Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 8
1.1. Обоснование технологии посева козлятника восточного с применением комбинированного посевного агрегата 8
1.2. Анализ комбинированных машин, совмещающих предпосевную обработку почвы с посевом 12
1.3. Анализ высевающих устройств посевных машин для трудносыпучих семян 18
1.4. Анализ работы устройств для повышения качества высева трудновысеваемых культур 29
1.5. Выводы .34
1.6. Цель и задачи исследований .35
2. Теоретическое обоснование технологического процесса работы формирователя потока семян 37
2.1. Обоснование конструктивно-технологической схемы высевающего аппарата для трудносыпучего семенного материал ... 38
2.2. Анализ процесса движения семян в формирователе потока и обоснование его параметров 39
2.3. Статистическая оценка рассевания семян на входе и выходе формирователя потока 52
2.3.1. Определение корреляционных функций случайных процессов и их анализ 55
2.3.2. Спектральный анализ входного и выходного процессов рассеивания семян 60
2.3.3. Определение передаточной функции процесса рассеивания семян 64
2.4. Выводы...
3. Программа и методика экспериментальных исследовании .67
3.1. Программа экспериментальных исследований 67
3.2. Методика лабораторных исследований .68
3.2.2. Устройство и работа лабораторной установки для исследования рассеивания потока семян 70
3.2.3. Методика оптимизации конструктивных параметров формирователя потока семян 74
3.2.4. Исследование продольной равномерности распределения семян 78
3.3. Методика полевых исследований 81
3.3.1. Устройство и технологический процесс работы экспериментального комбинированного почвообрабатывающе-посевного агрегата для высева козлятника восточного замоченными семенами .81
3.3.2. Методика определения равномерности распределения семян и растений в рядке 85
3.3.3. Исследование глубины заделки семян 87
3.3.4. Динамика появления всходов 87
3.3.5. Урожай с опытных посевов 88
4. Результаты и анализ экспериментальных исследований 89
4.1. Результаты лабораторных исследований 89
4.1.1. Результаты исследования жёсткости упругих элементов 89
4.1.2. Результаты исследования равномерности рассеивания семян 90
4.1.3. Влияние конструктивно-технологических параметров экспериментального высевающего устройства с формирователем потока на продольную равномерность распределения семян 95
4.1.4. Результаты оптимизации конструктивных параметров формирователя потока семян... 4.1.5. Результаты исследований равномерности распределения семян формирователем потока 104
4.2. Результаты полевых исследований 106
4.2.1. Равномерность распределения семян и растений в рядке 107
4.2.2. Глубина заделки семян 110
4.2.3. Динамика появления всходов 111
4.2.4. Анализ урожая, полученного с опытных посевов 113
4.3. Выводы 115
5. Технико-экономическая эффективность использования экспериментального комбинированного посевного агрегата на посеве козлятника восточного 116
6. Общие выводы 124
Список используемой литературы 126
Приложения 136
- Обоснование технологии посева козлятника восточного с применением комбинированного посевного агрегата
- Обоснование конструктивно-технологической схемы высевающего аппарата для трудносыпучего семенного материал
- Методика лабораторных исследований
- Результаты исследования жёсткости упругих элементов
Введение к работе
Интенсификация животноводства неразрывно связана с увеличением производства кормов, расширением их ассортимента и повышением качества. Перспективной многолетней культурой с высокими кормовыми достоинствами и 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 [17, 37]. К тому же, мелкосемянность, твердокаменность и повышенная потребность семян козлятника восточного во влаге при прорастании вызвали необходимость посева данной культуры семенами, прошедшими обработку 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 вы-^ севающих 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 пробле-
7 мы: «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 выносится новая конструктивно-технологическая схема высевающего устройства с формирователем потока семян (решение о выдаче патента на изобретение №2003129849/12(031941) (приложение 1)), и следующие научные положения:
результаты теоретических исследований движения семени по рассе- * кателю и статистический анализ процесса рассеивания семян с обоснованием основных конструктивно-технологических параметров формирователя потока семян высевающего устройства;
результаты лабораторных исследований по изучению влияния основных конструктивно-технологических параметров формирователя по- -. тока семян высевающего устройства на качество высева трудносыпучего семенного материала;
результаты производственных испытаний экспериментального комбинированного посевного агрегата на посеве козлятника восточного замоченными семенами и экономическая оценка результатов исследований.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Механика и инженерная графика» ФГОУ ВПО Самарской ГСХА в 2002...2005 годах.
8 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Обоснование технологии посева козлятника восточного с применением комбинированного посевного агрегата
Агротехнические особенности возделывания козлятника восточного обусловлены специфическими свойствами его семенного материала. Основные из них это мелкосемянность, твердокаменность и большая потребность во влаге при прорастании. Так масса 1000 семян равна 6...8 грамм, доля твёрдых семян в зависимости от условий увлажнения года достигает 50...98%, а количество воды, поглощаемое семенами в процессе набухания и необходимое для прорастания, составляет 112% от воздушно-сухого веса семян [82].
Основными устройствами посевной машины, обеспечивающими вы- , полнение технологического процесса высева семян являются дозирующая и пневмотранспортирующая системы, качество работы которых существенным -образом зависит от свойств семян высеваемой культуры. Поэтому для обоснования основных параметров элементов высевающей системы необходимо провести анализ физико-механических свойств посевного материала.
Результаты ранее проведённых исследований [54, 82] позволяют определить пределы варьирования размерных и массовых характеристик сухих и замоченных семян козлятника восточного, плотность семенной массы, сыпучесть, и коэффициенты трения семян по поверхностям различных материалов.
С поглощением сухими семенами влаги происходит увеличение их линейных размеров, в особенности по длине, коэффициентов трения движения и покоя, а также снижение коэффициента сыпучести до г|=0,42, что позволяет отнести замоченные семена к малосыпучим [43, 82]. Основные свойства семенной массы козлятника восточного представлены в таблице 1.1.
Таблица 1.1
Для получения высокой урожайности зеленой массы и семян козлятника восточного необходимо соблюдать сроки посева, выдерживать норму и равномерность высева, глубину заделки, оптимальную ширину междурядий, позволяющую выполнять при необходимости уход за растениями.
Наилучшим для культуры является весенний посев, совпадающий с севом ранних яровых зерновых. Он обусловлен тем, что для формирования корневых отпрысков и зимующих почек, от которых зависит перезимовка и отрастание растений весной следующего года, требуется не менее 100...120 дней. Лучшим сроком сева следует считать первую половину мая. Летние посевы недопустимы. От сроков посева зависит также зимостойкость растений. Майские посевы перезимовывают на 95...100%, проведенные в конце июля - на 52,5%, а августовские - лишь на 12,8% [17,24,37, 54, 82].
Важным условием формирования оптимальной густоты стояния и продуктивности посевов козлятника восточного является норма высева семян. Она находится в прямой зависимости от способа посева, природно-климатических условий, назначения посевов, всхожести семян. Изучение способов посева и норм высева козлятника впервые было начато во ВНИИ кор-
10 мов Симоновым С.Н. в 1938 году и продолжается до нашего времени. Для условий Самарской области рекомендуется высевать козлятник на семенные цели широкорядным способом с междурядьем 45-70 см и нормой высева 1...1,5 млн., или 7...10 кг всхожих семян на гектар, а на кормовые цели - рядовым способом с нормой высева 4...5 млн./га всхожих семян [11,22,54,62,93].
При широкорядном способе посева с уменьшенными нормами высева (1...1,5 млн./га всхожих семян) складываются лучшие условия для формирования корневой системы и перезимовки, что связано в большей степени с увеличением корневищных побегов и способствует лучшему обеспечению растения питательными веществами. Уже в год посева козлятник при пониженных нормах высева имеет более благоприятные условия для своего роста и развития. Преимущества, полученные растениями козлятника в процессе первоначального развития, способствуют формированию большего количества генеративных органов в первый год пользования. При увеличении норм высева выживаемость, высота растений козлятника и все показатели структуры урожая снижаются [24, 54].
Оптимальная глубина заделки семян составляет 1...2 см, на легких почвах - 3 см. При посеве с особой тщательностью нужно подходить к установке требуемой глубины, в противном случае невозможно будет получить дружных всходов. Уже при размещении их на глубину 4 см полевая всхожесть снижается на 10... 15 % [86]. Для посева используются сеялки овощные СО-4.2, СКОН-4.2 или зернотравяные типа СЗТ-3.6.
Для лучшего контакта семян с почвой поле прикатывают. Прикатыва-ние почвы способствует лучшему доступу влаги к семенам, появлению дружных всходов, устраняет образование почвенной корки после выпадения осадков и уменьшает расход почвенной влаги.
Проводить качественный посев в сжатые сроки, и уменьшать влияние неустойчивых метеорологических условий позволяет использование комбинированных машин совмещающих такие технологические операций как предпосевная обработка почвы и посев. В отличие от раздельного выполне-
ния предусмотренных операций повышается их эффективность вследствие отсутствия разрыва между обработкой почвы и посевом.
Так по мнению Н.И. Любушко и В.Н. Зволинского [57, 58] перспективно совмещение операций предпосевной культивации, посева и сопутствующих операций (прикатывание почвы, внесение гранулированных удобрений или средств химической защиты). Такое совмещение целесообразно в степных зонах с засушливым климатом и способствует меньшему уплотнению почвы, сокращению числа проходов машинотракторных агрегатов по полю, уменьшению потерь времени на холостые проходы, увеличению производительности, снижению денежных и трудовых затрат. Также при этом уничтожается сорная растительность, создаются благоприятные условия для роста и развития растений за счёт ускорения хода полевых работ и ликвидации разрыва между обработкой почвы и посевом, лучшего обеспечения теплового режима, устранения уплотнения почвы и разрушения её структуры.
Семена козлятника при прорастании нуждаются в большом количестве влаги. Поэтому обработка почвы под посев должна быть направлена на создание благоприятных условий для максимального накопления и сохранения влаги, оптимального воздушного и пищевого режимов. Добиться данных условий можно применением в качестве почвообрабатывающих орудий в комбинированном агрегате фрезерных культиваторов. Фрезы интенсивно крошат почву, уничтожают сорняки, измельчают растительные остатки, перемешивают слои почвы, заделывают удобрения и выравнивают поверхность поля. Фрезерование обычно применяется как последняя предпосевная обработка почвы и должно обеспечивать мелкокомковатую структуру её на глубину посева семян и выровненную поверхность [11,22,52,54,58,62,93].
Таким образом, посев козлятника восточного в условиях Поволжья целесообразнее проводить комбинированным почвообрабатывающе-посевным агрегатом, обеспечивающим тщательную предпосевную обработку поля и благоприятные условия для роста и развития растений.
12 1.2. Анализ комбинированных машин, совмещающих предпосевную обработку почвы с посевом
Комбинированные машины и агрегаты, совмещающие предпосевную обработку почвы и посев, можно разделить на три группы: [52,99]
агрегаты, составленные из нескольких простых или комбинированных машин различного назначения, используемых самостоятельно при раздельном проведении операций по подготовке почвы, посеву и послепосевной обработке;
почвообрабатывающие посевные комбайны;
специальные машины, предназначенные только для совмещённого выполнения предпосевной обработки, посева и послепосевной обработки почвы.
Комбинированные агрегаты, составленные из серийных почвообрабатывающих машин и сеялок, являются наиболее простым решением совместного выполнения обработки почвы и посева [47]. В качестве почвообрабатывающего орудия в агрегатах такого типа часто используются фрезерные культиваторы с горизонтально и вертикально расположенными активными рабочими органами. Применение комбинированных машин данной группы вызвано необходимостью тщательной предпосевной обработки почвы.
К этим машинам можно отнести разработанный в нашей стране комбинированный агрегат КА-3,6 (рис 1.1) с активными рабочими органами почвообрабатывающей части, который предназначен для предпосевной обработки почвы с одновременным глубоким рыхлением и посева с рядковым внесением минеральных удобрений и послепосевного рядкового прикатывания. На выровненной пахоте агрегат КА-3,6 обеспечивает качественные обработку почвы и посев, а следовательно, равномерные дружные всходы. Он лучше работает на почвах оптимальной и пониженной влажности, и его можно использовать для ускоренной подготовки почвы и посева сразу после уборки предшественника при возделывании промежуточных или поздноубираемых паровых и непаровых культур. ';
Однако опыт использования этого агрегата показал, что он имеет ряд недостатков, из которых главными являются высокая энергоемкость технологического процесса и связанная с этим сравнительно низкая производительность, а также низкая надежность на почвах, засоренных камнями и неприспособленность для работы на почвах повышенной влажности. К тому же, при последовательном соединении машин агрегат получается громоздким, требующим значительной ширины поворотной полосы. Шарнирное соединение сеялки при работе на небольших склонах приводит к отклонению от прямолинейного направления движения.
Немецкая фирма "Амазонен Верке" на базе вертикального ротационного культиватора выпускает комбинированный агрегат серии KG (рис. 1.2) Съемная зерновая сеялка устанавливается на раме ротационного культиватора. Для проведения посева на тяжелых почвах с большим количеством растительных остатков комбинированный агрегат может комплектоваться глубо-корыхлителем в виде стрельчатых лап [47,102,105].
К недостаткам такого комбинированного агрегата относятся невысокая производительность обусловленная, в основном, малой шириной захвата и низкой рабочей скоростью.
Особую группу комбинированных машин составляют так называемые почвообрабатывающие посевные комбайны, выполняющие совмещенные операции в широком диапазоне.
Примером таких машин может служить прицепной комбайн "Уонсовер" (США), а также выпускаемые фирмой "Кантоне" (Италия) почвообрабатываю-ще-посевные комбайны "Супер-культиватор" Т 300 и Т 360 (рис 1.3), которые предназначены для одновременного сплошного внесения удобрений, гербицидов и ядохимикатов, рыхления, выравнивания и прикатывания почвы, посева семян, внесения удобрений в рядки и нарезки поливных борозд. [103,107]
Недостатками таких агрегатов являются низкая маневренность при поворотах и движении задним ходом из-за больших габаритных размеров и веса, трудоемкость процесса присоединения секций сеялок из-за их большого
Рис. 1.1. Схема комбинированного агрегата КА-3,6
1- трактор; 2 - фрезерный культиватор-глубокорыхлитель КФГ-3,6; 3 - переходная рамка; 4 - универсальная зернотуковая сеялка; 5 - прикатывающие каточки; 6 - гидроцилиндр
Рис. 1.2. Схема работы комбинированного агрегата немецкой фирмы "Амазонен Верке" серии KG с глубокорыхлителем
Рис. 1.3. Почвообрабатывающий посевной комбайн "Суперкультиватор" фирмы
"Кантоне"
15 веса (более 400 кг) и неудобства соединения (необходимо фиксировать сеялку в трех точках), высокое отклонение от нормы высева отдельными сошникам (от 9 до 65 г).[104,106,108]
К комбинированным машинам специального назначения следует отнести, прежде всего, сеялки-лущильники, сеялки-культиваторы и сеялки-фрезы. Сеялки-лущильники впервые стали использовать для работы в зонах, подверженных ветровой эрозии. Их рационально применять на хорошо разрыхляющихся за один проход дисковой батареи почвах. Они более работоспособны, чем сеялки-культиваторы при работе и на почвах тяжелого механического состава при повышенной влажности, так как дисковые рабочие органы лучше самоочищаются, чем сошники с культиваторными лапами, и имеют меньшее тяговое сопротивление. Примером такой комбинированной машины является сеялка-лущильник ЛДС-6, которая, кроме рыхления почвы и посева, вносит удобрения и прикатывает почву (рис. 1.4). Главным недостатком таких машин является неравномерная по глубине заделка семян.
Сеялки-культиваторы и сеялки-фрезы совмещают предпосевную обработку почвы с посевом. Разница между ними в том, что первые снабжены рабочими органами пассивного действия, а вторые — активного (с приводом от вала отбора мощности трактора).
В связи с этим первые более пригодны для работы на почвах, засоренных камнями, а вторые могут быть использованы только на чистых и малоза-соренных почвах. Известны варианты машин, где вместо фрезы применяют вибробороны [52].
В зонах ветровой эрозии находят применение сеялки-культиваторы. Они выполняют предпосевную обработку почвы и посев по стерне.
Для выполнения совмещенных операций предпосевной обработки почвы с сохранением стерни на поверхности, посева зерновых, внесения гранулированных удобрений и прикатывания посевов на легких по механическому составу почвах, подверженных ветровой эрозии, разработана сеялка-культиватор СЗС-2,1 (рис. 1.5). Однако посев на необходимую для мелкосе-
мянных культур малую глубину затруднён, а почвообрабатывающие органы данной машины не обеспечивают необходимую для интенсивного развития подготовку почвы.
Сеялки-фрезы имеют такое же назначение, как и сеялки-культиваторы, но они интенсивнее разрыхляют верхний слой почвы. Посев семян сеялками-фрезами проводят двумя способами: разбросным — под шлейф почвы, поднятой фрез-барабаном, и рядовым - килевидными сошниками по разрыхленной и уложенной фрезой почве. При первом способе семяподводящие патрубки направляют под фартук фрезы, при втором - в воронки сошников.
Сеялки-фрезы находят применение для ускоренной подготовки почвы под промежуточные, озимые культуры и для посева на поздно освободившихся от предшественника полях.
Английская фирма "Говард Ротаватор" выпускает комбинированный агрегат "Ротакастер" Е80 (рис 1.6) для посева двумя способами: рядовым и разбросным.
Первый способ рекомендуется применять весной. В этом случае на кожухе фрезы закрепляются сошники, которые производят посев в поток влажной почвы, отброшенной фрезой. Вторым способом высевают озимые и повторные культуры осенью в сухую почву при наличии большого количества растительных остатков, например, стеблей кукурузы. При работе на плотных почвах сзади агрегата устанавливается легкий каток-измельчитель. Привод высевающих аппаратов осуществляется от опорного пневматического колеса фрезы с помощью конической шестеренчатой передачи. Глубина обработки почвы регулируется путем изменения положения опорных колес, а глубина заделки семян (при рядовом посеве) - изменением угла наклона и расположения сошников по высоте. Производительность агрегата в час чистой работы 0,5 га, рабочая скорость 2,6 км/ч. Ширина захвата 1,95 м, глубина обработки до 11 см. Масса 1050 кг. Агрегатируется с тракторами класса 1,4. Агрегат прост по конструкции и удобен в обслуживании. Применение цепного редуктора на привод фрезы упрощает конструкцию и уменьшает ее массу.
Рис. 1.4. Сеялка-лущильник ЛДС-6
Рис. 1.5. Стерневая сеялка-культиватор СЗС-2,1
Рис. 1.6. Фрезерно-посевной агрегат "Ротакастер"
18 Недостатками агрегата являются низкая производительность на посеве,
небольшая вместимость семенного ящика, что требует частых заправок, затрудненная регулировка в горизонтальной плоскости рабочих органов (фрезы и прикатывающего катка) в полевых условиях.
В результате проведённого анализа можно сделать вывод, что наиболее приемлемыми для посева козлятника восточного является использование специальных комбинированных почвообрабатывающе-посевных агрегатов с активными рабочими органами обеспечивающих тщательную предпосевную обработку почвы и способствующих повышению динамики роста и, как следствие этого, более стабильному, интенсивному и лучшему формированию корневой системы и наземной части растения.
1.3. Анализ высевающих устройств посевных машин для трудносыпучих семян
' " ' Ї .. '
Высевающий аппарат - один из наиболее важных рабочих органов сеялки. Он служит для отбора из общей массы определённого количества семян и формирования исходного потока с заданными параметрами. 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) лёгкую и удобную установку на заданную норму высева [14,15,31,42].
Для совершенствования конструкций существующих устройств дозирования трудносыпучих семенных материалов и создания новых необходимо провести анализ известных высевающих аппаратов.
На рисунке 1.7 представлена классификация высевающих устройств для трудносыпучих посевных материалов. Наиболее простыми, надежными и широко распространенными являются механические высевающие аппараты. Для высева несыпучих семян в основном используются штифтовые, дисковые, мотыльковые, тарельчатые, ленточные высевающие аппараты. Все они работают с ворошилками, что дает возможность устойчиво высевать несыпучий семенной материал [8,9,13,15,26,35,57,72,88].
Мотыльковые высевающие аппараты (рис. 1.8) используются для высева
пустынных несыпучих семян трав (черного саксаула, черкеса, прутняка, и дру
гих трав). Мотыльки образованы лопастями, поставленными под углом 30.. .35
к плоскости вращения, причём смежные лопасти имеют наклон в разные сторо
ны. Ряд мотыльков укрепляется на общем валу в семенном ящике. Мотыльки
вращаются в массе семян и своими лопастями выводят семена из ящика через
окна в его задней стенке. Заслонками можно изменять выходное сечение окон и
тем самым регулировать количество высеваемого материала. '
Недостатком работы такого типа высевающих аппаратов является изменение количества высева в зависимости от уровня семян в бункере и уклона местности. Высев несыпучих семян с большой засоренностью крупными примесями мотыльковым высевающим аппаратом также затруднен. Поскольку рабочие элементы находятся на уровне высевного окна, затруднено проталкивание засоренного высеваемого материала за пределы высевного окна, что ведет к забиванию и снижению надежности его работы [31,41].
Несколько лучшими качественными показателями работы обладает разработанный высевающий аппарат роторного, выталкивающего типа (рис. 1.9). Для снижения травмируемости семян лопасти ротора данного аппарата дополнительно снабжены эластичными концами. Несмотря на улучшение выталкивающей способности ротора, а значит и некоторое увеличение подачи
Высевающие устройства для трудносыпучих посевных материалов
По виду дозирующих
устройств
3 я
н я
3 и
3 и о
Ч 3
н о
По способу
С формирующим устройством
высева
Без формирующего устройства
Активное
По способу формирования потока
Комбинированное
Пассивное
Обоснование технологии посева козлятника восточного с применением комбинированного посевного агрегата
Агротехнические особенности возделывания козлятника восточного обусловлены специфическими свойствами его семенного материала. Основные из них это мелкосемянность, твердокаменность и большая потребность во влаге при прорастании. Так масса 1000 семян равна 6...8 грамм, доля твёрдых семян в зависимости от условий увлажнения года достигает 50...98%, а количество воды, поглощаемое семенами в процессе набухания и необходимое для прорастания, составляет 112% от воздушно-сухого веса семян [82].
Основными устройствами посевной машины, обеспечивающими вы- , полнение технологического процесса высева семян являются дозирующая и пневмотранспортирующая системы, качество работы которых существенным -образом зависит от свойств семян высеваемой культуры. Поэтому для обоснования основных параметров элементов высевающей системы необходимо провести анализ физико-механических свойств посевного материала.
Результаты ранее проведённых исследований [54, 82] позволяют определить пределы варьирования размерных и массовых характеристик сухих и замоченных семян козлятника восточного, плотность семенной массы, сыпучесть, и коэффициенты трения семян по поверхностям различных материалов.
С поглощением сухими семенами влаги происходит увеличение их линейных размеров, в особенности по длине, коэффициентов трения движения и покоя, а также снижение коэффициента сыпучести до г=0,42, что позволяет отнести замоченные семена к малосыпучим [43, 82]. Основные свойства семенной массы козлятника восточного представлены в таблице 1.1. Таблица 1. Наименование показателей Семена Сухие Замоченные Влажность семян, % 10...12 35...40 Коэффициент трения покоя:-сталь-полихлорвинил 0,36 0,41 0,59 0,62 Коэффициент трения движения:-сталь-полихлорвинил 0,32 0,38 0,54 0,57 Коэффициент сыпучести семенной массы 0,78 0,42 Коэффициент внутреннего трения 0,63 1,02 Коэффициент уплотнения семенного материала 1,1 1,15
Для получения высокой урожайности зеленой массы и семян козлятника восточного необходимо соблюдать сроки посева, выдерживать норму и равномерность высева, глубину заделки, оптимальную ширину междурядий, позволяющую выполнять при необходимости уход за растениями.
Наилучшим для культуры является весенний посев, совпадающий с севом ранних яровых зерновых. Он обусловлен тем, что для формирования корневых отпрысков и зимующих почек, от которых зависит перезимовка и отрастание растений весной следующего года, требуется не менее 100...120 дней. Лучшим сроком сева следует считать первую половину мая. Летние посевы недопустимы. От сроков посева зависит также зимостойкость растений. Майские посевы перезимовывают на 95...100%, проведенные в конце июля - на 52,5%, а августовские - лишь на 12,8% [17,24,37, 54, 82].
Важным условием формирования оптимальной густоты стояния и продуктивности посевов козлятника восточного является норма высева семян. Она находится в прямой зависимости от способа посева, природно-климатических условий, назначения посевов, всхожести семян. Изучение способов посева и норм высева козлятника впервые было начато во ВНИИ кор 10 мов Симоновым С.Н. в 1938 году и продолжается до нашего времени. Для условий Самарской области рекомендуется высевать козлятник на семенные цели широкорядным способом с междурядьем 45-70 см и нормой высева 1...1,5 млн., или 7...10 кг всхожих семян на гектар, а на кормовые цели - рядовым способом с нормой высева 4...5 млн./га всхожих семян [11,22,54,62,93].
При широкорядном способе посева с уменьшенными нормами высева (1...1,5 млн./га всхожих семян) складываются лучшие условия для формирования корневой системы и перезимовки, что связано в большей степени с увеличением корневищных побегов и способствует лучшему обеспечению растения питательными веществами. Уже в год посева козлятник при пониженных нормах высева имеет более благоприятные условия для своего роста и развития. Преимущества, полученные растениями козлятника в процессе первоначального развития, способствуют формированию большего количества генеративных органов в первый год пользования. При увеличении норм высева выживаемость, высота растений козлятника и все показатели структуры урожая снижаются [24, 54].
Оптимальная глубина заделки семян составляет 1...2 см, на легких почвах - 3 см. При посеве с особой тщательностью нужно подходить к установке требуемой глубины, в противном случае невозможно будет получить дружных всходов. Уже при размещении их на глубину 4 см полевая всхожесть снижается на 10... 15 % [86]. Для посева используются сеялки овощные СО-4.2, СКОН-4.2 или зернотравяные типа СЗТ-3.6.
Для лучшего контакта семян с почвой поле прикатывают. Прикатыва-ние почвы способствует лучшему доступу влаги к семенам, появлению дружных всходов, устраняет образование почвенной корки после выпадения осадков и уменьшает расход почвенной влаги.
Проводить качественный посев в сжатые сроки, и уменьшать влияние неустойчивых метеорологических условий позволяет использование комбинированных машин совмещающих такие технологические операций как предпосевная обработка почвы и посев. В отличие от раздельного выполнения предусмотренных операций повышается их эффективность вследствие отсутствия разрыва между обработкой почвы и посевом.
Так по мнению Н.И. Любушко и В.Н. Зволинского [57, 58] перспективно совмещение операций предпосевной культивации, посева и сопутствующих операций (прикатывание почвы, внесение гранулированных удобрений или средств химической защиты). Такое совмещение целесообразно в степных зонах с засушливым климатом и способствует меньшему уплотнению почвы, сокращению числа проходов машинотракторных агрегатов по полю, уменьшению потерь времени на холостые проходы, увеличению производительности, снижению денежных и трудовых затрат. Также при этом уничтожается сорная растительность, создаются благоприятные условия для роста и развития растений за счёт ускорения хода полевых работ и ликвидации разрыва между обработкой почвы и посевом, лучшего обеспечения теплового режима, устранения уплотнения почвы и разрушения её структуры.
Обоснование конструктивно-технологической схемы высевающего аппарата для трудносыпучего семенного материал
Анализ конструкций существующих высевающих аппаратов показывает, что для высева несыпучих семенных материалов целесообразно использование высевающих аппаратов со штифтовыми рабочими элементами, обеспечивающими высев за счет принудительной подачи семенного материала. Недостатком такого технологического процесса работы высевающего аппарата является прерывистый, порционный режим работы, что снижает равномерность высева. Повысить равномерность высева можно использованием штифтово-щёточного формирователя потока для рассеивания порций семян.
Исходя из выше изложенного и принимая во внимание результаты анализа высевающих аппаратов на кафедре «Механика и инженерная графика» Самарской ГСХА было разработано экспериментальное высевающее устройство со штифтово-щёточным формирователем потока для трудносыпучих семенных материалов (рис. 2.1). В качестве дозатора семенного материала в нём использовался высевающий аппарат со штифтовой катушкой оснащённый ворошителем.
Формирователь потока содержит рассеиватель в виде высевающего валика, на ступице которого рядами закреплены упругие иглы, и горизонтально расположенный барабан, на боковой поверхности которого выполнены загрузочное и высевное окна. На внутренней поверхности барабана между загрузочным и высевным окном находятся установленные рядами штифты рассекателя. Ряды штифтов расположены с интервалом друг относительно друга, а промежутки между штифтами одного ряда перекрываются штифтами соседних рядов. Загрузочное окно сообщено с высевающим аппаратом, а высевное окно - с семяпроводом, оснащённым эжекторным устройством.
Технологический процесс высевающего устройства протекает следующим образом. Замоченные семена засыпаются в бункер. Благодаря вращению прутков ворошителя и под действием собственного веса семена подаются в зону забора штифтами катушки высевающего аппарата. Заполнив определённый объём межштифтового пространства, семена порциями сбрасываются по мере их подачи за пределы днища вращающейся катушкой. Под собственным весом они падают в загрузочное окно барабана формирователя потока и ув 39 лекаются рядами упругих игл рассеивателя, вращающегося от внешнего привода. В процессе продвижения между штифтами рассекателя порция семян рассеивается упруго деформирующимися иглами. В результате комплексного воздействия упругих игл рассеивателя и штифтов рассекателя порции разделяются на отдельные семена и через высевное окно подаются в эжекторное устройство, откуда воздушным потоком транспортируются по пневмосемя-проводам в сошники.
Таким образом, разработанная конструктивно-технологическая схема высевающего устройства 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 формирователя потока принят за основной объект исследования.
Основной задачей при разработке формирователя потока является определение его параметров, при которых будет обеспечиваться наиболее равномерное продольное распределение семян в рядке.
Прохождение семян через ряд штифтов можно разделить на два этапа: транспортирование упругими иглами и рассеивание. Транспортирование присутствует при прохождении семян между штифтами одного ряда под действием упругих игл. Рассеивание происходит в случае нахождения штифта на траектории движения части группы. При этом игла, транспортируя совместно с соседними иглами группу семян, встречает на своём пути штифт. В результате взаимодействия происходит деформация иглы, сопровождающаяся повышением её потенциальной энергии. Деформированная игла, огибая штифт, разделяет транспортируемые перед собой семена. После прохода боковой образующей штифта энергия иглы переходит в кинетическую энергию семян, под действием которой они продолжают движение в направлении высевного окна. Другая часть семян транспортируется упругими иглами до момента прохождения следующего ряда штифтов. За счёт упругих свойств материала игла возвращается в исходное положение. Ввиду последовательного воздействия игл и штифтов рассекателя на семена происходит их рассеивание и перераспределение в формирователе потока.
Таким образом, разделение семян при прохождении через рассекатель происходит в разные периоды времени. Поэтому необходимо найти такое расположение штифтов рассекателя на внутренней поверхности формирователя потока и игл высевающего валика, при котором в любом случае на семя хотя бы один раз будет оказано воздействие. Данное условие выполнимо при расстановке штифтов по развёрткам многоходового винта по методу, разработанному инженером С. Я. Розманом [55]. При этом расстояния между проекциями, образуемыми соседними штифтами, должны быть меньше или равны минимальному линейному размеру семени (рис. 2.2).
Методика лабораторных исследований
Одним из факторов, оказывающих существенное влияние на равномерность рассеивания семян, является жёсткость упругих элементов. Для количественного определения данного параметра была использована лабораторная установка, изображённая на рис. 3.1. Лабораторная установка включает прижимную планку с винтом 1 для фиксации исследуемого упругого элемента 4, на котором подвешен груз 3 весом Q=mg. Для определения величины прогиба используется шкала 2, нулевая отметка которой совпадает с осью горизонтально закреплённого упругого элемента.
Лабораторные исследования проводились в следующем порядке. Исследуемый упругий элемент, образующий консоль длиной L фиксировался прижимной планкой с винтом 1. За свободную сторону консоли подвешивали груз массой т. Величину прогиба определяли по шкале 2.
Расчёт жёсткости упругого элемента проводили по формуле. [10] с=7 (3-і) где С - жёсткость упругого элемента, Н/м; Q - вес используемого груза, Н; у - прогиб, м. При проведении экспериментов использовали груз массой 100 грамм. Для выполнения теоретических расчётов процесса рассеивания порций семян необходимо определить модуль упругости материала используемых игл и момент инерции их сечения. Прогиб консольно закреплённой балки находится по формуле a) б) Рис. 3.1. Общий вид (а) и схема (б) лабораторной установки для определения жёсткости упругих элементов v QI} у Ш w где L - длина консоли; Е - модуль упругости материала, МПа; I - момент инерции сечения, м4. Момент инерции сечения используемых в исследованиях упругих элементов вычисляется по формуле[10] /=0,7854аЬ3 (3.3) где а - ХА ширины оси сечения упругого элемента, перпендикулярной плоскости изгиба; Ь-Уг ширины оси сечения упругого элемента, находящейся в плоскости изгиба. Выразив из формулы (3.2) модуль упругости материала получим Е = — (3 4) Ъ1у }
При проведении экспериментов использовались четыре вида игл различной жёсткости. Опыты проводились в трёхкратной повторности. Полученные результаты обрабатывались методом математической статистики на ЭВМ.
Устройство и работа лабораторной установки для исследования рассеивания потока семян
На процесс рассеивания семян в реальном формирователе оказывает влияние большое количество факторов, изучить степень воздействия которых весьма затруднительно. Поэтому эксперименты по исследованию влияния характеристик упругих элементов формирователя и способов расстановки штифтов на поверхности рассекателя на рассеивание порций семян проводились на модели, имитирующей процесс воздействия упругих элементов и штифтов рассекателя на поток семян. В качестве модели использовалась лабораторная установка (рис 3.2, 3.3). 1 2 3 4 5 б 7
Рис. 3.2. Схема лабораторной установки
Лабораторная установка включает в себя станину 8, по направляющим которой прямолинейно перемещается каретка 7 с закреплённым на ней рядом упругих элементов - игл 6. Каретка приводится в движение вращающейся катушкой 1 со встроенной пружиной. С одной стороны станины вертикально установлена липкая бесконечная лента 2 приводимая в движение электродвигателем 11 с помощью ремённой передачи 10. Питание электродвигателя производится от лабораторного автотрансформатора 9. На станине установлены исследуемые рассекатели 3 с различным расположением штифтов. Для предотвращения столкновение каретки с липкой лентой служит ограничитель 5.
На сновании теоретических исследований и предварительных опытов диаметр штифтов был принят равным 3 мм, а высота - 10 мм. Ширина рабочей части рассекателя составляла 50 мм, что соответствовало ширине высевного окна.
Результаты исследования жёсткости упругих элементов
Для определения комплексного воздействия конструктивных параметров формирователя потока на равномерность распределения семян в рядке, проведены лабораторные исследования по методике многофакторного планирования эксперимента [см.раздел 3.2.4.].
Для получения математической модели технологического процесса рассеивания семян в формирователе потока реализован полный факторный эксперимент 2 (приложение 5).
Уровни и интервалы варьирования перечисленных факторов, представленные в таблице 4.2, выбирались на основании результатов предварительных лабораторных исследований, в ходе которых было выявлено, что наилучшее распределение семян в рядке обеспечивается при использовании формирователя потока с числом рядов штифтов М=3...5 шт. расположенных на расстояний S=5 ...15 мм. друг от друга и жёсткостью упругих элементов в пределах С=215.. .285 Н/м.
Так как расчетное значение критерия Кохрена меньше табличного," то гипотеза однородности параллельных опытов принимается.
Тогда дисперсия воспроизводимости измерений будет равна: S2=S2(Y)=11,515 Проведенные вычислительные операции по программе для обработки результатов полного трехфакторного эксперимента дали следующие значе ния коэффициентов регрессии выбранной математической модели b0 = 73,458 Ьп= -0,487 =-1,747 Ьа= -2,048 Ъ2= 2,459 =-2,699 6з=4,474 Ь123=0,77 Подсчитав дисперсии и среднее квадратическое отклонение ошибки определения коэффициентов регрессии: 5(,)=0,692 S(l-)= 0,479 определили значимость коэффициентов регрессии по ti- критерию Стьюден-та. Для 5% уровня значимости и числа степеней свободы 161: =2,12.
Определили расчетные значения критерия Стьюдента. В нашем случае коэффициенты уравнения регрессии Ьі2 и Ьш оказались незначимыми, так как tpac4 tKp. Тогда уравнение регрессии примет вид:
У=73,458-1,747Х1+2,459Х2+4,474Хз-2,048Х1Хз-2,699Х2Х3 (4.1.) Заменив в уравнении регрессии кодовые значения факторов на натуральные по формулам
Как видно из уравнения регрессии (4.1.) наибольшее влияние на равномерность распределения семян в рядке оказывают количество рядов штиф- 100 тов М рассекателя и жёсткость С упругих элементов. Несколько меньшее влияние оказывает расстояние S между рядами штифтов рассекателя. Адекватность полученной модели определяли по критерию Фишера F: S2 F = —— = 2 699 расч S2(Y) ' Дисперсию адекватности 8ад определяли используя программу для обработки результатов полного трехфакторного эксперимента. 5^=31,085
Табличное значение критерия Фишера F при уровне значимости 5% и числе степеней свободы /ад=2, /у=16, будет Fma6 = 3,642.
Расчетное значение критерия Фишера F меньше табличного FTa6, следовательно, полученная математическая модель адекватно описывает технологический процесс с 95 % доверительной вероятностью.
Однако уравнение регрессии (4.3.) нельзя считать адекватным, так как разность bo - Yo = 73,458 - 57,21 = 16,248 » Abi = ±2,522. Отсюда следует, .. что коэффициенты регрессии при квадратичных членах должны значительно отличаться от нуля, а исследуемая зависимость не является линейной.
Поэтому в дальнейших исследованиях с целью описания области оптимума необходимо использовать метод ортогонального композиционного планирования эксперимента.
Для получения математической модели технологического процесса распределения семян в полости бункера реализован полный факторный эксперимент 23. Уровни и интервалы варьирования перечисленных факторов, представлены в таблице 4.3. Проведенные вычислительные операции по формулам (3.10.) дали сле дующие значения коэффициентов регрессии выбранной математической модели: Ь0= 57,75 Ьп = -5,226:
