Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ средств и методов оценки работы высевающих аппаратов точного высева 17
1.1 Агротехнические требования по высеву семян 17
1.2 Посевная техника, применяемая в технологиях сберегающего земледелия .18
1.2.1 С еялки 18
1.2.2 Высевающие аппараты посевных машин 24
1.3 Стендовое оборудование для оценки качества работы высевающих аппаратов 31
1.4 Выводы 42
1.5 Цель и задачи исследований 43
2 Теоретическое обоснование структуры и параметров измеритель ного комплекса 44
2.1 Обоснование частоты вращения диска высевающего аппарата на стенде..44
2.1.1 Требования к конструктивно-технологическим характеристикам стендового оборудования для контроля высева семян . 44
2.2 Обоснование структуры и параметров стендового оборудования 44
2.3 Исследование закономерностей транспортирования высеваемых семян и их взаимодействия с пьезокристаллическим кварцевым датчиком 54
2.4 Выводы 71
3 Программа и методика экспериментальных исследований 72
3.1 Цель экспериментальных исследований 72
3.2 Стендовое оборудование и приборы 72
3.3 Режимы работы стендового оборудования 74
3.4 Схема пневматического устройства регистрации высева и управления технологическим процессом 78
3.5 Характеристики условий исследований 83
3.6 Программа и методики экспериментальных исследований 84
3.6.1 Программа вычислительных экспериментов 84
3.6.2 Частные методики численных и натурных экспериментальных исследований 87
3.7 Выбор основных уравнений программного обеспечения, необходимых для определения качества работы высевающего аппарата 94
3.8 Обработка результатов экспериментов 96
4 Результаты экспериментальных исследований 100
4.1 Результаты численного эксперимента 100
4.1.1 Численный эксперимент по обоснованию длины трубки и скорости воздушного потока в устройстве с пьезокристалллическим кварцевым датчиком 100
4.1.2 Численный эксперимент по определению расхода воздуха от перепада давления в направляющих трубках, дренажных отверстиях и в зазоре между устройством и приемной площадкой датчика 105
4.1.3 Численный эксперимент по определению суммарного расхода воздуха для транспортирования семян в устройстве с пьезокристаллическим кварцевым датчиком 109
4.1.4 Численный эксперимент по определению величины импульса, обеспечиваемого взаимодействием семян с поверхностью датчика 115
4.2 Экспериментальная проверка достоверности численного эксперимента 123
4.3 Результаты натурных исследований измерительно-информационного стендового оборудования 127
4.3.1 Характеристика условий испытаний 127
4.3.2 Определение основных показателей качества высева семян 129
4.3.3 Исходные данные для оценки показателей работы высевающего аппарата при высеве семян кукурузы, подсолнечника, сои и сахарной свеклы 130
4.3.4 Основные агротехнические показатели высева семян 133
4.5 Выводы 138
5 Рекомендации производству и эффективность результатов исследований 142
5.1 Методика испытаний высевающих аппаратов с применением разработанного стенда и программы обработки результатов 142
5.2 Экономическая эффективность результатов исследований 146
Основные выводы 153
Список использованных источников 156
- Стендовое оборудование для оценки качества работы высевающих аппаратов
- Обоснование структуры и параметров стендового оборудования
- Схема пневматического устройства регистрации высева и управления технологическим процессом
- Численный эксперимент по обоснованию длины трубки и скорости воздушного потока в устройстве с пьезокристалллическим кварцевым датчиком
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие нового направления агрономической науки, получившей название точное земледелие, обеспечивает создание перспективных технологий производства растениеводческой продукции.
В комплексе технологических операций при возделывании сельскохозяйственных культур важная роль принадлежит посеву.
Главная задача размещения семян на поле - получение максимальной урожайности при минимальных затратах на возделывание культуры.
Эту задачу стремятся решить применением сеялок точного высева, которые должны обеспечить равномерное распределение заданного количества семян по площади поля и заделку семян на оптимальную для данных условий глубину.
Норма высева семян в точных технологиях назначается по условию получения программируемого урожая с учетом почвенных и климатических условий.
Таким образом, в системах точного земледелия повышаются требования к соблюдению заданной нормы высева, как одного из условий программируемого урожая.
Перспективность данного направления заключается в том, что любая новая машинная технология направлена на повышение производительности труда, экономию топливно-энергетических ресурсов, на обеспечение рентабельности с. - х. предприятий и улучшение качества с.-х. продукции.
Выбор новых машинных технологий для возделывания сельскохозяйственных культур осуществляется по результатам их испытаний, приобретающим в настоящее время особую значимость.
Потребность в измерительном оборудовании, удовлетворяющем современным требованиям испытаний высевающих аппаратов (ВА) сеялок точного высева, испытывают в настоящее время система машиноиспытательных станций и научно - исследовательских институтов по следующим причинам.
Известные методы, средства контроля и оценки качества высева семян ВА не в полной мере соответствуют современным требованиям точного земледелия в части достоверности определения показателей технологического процесса ВА, включают в себя дорогостоящие датчики и аппаратуру с ограниченными возможностями по регистрации семян, имеющих неправильную форму (с переменной площадью проекции).
Таким образом, существует актуальная задача систематизации совершенствования методов и средств контроля высева семян при испытании ВА, которая представляет собой научный и практический интерес.
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИОКР ФГНУ «РосНИИТиМ» по госбюджетной тематике на 2004 - 2006 гг.
Успешная разработка нового поколения средств и методов контроля подачи семян аппаратами точного высева должна базироваться на тщательном анализе агротехнических требований к посеву в системах точного земледелия, сеялок, аппаратов и средств контроля высева, стендового оборудования, применяемого при исследованиях и испытаниях аппаратов точного высева.
По результатам выполненного анализа установлено, что применяемые на сеялках и существующих испытательных стендах контактные и бесконтактные средства контроля высева имеют существенные недостатки. Датчики контактного действия снижают надежность процесса высева, так как после удара семян о контактную поверхность их скорость снижается и возможно забивание семяпровода.
Кроме того, отражение семян неправильной формы происходит в широком спектре углов, что не исключает повторных ударов о контактную поверхность и, следовательно, ошибок регистрации.
Бесконтактные емкостные и оптические датчики обеспечивают надежное срабатывание на одиночные семена в потоке. Распознавание двойных и тройных совокупностей затруднено, они регистрируются как одиночные семена. Легкие примеси в виде пленок тоже могут регистрироваться как семена.
Простейшие приспособления для настройки сеялок на норму высева в виде емкостей, вставляемых в полость сошника, позволяют определить количество семян, высеваемых на единицу пути, но требуют ручного счета и прогона агрегата на мерном участке пути.
Приспособления для улавливания семян на липкую или перфорируемую ленту имеют тот же недостаток — невозможность компьютерной обработки результатов опытов, необходимость ручного счета семян или их отпечатков.
Наиболее полно удовлетворяет современным требованиям СТО АИСТ 5.1 - 2006 стенд для испытания сеялок точного высева ИУ - 35 конструкции РосНИИТиМ. Главным его недостатком является устаревшая система регистрации высева. Свободное падение семян после высева приводит к взаимному перекрытию и механическому взаимодействию друг с другом, что особенно наглядно при высеве семян сои, то есть при больших нормах высева.
Круговой стенд с улавливанием семян на песчаную дорожку и регистрацией высева цифровым фотоаппаратом позволяет применить компьютер для обработки результатов, имитирует рабочий процесс аппарата в движении, может применяться в испытательных лабораториях и в хозяйствах, но имеет большие габаритные размеры.
В результате анализа способов и средств регистрации высева семян аппаратами выявлено противоречие, состоящее в том, что контактные датчики обладают возможностью раздельной регистрации семян, смещенных в направлении движения на расстояние, соизмеримое с размером семян, не регистрируют прохождение пленок, не требуют сосредоточения семян в узком пространстве, но способны регистрировать повторные удары после отскока семян от контактной пластины, обладают малой чувствительностью и ограничивают проходное сечение семяпроводов.
По результатам анализа литературных источников сформулирована цель исследования; "Совершенствование методов и средств испытаний высевающих аппаратов точного высева для раздельной (единичной) регистрации оди-
ночных семян, в двойных и тройных подачах ячей и обработки результатов испытаний с помощью современных информационных технологий".
Способы достижения поставленной цели сформулированы в рабочей и научной гипотезах.
Рабочая гипотеза; "Надежность регистрации семян контактным пьезок-ристаллическим датчиком может быть повышена применением пневматического устройства для разгона, дифференцирования в пространстве семян, образующих двойные и тройные совокупности и инжектирования семян после удара о контактную поверхность датчика." Разгон семян перед датчиком позволяет исключить регистрацию легких примесей за счет применения датчиков меньшей чувствительности."
Двойные и тройные подачи семян ячеями аппарата в воздушном потоке за счет различия их скоростей витания дифференцируются в направлении движения на величину, соизмеримую с продолжительностью шок-импульса, и регистрируются как отдельные, но близко расположенные объекты.
Шок-импульсы от ударов семян о контактную поверхность должны регистрироваться на фоне отметок угла поворота высевающего диска, позволяющих путем обработки результатов вычислять общее количество семян за 30 оборотов диска, число единичных, двойных и тройных подач ячеями.
Результаты испытаний выводятся после реализации заданного алгоритма обработки эмпирического массива.
Научная гипотеза: "Обоснование параметров устройства возможно путем теоретического и численного моделирования процессов транспортирования семян, их дифференцирования в направлении движения, удара о контактную поверхность датчика, выбора пьезокристаллического датчика, инжектирования семян после соударения с датчиком, и разработки программ обработки результатов испытания".
В теоретических исследованиях использованы методы пневмотранспорта семян и их взаимодействие с твердой поверхностью. Экспериментальные исследования проводились для подтверждения обоснованности выбранных на-
правлений исследований и обоснования режимов работы пневматического устройства с пьезокристаллическим кварцевым датчиком, обеспечивающие единичную регистрацию семян в соответствии с агротехническими требованиями при испытании ВА точного высева. Управление режимами работы ВА и обработка результатов исследований осуществлялись с использованием программного обеспечения на ПК.
Объект исследования. Технологический процесс пневмотранспортирова-ния семян для единичного их взаимодействия с пьезокристаллическим кварцевым датчиком.
Предмет исследования. Закономерности транспортирования и регистрация семян при испытании высевающих аппаратов точного высева.
Методика исследований. В теоретических исследованиях использовались методы пневмотранспорта семян и их взаимодействия с твердой поверхностью. Экспериментальные исследования проводились для подтверждения обоснованности выбранных направлений исследований и обоснования режимов работы пневматического устройства с пьезокристаллическим кварцевым датчиком, обеспечивающие единичную регистрацию семян в соответствии с агротехническими требованиями при испытании высевающих аппаратов точного высева. Управление режимами работы высевающего аппарата и обработка результатов исследований осуществлялись с использованием программного обеспечения на ПК.
Научная новизна работы состоит в обосновании процесса единичной регистрации высева семян с помощью пьезокристаллического датчика и пневматического устройства для дифференцирования двойных и тройных подач, усиления шок-импульсов и инжектирования семян после регистрации.
В первой главе «Анализ средств и методов оценки работы высевающих аппаратов точного высева» приведен анализ конструкций стендового оборудования, методов и средств оценки высева семян ВА точного высева. Для устранения недостатков существующих методов и средств оценки высева семян
предложено исследовать пневматическое устройство с пьезокристаллическим кварцевым датчиком. Сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе «Теоретическое обоснование структуры и параметров измерительного комплекса» проведено обоснование структуры измерительно-информационного комплекса. В основу исследований положена схема В А с оптопарами, пневматическим устройством и пьезокристаллическим (кварцевым) датчиком. Приведена схема устройства для преобразования шок-импульсов пьезокристаллического кварцевого датчика.
При проведении теоретических исследований параметры пневматического устройства с пьезокристаллическим кварцевым датчиком обосновывались на основе следующих соображений:
В трубке пневматического устройства должны находиться семена, поданные одной ячеей диска.
Импульс силы при ударе семян о контактную площадку должен быть достаточным для срабатывания датчика, то есть выше его порога нечувствительности.
После отражения от контактной площадки семена должны захватываться воздушным потоком так, чтобы был исключен повторный удар.
Проведенные теоретические исследования позволили осуществить обоснование конструктивно — технологических параметров устройств пневматического принципа действия и требований к микроэлектронной аппаратуре, обеспечивающей регистрацию, формирование и обработку электрических сигналов, обусловленных ударами семян о приемную площадку с кварцевым датчиком.
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены программа и общая методика исследований. Приведен состав информационно-измерительного стендового оборудования ИУ-91 и используемый при экспериментальных исследованиях состав метрологически поверенных приборов.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» обоснованны режимы работы пневматического устройства для использования в проведении натурных исследований разработанных методов и средств, являющихся составными элементами информационно-измерительного стендового оборудования ИУ-91.
В пятой главе «Рекомендации производству и эффективность результатов исследований» приведена методика испытаний ВА с применением разработанного информационно-измерительного стендового оборудования ИУ-91 и программ регистрации высева семян и обработки результатов опытов.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
технологическая схема информационно-измерительного стендового оборудования с пневматическим устройством и пьезокристаллическим (кварцевым) датчиком;
основные закономерности и математическая модель процесса транспортирования семян в пневматическом устройстве с пьезокристаллическим (кварцевым) датчиком;
расчетные формулы, определяющие взаимосвязь параметров высева семян основных пропашных культур, их пневмотранспортирования и взаимодействия с пьезокристаллическим (кварцевым) датчиком;
- конструктивно — технологические характеристики устройства пневматического принципа действия с пьезокристаллическим (кварцевым) датчиком;
- результаты экспериментальных исследований процесса регистрации се
мян основных пропашных культур при оценке качества работы высевающего
аппарата.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на научно - техническом совете РосНИИТиМ, международных научно — технических конференциях ВНИПТИМЭСХ г. Зерноград в 2005, 2007 и 2009 г.г.; XIII XIV международных научно - практических конференциях ГНУ ВИИТиН. г. Тамбов в 2005
и в 2007 гг.; XIII, IX и X международных научно — практических конференциях ГНУ ВИМ г. Москва в 2005, 2006 и 2008 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 статей и 4 патента на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит их введения, 5 глав, общих выводов и рекомендаций. Работа изложена на 155 страницах, содержит 57 рисунков, 30 таблиц, библиографический список из 115 наименований и 7 приложений на 50 страницах.
Практическая значимость работы заключается:
в обосновании способа и разработке устройства с пьезокристаллическим (кварцевым) датчиком для обеспечения единичной регистрации семян из ВА точного высева, новизна которого подтверждена патентами на полезную модель № 47163 (приоритет 02.03.2005) и №. 50363 (приоритет 15.08.2005);
в разработке стендового оборудования (патент на полезную модель № 60300 (приоритет 11.07.2006)), позволяющего обеспечивать режимы работы ВА в соответствии с агротехническими требованиями;
в разработке устройства для преобразования шок-импульсов пьезокри-сталлического кварцевого датчика (патент на полезную модель
№ 61501 (приоритет 27.09.2006));
- в разработке программного обеспечения режимов работы ВА, регистра
ции импульсов и обработке результатов опытов.
Реализация результатов испытаний. Информационно-измерительное стендовое оборудование для испытаний высевающих аппаратов точного высева семян пропашных культур внедрено на ФГУ «Кубанская МИС».
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю И.М.
Кирееву,
а также В.А. Черноволову, Н.М. Беспамятновой,
Н..К. Таригину
A.M. Семенихину за оказанную помощь при подготовке материалов диссертационной работы.
Стендовое оборудование для оценки качества работы высевающих аппаратов
Одним из условий успешного перехода на сберегающие технологии является создание сеялок точного высева семян, что вызывает необходимость разработки способов и устройств контроля качества работы высевающих аппаратов.
Наиболее полные исследования в области разработки современных способов и устройств регистрации семян опубликованы в трудах ЦНИИТЭИ. Классификация методов и средств контроля точного высева семян приведена на рисунке 1.2.
Анализ приведенных на рисунке 1.2 методов и средств контроля высева семян показывает, что им присущи следующие недостатки.
Основным недостатком известных способов с контактными датчиками высева (электромеханическими, акустическими и пьезоэлектрическими) является забивание семяпроводов зерном, обусловленное падением скорости семян после их отражения от контактной поверхности датчика высева. Кроме того, при взаимодействии семян с поверхностью датчика, их неправильная форма создает электрические импульсы, значительно различающиеся по амплитуде, что обуславливает трудность их регистрации и обработки [19, 39]. Устройство с акустическим (микрофонным) датчиком может использоваться только для качественного определения высева семян. Недостатком пьезоэлектрического датчика являются его низкая разрешающая способность.
Применение бесконтактных емкостных и оптических датчиков обеспечивают надежное срабатывание только на одиночные, в пределах разрешающей способности каждого типа датчиков, семена в потоке [39].
Использование методов распознавания семян по площади, периметру и коэффициенту формы в данном случае затруднено, так как условные геометрические размеры регистрируемого затемнения, вызванного пролетом семян, непосредственно определяются скоростью и направлением движения семян. Такая причина исключает однозначное соответствие площади или периметра затемнения количеству семян в пятнах сложной формы. Определенные трудно сти также связаны и с инерционностью оптических систем, ограничивающей частоту сканирования. Применение оптической завесы для регистрации пролета семян при этом обусловливает погрешность, которая в отдельных случаях превышает 30 %.
Рассмотренные выше методы и средства не в полной мере соответствуют современным требованиям в части достоверности определения показателей технологического процесса точного высева семян, включают в себя дорогостоящие датчики и аппаратуру. В результате анализа нами выбран способ механического взаимодействия чувствительного элемента контактного датчика с зерновым потоком. Для устранения недостатков, присущих контактному датчику, предложен пневматический способ транспортирования семян в воздушном потоке. Реализация пневматического способа осуществлена в устройстве с кварцевым пьезокристалли-ческим датчиком, которое в лабораторных условиях используется, как правило, в составе стендового оборудования. Стендовая аппаратура с известными датчиками контроля высева семян, к которой предъявляются высокие требования по оперативности, точности и достоверности получаемых данных, в настоящее время представлена только единичными экземплярами. Работы по созданию стендов и устройств для испытания ВА сеялок велись с 1974 года [3 - 13, 15, 19, 39, 62 - 67, 87, 92, 96, 97, 112]. Стенды для определения равномерности распределения семян содержат вращающуюся на роликах и движущуюся со скоростью 1,5-2,5 м-с" ленту с сантиметровой шкалой. Семена на фоне деления ленты фотографируются, а результаты обрабатываются с применением методов математической статистики. Эти средства не удовлетворяют исследователей и испытателей высевающих систем из-за большой трудоемкости снятия и обработки данных. На рисунке 1.3 приведена схема стенда для контроля работы ВА сеялок с механизмом фиксирования высеваемого материала в виде горизонтально расположенных ведущего и ведомого роликов (А.с. № 927151 опубл. 15.05.82, кл. A 01 C7 / 00), где ведущий ролик покрыт копировальным материалом и расположен под бумажной лентой, а ведомый ролик покрыт фланц — сукном и подпружинен относительно ведущего ролика. Недостатком известного стенда является отсутствие объективного средства контроля работы ВА. При высеве семян их отпечатки на ленте не отражают объективной информации о распределении семян в рядке, так как невозможно обеспечить вполне определенное их направление на линию забора между роликами. Кроме того, неуправляемый поток семян может привести к их скоплению между роликами, что также приведет к искажению информации о качестве работы ВА. В разработанном электронном стенде [63] имеются чувствительный датчик и устройство для записи электрических сигналов на перфоленту, что не соответствует современным достижениям в области телекоммуникаций. Прибору марки VEV-23, фиксирующему расстояние от 0 до 100 см с точностью 0,5% присущ низкий технологический уровень изготовления [19]. Стенд для контроля работы ВА сеялок [3] содержит датчик высева семян, датчик пути, усилители и преобразователи сигналов, регистрирующий и вы числительные блоки, который не обеспечивает получение достоверных данных. Лабораторной установке [9] содержащей многоступенчатый редуктор от сеялки, ленточный транспортер длиной 3,6 м с электроприводом, регулятор напряжения, трансформатор и электродвигатель постоянного тока свойственны недостатки стендов с лентой. Из описания прибора [63] следует, что испытательный стенд для ВА имеет привод, контейнер для измерения объема и самоходное шасси. Отрегулированный привод осуществляет подачу семян, а специальная измерительная машина с помощью фотоаппаратуры их регистрацию. Управление скоростью движения сеялки и расстоянием между высеянными семенами осуществляется при помощи компьютера. Получение и обработка таких данных носит трудоемкий характер. Отдельные конструктивные элементы стендов и устройств были использованы в РосНИИТиМ при разработке конструкции стендов. В 1986-1998 г.г. в РосНИИТиМ разработаны стенды для испытания сеялок (ВА). Это стенд для испытания пунктирных сеялок ИУ 21 [62]; устройство для определения качества работы В А ИП 195 и стенд для испытаний В А сеялок точного высева ИУ 35 [79]. Анализ результатов проведенных исследований конструктивно-технологического исполнения стендов для оценки качества работы ВА показывает, что среди рассмотренных выше разработок наиболее полно удовлетворяет современным требованиям СТО АИСТ 5.1-2006 стенд для испытаний ВА сеялок точного высева ИУ 35 [79, 83].
Обоснование структуры и параметров стендового оборудования
Таким образом, достоверность и объективность регистрации цифровым фотоаппаратом числа высеваемых семян на погонном метре пройденного ВА пути обеспечивается в основном введением в конструкцию стенда вращающейся рамы с ведущими и ведомыми колесами, бетонной дорожки, ходового электродвигателя, датчиков прохода погонного метра, числовых меток пути на песчаной дорожке.
Предлагаемая конструкция стенда при ее сравнительно недорогой практической реализации может быть успешно использована не только на машиноиспытательных станциях, но и в хозяйствах при проведении испытаний ВА сеялок точного высева.
В целом анализ технического уровня конструктивно-технологического исполнения стендов, методов и средств контроля высева семян показал, что устройства не в полной мере соответствуют современным требованиям в части достоверности определяемых показателей технологического процесса ВА, а методы и средства включают в себя дорогостоящие физические датчики и аппаратуру с ограниченными возможностями по регистрации семян, имеющих неправильную форму (с переменной площадью проекции).
На основе проведенных анализов для обеспечения режимов работы ВА и контроля высева семян, нами предложено измерительно-информационное стендовое оборудование с пневматическим устройством и пьезокристалличе-ским кварцевым датчиком [2, 28, 30, 31, 43-56, 74, 76-78, 84, 88, 89]. Обоснованию структуры и параметров такого оборудования посвящена данная работа. Анализ перспективных направлений развития агрономической науки показал, что одним из условий успешного и эффективного перехода на сбере гающие технологии является наличие сеялок с высевающими аппаратами, обеспечивающими возможность точного высева семян. При этом особая роль принадлежит совершенствованию технических средств испытаний и методов контроля качества работы высевающих аппаратов. 2 Недостатком существующих технических средств испытаний высеваю щих аппаратов является то, что скорость посевного агрегата задается частотой вращения опорно-приводного колеса сеялки. Частоту вращения опорно приводных колес подбирают из расчета засева сеялкой расчетной площади. При этом, число оборотов опорно-приводного колеса сеялки вычисляют как отношение расчетной площади к площади засеваемой за один оборот колеса, а площадь вычисляют по формуле с учетом диаметра опорно-приводного колеса, ширины междурядья и числа засеваемых рядков, что не в полной мере обеспе чивает режимы работы высевающих аппаратов для оценки высева семян в со ответствии со скоростью движения сеялки. 3 Применение оптической завесы для регистрации семян обусловливает погрешность, которая в отдельных случаях превышает 30 %. Кроме того, получение достоверных результатов испытаний высевающих аппаратов возможно в пределах 44,5 %, с ограниченной возможностью - 11 % и абсолютно не возможно - в 44,5 % случаев при их свободном падении при отделении от высевающего диска. 4 Теоретического и практического изучения заслуживают вопросы, связанные с разработкой измерительно-информационного стендового оборудования с пневматическим устройством и пьезокристаллическим кварцевым датчиком. По результатам анализа средств и методов оценки работы высевающих аппаратов сформулирована цель исследования: "Совершенствование методов и средств испытаний высевающих аппаратов точного высева для раздельной (единичной) регистрации одиночных семян, в двойных и тройных подачах ячей и обработки результатов испытаний с помощью современных информационных технологий" и задачи для ее достижения: 1 Разработать структуру и обосновать параметры информационно измерительного комплекса для испытания высевающих аппаратов сеялок точ ного высева. 2 Разработать способ и устройство пневматического принципа действия с пьезокристаллическим (кварцевым) датчиком для обеспечения условий единичной регистрации семян, высеваемых высевающим аппаратом. 3 Обосновать параметры пневматического устройства для транспортирования и регистрации подачи семян высевающим аппаратом сеялок точного высева, разработать методику адаптации устройства к условиям функционирования аппаратов. 4 Обосновать исходные данные для выбора датчиков, обеспечивающих регистрацию режимов и оценку качества работы высевающих аппаратов. 5 Разработать методику испытания высевающих аппаратов с применением разработанного измерительного комплекса и стендового оборудования.
Схема пневматического устройства регистрации высева и управления технологическим процессом
Теоретические исследования позволили провести численный эксперимент по обоснованию значений скоростей воздушного потока и длин направляющих трубок пневматического устройства в зависимости от норм высева семян и скоростейдвижения сеялок. Скорость воздуха в каждом варианте опытов задавали в виде вектора. Например, для свеклы, с начальным значением 5м/с, интервалом изменения 5 м/с и конечным значением 40 м/с. Для сои конечное значение 100 м/с, а интервал - 10 м/с. В каждом варианте вычислительного эксперимента определяли путь Y, проходимый семенем за время между подачами семян смежными ячеями. По в направляющей трубке за время между подачами ячеек от скорости воздуха при скорости движения сеялки 3,6 км/ч ли интервал времени между ударами семян по датчику превышает длительность шок-импульса, то их удары будут зарегистрированы раздельно. На диаграмме регистрации можно изобразить отметки времени, соответствующие выбросу семян ячеями, то есть интервалы At = 3.6/(VmNb). В этом случае возможно сосчитать число нулевых, одиночных, двойных и т. д. подач ячеями и использовать эти результаты при сравнении аппаратов по равномерности высева.
Если длина трубки меньше пути, проходимого семенем за время между подачами, то часть времени трубка будет пустой. Если длина трубки больше пути, проходимого семенем за время между подачами, то в трубке находятся семена, поданные разными ячеями. Раздельная регистрация подачи ячеями не возможна, так как в трубке возможно смешивание семян от разных ячей.
По рисунку 4.1 при Nb =6 шт./м и VB=11м/с - в трубке семена от одной ячеи. При V„ 11 м/с - трубка часть времени пуста, при VB 11 м/с - происходит смешивание подач двух ячей.
При длине направляющей трубки 0,1 м и скорости движения сеялки 5,4 км/ч раздельная регистрация подач семян ячеями возможна при скоростях воздуха, превышающих следующие значения: 7; 12,5; 17 м/с при нормах высева 6; 8 и 10 шт. на погонный метр соответственно. При скорости сеялки 3,6 км/ч (рисунок 4.2) даже при скорости воздуха 5 м/с возможна раздельная регистрация подач семян ячеями.
На рисунках 4.3 - 4.5 приведены рассчитанные по программе графики зависимости пути, проходимого семенем в воздушном потоке за время между подачами ячей, при различных скоростях воздуха и нормах высева семян кукурузы, подсолнечника и сои с условными скоростями движения сеялки 7 км/ч.
При высеве семян кукурузы (рисунок 4.3) с нормой 3 шт./м время между подачами ячей больше времени движения семян в трубке длиной 0,1 м, поэтому при скорости воздуха 5 м/с примерно половину времени трубка пустует. При увеличении скорости воздуха доля времени, когда трубка пуста — увеличивается. При Nb = 5 шт./м раздельная регистрация подач возможна при скорости воздуха более 12,5 м/с, а при Nb =7 шт./м - при скорости воздуха более 22 м/с.
При высеве подсолнечника с нормой Nb = 3шт./м раздельная регистрация подач возможна при любой скорости воздуха. При больших нормах высева требуется увеличить скорость воздуха. Так при Nb =5 шт./м необходимо иметь Vb 8 м/с, при Nb = 7 шт./м - Vb 15 м/с.
Норма высева семян сои примерно в три раза выше, чем кукурузы, поэтому промежутки между подачами ячей малы. Скорость витания семян сои, по данным [29], находится в пределах 17,3,..20,2 м/с, поэтому разгон семян воздушным потоком замедлен. Путь, проходимый семенем за время между подачами, мал. При длине трубки 0,05 м для раздельной регистрации подач требуется скорость 55 м/с при норме высева Nb = 16 шт./м, 82 м/с при Nb = 23 шт./м и более 100 м/с при Nb = 30 шт./м.
Результаты проведенного выше численного эксперимента показывают, что при испытании высевающих аппаратов точного высева длину направляющей трубки и скорость воздушного потока в ней необходимо выбирать по скоростям движения сеялки и агрономическим нормам высева семян различных пропашных культур. Окончательные рекомендации о выборе этих параметров можно сделать после моделирования ударного взаимодействия семян с датчиком.
Следует отметить, что перепад давлений в направляющей трубке, в ин-жекционных отверстиях и в зазоре между устройством и датчиком обусловлен практически одной и той же величиной разрежения, что облегчает расчеты технологического режима пневмотранспортирования семян в устройстве по выше приведенным формулам.
Численный эксперимент по обоснованию длины трубки и скорости воздушного потока в устройстве с пьезокристалллическим кварцевым датчиком
В результате проведения исследований установлено: - для пневматического транспортирования семян сахарной свеклы, подсолнечника и кукурузы длина трубок устройства составляет 0,15 м, а для семян сои - 0,05м; - диаметр трубок устройства для пневматического транспортирования семян сахарной свеклы равен 0,015 м, а для семян подсолнечника, кукурузы и сои - 0,022 м; Для определения расхода воздуха через зазор между устройством и поверхностью датчика получено простое математическое выражение, учитывающее диаметр трубки, величину зазора и перепад давления в области соединения трубок. 2 Результатами численного эксперимента установлено, что при испыта нии высевающих аппаратов скорость воздушного потока в устройстве выбирается с учетом скоростей движения сеялки и агрономических норм высева семян различных пропашных культур. 3 При длине направляющей трубки 0,1 м и скорости движения сеялки 5,4 км/ч раздельная регистрация подач семян сахарной свеклы ячеями возможна при скоростях воздуха, превышающих 7; 12,5; 17 м/с с соответствующими нормами высева 6; 8 и 10 шт. на погонный метр. При скорости сеялки 3,6 км/ч, раздельная регистрация семян сахарной свеклы возможна даже при ско рости воздуха 5 м/с. При длине направляющей трубки 0,1 м и скорости движения сеялки 7 км/ч раздельная регистрация подач семян кукурузы при норме высева 5 шт./м возможна при скорости воздуха более 12,5 м/с, а при норме высева 7 шт./м - при скорости воздуха более 22 м/с. Единичная регистрация семян кукурузы с нормой высева 3 шт./м погонный возможна при скорости воздуха 5 м/с. При высеве семян подсолнечника с нормой высева 3 шт./м при скорости движения сеялки 7 км/ч раздельная регистрация подач возможна при любой скорости воздуха в трубке длиной 0,1 м. При норме высева 5 шт./м необходимо иметь скорость воздуха более 8 м/с, при норме высева 7 шт./м - скорость воздуха более 15 м/с. При длине трубки 0,05 м для раздельной регистрации подач семян сои требуется скорость воздуха 55 м/с при норме высева 16 шт./м; 82 м/с при норме высева 23 шт./м и более 100 м/с при норме высева 30 шт./м. 4 В результате проведения исследований установлено: - пневмотранспортирование семян сахарной свеклы с нормами высева 6, 8 и 10 шт./м погонный в направляющих трубках длиной 0,1 м и 0,15 м обеспе чивается расходом воздуха от 4,45 до 14,02 м /ч, создаваемым перепадом дав ления от 6,92 Па до 76,13 Па; - пневмотранспортирование семян подсолнечника в направляющих трубках длиной 0,1 м и 0,15 м осуществляется расходом воздуха от 6,84 м /ч до 27,36 м3/ч при перепаде давления от 3,61 Па до 39,60 Па; - семена кукурузы транспортируются в направляющей трубке расходом воздуха от 5,47 м /ч до 42,41 м /ч при перепаде давления от 2,44 Па до 87,21 Па; - пневмотранспортирование семян сои с нормами высева 16, 23 и 30 шт./м погонный в направляющей трубке длиной 0,05 м обеспечивается расхо-дом воздуха от 75,04 до 136,80 м /ч, создаваемым перепадом давления от 79,03 Па до 136,80 Па. 5 Установлено, что одно и то же разрежение воздуха практически обес печивает пневматический режим в отражающей трубке длиной 0,15 м при транспортировании семян подсолнечника и кукурузы с нормой высева 3 шт./м погонный, семян подсолнечника, кукурузы и сахарной свеклы с нор мами высева 7, 5 и 6 шт./м погонный соответственно, а также семян, кукуру зы и сахарной свеклы с нормами высева - 7 и 8 шт./м погонный. При одном и том же разрежении транспортирование семян в устройстве обеспечивается различным расходом воздуха. Например, для семян сахарной свеклы расход воздуха составляет 24 м /ч, для семян кукурузы - 61 м /ч, а для семян под солнечника - 79 м /ч. Такое различие в расходах воздуха объясняется харак терной плотностью семян, разной их формой и соответствующей скоростью витания. Для транспортирования семян сои в отражающей трубке длиной 0,05 м с нормами высева 16, 23 и 30 шт./м погонный необходим повышенный расход воздуха от 130 м /ч до 235 м /ч, обеспечиваемый разрежением в пневматическом устройстве от 0,12 до 0,55 %. от барометрического давления. 6 Для разработки схемы электронного блока преобразования механиче ских шок - импульсов в электрические сигналы расчетным методом установ лены величины импульсов от взаимодействия семян с приемной площадкой датчика: - для семян кукурузы с нормами высева 3, 5 и 7 шт./м погонный значе ния импульсов семян находятся в пределах от 1,748-10"4 до 8,905-10-4 кг-м-с-1; - для семян подсолнечника с нормами высева 3, 5 и 7 шт./м погонный значения импульсов семян находятся в пределах от 3,774-10"5 до 1,975 ЮЛсгм-с-1; - для семян сои с нормами высева 16, 23 и 30 шт./м погонный значения импульсов семян находятся в пределах от 2,691-Ю"4 до 1,858-Ю"3 кгмх"1; - для семян свеклы с нормами высева 6, 8 и 10 шт./м погонный значения импульсов семян находятся в пределах от 6,967-10"бдо 3,746-10"5 кгмх"1. Интервал значений шок - импульсов, создаваемых семенами рассматри-ваемых культур, находится в пределах от 6,967-10" до 1,858-10" кгмх" . Программное обеспечение осуществляет единичную регистрацию электрических импульсов и обработку результатов опытов с представлением в виде табличных данных. 7 Для рассматриваемых норм высева семян и скоростей движения сеялки, стандартное отклонение интервала между высевом семян находится в преде лах от ± 0,2 см до ± 1,64 см. Значение коэффициента вариации для всех норм высева семян и скоростей движения сеялки не превышают 10 %. 8 Экспериментально установлено, что отклонение перепада давления от заданного в пределах от 10 до 15 % не сказывается на превышении значений стандартного отклонения и коэффициента вариации.
