Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований 8
1.1. Мальва - высокобелковый представитель нетрадиционных сельскохозяйственных культур 8
1.1.1. Морфологические и биологические особенности 8
1.1.2. Агротехнические особенности 10
1.2. Анализ существующих селекционных сеялок 12
1.3. Анализ высевающих устройств для мелкосеменных культур 25
1.4. Выводы 39
1.5. Цель и задачи исследования 40
2. Теоретическое обоснование технологического процесса работы высевающего аппарата 42
2.1. Особенности технологического процесса высева и обоснование перспективной конструктивно-технологической схемы высевающего аппарата 42
2.2. Анализ процесса движения семян при их дозировании высевающим аппаратом 44
2.3. Обоснование основных конструктивных и технологических параметров высевающего аппарата 61
2.4. Выводы 66
3. Программа и методика экспериментальных исследований 68
3.1. Программа экспериментальных исследований 68
3.2. Методика лабораторных исследований 68
3.2.1. Методика определения физико-механических свойств семян мальвы "Волжской" 69
3.2.2. Описание лабораторной установки 73
3.2.3. Методика определения подачи семян ленточно-дисковым высевающим аппаратом непрерывного действия в зависимости от его конструктивно-технологических параметров 75
3.2.4. 76
3.2.5. Методика многофакторного планирования 79
3.3. Методика полевых исследований 83
3.3.1. Устройство и работа экспериментальной сеялки для посева мелкосеменных культур 84
3.3.2. Оценка неустойчивости высева экспериментальной сеялкой в полевых условиях 87
3.3.3. Методика определения равномерности распределения семян и растений в рядке 88
3.3.4. Исследование глубины заделки семян 88
3.3.5. Динамика появления всходов 90
3.3.6. Методика определения урожая с опытных посевов 91
4. Результаты и анализ экспериментальных исследований 92
4.1. Результаты лабораторных исследований 89
4.1.1. Результаты исследований физико-механических свойств семян мальвы "Волжской" 92
4.1.2. Результаты исследования влияния конструктивно-технологических параметров высевающего аппарата на подачу семян и неустойчивость высева 94
4.1.3. Результаты оптимизации конструктивно- технологических параметров высевающего аппарата по подаче 98
4.1.4. Влияние конструктивно-технологических параметров высевающего аппарата на равномерность высева 102
4.2. Результаты полевых исследований 105
4.2.1. Определение неустойчивости высева семян экспериментальной сеялкой 105
4.2.2. Глубина заделки семян 107
4.2.3. Равномерность распределения семян и растений в рядке 108
4.2.4. Динамика появления всходов 110
4.2.5.Анализ урожая, полученного с опытных посевов 111
4.3.Выводы 112
5. Технико-экономическая эффективность использования экспериментальной селекционной сеялки с ленточно-дисковым высевающим аппаратом непрерывного действия 114
6. Общие выводы 122
Список использованной литературы 124
Приложения 134
- Анализ существующих селекционных сеялок
- Обоснование основных конструктивных и технологических параметров высевающего аппарата
- Методика определения физико-механических свойств семян мальвы "Волжской"
- Результаты исследования влияния конструктивно-технологических параметров высевающего аппарата на подачу семян и неустойчивость высева
Введение к работе
В последнее время в селекционном производстве интерес к проблемам посева значительно возрос. Это объясняется важностью получения качественных посевов в первоначальный момент исследования и предварительного размножения новых сортов сельскохозяйственных культур. В соответствии с условиями, необходимыми для нормального развития растений, к посеву на селекционных участках предварительного размножения и сортоиспытания предъявляют высокие агротребования по качеству посевов, потому что используется более дорогостоящий посевной материал. Важным агротребованием является обеспечение равномерного распределения семян вдоль рядка. Выполнение этого требования способствует наилучшему обеспечению всех растений питательными веществами [100].
При посеве мелкосеменных культур на делянках сортоиспытания и предварительного размножения используются сеялки: СКС-6А, СН-10Ц-01, СН-16, РС-1, селекционная сеялка на базе трактора Т-16М. Однако применяющиеся в них катушечные высевающие аппараты не позволяют получить высокую равномерность распределения семян вдоль рядка [24, 48]. Причиной в этом случае является порционность высева семян катушкой, вследствие чего посевы получаются неравномерными - со сгущением и разряжением растений в рядке что, в конечном итоге, приводит к снижению урожайности мелкосеменных культур [55, 79,104].
В связи с этим исследования, направленные на совершенствование процесса дозирования семян высевающими аппаратами селекционных сеялок, имеют важное научное значение.
Данная работа выполнялась в рамках межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001-2005 гг.
7 согласно научно-исследовательской теме «Разработка, исследование и
внедрение высевающих систем и рабочих органов посевных машин и
комбинированных агрегатов, обеспечивающих энерго-ресурсосбережение
при возделывании сельскохозяйственных культур» (номер государственной
регистрации 01.2.00.314738) и посвящена повышению эффективности работы
селекционной сеялки с ленточно-дисковым высевающим аппаратом.
На основании выполненных исследований на защиту выносится новая
конструктивно-технологическая схема ленточно-дискового высевающего
аппарата непрерывного действия, новизна которого подтверждена решением
о выдаче патента на изобретение РФ №2004110439/12(011217), и следующие
научные положения:
результаты теоретических исследований процесса дозирования семян с обоснованием основных конструктивно-технологических параметров высевающего аппарата;
результаты лабораторных исследований по изучению влияния основных конструктивно-технологических параметров высевающего аппарата на процесс дозирования семян;
результаты полевых испытаний экспериментальной селекционной сеялки при посеве мелкосеменных культур на делянках сортоиспытания и предварительного размножения и полученные экономические показатели.
Диссертационная работа выполнена на кафедре "Механика и инженерная графика" Самарской ГСХА в 2003-2006 годах.
Анализ существующих селекционных сеялок
Селекционные работы имеют ряд особенностей, главнейшими из которых является мелко деляночные посевы [48, 93]. В силу этого селекционные учреждения должны располагать, наряду с обычными сельскохозяйственными машинами, также и специальным инвентарем и оборудованием, позволяющим проводить работы на селекционных посевах с высоким качеством и максимальным эффектом.
В настоящее время активно ведется разработка системы специальных машин и оборудования для проведения посевных работ в селекционном производстве. / На многих селекционных станциях местными рационализаторами и изобретателями предложены и внедрены конструкции селекционных сеялок для работы на небольших делянках, однако большинство из них не нашло достаточно широкого распространения. Ввиду невозможности дать описание всех машин и различного оборудования, применяемого селекционными станциями, проведем анализ некоторых, наиболее распространенных типов посевных селекционных машин, применяемых для полевых работ в настоящее время.
Разнообразие селекционных питомников, делянок предварительного размножения, сортоиспытания с присущими им особенностями посева заставляет иметь на селекционных станциях сеялки и различные сажальные аппараты, которыми можно проводить посев и по одному зерну и обычным, принятым в производстве способом.
В настоящее время для рядового посева многолетних трав на делянках контрольных питомников и предварительного сортоиспытания используется сеялка СТ-7 (рис. 1.1 и 1.2). Состоит она из следующих основных узлов: рамы, механизма передач, порционного высевающего аппарата, посевных секций, опорно - приводных колес и семяпроводов. На раме сварной конструкции размещен высевающий аппарат, замок автосцепки, кронштейны с фланцами для крепления осей опорного и опорно-приводного колес, скобы для подставок, предотвращающих опрокидывание сеялки при отсоединении ее от трактора, и редуктор. Механизм передач с коробкой перемены передач предназначен для передачи (втулочно - роликовой цепью) вращения ведущему валу от опорно - приводного колеса. Коробка перемены передач обеспечивает разные скорости при посеве на делянках длиной 1; 2; 4; 5; 10; 15 и 20 м. Высевающий аппарат, состоящий из загрузочной воронки, семяприемника, транспортера и приемной воронки, обеспечивает высев (по всей длине делянки) засыпанной порции семян без остатка. Транспортер ленточного типа имеет ведущий и ведомый барабаны и транспортерную ленту, изготовленную из профильной резины. На оси ведущего барабана насажена приводная звездочка и муфта свободного хода, предназначенная для вывода ленты на начало высева. Приемная воронка служит для приема семян с транспортерной ленты и разделения их по сошникам. Длина сеялки составляет 1015 мм, ширина 1500 мм, высота 1530 мм; ширина захвата 1050 мм, дорожный просвет 250 мм, ширина колеи 1500 мм; общая масса машины 300 кг. Агрегатируется с трактором Т-25А; рабочая скорость 0,65 м/сек. Агрегат обслуживает тракторист и оператор. Производительность 0,24 га/ч. Перед работой кассету заполняют семенами в количестве, достаточном для высева на одной делянке в соответствии со схемой посева. Кассеты нумеруют и укладывают в обойму по десять штук в той последовательности, в какой затем должны высеваться семена данной культуры (согласно плану посева). Обойму с кассетами вкладывают в пенал сеялки перед началом работы. Агрегат устанавливают перед засеваемой делянкой, на шкале коробки перемены передач фиксируют соответствующую длину делянки. Работает сеялка следующим образом. Оператор вынимает нижнюю кассету, и семена высыпаются в загрузочную воронку. Поворотом рукоятки назад поднимается семянаправляющая втулка и через образовавшийся зазор они, скатываясь по поверхности конуса, равномерно распределяются по окружности его основания, а затем поступают в скатные трубки, закрепленные на конце основания конуса. После этого посевной материал, проходя через распределительное сито, установленное под трубками, равномерно размещается по транспортной ленте. Рычагом муфты свободного хода транспортная лента выводится на начало высева и при движении сеялки перемещает семена в приемные воронки. Оттуда они поступают в семяпроводы, а затем - на дно борозды, образованной сошниками. В почву семена заделываются загортачами и прикатывающими колесами. К недостаткам данной сеялки можно отнести тот факт, что применяемый на ней высевающий аппарат не позволят равномерно распределять семена по сошникам, а использование ленточного транспортера нарушает равномерность распределения семян вдоль рядка в результате толчков и колебаний, которые возникают при движении сеялки по поверхности поля [10].
Во ВНИИ зернобобовых и крупяных культур и Центральном опытном проектно-конструкторском бюро ВИМ разработана (совместно) селекционная сеялка СКС-6А (рис. 1.3), которая предназначена для посева зерновых, зернобобовых и крупяных культур в селекционных питомниках и в первичном семеноводстве.
Новая сеялка значительно отличается от сеялки СКС-6-10, применяемой в селекционных учреждениях страны. Она снабжена только конусными высевающими аппаратами и представляет собой комбинированный агрегат, который позволяет одновременно проводить выравнивание поверхности почвы и посев. Установка следорыхлителя дает возможность устранить уплотнение почвы колесами шасси.
Обоснование основных конструктивных и технологических параметров высевающего аппарата
Разработана конструктивно-технологическая схема ленточно дискового высевающего аппарата непрерывного действия, обеспечивающего дозирование семян в виде непрерывного потока равномерно сходящего с высевающего диска. 3. В результате теоретических исследований получены математические зависимости высева в виде уравнений, связывающих между собой конструктивные и технологические параметры с учетом физико-механических свойств высеваемого материала. В результате анализа полученных аналитических уравнений можно сделать вывод, что основными факторами, влияющими на движущийся семенной поток, являются: R-радиус кольцевого канала диска; h - высота высевного окна; п - частота вращения диска; fA, h - коэффициенты трения семян о диск и между собой. 4. Для дальнейшей экспериментальной проверки мы выбираем три фактора R, n, h, так как остальные являются постоянными табличными значениями это fA = Д32, їг = 0,404, р = 0,645 кг/м . , 5. Определена норма высева семян в зависимости от частоты вращения диска и общего передаточного отношения механизма привода высевающего аппарата. 6. Процесс движения семян в ленточно-дисковом высевающем аппарате подчиняется законам механики сыпучих грузов. Анализ полученных на ее основе уравнений показал, что выбранные параметры элементов высевающего аппарата обеспечивают необходимую норму высева в условиях движения сеялки по полю. Исходя из рекомендаций [9,17,40,42] и в соответствии с поставленными задачами, была разработана программа экспериментальных исследований, которая включала: лабораторные исследования с целью проверки теоретических предпосылок и обоснования основных конструктивно-технологических параметров ленточно-дискового высевающего аппарата непрерывного действия; полевые исследования экспериментальной сеялки при посеве мелкосеменных культур на участках сортоиспытания и предварительного размножения и проведение предварительной оценки; определение технико-экономических показателей использования экспериментальной сеялки на посеве участков сортоиспытания и предварительного размножения. В соответствии с разработанной программой в лабораторных условиях предусматривалось выполнить следующие экспериментальные исследования: определение физико-механических свойств семян мальвы "Волжской"; определение подачи семян экспериментальным высевающим аппаратом в зависимости от его конструктивно-технологических параметров; оптимизация конструктивно-технологических параметров, с использованием планирования многофакторного эксперимента; исследование устойчивости и равномерности высева в зависимости от конструктивно-технологических параметров экспериментального ленточно-дискового высевающего аппарата непрерывного действия. Исследования технологического процесса высева мелкосеменного материала мальвы экспериментальным высевающим аппаратом должны проводиться с учетом основных физико-механических свойств семян. Физико-механические свойства семян кормовых растений изучены многими исследователями на основе семенного материала регионов, традиционно занимающихся их возделыванием. Не смотря на это свойства семенного материала мальвы "Волжской", относящейся к нетрадиционным для нашей климатической зоны растениям, не достаточно изучены. Основные физико-механические свойства семян мальвы "Волжской" определялись согласно действующим методикам и ОСТ: - отбор проб [86]; - размерно-массовые характеристики [67]; - /Плотность семенной массы и угол естественного откоса по ОСТ8-16-76[67]; - сыпучесть [67]; - коэффициенты трения по методике Р.Л. Зенкова [39]. Одной из характеристик семенных материалов является объемная масса.
В лабораторных исследованиях объемную массу определяли с помощью пурки - мерного сосуда известного объема и массы. Пурку наполняли исследуемыми семенами, излишек которых, срезали вращающейся крышкой, затем производили взвешивание. Объемная масса рассчитывалась по формуле:
Сыпучесть посевного материала является определяющим свойством, оказывающим наиболее существенное влияние на работу высевающих аппаратов.
В большинстве случаев для оценки сыпучести насыпных грузов и семенных материалов используют угол естественного откоса - угол между горизонтальной поверхностью и образующей конуса, который всегда получается при насыпке сыпучих материалов за счет сил внутреннего трения. В настоящее время известно множество способов определения угла естественного откоса с различной степенью точности отражающих его величину [39,67]. Расхождение между результатами трех разных способов могут достигать 20% [39]. Исходя из этих соображений, замеры производились комбинированным способом на приборе, состоящим из емкости 1 с поворотным затвором 2 и горизонтальной площадки, имеющей вертикальную 3 и горизонтальную линейки, точка отсчета последних размещена соосно емкости (рис. З.1.). После открытия затвора семенной материал высыпается на горизонтальную площадку с малой высоты с углом естественного откоса, который определяется из выражения: г где h - высота образованного грузом конуса; г - радиус образованного семенами конуса. Коэффициенты трения семян по поверхностям, изготовленным из стали в покое, так и в движении определялись на лабораторной установке конструкции Р.Л. Зенкова [39].
Методика определения физико-механических свойств семян мальвы "Волжской"
Гипотеза адекватности модели принимается, если расчетное значение критерия F, определенное по формуле (3.19), окажется меньше значения F и, следовательно, полученное аналитическое выражение достаточно точно описывает характер влияния выбранных факторов на параметр оптимизации.
Для построения математической модели в натуральных переменных величинах необходимо использовать формулы кодирования (3.8). После подстановки натуральных значений факторов в уравнение (3.7) получим уравнение регрессии в раскодированном виде. Используя такое уравнение, строим поверхности откликов и по характеру поверхностей оцениваем влияние факторов на технологический процесс работы высевающего аппарата и выбираем оптимальные их параметры.
Полевые опыты проводились с целью проверки качества работы экспериментальной сеялки в полевых условиях [34, 88,100].
Исследования проводились в 2003...2005 годах на полях Поволжского научно-исследовательского института селекции и семеноводства им. Н.П. Константинова на посевах делянок мелкосеменных культур сортоиспытания и предварительного размножения. Экспериментальная сеялка агрегатировалась с трактором Т-25 А. Программой агротехнической оценки работы экспериментальной селекционной сеялки предусматривалось решение следующих задач: - оценка неустойчивости высева семян; - исследование равномерности распределения семян и растений в рядке; - изучения динамики появления всходов; - исследование глубины заделки семян; - определение биологической урожайности с опытных посевов. Устройство и технологический процесс работы экспериментальной селекционной сеялки для посева мелкосеменных культур Для осуществления посева мелкосеменных культур на селекционных делянках предварительного размножения и сортоиспытания была спроектирована и изготовлена экспериментальная селекционная сеялка (рис. 3.7, 3.8) на базе навесной селекционной сеялки СН-16, которая агрегатируется с тракторами класса 0,6. Экспериментальная высевающая система состоит из следующих основных узлов: семенного бункера 1, экспериментального высевающего аппарата 2, приемной воронки 3, эжекторного устройства 4, распределительного устройства 5, семяпроводов 6, килевидных сошников 7, загортачей 8, цепных передач 9, опорно-приводного колеса 10, электровентилятора 11. Для обеспечения транспортирования семян от высевающего аппарата к сошникам на сеялку установлена пневмо-транспортирующая система, включающая в себя электровентилятор 11, эжекторное устройство 4, распределитель 5 и семяпроводы 6. Питание электровентилятора И осуществляется от генератора трактора (рис. 3.8). Технологический процесс работы экспериментальной сеялки происходит следующим образом. Семена засыпаются в бункер 1, откуда они под действием силы тяжести попадают в высевающий аппарат 2. При движении сеялки по полю опорно-приводное колесо 10 посредством цепных передач и редуктора 9 приводит во вращение высевающий диск высевающего аппарата 2. Под действием силы тяжести семена из бункера попадают в проточку на высевающем диске и затем, плотно прижатые эластичной лентой, транспортируются в приемную воронку 3 эжекторного устройства 4. Поток воздуха, подаваемый электровентилятором 11, подхватывает семена и транспортирует их к распределителю 5. После распределителя 5 семена поступают в почву по отдельным семяпроводам 6 для дальнейшей заделки их сошниками 7 и загортачами 8. Норма высева сеялки изменяется передаточным отношением редуктора и высотой заслонки над высевающим диском. Неустойчивость общего высева экспериментальной сеялки исследовалась с целью определения надежности работы экспериментальной сеялки в полевых условиях [90]. Для этого сеялка с включенным приводом высевающего аппарата проходила участок длиной 100 м. Семена собирались со всех семяпроводов в специальные емкости. Собранные семена взвешивались с точностью до 0,1 г. Испытания проводились при различных скоростях движения сеялки с трехкратной повторностью. При обработке полученных результатов определялась: суммарная масса семян, высеянных исследуемой сеялкой; средняя арифметическая масса семян из всех повторностей; отклонение от среднеарифметического значения в каждой повторности и среднюю величину вычисленных отклонений. Тогда неустойчивость общего высева с учетом полученных значений обработки опытных данных определится по формуле: где а - среднее отклонение общего высева семян, % / d- среднее отклонение от средней массы семян, высеянных сеялкой, кг; Ц - средняя масса семян из всех повторностей, кг. Неустойчивость общего высева определялась также при различных значениях нормы высева семян. Норма высева в экспериментальном высевающем аппарате изменялась высотой заслонки и установкой соответствующего передаточного отношения. В контрольной сеялке СН-16 норма высева регулировалась передаточным отношением привода.
Результаты исследования влияния конструктивно-технологических параметров высевающего аппарата на подачу семян и неустойчивость высева
Коэффициент внутреннего трения составил г=0,404, при этом коэффициент трения по алюминию ґд= 0,32, плотность /? = 645 г/см3, при влажности семян 10 %. Результаты исследования влияния конструктивно-технологических параметров высевающего аппарата на подачу семян и неустойчивость высева Экспериментальные исследования проводились с целью обоснования конструктивных и технологических параметров высевающего аппарата и установления их значений, обеспечивающих заданные пределы варьирования норм высева семян. Частота вращения диска высевающего аппарата выбиралась со следующим значениям: n = 5, 10, 15, 20, 25, 30 мин 1. Высота высевного окна принималась равной h = 2, 4, 6, 8, 10 мм. Радиус кольцевого канала R = 4,5, 4,75, 5 мм.
Уменьшение высоты высевного окна менее 2 мм приводит к нарушению технологического процесса работы, к забиванию окна семенами и как следствие повышению неустойчивости высева.
Результаты экспериментального исследования по изучению влияния высоты высевного окна на подачу высеваемого материала проводились при различной частоте вращения высевающего диска n = 10, 15, 20, 25 мин"1 и представлены графической зависимостью (рис. 4.3.). Анализируя полученные зависимости подачи высеваемого материала от высоты высевного окна высевающего аппарата, необходимо сделать вывод, что данная зависимость приближается к линейной при изменении высоты высевного окна от 6 мм до 10 мм, что позволяет использовать изменение высоты высевного окна для установки на норму высева.
Экспериментальное исследование зависимости удельной подачи семенного материала от частоты вращения проводилось при различной высоте высевного окна h = 2...8 мм (рис. 4.4).
Выбор пределов частоты вращения диска определялся поисковыми экспериментами, в ходе которых отмечалось, что дальнейшее уменьшение или увеличение частоты вращения от указанных пределов (n = 5...30 мин"1) нарушает ход технологического процесса работы. А именно, при уменьшении частоты вращения не обеспечивается стабильное движение семян через высевное окно, при увеличении же частоты вращения более 30 мин"1 равномерность подачи семенного материала падает.
Анализируя полученные данные подачи высевного материала от частоты вращения высевающего диска можно сделать вывод, что данная зависимость имеет стабильный линейный характер в установленных пределах частоты вращения диска, что позволяет использовать изменение частоты вращения диска для установки на норму высева. Уменьшение подачи семян, при увеличении частоты вращения более 30 мин 1 обусловлено фрикционными свойствами семян и диска.
Исследования влияния радиуса кольцевого канала диска на подачу проводились при постоянной высоте высевного окна и различной частоте вращения диска п = 10, 15, 20, 25 мин 1 (рис. 4.5). Рассматривая данные зависимости можно сделать вывод, что используя высевающие диски с различными радиусами кольцевого канала можно наиболее точно подобрать необходимую норму высева. Как видно из графика, отображающего зависимость неустойчивости высева от радиуса кольцевого канала (рис. 4.6), наиболее стабильный высев происходит при использовании диска с радиусом кольцевого канала R=4,75 мм. В целях определения оптимальных конструктивно-технологических параметров ленточно-дискового высевающего аппарата непрерывного действия проведены лабораторные исследования по методике многофакторного планирования эксперимента [83]. Предварительными опытами выявлено, что на подачу аппарата влияют следующие конструктивные параметры: радиус кольцевого канала на диске R, высота высевного окна h и частота вращения диска п. Для получения математической модели технологического процесса высева семян реализован полный факторный эксперимент 2 . Уровни и интервалы варьирования перечисленных факторов, представленные в таблице 4.1, выбирались на основании результатов предварительных лабораторных исследований, в ходе которых было выявлено, что устойчивая работа высевающего аппарата обеспечивается в пределах варьирования радиуса R= 4,5...5 мм, высоты h=4...8 мм, и частоты вращения п=20...25 мин"1.
