Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 6
1.1. Развитие производства сои 6
1.2. Анализ существующих способов посева 11
1.3. Обзор конструкций и патентов высевающих аппаратов сеялок . 17
1.4. Анализ теоретических исследований 33
Выводы 38
Цели и задачи исследований 39
Глава 2 Теоретические исследования 40
2.1. Разработка конструкции катушечно-винтового высевающего аппарата 40
2.2. Обоснование угла подъема желобков и равномерной раскладки семян сои катушечно-винтовым высевающим аппаратом 43
2.3. Расчет размещения семян сои 53
2.4. Определение нормы высева катушечно-винтовым высевающим аппаратом 59
Выводы 62
Глава 3. Программа и методика проведения экспериментальных исследований 64
3.1. Методика проведения лабораторных исследований 66
3.1.1. Методика определения влияния режимов работы винтового высевающего аппарата на норму высева, повреждение семян, распределение семян сои на ленте транспортера 66
3.1.2. Методика определения размерных характеристик семян сои . 69
3.1.3. Методика определения дробления семян сои 70
3.2. Методика проведения полевых испытаний 72
3.2.1. Методика определения равномерности распределения семян сои по длине ряда 77
3.2.2. Методика определения урожайности 79
3.3. Методика обработки экспериментальных данных 79
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 89
4.1. Результаты лабораторных исследований 89
4.1.1. Размерные характеристики семян сои 89
4.1.2. Исследование равномерности высева семян сои в лабораторных условиях 91
4.1.3. Изменение нормы высева от величины зазора между поджимными клапанами и катушками высевающих аппаратов при разных режимах работы 92
4.1.4. Анализ зависимости дробления от угла наклона катушки высевающего аппарата 94
4.2. Оценка качества выполнения технологического процесса при полевых испытаниях катушечного высевающего аппарата 95
4.2.1. Влияние режима работы исследуемого катушечного высева ющего аппарата на количество высеваемых семян 95
4.2.2. Исследование равномерности высева семян сои в полевых условиях 97
4.2.3. Результаты экспериментальных исследований процесса высева семян сои винтовыми высевающими аппаратами 100
4.3. Обработка урожайных данных 111
Глава 5. Экономическая эффективность результатов исследования 113
Выводы и рекомендации производству 119
Список используемой литературы 121
Приложение 1 140
Приложение 2 148
- Обзор конструкций и патентов высевающих аппаратов сеялок
- Определение нормы высева катушечно-винтовым высевающим аппаратом
- Методика определения влияния режимов работы винтового высевающего аппарата на норму высева, повреждение семян, распределение семян сои на ленте транспортера
- Результаты экспериментальных исследований процесса высева семян сои винтовыми высевающими аппаратами
Введение к работе
Посев является одним из ответственных агротехнических мероприятий при возделывании сои. От качественного и своевременного его проведения зависит величина урожая сои. Современная агротехника предъявляет довольно жесткие требования к посевным машинам. Они должны обеспечивать равномерное распределение семян по длине ряда, их заделка должна осуществляться на оптимальную, одинаковую глубину, высевающий аппарат не должен травмировать семена при посеве.
Однако, существующие зерновые сеялки, используемые на посеве сои, несмотря на свои достоинства, не полностью выполняют агротехнические требования, в частности не обеспечивают равномерное распределение семян по длине ряда. Оснащенные катушечными высевающими аппаратами дают при посеве пульсирующие потоки, отчего в рядках при расположении растений сои встречается как большая загущенность, так и пропуски, значительно превышающие допустимый по агротребованиям интервал, что приводит к недобору урожая, засоряемости посевных площадей сорняками.
Равномерное распределение семян сои в рядке, удовлетворяющее агротехническим требованиям, не только уменьшает расход посевного материала, но и обеспечивает прибавку урожая за счет обеспечения лучшего воздухообмена, освещенности, водного и пищевого режима растений. Поэтому задача равномерного распределения семян по площади питания приобретает первостепенное значение при получении наилучших показателей урожая сои.
Разработанный катушечно-винтовой высевающий аппарат к зерновой сеялке наиболее приближается к равномерному распределению семян в рядке при посеве, позволяя благодаря своей конструкции при движении сеялки оптимально распределять семена сои по площади питания.
Обзор конструкций и патентов высевающих аппаратов сеялок
Катушечный высевающий аппарат обладает рядом положительных качеств, к числу которых следует отнести, прежде всего, сравнительную простоту устройства, удобство регулировки, а также универсальность применения, при чем реакция катушечного высевающего аппарата на уклоны местности сравнительно незначительная, подъем и спуск в пределах до 10 вызывает лишь небольшие колебания в процессе высева семян. На высоту слоя семян в семенном ящике аппарат практически не реагирует, только если семена в семенном ящике незначительно прикрывают его дно, высев уменьшается на 2 - 4%. Дробление этим высевающим аппаратом также сравнительно невысоко, при чем увеличение нормы высева и увеличение окружной скорости высевающей катушки, авторы А.Н. Семенов, В.И. Свешников (145,142) указывают на уменьшение дробления крупных семян по сравнению с нижним высевом, но отдельные наблюдения свидетельствуют о том, что качество работы этого аппарата снижается при верхнем высеве, при чем известно, что использование верхнего высева приводит к увеличению неравномерности распределения семян по длине ряда в 4 - 5 раз.
Однако, несмотря на свои достоинства, катушечный высевающий аппарат имеет и ряд недостатков, основным из которых является низкая степень равномерности распределения семян. Академик В.П. Горячкин (50) еще в 1909 году писал, что катушечный высевающий аппарат имеет «подозрительную» равномерность высева, для улучшения которой нужна очень тщательная калибровка семян, в то же время он отмечал плохую его пригодность для посева крупных семян.
Данные о качестве работы катушечных высевающих аппаратов не всегда сравнимы, так как исследования разных авторов проводились в различных условиях. Поэтому они требуют дополнительных испытаний.
Качественные показатели работы катушечного высевающего аппарата являются итогом совмещения движения активного потока семян и потока семян, перемещаемых непосредственно желобчатой катушкой. Однако определяющая роль в образовании этих потоков в обоих случаях играет именно катушка высевающего аппарата, следовательно, ее конструкция должна в максимальной степени обеспечивать равномерность подаваемого ей потока, что является основным качественным показателем высева. Семена сои следует размещать в рядке, согласно агротехническим требованиям, через 2-4 см. по длине ряда одно растение от другого при широкорядном посеве, при изменении способа (ширины междурядий) расстояние между растениями варьируется в зависимости от нормы высева и качества посевного материала. Но равномерное распределение семян сои относительно друг друга является необходимым условием, существенно увеличивающим показатели урожайности. Для равномерного распределения семян необходимо высевать 30...50 семян в минуту, при чем равномерным потоком, одно зерно сои за другим.
Однако, существующая в настоящее время, катушка высевающего аппарата состоит из двенадцати одинаковых желобков, разделенных между собой ребрами, создает прерывистость высева и дает очень низкую степень равномерности распределения семян по длине ряда, т.е. можно наблюдать при высеве как образование недопустимых интервалов между семенами сои, способствующих разрастанию сорняков, так и появление скученности семян сои. Это обусловлено специфичностью конструкции катушки, которая делит струю семенного потока, поступающего из зернового ящика на отдельные порции, создавая тем самым прерывистость высева, величина каждой порции семян, соответствует объему желобка и некоторому количеству семян, высеваемых за счет движения активного семенного потока сои. Неравномерность высева значительно снижает экономическую эффективность посевных работ, снижая урожайность сои на 25-30 %, также приводит к ухудшению посевных качеств семян сои, к увеличению количества сорняков на посевных площадях.
Исследователи в своих работах затрагивали проблему неравномерного распределения семян сои и результаты их исследований по многим показателям схожи друг другом или же дополняют друг друга. По данным Я.Я. Скродерса (124), в зависимости от интенсивности роста растений сои идет накопление сухого вещества, в первые фазы развития, когда растения не угнетают друг друга, вес одного растения, как на более густом, так и на более разреженном участке посевов сои почти одинаков.
Но к концу вегетации загущенность приводит к снижению веса растений. Так при густоте стояния 58-59 растений на 1 м2, вес их уменьшается на 30 % по сравнению с вариантом когда на 1 м2 размещались 49-50 растений сои. Совсем иное положение с накоплением сухого вещества на 1 м2, здесь наоборот с увеличением количества растений сои на единице посевной площади, вес сухой массы на 1 м2 увеличивается. Сходно изменяется и площадь листовой поверхности, с увеличением густоты стояния растений сои на единице площади посевной поверхности чистая продуктивность фотосинтеза снижается, такая закономерность наблюдается в течении всей вегетации. Это подтверждают результаты, полученные А.А. Ничипоровым (1954,1963 гг.), Л.Е. Строгановой (1959 г.) и др. исследователями. При загущенности посевов сои на единице посевной площади продуктивность одного растения заметно снижается: уменьшается число ветвей первого порядка, количество бобов, семян сои, приходящихся на одно растение, а также количество семян сои в бобах снижается, продуктивность культуры падает на 15-20%.
Неравномерность распределения семян сои по площади питания и в частности по длине ряда приводит к большому выпаду растений сои за период вегетации, вследствие неодинакового распределения между растениями питательных веществ почвы, солнечной энергии.
Определение нормы высева катушечно-винтовым высевающим аппаратом
В основу методики были положены: ОСТ 7.05.1-82 - стендовые испытания сеялок с применением планирования эксперимента; ОСТ 10.5.1-2000 - испытания сельскохозяйственной техники. Машины посевные. Методы оценки функциональных показателей. Причем отдельные элементы были изменены или дополнены в соответствии с особенностью агротехнических требований, предъявляемых к посеву сои, а также требованиями к качеству работы катушечных высевающих аппаратов сеялок.
Лабораторные исследования работы экспериментального высевающего аппарата были проведены в 1998-1999 годах на базе опытно-проектно-конструкторского отдела ДальНИПТИМЭСХа, впервые полевые испытания были проведены весной 1999 года в полевом севообороте СПК «РОДИНА» Серышевского района Амурской области, затем весной 2000 года государственные испытания были проведены в ТОО «ЛЕНИНСКОЕ» Тамбовского района Амурской области.
Методика определения влияния режимов работы винтового высевающего аппарата на норму высева, повреждение семян, распределения семян сои на ленте транспортера Для проведения лабораторных исследований работы винтовой катушки была изготовлена стационарная экспериментальная установка (рис. 3.1), позволяющая производить высев семян сои при различных скоростях вращения вала высевающего аппарата, изменять рабочую длину катушек высевающих аппаратов, регулировать величину зазора между поджимным клапаном и муфтой высевающего аппарата. Лабораторная установка представляет собой часть семенного ящика сеялки СЗП - 3,6 с двумя высевающими аппаратами, один из которых включает в себя винтовую катушку, а второй базовую желобчатую катушку (рис. 3.2). Базовая и винтовая катушка в лабораторной установке. Привод катушек высевающих аппаратов осуществляется от электродвигателя через редуктор, высев производился на нескольких скоростях 10...60 оборотов в минуту вала катушек высевающих аппаратов. Визуальное наблюдение, а также видеосъемка процесса работы лабораторной установки, с последующей расшифровкой на замедленных скоростях, показали, что при работе винтовой катушки устраняется цикличность выброса семян сои, по сравнению с базовым вариантом катушки, отмечается последовательное равномерное выпадение семян сои из высевающего аппарата. Высев сои проводился на разных скоростях, при разной рабочей длине катушек высевающего аппарата, с разной величиной зазора между высевающим аппаратом и поджимным клапаном, в специальные мешочки. Продолжительность каждого опыта составляла одну минуту. После каждого опыта высеянные семена разными катушечными аппаратами взвешивались на электрических весах ВЛТК-500 с точностью до 0,1 грамма, с целью определения нормы высева семян сои. Затем определялся показатель дробления семян при высеве сравниваемыми высевающими аппаратами. Для исследования степени равномерности распределения семян сои по длине ряда, лабораторная установка была установлена на ленточный транспортер, на движущуюся ленту которого был нанесен прозрачный вязкий состав, при высеве на который семена фиксировались на месте попадания, затем проводились замеры расстояний между семенами сои с помощью линейки. Допустимая погрешность не превышала ± 1 мм. При высеве семян сои на бесконечную ленту движущегося транспортера изменялась рабочая длина катушек высевающих аппаратов от 20 до 40 мм, изменялась величина зазора между поджимным клапаном и высевающим аппаратом. Исходным материалом для изучения размерных характеристик семян применялась соя семенной фракции сортов ВНИИС-1, Октябрь-70, урожая - 1999 г. Масса 1000 семян сои варьировалась от 145 до 207 г. С помощью круглых решет семена разделялись на фракции. К семенам крупной фракции условно относились семена, которые проходили в ячейки диаметром 7,5 мм, к семенам средней фракции - семена, проходящие в ячейки диаметром 6,0 мм, к мелкой фракции относились семена сои, проходящие в ячейки диаметром 4,5 мм. Размеры семян определялись с помощью прибора с индикатором КИ (рис. 3.4). Материал, подготовленный к испытаниям, должен соответствовать следующим требованиям: 1. чистота и наличие поврежденных семян не должно превышать значений, допускаемых по ГОСТ 12036, ГОСТ 12037; 2. влажность по ГСТ 12041; 3. масса 1000 семян - по ГОСТ 12042. У некалиброванных семян крупносеменных культур определяются размеры семян (длина, ширина, толщина) путем измерения не менее 100 штук семян, взятых из средней пробы, отобранной для определения влажности. Измерения проводятся с погрешностью не более ± 1 мм.
Семена на дробление отбираются во время определения неравномерности высева отдельными аппаратами (на хозяйственной норме), объединяя для этого в среднюю пробу семена, высеянные всеми аппаратами за одну повторность. Из каждой средней пробы выделяют 2 навески дробленные, битые семена и семена с поврежденной оболочкой. Учитывая то, что точность определения травмированных семян при использовании известных методов не превышает точности при визуальном определении, нами использовался простой метод непосредственного просмотра семян через бинокулярную лупу 7-8 кратного увеличения. Его широко применяют в практике оценки качеств семян, особенно при государственных испытаниях сеялок, зерноочистительных машин, сортировальных машин, зерноуборочных комбайнов и другой техники. Для проведения нами исследований использовались весы ВЛТК-500 (рис.3.5), бюксы для отбора проб, бинокулярная лупа.
Методика определения влияния режимов работы винтового высевающего аппарата на норму высева, повреждение семян, распределение семян сои на ленте транспортера
Определение оптимальных условий для обеспечения качественных параметров высева семян сои.
Изучение литературных данных, посвященных проблеме равномерного распределения семян сои по длине ряда и снижению повреждаемости семян сои при высеве, теоретических исследований, а также предварительных экспериментов показывает, что модель качественных характеристик процесса высева семян сои является функцией от ряда факторов.
Для оптимизации процесса посева семян сои необходимо построение его математической модели. Решение этой задачи теоретическим путём недостаточно, так как трудно учесть влияние разных факторов на конечные показатели процесса высева семян, основным из которых является равномерность распределения семян по длине ряда.
Методика планирования эксперимента позволяет определить оптимальные условия протекания процесса высева и построить математическую модель эмпирическим путем. Предварительное изучение объекта исследования позволило собрать и обработать априорную информацию. Априорное ранжирование факторов проводилось по общепринятой методике. Рассматривались факторы, влияющие на качественные показатели процесса высева семян сои, экспериментальным высевающим аппаратом. Учтены были только управляемые факторы, неуправляемые, но контролируемые -учитывались перед началом эксперимента. По данным анкет составлялась матрица рангов, в которой рассчитывалась сумма рангов, 2- iJ и величина Д/- - отклонение суммы рангов от средней величины. (3.5) Если расчетное значение Х2- распределения больше табличного для 5% уровня значимости и числа степеней свободы f=K-l, значит можно утверждать о согласовании мнений специалистов относительно степени влияния факторов на параметр оптимизации. Убедившись в согласованности мнений экспертов, строили диаграмму рангов, по оси абсцисс которой отложены факторы, по оси ординат - суммы их рангов. Априорная диаграмма рангов распределения факторов, влияющих на качественные показатели высева семян сои, позволяет отделить ряд факторов и исключить их из дальнейшего рассмотрения, как малозначимые. После того, как были отсеяны малозначимые факторы для качества посева, переходим к описанию области оптимума. Исследования, посвященные проблеме качества работы высевающих аппаратов при посеве, показывают, что процесс описывается непрерывным Д - оптимальным планом. Для неполных полиномов второго порядка вида: Для выбора оптимального плана, по результатам поисковых исследований, были сформулированы требования к плану эксперимента. Исходя из цели, проводимого эксперимента, (оптимизация и построение математической модели процесса), и учитывая трудоемкость опытов, план эксперимента должен точно описывать поверхности отклика и иметь минимальное количество опытов. Учитывая влияние внешних факторов на исследуемый объект, данный план должен отвечать требованию разбиения на ортогональные блоки. Это позволит разделить эксперимент на части, а части и в случае необходимости реализовать одну часть за другой. Этим требованиям наиболее полно соответствует трехуровневые планы Бокса - Бенкена, они в сравнении с ортогональными и рототабельными планами более экономичны по числу опытов и обладают их свойствами. Количество повторных опытов м определено на основе принятой допустимой ошибки: где О" -среднеквадратичное отклонение для доверительной вероятности а, при оптимизационных опытах m-3 (а = 0,053). Надежность опыта выбираем Н = 0,9. Исследования проводились на лабораторной установке, затем исследования равномерности распределения были проведены при устанавливании агрегата на движущуюся ленту транспортера. В качестве критериев оптимизации были приняты: производительность экспериментального высевающего аппарата, равномерность распределения семян по поверхности при работе катушки с диагональным расположением ребер, степень дробления семян катушкой при высеве. Расчет коэффициентов уравнений регрессии производили на ЭВМ, используя стандартные математические программы на языке FORTRAN. Ошибку опытов оценивали по парал 84 лельным опытам, т.е. опытам, повторенным несколько раз при одних и тех же значениях факторов. Для оценки отклонения параметра оптимизации от его среднего значения, вычисляли дисперсию по данным трех параллельных опытов. Однородность ряда дисперсии проверяли по критерию Кохрена, при 5% уровне значимости и числе средней свободы f = dn, где п- число параллельных опытов.
Коэффициенты щ удовлетворяющие уравнению (3.11), находим с применением методов матричной алгебры, включающих выполнение следующих операций: определение транспортированной матрицы х, где - Xj матрица исходных данных, выраженная в отклонениях от средних арифметических (количество столбцов в матрице соответствует количеству учитываемых факторов); определение матрицы х, Xj и обратной ей хх/1 (последняя является ковариациионной матрицей, диагональные элементы определяют дисперсии коэффициентов aj, не диагональные характеристики степень взаимосвязи между aj). Для оценки между различными факторами х; рассчитываем коэффициенты корреляции по формуле:
Результаты экспериментальных исследований процесса высева семян сои винтовыми высевающими аппаратами
Для определения экономической эффективности винтовых катушечных высевающих аппаратов для зерновой сеялки мы основывались на сопоставлении дополнительных затрат и дополнительного выхода продукции, получаемой в результате более равномерного посева сои и оптимальной площади питания растений.
В качестве сравнительного варианта рассматриваются катушечные высевающие аппараты серийного производства к зерновой сеялке СЗП-3.6.
Дополнительные затраты в данном случае были связаны с переоборудованием высевающих аппаратов сеялки СЗП-3.6, а также себестоимостью дополнительной продукции. Расчет цены Цо на сеялку для посева зерновых культур производился через остаточную цену базовой конструкции - зерновой сеялки СЗП-3.6. Стоимость базовой сеялки составляла 78 тыс. руб. Остаточная цена трактора, который использовался для агрегатирования сеялки для посева составила 210 тыс. руб. Дополнительные затраты на переоборудование одной сеялки составили 1600 рублей. Исходные данные для расчета экономической эффективности сеялки с винтовыми высевающими аппаратами катушечного типа приведены в таблице 5.1. При расчете определяли следующие показатели: Балансовая цена, руб: Дополнительная продукция в натуральном выражении, составила около 0,2 т/га (по данным протокола приемочных испытаний), в денежном исчислении это 1,29 тыс. руб., исходя из стоимости 1 т. зерна сои 6,46 тыс. руб. Годовой прирост прибыли от внедрения катушечных высевающих аппаратов определялся как разность между стоимостью полученной при посеве экспериментальной и серийной сеялками, с учетом приведенных затрат составила 775 руб./га. 1. На основании проведенного анализа существующих и используемых конструкций высевающих аппаратов сеялок и применяемых способов посева сои, установлено, что на 90 % применяется рядовой способ посева с междурядьем 15 см, а высевающие аппараты более чем на 70 % не обеспечивают равномерности высева семян из-за цикличности выброса их желобками катушки, в результате значительно снижается урожайность и валовый сбор этой культуры. 2. Разработанная математическая модель для описания равномерной раскладки семян вдоль рядка позволила обосновать конструкцию винтового высевающего аппарата, оптимальные углы расположения желобков относительно оси вращения катушки 26,5-30 с толщиной ребра 1,5- 0,5 мм, при равенстве размеров длины, диаметра катушки, количества желобков, нормы высева, размеров глубины желобка с базовой катушкой, а также рациональную форму подпирающего клапана, линия торцевой поверхности которого является параллельной оси вращения катушки. 3. Теоретически и экспериментально установлено, что равномерность распределения семян по длине рядка предлагаемым высевающим аппаратом, в лабораторных условиях - составляет 70 %, а в производственных условиях -65 %, со средним расстоянием между семенами 8,3-11,1см и 2,77-3,7 см при рядовом и широкорядном способах посева, соответствующие агротехническим требованиям. 4. Проведенные исследования подтверждают способность новых высевающих аппаратов зерновой сеялки производить устойчивый посев сои на скорости 9 км/ч, при этом норма высева составляла 650 тыс/га всхожих зерен, а дробление семян не превышает уровень агрортребований и составляет 0,6-0,7%. 5. В результате корелляционно-регрессионного анализа выявлено оптимальное сочетание факторов (скорость движения посевного агрегата 9 км/ч, рабочая длина катушки высевающего аппарата - 40 мм, зазор между катушкой и поджимным клапаном 8-Ю мм), при которых достигается необходимая норма высева 600-800 тысяч всхожих зерен сои на 1 га, минимальное дробление (0,2 %) и равномерность распределения семян по длине ряда до 65 %.
Приемочными испытаниями катушечных высевающих аппаратов с диагональным расположением ребер для посева сои установлено, что они надежно и качественно выполняют технологический процесс. Равномерность высева семян по длине ряда повышается до 62 % от уровня агротребований, фактическое повышение урожайности составляет 0,2 т/га, прибыль - 775 р./га, срок окупаемости составляет 0,26 года. Амурская государственная зональная машиноиспытательная станция рекомендует высевающие аппараты выпускать серийно и включить в Федеральный технический регистр.
