной машинно-тракторный агрегат, с сеялками, оснащенными лаповыми сошниками с двухплоскостными распределителями семян [134, 136, 137].
В качестве исходной информации для экономической оценки используются результаты полевых испытаний, полученные по сравниваемым параметрам техники, в конкретной почвенно-климатической зоне в строго сопоставимых условиях, на опытном поле КГСХА и нормативно-справочная литература [36, 123, 124, 125]. Сопоставимость принятых условий сравнения двух вариантов (базовый и экспериментальный посевной агрегат) обеспечена тем, что использовались результаты полученные на одном поле, в одно и тоже время, в одних и тех же условиях. Применение сеялок-культиваторов, оснащенных лаповыми сошниками с двухплоскостными распределителями семян не изменило перечень операций технологического процесса посева пшеницы.
Экономическая оценка эффективности новой техники носит многокритериальный характер, выбор критерия эффективности определяется экономическими, социальными и экологическими проблемами, требующими своего решения в сельскохозяйственных предприятиях всех форм собственности [36]. За критерий экономической оценки эффективности принимаем урожайность и себестоимость сельскохозяйственной продукции [83, 84, 85].
Оценку экономической эффективности посевного агрегата с сеялками оснащенными лаповыми сошниками с двухплоскостными распределителями семян проводили по показателям затрат денежных средств на модернизацию сеялки и сроку их окупаемости. Технико-экономические характеристики базовой сеялки СЗС-2.1М и экспериментальной сеялки-культиватора с лаповыми сошниками с двухплоскостным распределителем семян приводим в таблице 4.8.
Исходя из часовой производительности и потребности в механизаторах, определяем удельные затраты труда на посев для базового и предлагаемого (модернизированного) агрегата по формуле
Анализируя данные таблицы 4.8, удельные затраты труда и производительность базового и экспериментального агрегатов имеют одинаковые значения.
Расчёт заработной платы на монтажные работы производим в таблице 4.9.
Расчётная заработная плата на монтажные работы всего с начислениями и отчислениями равна 8684 рублей, тогда как из них отчисления на социальные нужды равны 2004 рублей. Заработная плата итого по тарифу составляет 4441 рублей.
Затраты на модернизацию См конструкции сошников определяем, путём установки двухплоскостных распределителей по формуле
Балансовая стоимость (БС) тракторов и сельскохозяйственных машин берется по рыночным ценам. Балансовая стоимость базового агрегата БСБ = 6852000 р., балансовая стоимость модернизированного агрегата: БСМ = БСБ + См = 6852000 + 22148 = 6874148 р.
Для инженерно-экономического анализа эффективности внедрения модернизированной сеялки путём применения двухплоскостного распределителя в растениеводстве производим расчёт эксплуатационных затрат. Расчёт ведётся как для модернизированной и базовой машине. Устанавливаем прямые эксплуатационные затраты (ИУ) на единицу работы по каждому агрегату
Экономические расчёты подтверждают, что применение стерневых сеялок, оснащенных лаповыми сошниками с двухплоскостными распределителями семян экономически целесообразно. Доход от получения дополнительной продукции при нормативной годовой загрузке 140 часов составил 1105720 рублей на один агрегат с шестью стерневыми сеялками. Годовой экономический эффект, обусловленный повышением равномерности распределения семян, составит 504 рубля на один гектар. Срок окупаемости один сезон.