Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цель и задачи исследования 10
1.1 Особенности посева по энергосберегающим технологиям 10
1.2 Обзор технических средств для посева семян зерновых культур 14
1.3 Классификация высевающих аппаратов 26
1.4 Обзор конструкций и принцип работы высевающих аппаратов 31
1.5 Исследование формы, размеров, массовой характеристики и фрикционных свойств семян 49
1.5.1 Метод проведения исследования 49
1.5.2 Характеристика изучаемого сорта 50
1.5.3 Массовые характеристики зерна 50
1.5.4 Виды трения семян при работе высевающего аппарата 51
1.5.5 Исследование формы и размеров семян 56
1.6 Цель и задачи исследований 60
1.7 Выводы по разделу 60
2 Теоретические исследования технологического процесса работы высевающего аппарата с увеличенным объемом желобков катушки 62
2.1 Выбор конструктивной и технологической схем экспериментального катушечного высевающего аппарата 62
2.2 Исследование движения семени в высевающем аппарате с увеличенным объемом желобков катушки 66
2.2.1 Определение рабочего объема катушки 66
2.2.2 Площадь поперечного сечения желобка катушки 66
2.2.3 Исследование заполнения семенами желобков катушки 68
2.2.4 Исследование движения семени на ребре катушки при встрече его с ворсом щетки 71
2.3 Выводы по разделу 75
3 Лабораторные исследования высевающего аппарата с увеличенным объемом желобков катушки 76
3.1 Программа и методика проведения исследований 76
3.1.1 Выбор конструкции щетки высевающего аппарата 76
3.1.1.1 Методика определения жесткости ворса щетки .78
3.1.2 Выбор конструкции высевающего аппарата с оптимальными значениями параметров 79
3.1.2.1 Методика проведения исследований 81
3.2 Исследования по обоснованию оптимальных значений конструктивных и режимных параметров высевающего аппарата с увеличенным объемом желобков катушки 86
3.2.1 Методика экспериментальных исследований 86
3.2.2 Результаты исследования по обоснованию оптимальных значений параметров высевающего аппарата с увеличенным объемом желобков катушки 92
3.3 Исследование высевающего аппарата с увеличенным объемом желобков катушки на дробление 97
3.4 Определение фактической нормы высева 98
3.5 Выводы по разделу 98
4 Программа, методика и результаты лабораторно-полевых исследований зерновой сеялки с экспериментальными высевающими аппаратами 100
4.1 Цель и задачи лабораторно-полевых исследований 100
4.2 Условия и методика проведения опытов 101
4.2.1 Описание экспериментальной сеялки 101
4.2.2 Характеристика участка 104
4.2.3 Определение влияния скорости агрегата на неравномерность распределения семян по площади питания 105
4.3 Результаты лабораторно-полевых исследований 107
4.3.1 Результаты исследований по определению нормы высева 107
4.3.2 Исследования по определению влияния скорости агрегата на неравномерность распределения семян по площади питания 107
4.3.3 Определение урожайности 108
4.4 Выводы по разделу 110
5 Экономическая эффективность применения сеялки с экспериментальными высевающими аппаратами 112
5.1 Расчет балансовой стоимости экспериментальной сеялки 112
5.2 Прямые эксплуатационные затраты 116
5.3 Выводы по разделу 120
Общие выводы 121
Список литературы 124
- Обзор технических средств для посева семян зерновых культур
- Исследование движения семени в высевающем аппарате с увеличенным объемом желобков катушки
- Выбор конструкции щетки высевающего аппарата
- Определение влияния скорости агрегата на неравномерность распределения семян по площади питания
Обзор технических средств для посева семян зерновых культур
К основанию семенного ящика крепится корпус 1 предложенного катушечного высевающего аппарата. Рифленая катушка 2 закреплена на валу внутри корпуса, а мелкосеменная катушка 4 надевается на выточку катушки 2. Муфта 5 и компенсатор 6 также монтируются на валу аппарата.
Такое сочетание двух катушек на валу аппарата позволяет высевать им зерновые и мелкосеменные культуры, семена которых вычерпываются рифами или желобками из корпуса аппарата в семяпроводы.
Недостатком данной конструкции является то, что для установки мелкосеменной катушки на основной желобчатой катушке необходимо выполнить выточку, то есть требуется изменение конструкции основной катушки под высев мелкосеменных культур и переоборудование сеялки.
Катушечный высевающий аппарат. Авторское свидетельство СССР № 1313370 (рисунок 1.24). Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению.
Водило 9 и заслонка 7 с пазом 8 образуют кулисный механизм, позволяющий автоматически изменять геометрию донышка при осевом перемещении катушки. При этом геометрия донышка изменяется так, что отношение длины рабочей части катушки к тангенсу угла между выпускной кромкой заслонки и стенкой корпуса не изменяется. Это автоматически настраивает аппарат на заданную равномерность дозирования.
При вращении катушки 4 по часовой стрелке ее желобки захватывают материал, протягивают между собой и донышком 6 и подводят к заслонке 7, где выравнивается поток материала и сбрасывается. Розетка 5 при этом вращается вместе с катушкой 4 и предотвращает высыпание материала из корпуса 1 через катушку. Муфта 2 неподвижна и предотвращает своим ребром 3 просыпание материала, благодаря чему последний выталкивается желобчатой катушкой 4 из от 43
верстия, длина которого равна длине рабочей части катушки. При регулировании дозы катушку 4 перемещают вдоль оси ее вращения через розетку 5 внутри корпуса 1 вместе с муфтой 2, которая посредством водила 9 воздействует на паз 8 заслонки 7, поворачивающейся при этом относительно шарнира, изменяя угол между выпускной кромкой заслонки и стенкой корпуса, т.е. изменяя геометрию донышка. Водило 9 и заслонка 7 с пазом 8 образуют кулисный механизм, позволяющий автоматически изменять геометрию донышка при осевом перемещении катушки. При этом геометрия донышка изменяется таким образом, что отношение длины рабочей части катушки к тангенсу угла между выпускной кромкой заслонки 7 (являющейся продолжением донышка 6) и стенкой корпуса не меняется, а остается постоянным при любой рабочей длине катушки. Это обеспечивает постоянную величину перекрытия желобков выпускной кромкой заслонки (выпускной кромкой донышка с изменяемой геометрией) независимо от величины осевого перемещения катушки, т.е. автоматически настраивает аппарат на необходимую равномерность дозирования.
Благодаря такой связи осевого перемещения желобчатой катушки с геометрией донышка даже при наименьшей длине рабочей части катушки (соразмерной с гранулометрическим составом материала) обеспечивается перекрытие желобков, равное перекрытию при максимальной ее длине.
Это позволяет при настройке аппарата на любую практически возможную дозу переходить желобкам катушки выпускную кромку заслонки (донышка) не сразу по всей рабочей длине, а постепенно.
К недостаткам конструкции данного высевающего аппарата относится сложность при изготовлении конструкции и обслуживании, несоблюдение нормы и травмирование семян при высеве.
Авторское свидетельство СССР № 348168. Высевающий аппарат (рисунок 1.25) включает корпус 1, внутри которого расположены основная сдвигаемая высевающая катушка 2 большого диаметра с запрессованной на ее торце розеткой 3. Во внутренней полости основной высевающей катушки расположена дополнительная высевающая катушка малого диаметра 4. На последней закреплены Рисунок 1.25 – Схема высевающего аппарата: 1 – корпус; 2 – высевающая катушка большого диаметра; 3 – розетка; 4 – высевающая катушка малого диаметра; 5 – муфта; 6 – розетка; 7 – фиксатор; 8 – вал
муфта 5 с розеткой 6 для перекрытия ее желобков при использовании дополнительной высевающей катушки малого диаметра на высеве мелких семян и фиксатор 7, предохраняющий ее от осевых сдвигов. Желобки высевающих катушек смещены относительно друг друга. Сдвигаемая высевающая катушка 2 закреплена на валу 8 высевающего аппарата и при смещении вала в осевом 5 направлении выдвигается из корпуса или вдвигается в него. При этом несдвигаемая катушка остается на месте. Высевающая катушка меньшего диаметра для высева крупных семян имеет одинаковые желобки с основной сдвигаемой катушкой, а для высева средних и мелких семян с малыми нормами – меньшие желобки. При высеве небольших норм семян зерновых или мелких семян овощных культур основная высевающая катушка выдвигается из корпуса частично или полностью, и в работе участвует только дополнительная высевающая катушка. Количество высева семян несдви-гаемой катушкой регулируется перемещением муфты вместе с запрессованной в нее розеткой. Для этого муфту вдвигают в корпус или выдвигают из него, увеличивая или уменьшая перекрытие желобков несдвигаемой катушки. В установленном положении муфта удерживается фиксатором. Во время работы сеялки семена из семенного ящика поступают в корпус аппарата, захватываются желобками высевающих катушек и выносятся в зону высева. Ввиду того, что желобки высевающих катушек смещены относительно друг друга, то порции семян, высеваемых обеими катушками, перекрываются между собой, в результате чего сглаживается пульсация высеваемого потока и повышается равномерность высева семян.
Высевающий аппарат, включающий корпус с размещенными внутри него высевающими катушками большого и малого диаметра со смещенными желобками, отличающийся тем, что, с целью повышения равномерности высева семян, высевающая катушка малого диаметра расположена во внутренней полости высевающей катушки большого диаметра с возможностью относительного перемещения.
Недостатком катушечного высевающего аппарата является то, что он при работе создает пульсирующе-порционный поток семян, вследствие этого ухудшается равномерность распределения семян по площади питания.
Исследование движения семени в высевающем аппарате с увеличенным объемом желобков катушки
Фрикционные свойства семян пшеницы характеризуются коэффициентами внешнего и внутреннего трения [87].
Трение зерен между собой в потоке определяли углом естественного откоса, по которому и находили коэффициент внутреннего трения [88].
На коэффициент трения оказывают влияние многие факторы, основными из которых являются форма и размеры, влажность, скорость перемещения, свойства поверхности и др. В связи с этим определение коэффициента внешнего трения подразумевалось в нахождении статического коэффициента трения (состояние покоя) и динамического коэффициента трения (состояние движения) [89, 90].
В практике посева нами исследованы наиболее типичные фрикционные свойства семян яровой пшеницы «Фаворит» для заданных условий: движение по полимерным материалам, резине и металлическим поверхностям при стандартной влажности.
При перемещении между отдельными семенами возникает трение. За критерий оценки сопротивления семян трению в слое принят угол естественного откоса, он равен углу между горизонтальной плоскостью и плоскостью естественного откоса семян. Угол естественного откоса определялся по следующей методике. Из бункера равномерным потоком на поверхность стола высыпали навеску семян массой 500 г, при этом образовывался конус.
Угол естественного откоса измеряли при помощи специального прибора
(рисунок 1.31), который состоит из: основания 1, шкалы 2, стрелки 3, жестко связанная с осью 4; проворачивание оси в отверстие основания 1 фиксируется гайкой 5. Под прямым углом к стрелке жестко крепится мерная линейка 6. Замер угла происходит так: при помощи гайки 5 расфиксировать ось 4, затем к основанию семенного конуса пододвинуть прибор на столько, чтобы мерная линейка 6 поравнялась с образующей конуса, и зафиксировать ось 4. Величину угла естественного откоса покажет стрелка на шкале. Опыт проводится в десятикратной повторности.
На рисунке 1.32. представлен прибор, посредством которого определяли коэффициент статического трения.
Он состоит из шкалы 1, стрелки указательной 2, установленной под прямым углом к наклонной плоскости 3, основания 4, механизма подъема 5 основания 4, на которую крепится исследуемая поверхность. Изменяли угол наклона плоскости от 0.до 90 град вращением винта. На исследуемую поверхность укладывали семена (10 шт.), и посредством механизма подъема 5 изменяли относительный угол наклонной плоскости 3. Фиксировали момент начала скольжения трущихся тел, по соответствию стрелки 2 и шкалы 1 прибора определяли угол статистического трения. Повтор-ность опыта для каждой из поверхностей пятикратная: очищенная металлическая поверхность, окрашенная металлическая поверхность, листовая техническая резина и полимер.
Посредством прибора ПТСМ определяли динамический коэффициент трения. Установка (рисунок 1.33) состоит из диска, бункера, трансмиссии и динамографа.
На трубчатую ось 4 установлен бункер 1 снабженный шариковыми опорами 3. В бункере 1 установлен диск 5 диаметром 200 мм, толщиной 5 мм, который на время опыта жестко крепится на ось.
К нижней стороне диска 5 крепится сменный диск 2 из материала, который испытывают на трение.
Для обеспечения полного контакта диска с испытуемым материалом ось диска может перемещаться в вертикальном направлении, при этом она может вращаться.
Для записи момента силы трения установлен пружинный динамограф, с регистрирующим устройством в виде катушек 24 и 25 и других вспомогательных деталей. Рисунок 1.33 -Прибор ПТСМ для определения динамического коэффициента трения: 1 - бункер; 2 - сменный диск; 3 - шариковые опоры; 4 - вертикальная трубчатая ось; 5 - диск; 6 - откидной держатель; 7 - перо; 8 - тахометр; 9, 12 - шестерни; 10 -рычаг муфты; 11 -муфта; 13 -рукоятка; 14,16- шестерни; 15 - второй вал; 17, 18 - шестерни; 19, 21 - шкивы; 20 - клиновидный ремень; 22 - вертикальный вал; 23 -силоизмерительные пружины; 24 и 25 - катушки пишущего столика; 26 - горизонтальная плоирадка пишущего столика
Для привода диска и изменения скорости его вращения имеется трансмиссия, которая приводится в движение рукояткой 13, при этом через трансмиссию, включающую шестерни 9, 12, 14, 16, 17, 18 и шкивы 19, 21, вращение передается на диск 5.
Остальные элементы трансмиссии служат для передачи движения тахометру 8 и регистрирующему столику.
Для определения динамического коэффициента трения использовали зависимость [91] где М – момент силы трения, МПа; f – коэффициент трения динамический; k – величина, изменяющаяся от размеров диска (для данной конструкции k = 0,14); Q – давление, направленное по нормали к образцу, учитывающее вес диска и вес дополнительного груза (для данной конструкции Q = 1,25 кг). За испытуемые поверхности брали металлическую, очищенную от ржавчины, и металлическую окрашенную. В бункер засыпали навеску в количестве не менее 1000 см3. Перед закреплением диска 5 ось 4 смещали вертикально вверх выше относительно крайнего нижнего положения на 10… 15 мм. Испытуемые поверхности закрепляли на ось и фиксировали стопорным винтом.
После чего, для создания нормального давления на диск, в центре диска закрепляли грузы.
С помощью трансмиссии устанавливали необходимую скорость диска. На пишущем столике в течение 2…3 сек. записывали диаграмму трения. В таблице 1.2 приведены результаты исследований.
Угол естественного откоса в 29,31 град соответствует коэффициенту внутреннего трения семян КВН = 0,53. По существующей классификации семена пшеницы сорта «Фаворит», принадлежат к группе сыпучих материалов (КВН = 0,45… 0,70).
При этом коэффициент статического трения - КС = 0,25…0,29, - на полимерной поверхности минимальный. Наибольшее значение коэффициента статического трения - КС = 0,43… 0,46 - получилось при исследованиях на поверхности из резины листовой технической (при коэффициенте вариации соответственно 3,3 и 3,32 %). По результатам исследований динамический коэффициент трения по окрашенной и неокрашенной стали, составил соответственно 0,28+0,005 и 0,35+0,003.
Выбор конструкции щетки высевающего аппарата
Из рисунка 3.13 видно, что неравномерность распределения семян составляет 42,09%, при нахождении оптимальных значений рассматриваемых факторов жесткости ворса щетки и угла отклонения ворса щетки относительно вертикально-продольной плоскости катушки в пределах
Для удобства и возможности использования уравнения в инженерных расчетах раскодируем уравнение. С учетом значимости коэффициентов регрессии уравнение примет вид следующего выражения:
Одновременно с определением неравномерности распределения семян по площади питания определяли дробление семян. Содержание дробленых семян предварительно определяли в исходном материале. По разнице содержания дробленых семян, прошедших через высевающие аппараты, и в исходном материале определяли дробление семян высевающими аппаратами [147].
Дробление семян яровой пшеницы сорта «Фаворит» экспериментальным высевающим аппаратом определяли при оптимальных параметрах г, у к, норме высева 180 кг/га; при этом частота вращения катушки изменялась в пределах 10…15 мин1.
Семена, высеянные высевающими аппаратами за повторность опыта, объединяли в среднюю пробу. Из каждой средней пробы выделяли две навески. Из каждой навески выделяли битые (дробленые) семена [131].
Фактическую норму высева семян определяли на участке, расположенном рядом с опытным. Сеялка проходила путь длиной 100 м с опущенными сошниками в трехкратной повторности. Высеянные экспериментальными высевающими аппаратами с увеличенным объемом желобков катушки семена собирали в мешочки. Массу семян, высеянных каждым высевающим аппаратом, определяли на весах (погрешность +1 г).
При проведении лабораторных исследований разработан и изготовлен опытный образец высевающего аппарата с увеличенным объемом желобков катушки и определены оптимальные значения конструктивных и режимных параметров высевающего аппарата с увеличенным объемом желобков катушки: радиус желобков катушки г = 0,011 м, жесткость ворса щетки К = 0,089…0,140 Н/м и угол отклонения ворса щетки относительно вертикально-продольной плоскости катушки = 3...5. Неравномерность распределения семян зерновых культур по площади питания – изменялась в диапазоне 40…43 %. Лабораторные исследования позволили установить оптимальный режим работы высевающего аппарата с увеличенным объемом желобков катушки, обеспечивающего снижение неравномерности распределения семян зерновых культур по площади питания при минимальном повреждении семян (0,25 %).
При выполнении теоретических и лабораторных исследований из-за невозможности создания реальных условий были сделаны некоторые допущения и использованы приближенные схемы изучаемых процессов.
Для проверки полученных аналитических выражений и их соотношений в реальных условиях были проведены лабораторно-полевые исследования.
Целью выполнения исследований явилось обоснование возможности применения высевающего аппарата зерновой сеялки с увеличенным объемом желобков катушки для подпочвенно-разбросного посева семян зерновых культур, а также уточнение оптимальных значений его конструктивных и режимных параметров в полевых условиях [148-151].
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач: - изучение неравномерности распределения семян зерновых культур по площади питания в зависимости от радиуса желобков катушки r, жесткости ворса щетки k и угла отклонения ворса щетки относительно вертикально-продольной плоскости катушки ; - изучение неравномерности распределения семян зерновых культур по площади питания в зависимости от скорости агрегата u; - определение основных качественных показателей работы сеялки с экспериментальными высевающими аппаратами [152]; - изучение влияния конструктивных и технологических параметров высевающих аппаратов на урожайность зерновых культур. Условия и методика проведения опытов Лабораторно-полевые исследования в соответствии с СТО АИСТ 5.6-2010 «Сеялки тракторные. Методы испытаний» [131] проводились на полях СПК «Победа» Пензенской области в 2012…2013 гг. В качестве семенного материала использовались семена яровой пшеницы сорта «Фаворит» с нормой высева 180 кг/га. Характеристика семян приведена в таблице 4.1.
Определение влияния скорости агрегата на неравномерность распределения семян по площади питания
Основными показателями, характеризующими оптимальность выбранных режимов работы посевного агрегата, являются производительность и урожайность. На основании хронометрических наблюдений за работой посевного агрегата в полевых условиях хозяйства производили расчет технико-экономических показателей. Экономическая эффективность определялась в сравнении с модернизированным вариантом базовой сеялки ССВ-3,5, исходя из величин трудозатрат и прямых издержек на 1 га засеваемой площади. Нормативные данные взяты из справочной литературы [175-182].
Сопоставимость исходных и конечных условий производства в двух вариантах (существующая и проектируемая технологии) обеспечена тем, что работа в обоих случаях происходила на одном поле, в одно и то же время, имела одни и те же сопряженные операции. Кроме того, применение сеялки с катушечными высевающими аппаратами не изменило предыдущих и последующих операций технологического процесса возделывания зерновых культур.
Расчет балансовой стоимости экспериментальной сеялки Основой экономических расчетов послужили технико-экономические характеристики базовой сеялки ССВ-3,5 и экспериментальной сеялки с высевающими аппаратами с увеличенным объемом желобков катушки (таблица 5.1). Экономическую эффективность предлагаемой сеялки оценивали по следующим основным показателям: - экономии эксплуатационных издержек на единицу выполненной работы или полученной продукции с учетом снижения ее себестоимости; - размеру дополнительных капиталовложений на модернизацию средств механизации и срок их окупаемости [183-185].
Данные показатели определялись по общепринятой методике. Балансовую цену экспериментальной сеялки вычисляли с использованием методики определения стоимости изготовления научно-исследовательской разработки, в соответствии с которой стоимость определяется по выражению
ЦЗ.О. – стоимость заменяемых рабочих органов, руб.; СКОН. – стоимость изготовления проектируемой конструкторской разработки, включаемой в базовую машину (ССВ-3.5), руб. Определяется по формуле СКОН.= СО.Д.+ СП.Д.+ СП + СВМ.+ СОП., (65) где СО.Д. – затраты на изготовление оригинальных деталей, руб.; СП.Д. – цена покупных деталей, изделий, узлов или агрегатов, руб.; 114 СП - оплата труда производственных рабочих, занятых на изготовлении и сборке конструкции, руб.; СВМ. - стоимость вспомогательных материалов (2… 4 % от затрат на основные), руб.; СОП. - общепроизводственные (цеховые) накладные расходы на изготовление или модернизацию конструкции, руб. Затраты на изготовление оригинальных деталей СО.Д. = СПР.Н + СМ, (66) где СПРН. - оплата труда (с начислениями) производственных рабочих, занятых на изготовлении оригинальных деталей, руб.; СМ - стоимость материала заготовок для изготовления оригинальных деталей, руб. Стоимость материала заготовок для изготовления оригинальных деталей: где СЗ - цена килограмма заготовки, руб.; 2З - масса заготовки, кг. Затраты на оплату труда рабочих при изготовлении оригинальных деталей определяются по формуле
С ПР.Н. = С ОСН. + СДОП. + СОТП. + СЕСН+СТ., (68) где СОСН. - основная зарплата производственных рабочих, руб. СДОП. - дополнительная оплата основному работнику за качество и срок 25 % от тарифной ставки, руб.; СОТП. - резерв на отпуска 8,43 % от суммы тарифной ставки и доплаты, руб.; СЕСН+СТ. - страховые выплаты (30,0 %) и взнос в фонд социального страхования от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний (0,8 %), т.е. 30,8 % от суммы тарифной ставки, доплат, резерв на отпуска. Основная зарплата производственных рабочих, руб. С - часовая ставка рабочих, исчисляемая по среднему разряду, руб.; КД - отраслевой коэффициент, учитывающий доплаты к основной зарплате, К Д = 1,3.
Цена покупных деталей изделий, агрегатов СП.Д. берется по рыночным ценам, действующим в данный момент.
Полная заработная плата производственных рабочих, занятых на сборке конструкции ССБ определяется по формуле (68). Основную заработную плату производственных рабочих, занятых на сборке конструкции, рассчитывают по формуле Сосн.сб. = ТСБ. С КД, (70) где ТСБ. - нормативная трудоемкость сборки конструкции, чел.-ч.; которую находят по выражению Т СБ. = К С-EtСБ. , (71) где Кс - коэффициент, учитывающий соотношение между полным и оперативным временем сборки, равный 1,08; tСБ. - суммарная трудоемкость сборки составных частей конструкции, чел.-ч. Дополнительная заработная плата и начисления на нее рассчитываются по вышеизложенной методике. Общепроизводственные (цеховые) накладные расходы на изготовление или модернизацию конструкции СОП. = С ПР.-ЯОП./100, (72) где С ПР - фонд оплаты труда производственных рабочих, участвующих в изготовлении или модернизации, руб.; С ПР = СПР.Н. + ССБ, (73) где RОП. - процент общепроизводственных расходов (ДОП. = 25 %). Необходимые данные для расчета балансовой цены экспериментальной сеялки приведены в таблице 5.2.
