Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Технологические схемы посева семян овощных культур и агротехнические требования 8
1.2. Современные конструкции овощных сеялок и эффективность их работы 11
1.3. Краткий обзор работ по изучению рабочих процессов овощных сеялок, методик испытания и методов контроля качества
1.4. Методы и средства контроля качества работы дозирующих систем сеялок 23
1.5. Постановка вопроса и задачи исследования
ГЛАВА 2. Анализ рабочего процесса высевая системы овощной сеялки и обоснование схемы оперативного контроля расхода семян 35
2.1. Модели функционирования овощных сеялок 55
2.2. Динамика дозирующей системы овощной сеялки 39
2.3. Оценки эффективности функционирования рабочего процесса овощной сеялки (по расходу семян) 50
2.3.1. Постановка вопроса 50
2.3.2. Обоснование параметра контроля 52
2.3.3. Алгоритм контроля расхода семян овощной сеялкой и функциональная схема системы контроля 61
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований овощной сеялки
3.1. Задачи и программа лабораторных и полевых экспериментальных исследований.
3.2. Методика лабораторных и полевых исследовании 69
3.2.1. Методика лабораторных исследований 69
3.2.2. Методика полевых исследований
3.3. Приборы и аппаратура используемые при экспериментальных исследованиях .
3.3.1. Фотоэлектрический датчик частоты вращения 77
3.3.2. Датчик расхода семян овощных культур 84
3.3.3. Блок сбора информации 95
3.4. Методика обработки экспериментальных данных 98
ГЛАВА 4. Результаты лабораторно-полевых исследований дозирущей системы овощной сеялки
4.1. Вероятностные характеристики процессов высева семян овощных культур
4.1.1. Анализ входных процессов 127
4.2. динамические характеристики высевающего аппарата
4.3. Динамические характеристики привода вала высевающих аппаратов
4.4. Динамическая точность дозирующей системы овощной сеялки
4.5. Влияние скорости движения сеялки и длины зачетного участка числовые характеристики процесса К (t)
ГЛАВА 5. Устройство оперативного контроля расхода семян овощных сеялок . 140
5.1. Структурная схема устройства
5.2. Устройство и работа системы оперативного контроля
5.3. Проверка и оценка работоспособности устройства оперативного контроля расхода семян овощной сеялки 153
ГЛАВА 6. Практические рекомендации по выбору параметров устройства оперативного контроля по расходу семян овощной сеялкой и экономическая эффективность его использования 158
6.1. Выбор элементов и параметров устройств контроля овощных сеялок по расходу семян 158
6.2. Расчет экономической эффективности
Основные выводы 165
Список литературы
Приложение
- Современные конструкции овощных сеялок и эффективность их работы
- Динамика дозирующей системы овощной сеялки
- Фотоэлектрический датчик частоты вращения
- Вероятностные характеристики процессов высева семян овощных культур
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС поставлены важные задачи по развитию овощеводства. Предусматривается в II и последующих пятилетках увеличить производство овощей, расширить их ассортимент и улучшить качество, обеспечить производство овощной продукции в колличествах, удовлетворяющих потребность в них населения. Основным резервом увеличения производства овощей является повышение их урожайности,
В цикле возделывания овощных культур главной операцией является посев. Посев в сжатые сроки, с высоким качеством - залог получения высоких урожаев овощей. Для посева овощей используют семейство сеялок СОН-2,8, СКОН-4,2, СКОСШ-2,8, а также комбинированный агрегат ГС-1,4. В настоящее время промышленность выпускает новую универсальную сеялку СО-4,2.
Однако выпускаемые овощные сеялки не отвечают предъявляемым к ним агротехническим требованиям по равномерности распределения семян вдоль рядка и сохранению заданной норды высева в силу специфики условий их работы.
Совершенствование посевной техники в настоящее время развивается в нескольких направлениях; разработка схем и более совершенных рабочих органов и оснащении сеялок устройствами контроля и управления рабочих процессов.
Ближайшей задачей является разработка и создание устройств контроля расхода семян овощных культур. Это позволит в процессе посева контролировать и корректировать такие важные показатели качества посева, как стабильность нормы высева и равномерность распределения семян вдоль рядка.
Однако такие устройства контроля расхода семян не получили распространения и их разработка находится ещё в стадии экспериментирования. Актуальность разработки подобных систем подтверждена экономическими расчетами ряда ведущих организаций в нашей стране и зарубежных фирм. Как показывает опыт применения опытных образцов таких приборов для зерновых сеялок экономический эффект от их внедрения составляет около 560 рублей / 67 / в год на одну машину.
Задачей настоящей работы было изучение процесса дозирования семян овощных культур высевающими аппаратами серийных овощных сеялок и определение динамических характеристик элементов, входящих в дозирующую систему сеялки, а также разработка на этой основе устройства контроля расхода семян овощных культур - одного из основных показателей качества рабочего процесса сеялки.
В результате теоретических исследований была разработана динамическая модель дозирующей системы сеялки, выбран и обоснован параметр контроля, разработаны алгоритм и функциональная схема прибора контроля качества работы сеялки по расходу семян.
Лабораторные исследования проводились на лабораторной
установке, созданной на кафедре сельскохозяйственных машин ЛСХИ. При лабораторных исследованиях были определены вид и коэффициенты передаточной функции высевающих аппаратов сеялок СОН-2,8 и СО-4,2, получены статистические характеристики расхода семян, выходящих из высевающего аппарата, исследованы измеритель расхода семян и датчик пути, а также их метрологические характеристики.
На основе информации, полученной в результате полевых экспериментов, были определены числовые характеристики входных воздействий на дозирующую систему сеялки, уточнен вид и определены параметры передаточной функции привода вала высевающих аппаратов, оценена динамическая точность дозирующей системы.
Результаты лабораторных и полевых исследований позволили разработать макет прибора контроля качества работы овощных сеялок по расходу семян, а также выбрать допускаемые отклонения на колебания контролируемого параметра и длину контрольного участка.
Исследования разработанного макета прибора подтвердили правильность выбранных предпосылок, показали его работоспособность и целесообразность использования на овощных сеялках.
Результаты экономических расчетов подтвердили эффективность разработанного устройства.
Работа выполнена в соответствии с планом проблемной лаборатории ЛСХИ по методам и средствам автоматизации и контроля режимов работы мобильных с.-х. агрегатов на основании научно-технический проблемы О.СХ. 105, задание 07.
Современные конструкции овощных сеялок и эффективность их работы
Б настоящее время посев семян овощных культур рядовым способом осуществляется семейством сеялок /31,42/ С0И-2,8А; СКОН-4,2; СК0СШ-2,8# Основные рабочие органы сеялок унифицированы. Отличаются сеялки лишь шириной захвата, наличием аппаратов для внесения удобрений и областью применения.
Так, овощная сеялка С0Н-2,8А предназначена для посева семян овощных культур и кормовых корнеплодов во всех зонах страны, а сеялка СКОН-4,2 применяется для посева семян на бороздково-террасной и ровной поверхности с одновременной нарезкой поливных борозд в районах поливного овощеводства и избыточного увлажнения. В отличии от сеялки С0Н-2,8А, сеялка (ЖОН-4,2 позволяет высевать семена овощей с одновременным внесением минеральных удобрений. Сеялка СКОСШ-2,8 монтируется на раме самоходного шасси. Рабочий процесс данного семейства сеялок включает передачу семян высевающим аппаратом из бункера через семяпровод на дно борозды и заделку семян осыпающейся со стенок борозд почвой при помощи прикатывающих катков. Для зон повышенного увлажнения выпускается грядоделатель-сеялка ГС-1,4. Данные агрегат позволяет одновременно осуществлять подготовку почвы к посеву (нарезка гряд, рыхление, выравнивание, прикатывание) и непосредственно сам посев с внесением минеральных удобрений. Наличие такого колличества сеялок для рядового посева овощей хотя и объясняется разнообразием почвенных зон, схем посева и большим диапазоном норм от 0,5 до 150 кг/га, однако не может быть оправдано с технических и технико-экономических позиций. В системе машин на I98I-I990 г.г. для возделывания и уборки овощных культур в открытом грунте предусмотрено применение машин шириной захвата 1,8; 4,2; 5,4 м. Кроме этого, предполагается внедрить сеялку точного высева овощных культур, возделываемых с интервалами между растениями 10 см. Сокращены и упорядо-ченены схемы посева и посадки овощных культур однострочный (60,80,140 см), двухстрочный (50+90; 20+50; 15+55; 8+62; 60+120), трехстрочный (32+32+76; 40+40+60; 10+10+70; 55+55+70) и некоторые другие (5+27+5+27+76; 8+47+8+47+8+62)схемы. Для реализации системы машин с 1982г. выпускается овощная сеялка СО-4,2, которая в дальнейшем должна заменить все ранее выпускаемые овощные сеялки. Основным достоинством сеялки СО-4,2 является её универсальность по отношению к почвенно-климатическим зонам страны. Сеялка может высевать семена овощных культур с большим диапазоном норм от 0 ,5 до 108 кг/га и по различным схемам, причем малые нормы высеваются без баласта. Ширина захвата в зависимости от схемы посева меняется от 3,6 до 4,2 метра. Высев семян осуществляется одновременно с внесением удобрений. Для повышения равномерности высева семян высевающий аппарат имеет катушку с разновеликими желобками и регулируемое донышко. Для оповещения тракториста о высеве семян сеялка снабжена сигнализатором вращения вала высевающих аппаратов, а также датчиком уровня семян в бункере. Б зарубежных странах известные фирмы Дики-Джон, Джон-Дир, Вебб, Стенхей, Фенд, Нибе и другие в основном выпускают сеялки для пунктирного посева семян овощных культур. Применяются различные высевающие аппараты ленточные, ложеч-ковые и др. Следует отметить, что в развитых зарубежных странах подавляющая площадь (80$ и более /22/) засевается дрожированными и рдноростковыми семенами. В некоторых областях нашей страны для пунктирного посева семян овощных культур используют переоборудованные свекловичные .и кукурузные сеялки.
В соответствии со сложившейся практикой серийно выпускаемые овощные сеялки по конструкции и рабочему процессу идентичны зерновым сеялкам. Это обстоятельство предопределило как направление, методы и средства проведения испытаний и исследований, так и методы оценки качества работы овощных сеялок.
Динамика дозирующей системы овощной сеялки
Принцип работы акустических датчиков состоит в следующем. Под действием ударов семян чувствительный элемент (микрофон или полый упругий колпачек) возбуждает колебания воспринимаемые звукоприемником, которые впоследствии трансформируются либо в электрический сигнал /41/, либо непосредственно прослушиваются трактористом /4/. Сложность конструкции, а также низкая надежность в работе ограничивают их применение.
Основным звеном пьезоэлектрического измерителя служит чувствительный элемент, в состав которого входят пьезокристалл и щуп, воспринимающий удары семян, а также демпфирующее устройство. В качестве пьезокристалла используют турмалин, кварц, сегнетову соль, титанат бария.
Пьезоэлектрические датчики, как и выше описанные датчики, используют в системах контроля высева для рядовых сеялок, а также в системах контроля расхода семян для сеялок с однозерновым потоком. Так фирма "Дики Джон" /101/ получила патент на прибор контроля, в котором пьезодатчик состоит из (рис. 11,6) ударной пластины, присоединенной к трубке I диаметром 2 см. Ударная пластина состоит из двух элементов - "подушки" 2, из паралона, и медной пластины 3. Между подушкой и медной пластиной установлен пьезокристалл 4. Кристалл выбирается так, чтобы его резонансная частота была выше частот, которые генерируются на низких уровнях за счет колебаний сеялки и принимается в пределах от 19 до 20 кгц при полосе пропускания частот усилителя от 16 до 23 кгц. Датчик устанавливается на выходе высевающего аппарата и регестрирует семена, проходящие через высевающую систему.
Аналогичный датчик установлен на сеялке с пневматическим высевающим аппаратом /10/. В ЛСХИ разработан прибор контроля расхода семян зерновых культур при посеве с пьезодатчиком /60/. Отличительной особенностью его является то, что он непосредственно своим чувствительным элементом воспринимает удары семян и при этом преобразует накопленную потенциальную энергию в электрический сигнал.
Сигнал от пьезодатчика представляет собой последовательность электрических колебаний. В случае падения на чувствительный элемент двух и более семян с малым промежутком времени, происходит наложение сигналов и информация о расходе семян искажается. Надежность работы датчика зависит от физико-механических свойств семян. Семена должны обладать упругими свойствами, что ограничивает возможности использования датчика при высеве семян с различными физико-механическими свойствами. Пьезоэлектрический датчик неработоспособен при высеве мелкосеменных культур.
Фотоэлектрический датчик (рис. II,в) состоит из источника света (ИС) I, фотоприемника (ФП)2 и усилительно-преобразовательной схемы (УПС). В качестве ИС используются газоразрядные ионовые, светоизлучающие диоды, миниатюрные лампочки накаливания. Из фотоприемников применяются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. В системе контроля "Кедр" в качестве датчика используется фоторезистор СФР-І и лампочка накаливания. Быстродействие от I до 50 семян в I с. при минимальном размере семян 1,5 мм /30/. Предложено ряд систем /8,9,104/ с аналогичными фотоэлектрическими датчиками, отличающимися лишь схемой преобразования сигнала.
Основной недостаток этих датчиков - зависимость точности подсчета семян от вида высеваемой культуры. Фотоэлектрические датчики, так же как контактные при работе в системе контроля высева удовлетворительно работают при однозерновом потоке семян. Они устанавливаются в сошнике или в конце семяпровода. Часто технологический процесс высева совмещается с внесением удобрений, поэтому при установке датчика на выходе высевающей системы, возникает задача выделения семян на фоне удобрений, что усложняет электрическую схему.
К числу бесконтактных датчиков можно отнести устройство, разработанное в США /99/, Б этой конструкции в качестве датчика контроля высева, использован датчик - излучатель периодически подключаемый к генератору СВЧ с длиной волны 2,85 см и частотой 10,5 кгц. Отражательный сигнал, поступивший от проходящего мимо датчика семени, усиливается и преобразовывается в визуальный сигнал. Частота опроса датчика 1000 раз в I с.
Наряду с разработкой средств контроля высева в последние годы намечена тенденция по оснащению посевных машин приборами контроля расхода семян (норма высева).
Наиболее простые системы контроля созданы для сеялки точного высева (свекловичным, кукурузным и др.) /5,61,102/. С помощью пересчетных таблиц в них определяются значения нормы посева по количеству семян высеянных в один рядок за заданное время или путь. Примером таких систем может служить устройство /61/, которое в течении 15 с в выбранном ряду подсчитывает число семян. По истечении времени контроля тракторист по спидометру определяет скорость движения агрегата и считывая показания счетчика семян по таблице вычисляет норму посева. К недостаткам таких устройств можно отнести трудоемкость определения нормы посева, связанную с отвлечением тракториста на её пересчет.
Фотоэлектрический датчик частоты вращения
Задачами лабораторных исследований дозирующей системы овощной сеялки являлись: определение расходных характеристик катушечного высевающего аппарата овощной сеялки, получение числовых характеристик расхода семян, создаваемого высевающим аппаратом, построение динамической модели высевающего аппарата.
Программа лабораторных исследований включала: получение реализации процесса изменения расхода семян высевающими аппаратами сеялок СО-4,2 и СОН-2,8 на высеве семян различных овощных культур (моркови, редиса, свеклы, брюквы) при различной рабочей длине р катушки и частоты вращения ВА вала высевающих аппаратов; определение динамических характеристик аппаратов при подаче на вход типового воздействия в виде гармонического колебания. Кроме этого программа лабораторных исследований предусматривала проверку работоспособности датчика расхода семян на различных культурах.
Целью полевого эксперимента являлось получение реализаций случайных процессов на входе и выходе дозирующей системы овощной сеялки при различных скоростях движения агрегата.
В программу полевого эксперимента входило получение реализаций следующих процессов: частот вращения &6А (t) , ооп (Ч) и & п (t) вала высевающих аппаратов, опорно-приводного и путеизмерительного колеса; расхода семян cj, (t) ; распределения семян K(t) вдоль рядка. Методика проведения полевого эксперимента предусматривала получение первичной информации пригодной для последующей обработки полученных реализаций случайных процессов на цифровой ЭВМ "Наири-2" в соответствии с программами определения статистических и динамических характеристик, разработанными на кафедре с.х. машин ЛСХИ. Полевые опыты проводились на полях Северо-Западной МИС с агрегатами, состоящими из трактора №3-52 и овощных сеялок СО-4,2 и СОН-2,8. Лабораторные исследования проводились на лабораторной /88/ установке (рис. 3.1 и 3.2) состоящей из бункера (Б), высевающих аппаратов (ВА) и привода. Последний включал электродвигатель (Э ) и редуктор, который давал возможность менять частоту вра д т щения вала ВА в диапазоне от 0,5 до 30 с . В качестве регистрирующей аппаратуры использовалась система обработки сигнала, состоящая из вольтметра (В), транскрипотора (Тр), перфоратора (П). Эта система позволяет получить информацию, поступающую от датчика расхода семян, сразу на перфоленте в двоично-десятичном коде для последующей её обработки на ЭЦВМ. В измерительную цепь установки включены датчики частоты вращения вала высевающих аппаратов I (рис. 3.1), установленный непосредственно на валу БА и датчика 2 расхода семян, установленного на выходе высевающего аппарата. Схемы усиления и преобразования сигналов поступающих от датчиков объединены в блок сбора информации. Описание датчиков и блока даны ниже. Лабораторные исследования проводились в три этапа по следующей методике. На первом этапе определялись: расходные характеристики высевающих аппаратов и числовые характеристики расхода семян я? ; &о ; V на семенах моркови, брюквы, редиса и свеклы при ступенчатом изменении рабочей длины катушки р в пределах от 5 до 30 мм с шагом 5 мм и частоты вращения вала высевающих аппаратов WBA в диапазоне ГЦА = 4...20 об/мин. При проведении опытов последовательно включались тумблером К2 (рис. 3.2) регистрирующая аппаратура с блоком сбора информации (БСИ), а тумблером Kj лабораторная установка. При этом сигнал от датчика Д2 пройдя блок БСИ поступает в систему обработки сигнала, на выходе которой информация с датчика выдается на перфоленте в двоично-десятичном коде. Информация на перфоленте фиксировалась с частотой 2 Гц. Одновременно пробоотборником ПО отбиралось пять контрольных проб, каждая из которых формировалась за время t = 30 с. Отобранные пробы взвешивались на весах BIK-500, полученные данные заносились в журнал результатов. Выключение установки и регистрирующей аппаратуры производилось при получении на перфоленте числа измерений П = 300. На первом этапе исследований проводился спектральный анализ процесса дозирования семян овощных культур, создаваемого высевающими аппаратами. При этом процесс ( (і) записывался на шлейфный осциллограф. Входные воздействия р и k BA менялись также как и на первом этапе.
Вероятностные характеристики процессов высева семян овощных культур
Устройство включает (рис. 5.1) датчик скорости (пути) и расхода семян &р , одновибратор ОВ, реле Р, суммирующие счетчики Сч , дешифраторы Д , кнопку сброса интегратора
К , пороговые элементы ЛУ и ПУ2 , сумматоры CM t интегратор, логические элементы И - Н Е , световую и цифровую индикации. Устройство датчиков описано в главе 3.
Пороговые устройства ЯУі и Я У г. вместе с логическими элементами объединены в субблок I. Пороговые устройства выполнены на базе операционного усилителя и предназначены для сравнения двух сигналов одинаковой полярности.
Пороговое устройство ПУ І ограничивает нижний предел Ни входного Ugx сигнала, пропорционального накопленной массе семян за время контроля, а ПУ ограничивает верхний предел Ц входного сигнала. Пороговое устройство работает следующим образом. Если входной сигнал по величине меньше опорного напряжения И н , тогда на выходе пороговых элементов формируется сигнал, соответствующий логической единице "I". Если входной сигнал U 6х U g тогда на выходе пороговых элементов появляется сингал равный логическому "О". В случае если U& U&X UH на выходе ПУ,, формируется логическая "I", а ПУ2 соответственно "О".
Для определения положения, которое занимает контролируемая величина по отношению к заданному полю допуска в момент опроса, служит логическая схема, состоящая из трех микросхем типа U-HE Логика прибора составлена в соответствии с таблицей 5.1, которая характеризует истинность событий.
В таблице 5.1 приняты обозначения: ос ; х 2 ; ос з - уровни сигналов на входах логического элемента х-І - вход с ПУ1 ; зс г - вход с Г\У ; Х3 - вход с OB; .- уровни сигнала на выходе логического элемента.
Из таблицы 5.1 видно, что только при условии, когда на всех входах эс ; эс ; эс3 логической схемы появляется логическая "I", тогда на её выходе будет логический "О", кото рый после инвертирования запускает один из счетчиков Сч на которых формируются оценки вероятности сохранения заданного поля допуска Р Д н » вероятности пребывания контролируемого параметра выше верхней границы д, и ниже нижней границы д заданного поля допуска.
Б субблок 2 входят интегратор, одновибратор и реле. Здесь осуществляется управление режимами работы интегратора. Так, вырабатываемый на одновибраторе импульс длительностью достаточной для срабатывания реле Р , производит сброс интегратора в начальное положение, в момент прохода сеялки заданного участка пути. Этим же импульсом осуществляется опрос логической схемы.
Для подсчета числа значений контролируемого параметра, находящихся выше допуска П,+ , в допуске гъс и ниже допуска П- изготовлены три субблока 3,4,5, включающих счетчики, дешифратор и цифровую индикацию.
В каждом субблоке последовательно установлены три суммирующих счетчика, что позволяет осуществлять подсчет до числа 999, что вполне достаточно для получения достоверного значения оценок Рдн , 6д И д .
Алгоритм функционирования устройства контроля предусматри-вает сравнение двух чисел, а именно " и п- , что необходимо для определения направления смещения среднего значения расхода семян пгк от заданного К0 . Такая схема сравнения собрана на полных сумматорах микросхем серии 155, в субблоке 6. Данный субблок поразрядно сравнивает два числа и выдает результат сравнения в виде равенства и строгого неравенства.
