Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 8
1.1. Козлятник восточный - высокобелковый представитель кормовых сельскохозяйственных культур 8
1.1.1. Морфологические и биологические особенности козлятника восточного и особенности физико-механических свойств его семян 8
1.1.2. Агротехнические особенности 13
1.1.3. Способы посева козлятника восточного 14
1.1.4. Агротехнические требования, предъявляемые к рядовому посеву козлятника восточного замоченными семенами 15
1.2. Анализ высевающих устройств посевных машин для трудносыпучих семян 17
1.3. Анализ работы устройств для повышения качества высева трудновысеваемых культур 31
1.5. Выводы 38
1.6. Цель и задачи исследований 39
2. Теоретическое обоснование технологического процесса работы формирователя потока семян 41
2.1. Обоснование конструктивно-технологической схемы формирователя потока для трудносыпучего семенного материала 41
2.2. Анализ воздействия упругих игл формирователя на семена 43
2.3. Статистическая оценка рассевания семян на входе и выходе формирователя потока 53
2.3.1. Анализ корреляционных функций случайных процессов 58
2.3.2. Спектральный анализ входного и выходного процессов рассеивания семян 63
2.4. Выводы 66
3. Программа и методика экспериментальных исследовании 67
3.1. Программа экспериментальных исследований 67
3.2. Методика лабораторных исследований 67
3.2.1. Определение жёсткости упругих элементов катушки формирователя 68
3.2.2. Устройство и работа лабораторной установки 70
3.2.3. Методика оптимизации конструктивных параметров формирователя потока семян 75
3.2.4. Исследование продольной равномерности распределения семян 79
3.3. Методика полевых исследований 81
3.3.1. Устройство и работа экспериментальной сеялки 82
3.3.2. Методика определения равномерности распределения семян и растений в рядке 86
3.3.3. Исследование глубины заделки семян 87
3.3.4. Динамика появления всходов 88
3.3.5. Урожай с опытных посевов 88
4. Результаты и анализ экспериментальных исследований 90
4.1. Результаты лабораторных исследований 90
4.1.1. Результаты исследования жёсткости упругих элементов 90
4.1.2. Влияние параметров экспериментального высевающего устройства на продольную равномерность распределения семян .90
4.1.3. Результаты оптимизации конструктивных параметров формирователя потока семян 98
4.1.4. Результаты исследований равномерности распределения семян формирователем потока 105
4.2. Результаты полевых исследований 107
4.2.1. Равномерность распределения семян и растений в рядке 108
4.2.2. Глубина заделки семян 111
4.2.3. Динамика появления всходов 113
4.2.4. Анализ урожая, полученного с опытных посевов 115
4.3. Выводы 117
5. Технико-экономическая эффективность использования экспериментальной пневматической сеялки на посеве козлятника восточного 120
Общие выводы 128
Список используемой литературы 130
Приложения ...141
- Анализ высевающих устройств посевных машин для трудносыпучих семян
- Анализ воздействия упругих игл формирователя на семена
- Устройство и работа лабораторной установки
- Результаты оптимизации конструктивных параметров формирователя потока семян
Введение к работе
Интенсификация животноводства неразрывно связана с увеличением производства кормов, расширением их ассортимента и повышением качества. Одной из многолетних культур с высокими кормовыми достоинствами, обусловленными большим содержанием белковых веществ, является козлятник восточный. Однако такие характерные агробиологические особенности данной культуры как большая потребность во влаге, укоренение и слабое развитие наземной части растения на начальном этапе роста в большинстве случаев делают невозможным получение урожая в год посева [21, 43]. К тому же, мелкосемянность, твердокаменность и повышенная потребность семян козлятника восточного во влаге при прорастании вызвали необходимость посева данной культуры семенами, прошедшими обработку ризоторфином и водными растворами, т. е. после замачивания. Лучший эффект от этой операции достигается если семена после обработки не высушивать. Однако в этом случае физико-механические свойства семян резко меняются, и они из категории сыпучих переходят в категорию связных посевных материалов с низкой сыпучестью. Такое состояние семян затрудняет, а зачастую делает невозможным их высев с необходимым качеством существующими посевными машинами.
Таким образом, вопросы совершенствования технологий посева и высевающих устройств для трудносыпучих посевных материалов, как средств способных улучшить равномерность распределения семян и растений в рядке и по площади поля, являются актуальными.
В связи с этим исследования, направленные на совершенствование процесса высева трудносыпучего посевного материала и технологий посева имеют важное научное и хозяйственное значение.
Данная работа проводилась 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», направленной на решение проблемы: «Научные основы формирования эффективной системы АПК» тематического плана Межведомственной координационной программы Фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001-2005 гг. 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» (№ государственной регистрации 01.2.00.314738)
На основании выполненных исследований на защиту выносятся следующие научные положения:
1. Уравнения, описывающие скорость движения семян в зависимости от конструктивно-режимных параметров формирователя потока, корреляционные функции и спектральные плотности распределения семян на входе и выходе из формирователя потока.
2. Экспериментальные зависимости равномерности высева замоченных трудносыпучих семян козлятника восточного от основных конструктивно-режимных параметров формирователя потока.
3. Результаты производственных испытаний экспериментальной пневматической сеялки, оснащенной дозатором трудносыпучих семян с формирователем потока на примере посева козлятника восточного замоченными семенами и полученные экономические показатели.
4. Конструктивно-технологическая схема формирователя потока трудносыпучих семян (патент РФ на изобретение №2303343).
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Механика и инженерная графика» Самарской ГСХА и Усольском СХК в 2000...2008 годах.
Анализ высевающих устройств посевных машин для трудносыпучих семян
Козлятник восточный высевают как правило двумя способами. Широкорядный посев с междурядьями 45...70 см является основным способом закладки семенников. При использовании козлятника на зеленый корм и сено его сеют сплошным рядовым способом.
Несмотря на различия в этих видах посева, формирование исходного потока осуществляется в них подобным образом. Для выноса семян из бункера в семяпроводы при различных видах посева используются одинаковые высевающие аппараты. Поэтому параметры исходного потока будут определяться, в любом случае, качественными показателями работы высевающего устройства.
Реализация машиной того или иного способа посева должна в обязательном порядке осуществляться с учетом разработанных агротехнических требований к проведению сева.
Общими требованиями при посеве и посадке всех сельскохозяйственных культур являются: а) посев или посадка в наилучшие для каждой культуры сроки в данном районе; б) равномерность распределения семян по площади поля; в) равномерность посева по глубине; г) строгое соблюдение нормы высева.
Нормы высева устанавливаются агротехническими требованиями для разных культур в разных районах в соответствии со способом посева и задаются обычно в килограммах или количестве семян на гектар.
Большинство авторов на основе своих опытов приходят к выводу, что равномерное распределение семян по площади поля при оптимальной норме высева неуклонно приводит к прибавке урожая. Причем, чем качественнее семена, тем выгоднее равномерно распределять семена по площади поля. Применительно к рядовому посеву требование равномерного размещения семян по площади поля сводится к равномерному распределению их в рядках и выдержанности ширины междурядий.
Дополнительными требованиями для рядового посева являются: прямолинейность рядков, отсутствие огрехов и пересевов и ровная поверхность засеянного поля. Что касается равномерности глубины заделки семян, то при заданной глубине 3-4 , 4—5 и 6-8 см средняя глубина заделки может отклоняться от нее не более чем на ± 0,5; ±0,7; ±1,0 см соответственно.
Козлятник восточный в силу определенных морфологических, биологических и агротехнических особенностей не достаточно широко используется в сельскохозяйственном производстве. Сдерживающим фактором расширения его посевных площадей, прежде всего, является сложность получения дружных и равномерных всходов. Основные агротехнические особенности возделывания козлятника обусловлены специфическими свойствами его семенного материала. Основные из них это мелкосемянность, твердокамен-ность (процент твердых семян в зависимости от условий увлажнения года составляет 50...98%) и большая потребность во влаге при прорастании [63].
Весьма эффективным приемом, обеспечивающим получение качественных всходов, является предпосевное замачивание семян в водных растворах [33, 53]. Однако при применении этой агротехнической операции резко изменяются физико-механические свойства семян. Их основные технологические показатели смещаются в сторону соответствия свойствам трудносы-пучих семян [91]. Поэтому при совершенствовании технологии высева замоченных семян необходимо следовать агротехническим требованиям к посеву трав. При выполнении посева семян трав зернотравяными сеялками должны соблюдаться следующие агротехнические требования: - высевающий аппарат должен обеспечивать высев заданных норм семян с отклонением для сыпучих семян трав не более ±3%, а для малосыпучих семян трав ±5%; - неравномерность высева по семяпроводам не должна превышать для семян злаковых трав ±10%; - неустойчивость высева не должна превышать для семян бобовых трав ±5%, а для семян злаковых трав ±8% [14, 27, 99, 100, 106]. Однако при оценке соответствия показателей качества посева, разрабатываемых машин установленным требованиям необходимо иметь также объективные статистические характеристики технологических показателей работы, полученные на основе исследований распределения семян (растений) в рядках в продольном и в поперечном направлениях, а также по глубине. Высевающий аппарат - один из наиболее важных рабочих органов сеялки. Он служит для отбора из общей семенной массы определенного количества семян и формирования исходного потока их с заданными параметрами. Поэтому достоинства и недостатки сеялок относительно качества распределения семян в ряду и в целом на засеянном поле, главным образом определяются работой высевающих аппаратов. От качества работы высевающих аппаратов в значительной мере зависит выполнение одного из основных агротехнических требований, предъявляемых к севу, - равномерного распределения семян по площади поля. Применительно к рядовому севу высевающие аппараты должны обеспечивать: а) непрерывный и равномерный поток семян; б) устойчивость установленной нормы высева; эта норма должна сохраняться при различной степени наполнения семенного ящика, при наклоне ящика и колебаниях сеялки во время движения на неровном рельефе поля, при изменении скорости движения; в) возможность высева семян различных культур; г) минимальное повреждение высеваемых семян; д) легкую и удобную установку на заданную норму высева. Для удовлетворения указанных требований по мере развития конструкций сеялок были предложены различные типы высевающих устройств.
Анализ воздействия упругих игл формирователя на семена
В результате анализа конструкций различных устройств для высева трудносыпучего семенного материала было установлено, что дозирование связанной семенной массы, к которой можно отнести замоченные семена, возможно в основном за счёт принудительной подачи определённого объёма семян. В связи с тем, что недостатком технологического процесса работы таких дозирующих устройств является прерывистый, порционный режим работы, снижающий равномерность высева, возникает необходимость использования дополнительных устройств, способствующих разрушению связанной семенной массы и более равномерному её вводу в семяпроводящую систему посевной машины. Наибольшей эффективности и равномерности рассеивания семян можно достичь с использованием формирователей потока щёточного типа.
Исходя из выше изложенного и принимая во внимание результаты анализа высевающих аппаратов в лабораториях посевных машин Самарской ГСХА и Усольского СХК для высева замоченных семян был разработан формирователь потока щёточного типа (патент РФ на изобретение №2303343), дозирование семян в котором производилось штифтовым высевающим аппаратом [91] (рис. 2.1).
Дозатор состоит из бункера 1, в днище которого выполнено высевное окно 2. Внутри бункера на валу 5 между двух смещенных друг относительно друга вдоль оси бункера сегментов, представляющих собой козырек 6 и днище 7, установлена катушка 3 с радиальными штифтами. С внешней стороны бункера под высевной щелью установлен формирователь потока семян в виде закреплённых на катушке 8 упругих игл 9, взаимодействующих с радиальным упором 10, расположенном на корпусе 11 дозатора. К корпусу 11 прикреплено эжекторное устройство 12.
Из бункера 1 семена благодаря вращению прутков ворошителя 4 и под действием собственного веса подаются в зону забора их штифтами катушки 3, где происходит заполнение межштифтового пространства. Заполнив определённый объём межштифтового пространства, семена подводятся штифтами катушки 3 к высевному окну 2 и затем отдозированными порциями сбрасываются за пределы днища. Сошедшие с днища семена под собственным весом падают в зону работы формирователя потока, где упругие иглы 9 по мере вращения катушки 8 отводятся от радиального положения упором 10. При дальнейшем повороте вала дозатора и формирователя потока происходит высвобождение игл 9 и благодаря своим упругим свойствам они ударяют по порции семян. За счёт расположения игл 9 на катушке 8 по винтовой линии их высвобождение и удары происходят последовательно. Тем самым порция полностью разбивается, а все семена, изменив за счёт кинетической энергии игл своё направление движения, подаются в приёмное окно эжекторного устройства 12. Из эжекторного устройства благодаря поступающему от вентилятора воздуху они направляются в распределитель и далее в сошники.
Таким образом, разработанная конструктивно-технологическая схема формирователя потока трудносыпучих семян обеспечивает продольную равномерность высева. Однако, ввиду того, что она имеет ряд существенных особенностей, требуются необходимые теоретические и экспериментальные исследования предложенного устройства. В связи с этим, технологический процесс работы формирователя потока принят за основной объект исследования.
Качественное выполнение технологического процесса рассеивания порционного потока семян, подаваемого дозатором, возможно при определённых параметрах формирователя потока.
При воздействии упругих игл группа семян разрушается. В связи с близостью высевного окна, эжектора и зоны воздействия упругих игл на- связанные группы семян можно предположить, что после взаимодействия основная часть семян попадёт в эжекторное устройство независимо от вертикальной составляющей скорости и, (рис. 2.2) приобретаемой семенами.
Оптимальная скорость транспортирования семян по пневмосемяпрово-дам по результатам исследований [92] составляет 20...23 м/с. Скорость воздушного потока при прохождении эжектора возрастает до 35...45 м/с. Равенство скоростей ввода семян в эжекторное устройство и воздушного потока обеспечит минимальное влияние на равномерность высева со стороны пнев-мотранспортирующей системы.
Устройство и работа лабораторной установки
Для построения математической модели в натуральных переменных величинах необходимо использовать формулы кодирования (3.6). После подстановки натуральных значений факторов в уравнение (3.9), получили уравнение регрессии в раскодированном виде. Используя такое уравнение, строили поверхности откликов и по характеру поверхностей оценивали влияние факторов на технологический процесс работы высевающего аппарата и выбирали их оптимальные параметры.
Оценка равномерности высева экспериментального формирователя потока осуществлялась путем определения качества продольного распределения семян. При этом был принят во внимание тот факт, что продольная равномерность распределения семян вдоль рядка обусловливается в первую очередь равномерностью исходного потока семян, непосредственно создаваемого высевающим устройством [9, 34, 48, 60, 91].
Исследование влияния конструктивно-режимных параметров экспериментального формирователя потока на продольную равномерность распределения семян проводили на лабораторной установке (рис.3.5, 3.6) путем высева на липкую бесконечную ленту, которая перемещалась под пневмосемяпрово-дами с постоянной скоростью - 2 м/с. Общая длина рабочего участка составляла 4 м, а длина зачетного участка - 2 м в соответствии с ОСТ 70.5.1. -2000 [86]. Привод формирователя потока осуществлялся от вала дозатора.
Для проведения экспериментов согласно программе исследований были изготовлены из полиэтилена низкого давления ступицы катушек формирователя потока с закреплёнными рядами упругих игл. Число рядов упругих элементов принимали т = 4... 10 шт. Частоту вращения высевающего валика изменяли в пределах п = 20...60 мин"1. Длина катушек формирователя потока принималась в пределах 1к= 40, 60, 80, 120 мм. Оценка установки упора на качество семян осуществлялась путём изменения расстояния от обреза выбросного окна до упора в следующих пределах: S = 5.. .25 мм.
Опыты проводились в следующей последовательности. При помощи пусковой аппаратуры включался привод ленты и дозатора. После достижения установившегося режима работы один пневмосемя-провод помещался над лентой. Высев семян из остальных пневмосемяпрово-дов осуществлялся в отдельную ёмкость. Для получения отрезков реализации входного Q(t) и выходного Cb(t) процессов случайной функции проводили высев всего потока семян на липкую ленту.
По истечении необходимого времени привод дозатора и ленты отключался. На зачетном участке ленты с высеянными семенами проводили подсчет количества семян, попавших в заданные односантиметровые интервалы специальной рамки, накладываемой на ленту (рис.3.8).
Высев семян на липкую ленту осуществляли с формирователем потока семян и без формирователя. Опыты проводили в трёхкратной повторности. Полученные результаты обрабатывались методом математической статистики на ЭВМ. Полевые исследования проводились с целью проверки качественных показателей высева эксперименталнои пневматической сеялки для посева козлятника восточного замоченными семенами и сравнительной оценки с посевами, выполняемыми серийной сеялкой СН-16 с катушечными высевающими аппаратами. Исследования проводились в 2005...2008 годах на полях Поволжского научно-исследовательского института селекции и семеноводства имени Константинова. Опыты проводились согласно отраслевого стандарта ОСТ 10 5.1-2000 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины посевные. Методы оценки функциональных показателей» [86] и «Методика полевого опыта» В.А. Доспехова с трёхкратной повторностью. Экспериментальная сеялка агрегатировалась с трактором Т-25А. Контрольные посевы проводились овощной сеялкой СН-16 агрегатируемой трактором Т-25А. Программой агротехнической оценки работы экспериментальной пневматической сеялки предусматривалось решение следующих задач: 1. Исследование равномерности распределения семян и растений в рядке. 2. Изучения динамики появления всходов. 3. Определение биологической урожайности с опытных посевов. 4. Исследование глубины заделки семян. Для посева козлятника восточного замоченными семенами была спроектирована и изготовлена высевающая система, которая монтировалась на раме сеялки СН-16 агрегатируемой трактором Т-25А. (рис.3.9, 3.10) В качестве высевающей системы в экспериментальной пневматической сеялке использовался штифтовый дозатор для посева козлятника восточного замоченными семенами [91] с формирователем потока для высева трудносыпучих семенных материалов с распределительной системой централизованного дозирования, обеспечивающей работу четырнадцати сошниковых секций с междурядьем 12,5 см. Использование распределительной головки с вертикальным разгонным участком позволило получить высокую равномерность распределения семенного потока по сошникам. Пневматическое транспортирование семян осуществлялось со скоростью 20...26 м/с, что исключало повреждение замоченных семян, а также их прилипание к стенкам семя-проводящих элементов.
Результаты оптимизации конструктивных параметров формирователя потока семян
По характеру полученных зависимостей (рис. 4.1) можно сказать, что место расположения упора оказывает существенное влияние на качество работы формирователя потока. Отклонения от оптимального расположения как в меньшую так и в большую сторону приводят к ухудшению качества рассеивания порции семян, а следовательно, и снижению равномерности продольного их распределения. При малом расстоянии расположения упора от обреза высевного окна деформированная игла в процессе вращения валика формирователя потока с опережением проходит зону воздействия на связанную группу замоченных семян. В связи с этим посевной материал не в полной мере подвергается ударному воздействию со стороны упругих игл. Подобная ситуация складывается и при установке упора на расстоянии более 20мм. Ударное действие упругой иглы происходит до момента прохождения траектории падения семян со среза высевного окна штифтового высевающего аппарата.
Для изготовления экспериментального образца формирователя потока расстояние от упора до обреза высевного окна было принято равным 15 мм. При этом значении было получено наименьшее значение коэффициента вариации интервалов между семенами - v = 28%.
С целью определения оптимальных размеров формирователя потока семян были проведены экспериментальные исследования по изучению влияния длины упругих элементов катушки формирователя на равномерность продольного распределения семян в рядке. Опыты проводились с использованием упругих игл длиной 20, 30, 40, 50, 60 мм. Исследовались катушки с 4, 6, 8, 10 рядами упругих игл. В ходе экспериментов определялась оптимальная длина игл катушки.
В результате проведённых исследований (рис. 4.2) было установлено, что наибольшей равномерности рассеивания замоченных групп семян соответствуют иглы, длина которых находится в интервале 35...45 мм. При этом лучшие результаты были достигнуты с применением катушек, имеющих восемь рядов упругих игл. Уменьшение числа рядов игл приводит к снижению равномерности рассеивания семян, связанному с несоответствием числа от-дозированных штифтовой катушкой групп замоченных семян и воздействующих на эти группы рядов упругих игл. Данное предположение подтверждает кривая неравномерности высева, полученная с использованием катушки формирователя с четырьмя рядам игл. Показатели качества рассеивания замоченных семян при этом выше, чем у катушки с шестью рядами игл, так как на четыре из восьми падающих групп семян точно приходилось воздействие четырёх рядов упругих игл. При использовании катушки формирователя с восьмью рядами упругих игл на каждую отдозированную группу семян приходилось ударное действие одного ряда игл, что и позволило получить лучшие результаты по равномерности высева.
С использованием полученных результатов опытов были также построены графические зависимости неравномерности продольного распределения высеваемого потока семян от частоты вращения катушки формирователя потока при различных установках упорной планки (рис. 4.3).
Для проведения сравнительной оценки качества работы формирователя потока также приведён график неравномерности распределения потока семян без использования катушки с упругими иглами. Из полученных зависимостей видно, что лучшая равномерность распределения семян достигается при частоте вращения катушки формирователя 40 мин"1 на всех положениях упора. Наивысшая равномерность была получена в результате установки упора на расстоянии 15 мм от обреза высевного окна и частоте вращения 40 мин"1. Также по приведённым экспериментальным зависимостям можно сделать вывод, что использование формирователя с упругими иглами позволяет преобразовать порционный поток замоченного семенного материала и существенно повысить равномерность высева.
В ходе проведения лабораторных исследований было изучено влияние длины катушки формирователя на неравномерность высева. Из полученных 3 - 10 рядов игл; 4 - 8 рядов игл зависимостей (рис. 4.4) видно, что наименьшая неравномерность наблюдается при установке катушек длиной 60... 100 мм. Использование катушек формирователя большего или меньшего размера ведёт к увеличению неравномерности. Низкая равномерность высева при установке катушек 20...40 мм объясняется неэффективным воздействием малого количества упругих игл на связные группы замоченных семян. Катушки длиной более 100 мм уменьшали равномерность высева, что связано с невысокой эффективностью использования нижней части упругих игл катушки, т.е. рассеивание связной группы семян происходило в основном в верхней и средней части формирующего устройства, так как до нижней части не доходило достаточного количества семян. Таким образом, до начала рассеивания следующей связной группы семян соседним рядом упругих игл образовывался «провал» характеризующий появление порционности и, как следствие этого, повышение неравномерности высева. В ходе проведения экспериментальных исследований была установлена зависимость равномерности распределения семян от жёсткости упругих игл катушки формирователя (рис. 4.5). Использовались катушки с иглами жёсткостью 0=300...550 Н/м при установке упорной планки на расстоянии 5...25 мм от обреза высевного окна. Из полученных зависимостей видно, что наивысшая равномерность рассеивания семян достигается в случае применения катушек формирователя потока с жёсткостью упругих элементов С=375 Н/м и установке упорной планки на расстоянии 15 мм.
Таким образом, на основании проведённых экспериментальных исследований можно сделать вывод, что наименьшая неравномерность высева получена при установке катушек формирователя длиной 60 ... 100 мм с восьмью рядами упругих игл жёсткостью С =300...450 Н/м и длиной 30...50 мм, частота вращения которых составляла 40 мин"1.
