Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования... 6
1.1. Краткий анализ технологии и средств механизации посева сахарной свеклы 6
1.2. Агротехнические требования 8
1.3. Краткий обзор конструкций механических аппаратов сеялок точного высева семян пропашных культур 9
1.4. Анализ материалов по исследованию технологического процесса работы механических высевающих аппаратов сеялок точного высева семян 22
1.5. Обзор и выявление недостатков механического высевающего аппарата сеялки ССТ-12Б, пути их устранения 28
1.6. Анализ работ по исследованию процесса точного высева семян сахарной свеклы высевающим аппаратам сеялки ССТ-12В 32
1.7. Задачи исследования 38
2. Теоретические исследования процесса работы механического конусоидального аппарата точного высева семян 40
2.1. Выбор модели сыпучего тела 40
2.2. Характер движения семян в бункере высевающего аппарата 42
2.3. Транспортировка семян вращающимся пустотелым конусом 44
2.4. Характер движения семян в семенной камере 50
2.5. Тип, форма и размеры ячеек высевающего кольца 58
2.6. Западание семян в ячейки высевающего кольца 62
2.7. Укладка семян в ячейках высевающего кольца 66
2.8. Выпадание семян из ячеек высевающего кольца..; 70
2.9. Выводы 73
3. Методика экспериментальных исследований 74
3.1. Методика исследований физико-механических свойств семян сахарной свеклы 74
3.2. Разработка экспериментальной установки для исследований и испытаний высевающих аппаратов сеялок 80
3.3. Методика экспериментальных исследований серийного механи ческого высевающего аппарата сеялки ССТ-12Б в лабораторных условиях 89
3.4. Методика экспериментальных исследований механического конусоидального высевающего аппарата в лабораторных условиях 89
4. Результаты экспериментальных исследовании 97
4.1. Физико-механические свойства семян 97
4.2. Результаты исследований серийного механического высевающего аппарата сеялки ССТ-12В 107
4.3. Результаты исследований экспериментального механического конусоидального высевающего аппарата 108
5. Технико-экономическая эффективность механического конусоидального высевающего аппарата 121
Общие выводы 125
Литература 128
Приложения 138
- Краткий анализ технологии и средств механизации посева сахарной свеклы
- Анализ материалов по исследованию технологического процесса работы механических высевающих аппаратов сеялок точного высева семян
- Характер движения семян в бункере высевающего аппарата
- Разработка экспериментальной установки для исследований и испытаний высевающих аппаратов сеялок
Введение к работе
Сахарная свекла — основное сахароносное растение умеренного пояса, используемое для производства сахара с XIX в., нуждается в значительных запасах тепла, имеет растянутый период вегетации (120—160 дней), требовательна к условиям увлажнения. Более высокая сахаристость корнеплодов современных сортов может быть достигнута в районах с большим числом солнечных дней. Для этой культуры благоприятны суглинистые, хорошо прогреваемые и богатые питательными веществами почвы, характеризующиеся высокой влагоемкостью и нейтральной реакцией. Наряду с природными условиями на размещение сахарной свеклы влияют также экономические факторы: обеспеченность трудовыми ресурсами, особенности ЭГП сельских местностей, учитывая большую трудоемкость этой культуры и малую транспортабельность ее продукции [1,2, 3].
Собственным источником сырья для получения сахара в России является сахарная свекла. До 70-х годов объемы ее производства увеличивались в основном за счет расширения посевных площадей. Динамика производства сахарной свеклы приведена в таблице 1.1 приложения 1. Рассмотрим в динамике размещение посевов сахарной свеклы в России в природно-экономических районах (приложение 1 табл. 1.2) за период с 1971 по 1990г. Существенных изменений в размещении свекловодства не произошло, около 70% посевов сахарной свеклы находятся в районах с высокой биологической активностью климата (Центрально-Черноземный и Северо-Кавказский). Несмотря на достаточно высокий биологический потенциал Центрального экономического района, там произошло заметное снижение удельного веса свекловичных посевов (с 10,3% в 1966-1970гг. до 8,7% в 1986-1990гг.). За 1966-1990гг. в общей площади посевов увеличилась доля Поволжского и Уральского районов
[4].
В 1966 - 1999гг. средний ежегодный размер посевной площади сахарной свеклы в России составил 925,5 тыс.га, 47,9% которых расположены в
5 Центрально-Черноземном, 22,5% - в Северо-Кавказском, и 11,9% - в Поволжском районах [1]. Установлено, что за последние годы объемы посевных площадей увеличиваются.
Важнейшим фактором повышения урожайности сахарной свеклы является посев семян в сжатые агротехнические сроки с оптимальным размещением растений по площади питания, что требует создания высокоскоростных посевных машин, обеспечивающих посев с высокой точностью. Большинство свекловичных хозяйств России используют сеялки точного высева ССТ-12В, с установленными на них дисковыми механическими высевающими аппаратами, которые имеют ряд недостатков, снижающих качественные показатели посева. Наличие отражателя и выталкивателя оказывает негативное механическое влияние на семена. Низкая скорость посевного агрегата обусловлена малой частотой вращения высевающего диска.
В этих условиях для повышения качественных показателей посева семян сахарной свеклы необходимо решение технологических и технических проблем с использованием последних научных достижений в этой области.
В соответствии с вышеизложенным, целью работы является обоснование конструктивно-технологических параметров механического аппарата, обеспечивающего качественное однозерновое дозирование семян сахарной свеклы, и повышение производительности свекловичной сеялки.
Рабочая гипотеза основана на предположении, что процесс однозер-нового дозирования семян сахарной свеклы возможно осуществить механическим конусоидальным аппаратом точного высева семян.
В результате проведенных исследований были определены конструктивно-технологические параметры механического конусоидального аппарата точного высева семян сахарной свеклы. Результаты проведенных исследований и конструктивные решения конусоидального высевающего аппарата были переданы на Ставропольский экспериментальный завод для внедрения в производство (приложение 1).
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в их числе - па-
тент на изобретение № 2239974 (приложение 1), и патент на полезную модель № 50073 (приложение 1).
На защиту выносятся следующие положения выполненной работы.
Теоретическое исследование технологического процесса подачи и од-нозернового дозирования семян сахарной свеклы механическим кону-соидальным аппаратом точного высева семян.
Методика экспериментальных исследований конструктивных параметров и режимов работы механических высевающих аппаратов,
Статистическая математическая модель процесса дозирования семян сахарной свеклы механическим конусоидальным высевающим аппаратом.
Результаты исследований физико-механических свойств семян сахарной свеклы.
Результаты лабораторных опытов по исследованию технологического процесса работы механического конусоидального высевающего аппарата и дискового высевающего аппарата сеялки ССТ-12Б.
Технико-экономическая оценка предложенной разработки. і
Краткий анализ технологии и средств механизации посева сахарной свеклы
Сахарную свеклу обычно сеют одновременно с севом зерновых колосовых культур. Слишком ранний и поздний посевы приводят к изреженности всходов и снижению урожая. Оптимальная продолжительность сева свеклы 3 — 5дней.
Сеют сахарную свеклу на неполивных полях с междурядьем 45 см, а поливных - 60 см. Используют преимущественно одноростковые калиброванные семена, в последние годы всё чаще дражжированные. Способ посева пунктирный с расстоянием между семенами 5-12 см, что соответствует высеву на 1 метре пути 8-20 штук семян. Семена калибруют на фракции 3,5 -4,5 и 4,5 - 5,5 мм. В соответствии с фракцией семян применяют высевающие диски с ячейками диаметром 5,1, 6,0 мм, если посев осуществляется сеялкой ССТ - 12В. Калибровать семена следует непосредственно перед посевом, так как при длительном хранении в неконтролируемой по влажности среде размеры семян могут существенно измениться [1].
Как показали исследования ВНИИРС применение на посеве дражжиро-ванных семян при малых нормах высева (до 12 штук на метр) позволяет снизить затраты труда на 19% и повысить урожай, однако это предполагает и более высокую культуру земледелия.
Для предотвращения раскатывания дражжированных семян по борозде и ухудшения вдольрядной равномерности распределения растений рекомендуется такие семена высевать сеялками с клиновидными сошниками и с одним рядом ячеек [5].
Норму высева семян устанавливают в зависимости от конкретных условий. При пониженных нормах высева существует опасность получения из-реженных всходов из-за некачественной подготовки почвы, образования почвенной корки и других причин. При повышенных нормах высева требуется больше затрат на прорывке и проверке свеклы.
На недостаточно окультуренных почвах и при плохой подготовке их к посеву для получения более или менее дружных и ровных всходов на 1 метр следует высевать 16-18 семян, чтобы получить 12-14 всходов свеклы. При хорошо подготовленной почве и доброкачественных семенах можно высевать 8-10 семян на 1 метр рядка (при лабораторной всхожести 85%) или 12 -14 семян (при лабораторной всхожести 80%), что соответствует количеству
125 - 130 тысяч растений на гектар (к уборке 90 - 100 тысяч растений на гектар) [1].
Глубина заделки семян зависит от срока посева, погодных условий, качества подготовки и влажности почвы. При глубокой заделке, особенно при наличии даже незначительной корки, нежные проростки не могут пробиться на поверхность, и всходы будут изреженными. При мелкой заделки семена оказываются в сухой почве и не прорастают, так как для этого не хватает влаги.
При достаточной влажности почвы и благоприятной погоде семена заделывают на глубину 25-30 мм, а в условиях засушливой весны на 35 - 40 мм.
Посев семян сахарной свеклы производится [6] серийными свекловичными механическими сеялками ССТ-12В или пневматическими СТВС-12, СТВ-108, АиСт, СТВ-12 Полесье и др.
Навесная свекловичная сеялка ССТ-12В предназначена для пунктирного высева калиброванных семян сахарной свеклы с одновременным внесением минеральных удобрений, а также для высева дражжированных семян свеклы. Свекловичная сеялка предназначена для работы в основной зоне свеклосеяния для посева семян с междурядьем 45 см. Сеялка агрегатируется с тракторами Т-70, МТЗ-80/82, ЮМЗ-6А.
Сев сахарной свеклы начинают, когда почва прогреется на глубине 8 -10 см устойчиво до 5 - 7 С и хорошо разделывается без залипання рабочих органов [6] . Продолжительность сева - не более четырех дней, а на одном поле - не более 1,5 дня. Глубина заделки семян 2,5 - 3,0 см, с отклонением не более 0,5 см. При засушливой весне - 3,5 - 4,0 см. Ширина междурядий 45 см с допустимым отклонением основных ± 1 см, а стыковых - ± 3 - 4 см. Высевать необходимо высококачественные калиброванные или дражжиро ванные семена на хорошо обработанных участках с незначительной засоренностью, эффективной борьбой с болезнями и вредителями. В этом случае сеялку устанавливают на высев 8-10 семян на 1 пог.м для получения 5-6 всходов. На менее окультуренных участках норму высева увеличивают до 16-18 семян на 1 погонный метр с тем, чтобы получить 12-14 всходов на 1 погонный метр рядка. Лишние растения в последующем удаляют. Всхожесть, одноростковость и выравненность семян должны быть не ниже 90%. Характеристика посевов для всех типов сеялок представлена в таблице 1.
Анализ материалов по исследованию технологического процесса работы механических высевающих аппаратов сеялок точного высева семян
Технологический процесс высева семян механическим высевающим аппаратом - сложный многоступенчатый процесс взаимодействия различных факторов, который можно разделить на следующие этапы : - истечение семян из бункера в семенную камеру; - создание в семенной камере активного слоя семян; - захват семени ячейкой высевающего диска; - вынос семени из слоя семян и транспортирование до зоны сброса "лишних" семян; - сброс лишних семян; - разгрузка ячейки высевающего диска; - перемещение семени от ячей высевающего диска до дна борозды.
На каждом из этапов на течение процесса оказывают влияние различные сочетания факторов, определение которых и является задачей научных исследований. На сегодняшний день существует большое количество работ, посвященных рассмотрению данного вопроса. Однако, как показывает их анализ, до сих пор нет целостной картины всего процесса. Все исследования, как правило, более или менее точно описывают отдельные элементы процесса или его частные случаи.
Таким образом, конструирование и изготовление высевающих аппаратов точного высева должно опираться на теорию таких процессов, как запа-дание семян и их укладка в ячейки высевающего диска, отражение "лишних" семян и разгрузка ячеек диска, гнездообразование, а также на законы распределения семян в почве и растений в рядках в зависимости от полевой всхожести.
Теории сыпучих тел посвятили свои труды многие ученые. В их числе Л.В.Гячев, В.А.Богомягких, Г.И.Покровский, А.И.Арефьев, И.П.Линчевский, М.Н.Летошнев, К.В.Алферов, А.Н.Карпенко, Н.П.Платонов, В.Б.Фаеман, К.И.Куценко, Е.А.Бланта, А.Н.Семенов, А.Ф.Владимиров, В.М.Атомян, и др.
А.Н.Карпенко [32, 33] выявлены зависимости расхода семян различных сельскохозяйственных культур от диаметра, площади отверстия и скорости высыпания. А.Н.Карпенко предложил всю массу сыпучего материала во время истечения делить на три зоны : активную, мало активную и пассивную.
По данным А.Н.Семенова [34], высыпание семян через отверстие проходит пять этапов.
В.М.Атомян [35] изучал влияние на процесс истечения семян формы и места расположения отверстия, его кромки, толщины дна цилиндра, диаметра цилиндра, высоты слоя семян в цилиндре, коэффициента внешнего трения и др. По данным В.М.Атомяна, высота отверстия не влияет на расход.
Л.В.Гячевым [36] создана теория движения сыпучих материалов в трубах и бункерах. В основу теории положена модель сыпучего тела в виде совокупности отдельных абсолютно твердых невращающихся шаров, размеры которых малы в сравнении с размерами поперечного сечения бункера и высотой столба сыпучего тела. Теория Л.В.Гячева получила дальнейшее развитие в работах В.А.Богомягких [37].
Н.С.Алексеенко [38], В.А.Савенко [39] А.А.Бертов [40], П.М.Бондаренко [41], К.Х.Попандуполо [42] и др. изучали перемещения семян в бункерах высевающих аппаратов и детализировали характер перемещения семян в цилиндрическом бункере.
В земледельческой механике накоплен значительный опыт математического описания технологических процессов машин и аппаратов. Развитие методов математического моделирования базируется на трудах В.А.Желиговского [43], П.М.Василенко [16, 44], и ряда других ученый.
Методы моделирования процесса посева использованы в трудах С.В.Кардашевского [45], Е.И.Давидсона [46], В.А.Черноволова [47], Н.М.Беспамятновой [48], А.Ф.Кошурникова [49], Э.В.Веверса [50], В.Я.Коваля [51], и многих других исследователей.
Теоретическому обоснованию параметров и режимов работы высевающих аппаратов сеялок общего и специального назначения посвящены работы Горячкина В.П. [52], Пигулевского М.Х. [53], Руденко Н.Е. [31], Василенко П.М [16] Желиговского В.А.[43], Семенова А.Н. [54], Летошнева М.Щ55], Карпенко А.Н [32, 33], Карпуши П.П. [56], Гусинцева Ф.Г.[57] и др.
Процесс западання семян и их укладка в ячейки высевающего диска был исследован целым рядом ученых.
Полонецкий С.Д. [58] проводя исследование процесса заполнения ячей высевающего диска семенами, предлагает величину критической скорости V, при которой прекращается наполнение ячейки семенами, определять по формуле:
Характер движения семян в бункере высевающего аппарата
Бункер высевающего аппарата предназначен для подачи семян в цилиндрический корпус высевающего аппарата. В зоне выпадения семян из выходного окна бункера образуется поток в виде сужающегося конуса. Граничные семена этого потока, перемещаясь, скользят с одной стороны по стенке бункера, с другой по поверхности, образованной неподвижными семенами. Учитывая, что коэффициент трения семян о стенку бункера намного меньше, чем приведенный коэффициент внутреннего трения семян, можно предположить, что перемещение граничных слоев потока будет происходить по стенке высевающего аппарата, как гидравлическое истечение сыпучего материала [90, 91]. Через выходное окно бункера семена попадают в цилиндрический корпус высевающего аппарата, а оттуда уже, осыпаясь под углом естественного откоса во вращающийся конусный дозатор.
Емкость бункера /б зависит от рабочего захвата сеялки, и в среднем для пропашных сеялок составляет около 80 дм3 на 1 м захвата. При длине гона Ьг, проходимого сеялкой от одной заправки до другой, и наибольшей норме высева Qmax емкость Ug для сеялки с шириной захвата Вр (м) составит : L -Q -В її _ г max р 1 10і -у 2- где у - насыпная плотность семян, кг/м . Так как во время работы в бункере должен оставаться в конце гона запас семян не менее 10 - 15 % объема бункера, тогда зависимость (2.0) примет вид: U6 =(1Л..1,15) - . (2Л)
Семена из бункера 1 (рис.2Л) через выходное окно 2 поступают в полость цилиндрического корпуса 3. Осыпаясь под углом естественного откоса Я, они образуют определенный слой высотой hcc на поверхности вращающе гося конусного дозатора 5. Высота слоя семян hcc, поступающего на внутреннюю поверхность конусного дозатора 5, зависит от площади выходного окна 2 бункера 1, диаметра и длины цилиндрического корпуса 3. Величина этого слоя регулируется заслонкой 4.
Для подачи семян на поверхность высевающего кольца используется конусный дозатор, так как при использовании цилиндрического дозатора происходило бы только относительное перемещение в плоскости вращения, а производительность равнялась нулю.
Семена определенным слоем поступают на внутреннюю поверхность конусного дозатора со стороны меньшего диаметра. Подача зернового материала происходит непрерывно. При вращении конусного дозатора с угловой скоростью со, семена поднимаются вместе с внутренней поверхностью дозатора до точки А] (рис.2.2), определяемой углом поднятия Д после чего начинают скользить вниз по траектории А}В].
При этом скатывание семян происходит под углом є, что обеспечивает продвижение семян вдоль оси вращения за счет силы трения и наклона образующей конуса дозатора, под углом а .
С целью определения угла ската семян произведем дополнительные геометрические построения [104]. Пусть АВ — образующая (рис.2.3), проходящая через точку А, определяемую радиусом АО, проведенным под углом /? к диаметру W, лежащему в вертикальной плоскости OOV.
Проведем через точку в горизонтальную плоскость ВСЕ, которую назовем плоскостью основания, а через образующую АВ - вертикальную плоскость ABE, след которой на плоскости основания - линия BE. В этой плоскости ABE проведем вертикаль AD J. BE; линия АЕ - ребро пересечения вертикальной плоскости ABE и плоскости вращения AOW. В этой плоскости проведем касательную АС к окружности дозатора в точке А; тогда угол АСЕ = р , а линия ВС — след на плоскости основания касательной плоскости ABC, касающейся поверхности дозатора по образующей АВ. Пусть след ВС этой касательной плоскости на плоскости основания образует угол 5 со следом BE вертикальной плоскости ABE.
Чтобы получить угол наибольшего ската у в точке А, т.е. двугранный угол между касательной плоскостью ABC и плоскостью основания, проведем через AD вертикальную плоскость и будем вращать ее вокруг линии AD как вокруг оси, пока эта плоскость не станет перпендикулярной к ребру ВС двугранного угла, так что угол CFD = 90.
Тогда угол AFD = у и будет углом наибольшего ската в точке А, так как ребро ВС двугранного угла будет перпендикулярно ко всем линиям, проведенным в вертикальной плоскости AFD.
Если спроецировать линию наибольшего ската AF на вертикальную плоскость ABE, то получится линия AG, отклоняющаяся от вертикали AD на угол Е = GAD; для получения точки G проводим в плоскости основания линию FG ± BE (Б-Б) и соединим точки А и G.
Разработка экспериментальной установки для исследований и испытаний высевающих аппаратов сеялок
Оценка работы высевающих аппаратов - сложный, ответственный процесс, целью которого является получение точных качественных показателей его работы. Для аппаратов точного высева семян наиболее важными показателями его работы являются : 1. Частость однозерновой подачи семян, Р\, %; 2. Частость нулевой подачи семян (пропуски) Ро, %; 3. Частость семян высеянных по два (двойники) Pj, % 4. Равномерность распределения семян после выхода из аппарата.
Значение каждого из этих показателей с наибольшей точностью получить весьма затруднительно. Таким образом, следует разработать и изготовить лабораторный научно-исследовательский стенд, который позволяет по лучить указанные показатели с максимальной точностью.
В качестве прототипа использовался лабораторный стенд [106]. Данный стенд имеет ряд недостатков, которые снижают точность проводимых исследований, а также в конструкции данного стенда нет возможности изучить распределение семян после выхода из высевающего аппарата.
В Ставропольском государственном аграрном университете на кафедре "Сельскохозяйственные машины" была разработана схема работы экспериментальной установки "СИПС-К", которая была изготовлена на базе Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии.
Экспериментальная установка "СИПС-К" состоит из рамной конструкции, разделенной на три зоны, в которых продольно установлены две базовых модели высевающих аппаратов сеялок ССТ-12В - {(рис.3.3), АиСт - 2, и одна экспериментальная модель механического конусоидального высевающего аппарата 3 (Патент на изобретение № 2239974 Россия, МПК 7 А 01 С 7/04. - 2003125401/12; Заявлено 18.08.2003, Приоритет 18.08.2003; соавтор: Руденко Н.Е.). Привод высевающих аппаратов осуществляется от вала 4, закрепленного в подшипниках опоры, и приводящегося в движение от электродвигателя 5.
Плавное изменение частоты вращения двигателя достигается частотным преобразователем 12. Поперек рамы установлен в подшипниках 14 вал 6, приводящийся в движение от электродвигателя 7 расположенного ниже. Вал приводит в движение элемент "бегущее поле" 8, который может перемещаться в поперечном направлении под зону сброса семян высевающими аппаратами, и фиксироваться. Изменение скорости движения липкой ленты достигается с помощью шкивов, установленных в блоке 9. В нижней части рамной конструкции установлен вентилятор 10, создающий вакуум для пневматического высевающего аппарата, изменяется с помощью регулятора, величина вакуума отображается вакуумметром 13. Каждая модель высевающих аппаратов оснащается системой сбора информации, в виде оптических, лазерных датчиков, фиксирующих технологические показатели работы аппа рата, которая передает собранную информацию в карту АЦП, установленную в персональном компьютере 11.
Оптическая схема фотоэлектрических датчиков имеет три основных разновидности: это работа на просвет, на обратное отражение и на рассеянное отражение. В конструкции экспериментальной установки "СИПС-К" используются фотоэлектрические датчики, работающие на просвет. В этом типе датчиков приемник 2 и излучатель 1 (рис.3.4) расположены напротив друг друга таким образом, что световой поток из излучателя попадает непосредственно в приемник. Положение объекта 3 определяется, когда он перекрывает луч от излучателя 1 в приемник 2. Настройка взаимного расположения датчиков заключается в том, что бы максимальное количество света 6 , от излучателя 1 попадало бы в приемник 2.
Под рабочим диапазоном датчика этого типа подразумевается максимальное расстояние между излучателем и приемником при котором может происходить работа датчика. Эффективный луч датчика, это часть полного луча, излучаемого излучателем, которая необходима для надежного срабатывания, когда объект перекрывает луч. Эффективный луч датчиков, работающих на просвет, это цилиндр, соединяющий линзы излучателя и приемника.
Это может быть так же конус, если линзы излучателя и приемника имеют разный диаметр. Эффективный луч не может выходить за пределы диаграммы направленности излучателя и поля зрения приемника.
