Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цель и задачи исследований .12
1.1 Особенности посева сельскохозяйственных растений на селекционных участках 12
1.2 Обзор средств механизации посева на селекционных участках и особенности разработки и использования самоходной техники 16
1.3 Анализ и классификация высевающих устройств для семян трав 25
1.4 Цель и задачи исследований 36
2 Исследование физико-механических свойств семян трав 38
2.1 Агробиологические свойства семян мятликовых трав 39
2.2 Исследование гранулометрических характеристик семян 40
2.3 Абсолютный вес и объемная масса семян 41
2.4 Фрикционные свойства семян .42
Выводы 50
3. Теоретическое обоснование технологического процесса высева трудносыпучих семян трав . 51
3.1 Особенности технологического процесса дозирования трудносыпучих материалов и обоснование конструктивно-технологической схемы дисково-штифтового высевающего аппарата 51
3.2 Определение производительности дозирования семян дисково-штифтовым высевающим аппаратом .56
3.3 Теоретическое обоснование параметров размещения штифтов на высевающем диске .65
Выводы 71
4 Программа и методика экспериментальных исследований .73
4.1 Программа и методика проведения лабораторных исследований .75
4.1.1 Разработка экспериментального высевающего устройства 76
4.1.2 Описание лабораторной установки .79
4.1.3 Методика определения подачи семян и устойчивости высева высевающим устройством в зависимости от конструктивно-технологических параметров 82
4.1.4 Методика исследование влияния конструктивно-технологических параметров высевающего устройства на неравномерность высева семян ...84
4.1.5 Методика многофакторного планирования экспериментов по оптимизации конструктивно-технологических параметров дисково-штифтового высевающего аппарата 85
4.2 Программа и методика лабораторно-полевых исследований 88
4.2.1 Устройство и технологический процесс работы экспериментальной самоходной пневматической мини-сеялки для посева трав 89
4.2.2 Оценка неустойчивости высева экспериментальной сеялкой с дисково-штифтовым высевающим аппаратом в полевых условиях 92
4.2.3 Методика определения неравномерности распределения семян и растений по площади поля 93
4.2.4 Исследование глубины заделки семян 95
4.2.5 Методика изучения динамики появления всходов 96
4.2.6 Методика определения урожайности с опытных участков 97
Выводы 97
5 Результаты и анализ экспериментальных исследований 98
5.1 Результаты лабораторных исследований 98
5.1.1 Результаты исследования влияния конструктивно-технологических параметров высевающего устройства на подачу семян и устойчивость высева 98
5.1.2 Результаты оценки влияния конструктивно-технологических параметров высевающего устройства на неравномерность высева 105
5.1.3 Результаты оптимизации конструктивно-технологических параметров высевающего устройства мини-сеялки 108
5.2 Результаты лабораторно-полевых исследований 114
5.2.1 Определение неустойчивости высева и неравномерности распределения семян по сошникам экспериментальной сеялки 115
5.2.2 Продольная неравномерность распределения семян и растений в рядке .117
5.2.3 Глубина заделки семян 120
5.2.4 Динамика появления всходов 121
5.2.5 Урожай с опытных посевов 124
Выводы 124
6 Технико-экономическая эффективность от использования самоходной пневматической мини-сеялки с дисково штифтовым высевающим аппаратом 126
6.1 Расчет балансовой стоимости экспериментальной мини-сеялки 127
6.2 Расчет экономической эффективности внедрения мини-сеялки оснащенной дисково-штифтовым высевающим аппаратом 130
Выводы 134
Заключение 135
Список использованной литературы
- Обзор средств механизации посева на селекционных участках и особенности разработки и использования самоходной техники
- Абсолютный вес и объемная масса семян
- Определение производительности дозирования семян дисково-штифтовым высевающим аппаратом
- Методика исследование влияния конструктивно-технологических параметров высевающего устройства на неравномерность высева семян
Введение к работе
Актуальность темы. В решении задач современного растениеводства и животноводства одно центральных мест принадлежит созданию и использованию новых сортов и гибридов кормовых трав.
Одним из важнейших этапов селекционного производства являются мелкоде-ляночные посевы трав. В состав большинства кормовых травосмесей входят мятлико-вые травы: мятлик луговой, овсяница, райграс, тимофеевка и др. Они устойчивы к климатическим условиям, вытаптыванию скотом, отличаются долговечностью, богаты протеином и клетчаткой.
Однако, как известно, посев семян многих злаковых трав является затруднительным, что объясняется их физико-механическими свойствами. В силу этого селекционные учреждения должны располагать компактными маневренными сеялками, позволяющим проводить посевы трав с высоким качеством и максимальным эффектом.
Степень разработанности темы. Значительный вклад в совершенствование конструкций посевных машин, направленное на повышение качества посева, внесли ученые Ю.Д. Ахламов, И.Б. Борисенко, Г.М Бузенков, Ю.М. Добрынин, В.А. Домрачев, В.М. Дринча, С.А. Ивженко, Ю.М. Исаев, С.В. Кардашевский, В.Д. Карпенко, А.Д. Кормщиков, Н.П. Крючин, В.И. Курдюмов, К.З. Кухмазов, П.Я. Лобачевский, Н.П. Ларюшин, Н.И. Любушко, С.А. Ма, В.Х. Малиев, Ф.В. Пошарников, А.Н. Семенов, А.Н. Цепляев, М.Н. Чаткин.
Для мелкоделяночных селекционных посевов и закладки питомников в настоящее время применяется ряд основных типов машин: ручные и самоходные сеялки, а так же традиционные посевные агрегаты, состоящие из трактора и сеялки. Селекционными учреждениями применяются отечественные и импортные малогабаритные сеялки для посева семян трав.
Среди зарубежных образцов распространены селекционные сеялки HALDRUP (модели: SR-30, SH-20, SD-50 и др.), WINTERSTEIGER (модели: Rowseed 1 R, Rowseed S, Plotseed TC, Plotseed S и др.) и TERRADONIS (модели: JP-3, JPH, JAS и др.). Наибольшее распространение в селекционном производстве нашли отечественные посевные машины СТ-1, СР-1, СР-2, УСН-16П, СС-11, СН-10Ц, Клен-1.5, ССНП-12 и ССНП-16.
Ручные сеялки характеризуются низкой производительностью, малой вместительностью бункеров и необходимостью применения ручного труда для приведения сеялки в движение. Навесным и прицепным машинам свойственны ограниченная маневренность и высокие эксплуатационные затраты из-за необходимости агрегатирования с тракторами.
Перспективным направлением реализации посева семян трав на селекционных участках является использование компактных маневренных самоходных сеялок на базе мотоблоков. Посевные машины подобного типа выгодно отличаются маневренностью, малым расходом топлива по сравнению с тракторными сеялками и возможностью обслуживания одним оператором. Однако существующие посевные машины оборудуются высевающими системами механического типа, следствием чего является повышенная материалоемкость сеялки. Применяемыми на селекционных сеялках высевающими аппаратами затруднен качественный высев семян трав, так как семена большинства злаковых трав, применяемых в составах кормовых травосмесей, по своим физико-механическим свойствам относятся к трудносыпучим материалам.
В связи с этим, исследования, направленные на создание маневренных компактных самоходных сеялок, способных производить посев семян трав с высоким качеством, являются актуальными.
Исследования проводились по плану НИР ФГБОУ ВО Самарская ГСХА в рамках задания 02.01.03 «Разработать комплекс приоритетной почвообрабатывающей и посевной техники высокого технического уровня с оптимальным набором сменных рабочих органов, адаптированных к различным почвенным условиям», тема: «Разработка и совершенствование процессов высева и рабочих органов посевных машин и комбинированных агрегатов, обеспечивающих энерго-ресурсосбережение при возделывании сельскохозяйственных и лесных культур» (ГР № 01201351670).
Цель работы – повышение качества посева семян трав самоходной пневматической мини-сеялкой применением дисково-штифтового высевающего аппарата.
Задачи исследований:
-
Обосновать и разработать конструктивно-технологическую схему и конструкцию дисково-штифтового высевающего аппарата самоходной пневматической мини-сеялки для посева семян трав с учетом их физико-механических свойств.
-
Выполнить теоретические исследования технологического процесса высева семян трав разработанным дисково-штифтовым высевающим аппаратом.
3. Исследовать в лабораторных условиях влияние основных конструктивно-
технологических параметров дисково-штифтового высевающего аппарата на каче
ственные показатели высева семян трав и определить их оптимальные значения.
4. Провести лабораторно-полевые исследования самоходной пневматической мини-
сеялки, оснащенной дисково-штифтовым высевающим аппаратом при посеве семян
трав и определить технико-экономическую эффективность от ее использования.
Объект исследований. Технологический процесс высева семян дисково-штифтовым высевающим аппаратом самоходной пневматической мини-сеялки.
Предмет исследований. Конструктивные и режимные параметры дисково-штифтового высевающего аппарата самоходной пневматической мини-сеялки, а так же показатели характеризующие качество посева семян трав.
Научную новизну работы составляют: – конструктивно-технологическая схема и конструкция дисково-штифтового высевающего аппарата самоходной пневматической мини-сеялки;
– аналитические зависимости по определению производительности дисково-штифтового высевающего аппарата и скорости перемещения семенного материала подвижными штифтами;
– уравнения, позволяющие определить расположение штифтов на высевающем диске, обеспечивающее устойчивое транспортирование семенного материала из бункера сеялки; – оптимальные значения конструктивных и режимных параметров дисково-штифтового высевающего аппарата, влияющих на качество высева семян трав.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ на полезную модель № 133677 «Высевающий аппарат» и №125430 «Самоходная пневматическая мини-сеялка».
Теоретическая и практическая значимость. Проведенные научные исследования послужили основой для разработки конструкции дисково-штифтового высевающего аппарата и самоходной пневматической мини-сеялки. Применение самоходной пневматической мини-сеялки с дисково-штифтовым высевающим устройством позволило за счет более равномерного распределения семян по площади питания повысить урожайность зеленой массы мятлика лугового на 17 %, зеленой массы траво-
смеси на 15%, урожайность семян мятлика лугового и травосмеси на 19 и 16% соответственно, по сравнению с сеялкой, где дозирование семян осуществляется катушечным высевающим аппаратом.
Методология и методы исследования. В теоретических и экспериментальных исследованиях использовались основные положения, законы, методы классической механики и математики, теории планирования многофакторных экспериментов.
За метод исследований принят метод сравнительных лабораторно-полевых исследований качества посева семян трав разработанной самоходной пневматической мини-сеялкой с дисково-штифтовым высевающим аппаратом и посевной секцией с катушечным высевающим устройством.
Экспериментальные исследования проводились согласно ГОСТ 31345-2007 «Сеялки тракторные. Методы испытаний» и СТО АИСТ 5.6-2010 «Испытания сельскохозяйственной техники Машины посевные и посадочные. Показатели назначения. Общие требования».
Для анализа и обработки экспериментальных данных применялись пакеты программного обеспечения на базе ОС «MS Windows»: «STATISTICA», «PTC MathCAD»; «Microsoft Office», «Microsoft Excel», «КОМПАС-3D».
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
-
Конструктивно-технологическая схема и конструкция дисково-штифтового высевающего аппарата самоходной пневматической мини-сеялки.
-
Аналитические выражения по определению производительности высевающего аппарата, скорости перемещения семенного материала подвижными штифтами и расположения штифтов, обеспечивающего устойчивое транспортирование семенного материала из бункера сеялки.
-
Экспериментальные зависимости подачи и неравномерности высева семян трав от конструктивно-технологических параметров дисково-штифтового высевающего аппарата.
4. Оптимальные значения конструктивных и режимных параметров дисково-
штифтового высевающего аппарата, влияющих на качество высева семян трав.
Реализация результатов исследований. Самоходной пневматической мини-сеялкой, оснащенной дисково-штифтовым высевающим аппаратом, выполнялись посевы трав на опытных участках ФГБНУ «Поволжский научно-исследовательский институт селекции и семеноводства имени П.Н. Константинова» предназначенных для сортоиспытания и предварительного размножения в 2013-2014 гг., а также на опытных посевных площадях ООО «Поволжская МИС» в 2015 году.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов проведенных исследований подтверждается:
– применением общепризнанных способов оценки качества работы посевных машин, сравнительными исследованиями разработанного дисково-штифтового высевающего аппарата и катушечного дозатора на посевах трав выполненных самоходной пневматической мини-сеялкой;
– сходимостью экспериментальных и теоретических исследований подачи семян дисково-штифтовым высевающим аппаратом;
– использованием теории планирования многофакторных экспериментов и методов математической статистики; – применением программного обеспечения и стандартизированных средств измерений.
Основные положения работы докладывались и были одобрены на региональных, всероссийских и международных конференциях ФГБОУ ВО Самарская ГСХА (2012…2016г.г.), ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ (2013, 2014 гг.), ФГБОУ ВО Пензен-
ская ГСХА (2014 г.), ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА (2015г.), ФГБОУ ВО Самарский ГЭУ (2013 г.).
Технические решения и результаты исследований демонстрировались на региональных и всероссийских выставках, были отмечены следующими наградами: золотой медалью XIV Поволжского агропромышленного форума (2012 г., п.г.т. Усть-Кинельский); специальным призом VIII Саратовского салона изобретений, инноваций и инвестиций (2013 г., г. Саратов); золотой медалью в номинации «Молодой ученый» XV Поволжской агропромышленной выставки (2013 г., п.г.т. Усть-Кинельский); золотой медалью Российской агропромышленной выставки «Золотая осень» (2015г., Москва, ВВЦ). Работа, выполненная в рамках научных исследований, стала победителем конкурсов: «У.М.Н.И.К.» фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере и «Молодой ученый 2015» Самарской области в номинации аспирант.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 13 печатных работ в т. ч. 5 в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК Минобрнауки РФ и 2 без соавторов. Получены 2 патента РФ на полезные модели. Общий объем публикаций составляет 4,25 п. л., из них автору принадлежит 2,04 п.л. Материалы исследований отражены в 3 отчетах по НИР с ГР № 01201351670.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка использованной литературы из 153 наименований и приложения на 14 с. Диссертация изложена на 151 с., содержит 16 табл. и 79 рис.
Обзор средств механизации посева на селекционных участках и особенности разработки и использования самоходной техники
Селекционная сеялка СН-10Ц оборудована дисковыми сошниками, жестко закрепленными на секции. Такая компоновка не позволяет сошникам точно копировать рельеф. Сеялки "Клен" лишены подобных недостатков, так как оборудованы параллелограммной подвеской рабочих органов с регулируемым давлением на почву. Конструкция этих агрегатов предполагает обслуживание двумя сотрудниками (тракторист и оператор). Основными недостатками вышеперечисленных машин является низкая маневренность, в следствии необходимости агрегатирования с трактором и сложность настройки на заданные параметры весева. Среди импортных посевных машин агрегатируемых с тракторами известны касетные сеялки, выпускаемые под марками HALDRUP и Wintersteiger (рисунок 1.2.10) [131, 132]. Их высевающие системы подобны тем что применяются на вышеописанных самоходных агрегатах этих же производителей и имеют ряд одинаковых достоинств и недостатков. Так же существенным недостатком является высокая стоимость, делающая данные машины практически недоступными для российских селекционных учреждений. Основным их отличием является необходимость применения трактора для приведения сеялки в движение.
Современными тенденциями разработки посевных машин предусматривается широкое использование пневматики в высевающих системах для осуществления процесса отбора семян из бункеров и транспортирования их в сошники [12, 21, 23, 33, 43, 49, 63, 71]. При этом у таких высевающих систем появляется возможность посева семян и внесения гранулированных минеральных удобрений, не только путем их заделки в почву, но и поверхностно-разбросным способом.
Данный технологический процесс реализован в навесных пневматических селекционных сеялках ССНП-12 и ССНП-16 (рисунок 1.2.11), разработанных на Пензенском предприятии «Радиозавод». Они предназначены для рядового посева семян зерновых культур, трав, рядковых бахчевых культур на делянках конкурсного сортоиспытания и участках предварительного размножения новых и перспективных сортов [75, 83]. Обеспечивается гарантированный посев, настройка на норму высева осуществляется за 1,0-1,5 минуты, путем регулировки вылета одной дозирующей катушки, обслуживается одним трактористом [67].
Применение пневматики дает возможность снизить материалоемкость сеялки и обеспечить более плотный контакт семян с почвой при укладке их в бороздки, а так же снижает затраты трудозатраты при эксплуатации высевающей системы. Однако применяемый на данной сеялке крупногабаритный катушечный высевающий аппарат не позволяет высевать семена с малыми нормами высева и требуемыми селекционным производством качеством. Так же затруднен высев трудносыпучих семенных материалов. В разработке и совершенствовании селекционных посевных машин для трав участвовали различные научные учреждения Российской Федерации. Активное участие в этих работах приняли ученые Ю.Д. Ахламов, В.А. Домрачев, В.М. Дринча, И.Б. Борисенко, В.Д. Карпенко, С.А. Ивженко, Н.П. Крючин, В.Х. Малиев, А.Д. Кормщиков и многие другие [13, 37, 38, 40, 49, 54, 61, 66, 91]. Под их руководством выполнялись исследования по разработке и модернизации селекционных сеялок, совершенствованию способов и средств механизации посева трав.
Однако предлагаемые ими средства просева относились к категории навесных или прицепных машин, общим недостатком которых является ограниченная маневренность из-за необходимости агрегатирования с тракторами. На основании проведенного анализа посевных машин для селекционного производства и посева трав можно сделать вывод, что наиболее перспективным является реализация рядового способа посева делянок питомников и участков предварительного и конкурсного сортоиспытания с применением малогабаритных посевных агрегатов, выполненных на базе мотоблоков, оснащенных универсальными пневматическими высевающими системами централизованного дозирования [124, 125].
От формирования равномерно-распределенного по площади питания травостоя зависит полнота использования растениями потенциальных ресурсов почвы, и соответственно их продуктивность. Определяющую роль при создании вышеупомянутых условий играет высевающий аппарат, являющийся одним из наиболее ответственных рабочих органов сеялки. Он служит для отбора из общей массы определённого количества семян и формирования исходного потока с заданными параметрами [18, 129].
Главной задачей при разработке высевающих аппаратов принято считать: обеспечение минимальной неравномерности высева семян при малых нормах высева; устойчивость к вибрации и толчкам, уклонам и подъемам местности; устойчивость к забиванию; универсальность; легкость в настройке; отсутствие травмирования семян. Для решения этой задачи используются аппараты в основном трех типов: механические, пневматические и пневмомеханические [52, 59].
При посеве трав равномерное и устойчивое дозирование семян весьма затруднительно, так как семена большинства злаковых трав, применяемых в составах кормовых травосмесей, по своим физико-механическим свойствам относятся к трудносыпучим материалам. Проблема их высева в полной мере не решена применяемыми дозирующими устройствами.
В развитие конструкции высевающих устройств посевных машин значительный вклад внесли ученые: Г.М. Бузенков, С.В. Кардашевский, А.Н. Карпенко, С.А. Ивженко, Н.П. Ларюшин, М.Н. Чаткин, Курдюмов В.И., Ю.М. Исаев, Н.И. Любушко, А.Н. Цепляев, С.А. Ма, Ф.В. Пошарников, Н.П. Крючин, П.Я. Лобачевский, А.Н. Семенов. Для определения перспективного направления совершенствования существующих конструкций высевающих аппаратов и устройств, предназначенных для повышения качества дозирования, необходимо провести их анализ и систематизировать по классификационным признакам. С этой целью была разработана классификация, представленная на рисунке 1.3.1 [123, 143]. В настоящее время преобладающую роль играют механические высевающие аппараты, а пневматические и пневмо-механические высевающие аппараты занимают лишь незначительную часть [59]. Механические высевающие аппараты весьма многообразны по конструкции. К ним относятся катушечные, мотыльковые, ложечные, фрикционные, центробежные, вибрационные, щеточные и другие высевающие аппараты [52, 59, 61, 67]. Для дозирования трудносыпучих семян зачастую используются катушечные, тарельчатые, конвейерные, шнековые, ложечные, мотыльковые, штифтовые высевающие аппараты [16].
Абсолютный вес и объемная масса семян
Основным недостатком вышеупомянутого способа для определения динамического угла естественного откоса является то, что от высоты падения семян и скорости их истечения из бункера зависит величина угла наклона образующей конуса. К тому же, изучаемый материал контактирует с горизонтальной площадкой, а это означает, что на характер поведения семенного вороха будет оказывать влияние угол внешнего трения семян о поверхность из другого материала. Вышеупомянутые условия ведут к нестабильности результатов экспериментов по определению углов естественного откоса.
Экспериментальные исследования по определению динамического угла естественного откоса семян мятлика проводились на специальном устройстве (рисунок 2.7) [1], в котором устранены все указанные недостатки.
Труба 1, на поверхность которой нанесена миллиметровая шкала заполняется семенами и поднимается вверх по направляющей 2. При этом семена высыпаются на основание 3, имеющее острые кромки. После этого трубу опускают вниз до касания с насыпным материалом. Образуется усеченный конус, с известными диаметрами D и d. По шкале измеряем расстояние H. Имея эти данные, рассчитываем динамический угол естественного откоса: a = arctg H , (4-5) 0,5(D-d) где H - высота усеченного конуса, м; d - внутренний диаметр трубы, м; D - диаметр основания, м. Среднее арифметическое пяти измерений принимали за окончательный результат. Для мятлика лугового е значение динамического угла естественного откоса составило 34, для семян травосмеси 39[128].
Углом обрушения называется угол, образующийся при обрушении слоя в результате удаления подпорной стенки. Его называют также статическим углом естественного откоса. Угол обрушения аобр всегда больше динамического угла естественного откоса аест- Определение угла обрушения или статического угла естественного откоса заключается в измерении угла, под которым располагается боковая поверхность зернистого материала в результате его обрушения после удаления одной из стенок камеры [85, 114]. Для определения данной характеристики сыпучей среды пользовались прозрачной камерой с клапаном [2]. На стенки камеры нанесены линии транспортирной линейки (рисунок 2.8). Среднее значение статического угла естественного откоса семян мятлика лугового полученное в ходе измерений 49, семян травосмеси - 62.
Важнейшей характеристикой, оказывающей влияние на поведение сыпучего материала при его дозировании, является величина сопротивления сдвигу.
Определение значений угла внутреннего трения q , начального сопротивления сдвигу %о и угла сопротивления сдвигу (ра проводилось по методике Першиной СВ. (рисунок 2.9, 2.10) [114].
Установка для исследования начального сопротивления сдвигу TQ , угла внутреннего трения (р и угла сопротивления сдвигу (ра
Прибор состоит из прямоугольной коробки, заполненной семенным материалом, вдоль длинной стороны которой, сверху перемещается рамка, содержащая этот же материал. Семена в рамке через прижимную пластину нагружается сменными грузами, создающими нормальное напряжение о. Рамка соединена шнуром, перекинутым через блок, с грузовой чашей, вес которой увеличивают, до тех пор, пока рамка не сдвинется на 10-20 мм.
По полученным в ходе исследований данным строятся диаграммы напряжений (рисунок 2.11, 2.12). Линия АС отражает зависимость наибольших предельных касательных напряжений от величины нормальных напряжений в семенном материале. Угол внутреннего трения насыпного материала (р - угол наклона прямой АС к оси абсцисс. Коэффициентом внутреннего трения называется тангенс этого угла [114]. Соединив начало координат и точку С, получили линию ОС. Ее угол наклона (ра к оси абсцисс характеризует сопротивление сдвигу сыпучего материала. Чем больше этот угол, тем соответственно больше сопротивление насыпного материала сдвигу при данной величине нормального напряжения. Угол (ра именуют углом сопротивления сдвигу, или углом внутреннего сдвига. Коэффициентом внутреннего сдвига называют tg(pa. Отрезок 0 характеризует величину начального сопротивления сдвигу и определяет силу сцепления семян между собой.
В результате проведенных исследований было установлено, что угол внутреннего трения семян мятлика лугового равен 26, а коэффициент внутреннего трения f = 0,49, угол сопротивления сдвигу, или угол внутреннего сдвига для мятлика лугового = 39, коэффициент внутреннего сдвига f = 0,81.
Для оценки фрикционных свойств травосмеси, состоящей из овсяницы красной и луговой, мятлика лугового и райграса были проведены эксперименты по определению углов и коэффициентов внутреннего трения.
Полученные коэффициент и угол внутреннего трения смеси оказались ниже, чем у мятлика лугового, 0,42 и 23 соответственно. Коэффициент внутреннего сдвига травосмеси f, так же оказался меньшим, чем у мятлика и составил 0,67, а угол сопротивления сдвигу составил 34.
Значения полученных коэффициентов трения и внутреннего сдвига объясняются тем, что зерновки мятлика лугового покрыты шерстистыми волосками в виде крючков, что способствует увеличению сил сцепления между ними. Полученные в ходе исследований данные о характеристиках семян мятлика лугового и кормовой травосмеси, в состав которой они входят, будут учтены при математическом описании процесса дозирования и оптимизации конструктивно-технологических параметров высевающего аппарата в ходе лабораторных исследований процесса его работы.
Определение производительности дозирования семян дисково-штифтовым высевающим аппаратом
Штифты, за счет которых происходит отбор семян из общей массы находящейся в бункере, выполняют функцию рабочих органов, воздействующих на сыпучую среду. Частая установка штифтов в ряду создала бы условия, при которых устойчивость дозирования была бы максимальной, т.к. они не дают материалу свободно перемещаться на диске, скользить и перемешиваться. Однако известно, что при излишне частой установке рабочих органов на дозирующем диске резко повышается неравномерность высева, а так же эффективность отбора трудносыпучего материала, ведь каждый элемент, расположенный в зоне выгрузного отверстия бункера является преградой для свободного истечения семян, так как не может идеально обтекаться связным посевным материалом [62].
Расположение штифтов должно быть выполнено рядами, однако, как известно расстановка штифтов по радиальной линии не целесообразна, т.к. при этом повышается неравномерность высева. Это объясняется тем, что подходя к задней по направлению вращению диска кромке козырька высевающего аппарата, радиально стоящий ряд штифтов подводит волну из связного семенного материала и она, сталкиваясь с обрезом козырька, за счет сил внутреннего трения нарушает целостность равномерно заполненного семенами объема следующего за рядом сектора диска.
Учитывая необходимость устойчивой подачи семенного материала штифтами в подкозырьковое пространство через равные промежутки времени, установлено, что целесообразно выполнить расположение штифтов по линии логарифмической спирали (рисунок 3.6) [121].
С целью исключения отрицательного влияния избыточного количества штифтов на неравномерность дозирования семенного материала проведены исследования по определению параметров размещения штифтов на высевающем диске.
Схема к определению параметров логарифмической спирали: 1 - высевающий диск; 2 - штифты; 3 - прозрачный козырек В ходе теоретических исследований установлено выражение для определения длины дуги L логарифмической спирали [121], по которой установлены ряды штифтов: р = р0-екф, (3.36) где р - радиус вектор логарифмической спирали, м; po - начальный радиус вектор логарифмической спирали, м; (р - угол поворота радиуса вектора логарифмической спирали, рад; к - коэффициент логарифмической спирали: к = ctga, (3.37) где а - угол между радиусом вектором точки на логарифмической спирали и касательной проведенной в этой точке, рад. Для того чтобы определить неизвестные параметры логарифмической спирали, вдоль которой установлены ряды штифтов, принимаем исходя из имеющихся условий, что: p = R, р0=г, (3.38) где R - внешний радиус сектора отбора, м; г - внутренний радиус сектора отбора, м; п - число рядов штифтов на диске: 2л п = — (3.39) Для определения неизвестных параметров логарифмической спирали воспользуемся тем, что координаты точки A(R, (р) удовлетворяют уравнению (3.36). Подставляем их в уравнение (3.36): R = r-e k(p, (3.40) и решаем его относительно к: , 1 , R п л R к = -[п— = — In —. (3.41) (р Г L7Z Г Из уравнения (3.37) выразим угол а, подставив в него уравнение(3.41): (1 I а = Actg — = Actg \к) ( ) І7Т 1 R п-т — V г J (3.42) Длина дуги логарифмической спирали L, вдоль которой установлены ряды штифтов, так же может быть определена по выражению: (R-r) L = ± L, (3.43) Cosa подставив в него формулу (3.42) для определения угла а получим: (R-r) L ( 1 (3.44) ) 2п 1 R п-т — Cos{Actg \ г J
Для нахождения наибольшего допустимого расстояния / между штифтами в ряду, при котором будет возникать устойчивое сводообразование между штифтами и соответственно обеспечиваться устойчивое перемещение семян, рассмотрим уравнение равновесия элементарного объема abed выделенного на дозирующем диске. От действия сил трения и тяжести в выделенном элементарном объеме возникает боковое давление. В результате действия силы бокового давления Рб по плоскостям аЪ и cd действуют полные напряжения Р, которые разлагаются на касательные напряжения TQ и нормальные напряжения б (рисунок 3.7). Нормальные напряжения в данном случае равны нулю, а величина Рб определяется из выражения [48]: P6=2T6-h-dx, (3.45) где Рб - сила бокового давления элементарного объема, Н; h - высота выделенного элемента (рабочая высота штифтов), м; dx - ширина выделенного элемента, м.
Методика исследование влияния конструктивно-технологических параметров высевающего устройства на неравномерность высева семян
На основании экспериментальных данных установлено, что в диапазоне скорости вращения диска от 0 до 20 мин-1 при значениях lшт = 6 и 8 мм высевающий аппарат стабильно дозирует семена мятлика лугового и травосмеси, что дает возможность использовать регулировку частоты вращения в данном пределе для установки на заданные нормы высева. Следует отметить, что минимальное значение коэффициента неустойчивости высева для семян травосмеси получено меньше чем для семян мятлика лугового (травосмесь – 7,3 %, мятлик – 9,4%). Это объясняется высокой связностью и низкой удельной массой семян мятлика лугового. На основании этого, дальнейшие лабораторные исследования по определению оптимальных конструктивно-технологических параметров разработанного дисково-штифтового высевающего аппарата выполнялись с применением семян мятлика лугового.
Наблюдения через прозрачный козырек за процессом перемещения семенного материала из бункера в подкозырьковое пространство позволили установить, что разница в объемной подаче за один оборот высевающего диска и неустойчивость подачи объясняются не стабильностью формирования потока штифтами, которые в зоне прохода под высевным отверстием бункера остаются в неподвижном состоянии. Кроме того было отмечено, что истечение семян из бункера происходило неравномерно как по времени, так и по площади выпускного отверстия. Причем перемещение материала происходило ближе к задней стенке бункера по направлению движения диска, а у передней стенки вертикальный столб семян оставался неподвижным, при этом площадь истечения занимала только часть всего выпускного отверстия и довольно малую.
На основании этого были проведены исследования по оценке влияния активного воздействия штифтов на семена, находящиеся в зоне выгрузного отверстия бункера над высевающим диском. Следующие параметры принимались постоянными: частота вращения высевающего диска n = 15 мин-1; высота подкозырькового пространства 10 мм; вылет штифтов над диском lшт = 8 мм. В качестве изменяемых факторов были выбраны следующие характеристики активатора: высота ступени активатора h = 2, 4, 6 и 8 мм; место расположения ступени активатора относительно выпускного отверстия бункера (в начале, середине и конце). В результате обработки экспериментальных данных получены значения удельной подачи Qср при дозировании семян мятлика лугового дисково-штифтовым устройством за один оборот диска (рисунок 5.1.5) [126].
Анализируя представленную графическую зависимость (рисунок 5.1.5), отмечено, что наилучшей подачей семян мятлика лугового характеризуется высевающий аппарат со ступенями активатора высотой 6 и 8 мм, располагающимся в начале и в конце зоны загрузки. Несколько ниже удельная подача при высоте ступени 4 мм. При расположении ступени активатора в середине зоны загрузки подача была значительно ниже, а ее абсолютное значение не превышало 61,5 г/об. Значение подачи при h=0 на графиках соответствуют характеристике высевающего аппарата без активатора. Повышение удельной подачи за счет установки активатора со ступенью в середине окна составило около 19% при h = 6 и 8 мм, что значительно ниже по сравнению с двумя другими опытами. При работе аппарата с активаторами, имеющими ступени в начале и в конце окна, было достигнуто увеличение подачи на 42,5 и 38% соответственно.
Для проведения дальнейшего эксперимента принималось три варианта конструктивного исполнения активатора – с одной, двумя и тремя ступенями, равномерно распределенными по длине загрузочного окна высевающего аппарата (в начале, в середине и в конце). На рисунке 5.1.6 представлены полученные результаты в виде графических зависимостей, где аналогично графикам, изображенным ранее (рисунок 5.1.5), значения при h=0 соответствуют характеристикам аппарата без активатора.
Основываясь на полученных данных, установлено, что наименьшее значение производительности соответствует активатору, состоящему из трех ступеней – прибавка подачи 27%. Высевающий аппарат с направляющей шайбой, оборудованной двумя ступенями, имел наибольшую удельную подачу семян мятлика лугового при всех значениях h. Абсолютное значение максимальной удельной подачи составило 77,5 г/об при двух шестимиллиметровых ступенях, в процентном соотношении увеличение производительности 50,5%.
Так же на рисунке 5.1.6 прерывистой линией «4» нанесены показатели подачи семян мятлика лугового полученные аналитическим путем при подстановке конструктивных параметров активатора в выражение (3.34) раздела
Данная зависимость отражает результат воздействия поднимающихся штифтов в области загрузочного отверстия дисково-штифтового высевающего аппарата. При теоретическом исследовании процесса рассматривалось нахождение штифтов в поднятом состоянии на высоту ступени активатора h, относительно их рабочего положения, в течение всего времени прохождения ими зоны выгрузного окна бункера.
Анализируя графические зависимости удельной подачи семян от конструктивных параметров активатора (рисунок 5.1.6), установлена высокая сходимость результатов экспериментальных и теоретических исследований процесса работы дисково-штифтового высевающего аппарата.
Результаты исследований по определению подачи семян дисково-штифтовым высевающим аппаратом с активатором свидетельствуют о низком значении удельной подачи при расположении трех ступеней активатора в зоне загрузочного окна аппарата, по сравнению с использованием активатора в виде одной и двух восходящих ступеней. Лучшие показатели производительности были достигнуты при h = 4...6мм.
Аналогичные эксперименты проводились с семенами кормовой травосмеси. При их проведении и обработке результатов также отмечена наибольшая эффективность применения активатора состоящего из двух ступеней высотой от 4 до 8 мм.