Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и цель исследований 9
1.1 Анализ конструкций высевающих аппаратов и пути их совершенствования применительно к использованию в травяных сеялках 9
1.2 Анализ материалов научно-исследовательских работ по обосно ванию параметров и режимов работы спиральных транспортирую щих средств 29
1.3 Выводы и задачи исследований 39
2. Теоретические исследования процесса движения несыпучих семян кормовых растений в бункере с использованием спиралей при широкорядном способе посева 41
2.1Особенности движения высеваемого материала в травяных сеялках 41
2.2 Влияние распределения скоростей движения семенного материала в поперечном сечении желоба на производительность спиралей 47
2.3 Выводы 57
3. Программа и методика экспериментальных исследований 59
3.1 Задачи экспериментальных исследований 59
3.2 Программа экспериментальных исследований 60
3.3 Оборудование, приборы и материалы для проведения экспериментальных исследований 60
3.4 Методика проведения экспериментальных исследований 64
3.5 Методика проведения исследований по двум полнофакторным планам 68
4. Результаты экспериментальных исследований высева прутняка простертого с принудительной пода чей семян спиралями 74
4.1 Исследование особенностей и физико-механических свойств прутняка простертого, древесных опилок и сахарной свеклы 74
4.2 Лабораторные исследования по обоснованию параметров спиралей и режимов работы высевающей системы 77
4.3 Результаты исследований высева семян прутняка простертого экспериментальным высевающим устройством 82
4.4 Энергетические показатели работы высевающей системы 104
4.5 Выводы 106
5. Технико-экономическая оценка применения травяной сеялки с новой высевающей системой 108
Заключение. 114
Литература
- Анализ материалов научно-исследовательских работ по обосно ванию параметров и режимов работы спиральных транспортирую щих средств
- Влияние распределения скоростей движения семенного материала в поперечном сечении желоба на производительность спиралей
- Оборудование, приборы и материалы для проведения экспериментальных исследований
- Результаты исследований высева семян прутняка простертого экспериментальным высевающим устройством
Анализ материалов научно-исследовательских работ по обосно ванию параметров и режимов работы спиральных транспортирую щих средств
Туковысевающий аппарат В процессе работы на склонах отражающие шайбы, связанные между собой тягой, при поперечном крене аппарата, когда одно крыло будет наклоняться вниз, а второе – вверх, будут смещаться в одну сторону под собственным весом до ограничителя, предотвращая тем самым попадание большого количества материала в кожух шнека. В то же время из противоположного кожуха, наклоненного вверх, отражающая шайба смещается во внутрь бункера, открывая более свободный доступ высеваемому материала в кожух, что приводит к более равномерному выбросу удобрений из высевных окон.
Однако оба технических решения не исключили явлений пересыпания материала через витки спиралей в случае крена аппарата. Поэтому было предложено новое техническое решение (рисунок 1.13). Он отличается тем, что внутри спиралей 2 установлены цилиндрические кожухи 3, имеющие наружный диаметр, равный внутреннему диаметру спирали. Заборные части спиралей расположены внутри бункера 4 [25].
Перераспределение высеваемого материала между витками спиралей устраняется благодаря кожухам 3, из-за чего образованный активный слой уменьшает негативное влияние на равномерность дозирования.
И все же при работе высевающего аппарата такого типа с креном 80, показатель неравномерности дозирования минеральных удобрений превышает 10…12 %, что не соответствует требованиям агротехники.
Таким образом, из приведенного обзора конструкций высевающих аппаратов для высева зерновых культур и минеральных удобрений видно, что предложенные устройства, отличающиеся многочисленностью и разнообразием, не обеспечивают качественного выполнения технологического процесса по двум причинам. Первая причина заключается в том, что при посеве несыпучих семян не происходит непрерывного заполнения семенных коробок, так как отсутствует регулярная подача материала к нагнетателям, а следовательно, к катушкам. Вторая причина связана с тем, что спирали по особенностям своей конструкции в большей степени подходят для транспортировки сыпучих и несыпучих материалов, чем для их дозирования.
Вместе с тем, известна сеялка для высева семян дикорастущих трав, оборудованная воронками 1, цепным приводом 2, винтовыми лопастями 3, установленными на ворошильном валу, звездочками (катушками с крючкообразными зубьями) 4, семяпроводами 5 и мундштуками 6 [26] (рисунок 1.14) (Патент США № 4030428, МКИ А01 С5(00)).
При рабочем ходе сеялки ворошитель одновременно перемешивает и подает семенной материал винтовыми лопастями к звездочкам, а те – в семяпроводы. Существенным недостатком высевающих устройств такого типа является неустойчивость высева, связанная с цикличностью работы ворошилок.
Роторному высевающему аппарату присущ тот же недостаток, который характерен для высевающего устройства по патенту США – цикличность работы, что подтвердилось при высеве семян прутняка (кохии простертой). Оригинальную высевающую систему для высева семян кормовых трав предложили Н.М. Беспамятнова и Ю.А. Семенихина [28] из Северо-Кавказского НИИМЭСХ, в которой активизация истечения слабосыпучих семян происходит за счет использования вибрационного поля. Управление процессом массового расхода семян кормовых трав осуществлялось под воздействием мощности электрического импульса, подаваемого на электромагнит, создающий переменное магнитное поле, в котором колеблющаяся пластина-вибратор, образующая напряжение в объеме семян у выгрузного отверстия бункера, перераспределяющего в нем силы трения скольжения семян друг о друга, увеличивая дополнительное перемещение семян к выходу в семяпроводы.
В этой работе установлено, что для истечения трудносыпучих семян кормовых культур необходимо принудительное усилие для их истечения из бункера. Однако вибрационные аппараты для высева несыпучих семян, полупустынных и пустынных кормовых растений до сих пор не разработаны.
Тем не менее идея принудительного перемещения трудносыпучих семян кормовых культур заслуживает особого внимания.
Совокупный анализ конструкций, приведенных высевающих устройств, привело к идее создания высевающей системы комбинированного типа, включающего спирали для транспортировки высеваемого материала к нагнетателям и катушки для точного его дозирования.
И такое устройство для высева малосыпучих и несыпучих семян было предложено сотрудниками ВИМа (рисунок 1.16) [29].
Оно состоит из бункера 1 с окном, смонтированного внутри бункера вала 3 с винтовыми ворошителями 4 и лопастным нагнетателем 5, размещенным непосредственно над катушкой 7. На валу 3 по обеим сторонам нагнетателя 5 установлены пружины-активаторы 10 большего, чем у винтовых ворошителей радиуса и с обратной навивкой. Вал 3 и вал катушки 6 связаны между собой цепной передачей. Днище бункера 1 выполнено эквидистантно виткам пружин-активаторов 10, т.е. между ними имеется по радиусу кривизны зазор. Радиус R каждой лопасти нагнетателя 5 больше, чем наружный радиус днища, но меньше, чем разница межцентрового расстояния С валов 3 и 6 и радиуса r впадин зубьев катушки 7 (R С – r), благодаря чему каждая лопасть нагнетателя 5 при высеве с зазором входит в соответствующую впадину катушки 7, что обеспечивает качественный высев.
Рисунок 1.16 – Высевающее устройство по А.С.1447306
Устройство работает следующим образом. В бункер 1 засыпают несыпучие семена, включают привод устройства, после чего винтовые ворошители 4 начинают перемещать материал к боковым стенкам бункера, а пружины – активаторы 10 транспортируют его в направлении нагнетателя 5. Взаимодействие ворошителей и нагнетателей способствует непрерывному движению семян в донной части бункера, препятствуя тем самым образованию сводов. Нагнетатель 5 своими лопастями подает семенной материал к высевающей катушке 7, причем взаимодействие нагнетателя и катушки обеспечивает равномерный высев через отверстие 9.
В работе [30] приведены результаты экспериментальных исследований по высеву семян прутняка простертого, отличающихся плохой сыпучестью. Для проведения исследования автор использовал реконструированную высевающую систему сеялки СН – 16. По аналогии со схемой высевающего устройства (рисунок 1.16), она включала семенной ящик, штифтовую высевающую катушку, спирали – активаторы правой и левой навивки со следующими параметрами: диаметр – 70 мм; шаг – 35 мм; диаметр проволоки – 4 мм и четырехлопастной нагнетатель. Частота вращения нагнетателя и спиралей – активаторов была в 1,35 раза больше, чем у высевающей катушки. Пробы семян влажностью 11 % и сорностью 58,2 % отбирались в 6-ти кратной повторности при заполненном ящике (первый вариант), а при втором варианте ящик был заполнен на 1/3 объема. Коэффициент вариации по первому варианту составил 4,5 %, а по второму – 19,3 %. Сравнение полученных результатов свидетельствует о влиянии толщины слоя семян в ящике на устойчивость высева.
Более глубоко рассматриваемый вопрос исследовал М.А. Арсланов [31], использовав высевающую систему на базе сеялки СО – 4,2. Она также включала семенной ящик, спирали левой и правой навивки, нагнетатели и высевающие катушки. Причем к средней катушке высеваемый материал подавался двумя спиралями, а к крайней – одной спиралью.
При высеве прутняка песчаного (простертого) средним аппаратом, оборудованным спиралями с параметрами Дсп = 65 мм, t=22…30 мм и dпр= 4 мм, для вариантов высот слоя семян в ящике h = 19,6; 13,0 и 7,0 см коэффициент вариации имел следующие значения: 12,53; 7,40 и 24,45 %. При этом с уменьшением толщины слоя семян в ящике количество высеваемого материала за единицу времени уменьшилось, стремясь к нулевым значениям. Идентичные результаты были получены также при высеве прутняка глинистого, житняка гребневидного и костреца безостого.
Влияние распределения скоростей движения семенного материала в поперечном сечении желоба на производительность спиралей
С целью сравнительной оценки производительностей по формулам (2.3) и (2.5) авторы приняли следующие параметры спиралей и желоба: - внутренний радиус желоба - 2,4 см; - наружный радиус спирали - 2,0 см; - внутренний радиус спирали - 1,6 см; Кроме того, сделано допущение о том, что коэффициент к, характеризующий распределение скоростей в поперечном сечении спиралей, равен 0,5.
Особенности распределения относительных скоростей в поперечном сечении спиралей и, как следствие, расчетные значения их производительностей показывают, что в случае транспортировки сыпучих материалов полученные результаты благодаря активному движению как внутри, так и вне спирали существенно выше, чем при отсутствии такого вида движения. Однако следует отметить, что несыпучие семена кормовых растений по сравнению с семенами зерновых культур имеют существенные отличия по физико-механическим свойствам, в частности, коэффициенты внутреннего трения первых имеют значительно большие значения, чем коэффициенты трения их о сталь (f=1,8 f1=0,69) [70]. Поэтому учитывать активное движение в данном случае нет необходимости ввиду его отсутствия, в особенности, снаружи спиралей.
В связи с изложенным представляет интерес рассмотрение различных вариантов распределения относительных скоростей в поперечном сечении спиралей с учетом активного движения несыпучего материала только лишь внутри спиралей, так как визуальные наблюдения показали, что в случае использования спиралей со сравнительно небольшими диаметрами под воздействием импульсов со стороны витков и гравитации семенной материал внутри них так же продвигается к высевающим аппаратам.
Однако с увеличением диаметра спирали распределение скоростей в поперечном сечении желоба может существенно измениться, то есть вокруг продольной оси спирали может возникнуть так называемая «мёртвая зона» в виде стержня, образованного из высеваемого материала. Кроме того, следует отметить, что в практическом плане равенство внутреннего радиуса желоба с наружным радиусом спирали исключает возможность возникновения активного слоя. В связи с этим, в данной работе будут рассмотрены несколько вариантов распределения скоростей в поперечном сечении желоба, на которые влияет также способ привода спиралей.
Такой подход позволит наиболее объективно определить подачу высеваемого материала к катушкам и обосновать отношение расчётной производительности спиралей к производительности катушки.
Рассмотрим схему движения несыпучего высеваемого материала в семенном ящике при использовании спирали без приводного вала с линейным распределением скоростей в поперечном сечении желоба (рисунок 2.5), откуда видно, что минимальную скорость имеют семена, расположенные вокруг продольной оси спирали, а с максимальной скоростью перемещаются те слои, которые соприка 52 саются с витками или находятся вблизи них со внутренней стороны. Причем по аналогии с работами [63,67] приняли допущение о том, что радиус желоба практически равен внешнему радиусу спирали, т.е. г=г2, а диаметр проволоки dпр= г2- гь
Согласно распределения скоростей в поперечном сечении желоба (см. рисунок 2.7), на участке «Г!-г2» v0=const, а на участке «О- г\» уравнение прямой CD с координатами С(щ; r}), D(kv0;0) определяется из уравнения прямой, проходящей через две точки [71].
Если оба конца спирали зафиксировать на приводном валу, в качестве чего можно использовать вал нагнетателей, устанавливаемый обычно на овощных и травяных сеялках, то схему перемещения материала в желобе можно представить как на рисунке 2.9.
Оборудование, приборы и материалы для проведения экспериментальных исследований
Значение диаметра спиралей Дсп =6,4 см определилось исходя из расстояния между днищем бункера и валом нагнетателей, на котором их монтировали. Предварительные исследования показали, что устойчивые потоки из невысеянных семян вдоль бункера возникают в том случае, когда спирали, транспортирующие высеваемый материал к средней катушке, имеют шаг t=1 см, а к крайним катушкам - t=1,8 см.
При расчете производительности спиралей в г/с использовали значение объемной массы прутняка простертого 150 г/дм3 [70].
Значения среднего высева в граммах за 30 с получены в результате поисковых опытов при следующих частотах вращения высевающих катушек n: 0,133 с-1; 0,200 с-1; 0,266 с-1; и 0,333 с-1, обеспечивающих нормы высева несыпучих семян кормовых растений, изменяющихся в широком диапазоне.
Результаты расчетов по обоснованию режимов работы высевающего устройства, выполненных на основании данных теоретических и поисковых экспериментальных исследований, представлены в таблицах 4.4 и 4.5, из которых вид но, что производительность спиралей, доставляющих материал, как к крайним, так и к среднему аппаратам в целом превосходит производительность катушек в 2,20…2,84 раза, что в соответствии с предложенной гипотезой должно предотвратить возникновение сводов, улучшая показатели высева.
Кроме того, предложенные режимы работы и параметры высевающей системы позволяют отказаться от такого сложного и энергоемкого устройства, как ворошители. Таблица 4.4 – Отношение производительности крайних спиралей к произ водительности высева прутняка простертого.
Последующие исследования по высеву семян прутняка простертого показали, что при таких соотношениях производительностей спиралей и катушек вдоль бункера действительно возникают потоки из невысеянного материала, зафиксированных видеосъемкой.
Следовательно, результаты проведенных экспериментальных исследований по высеву прутняка простертого подтвердили обоснованность выбора параметров спиралей для доставки семян к катушкам и режима работы высевающей системы. 4.3 Результаты исследований высева семян прутняка простертого экспериментальным высевающим устройством
В материалах, приведенных в первой главе работы, показано, что, несмотря на непрерывную подачу несыпучего семенного материала (прутняка простертого) спиралями к нагнетателям и к высевающим катушкам, не удается добиться устойчивого и равномерного высева [30, 31]. Особенно четко проявляется зависимость показателей высева от толщины слоя семян в бункере. Аналогичные показатели устойчивости и неравномерности высева получены также нами при поисковых исследованиях процесса высева прутняка.
Материалы, помещенные в таблицы 4.6 и 4.7, были обработаны известными методами [90, 91] с целью определения неравномерности высева между отдельными аппаратами и неустойчивости общего высева. Полученные данные приведены в таблицах 4.8 и 4.9, анализ которых показывает следующее. Коэффициенты вариации высева по трем аппаратам имеют незначительные различия друг от друга. Например, если по агротехническим требованиям для сыпучих семян трав допускается неравномерность высева между отдельными аппаратами V= 8 %, то в 15 случаях из 24-х коэффициенты вариации укладываются в эти пределы, а в 8-ми - полученные значения коэффициентов вариации соответствуют требованиям аг 85 ротехники к этому показателю при высеве несыпучих семян кормовых растений, т.е. в среднем 25 %.
Относительно неустойчивости общего высева следует отметить существенные различия коэффициентов вариации с изменением толщины слоя семян в бункере. Так, при h=0,14 м коэффициент вариации высева не превышает 10,5 %, что соответствует агротехническим требованиям (таблица 4.8). Однако среднее значение коэффициента вариации для серии опытов при h=0,28 м составляет 28,66 %, а в отдельных опытах он изменялся в диапазоне 35…59 % (таблица 4.8).
Значения коэффициентов вариации высева по трем аппаратам при изменении толщины слоя семян в бункере составляют: Vср0,14 = 10,49 %; Vср0,28 = 28,66 %. При такой изменчивости показателя устойчивости высева технологический процесс ни разу не прекращался, что было характерной особенностью высевающих систем, используемых ранее для посева семян прутняка.
Таким образом, полученные результаты исследований подтвердили рабочую гипотезу о том, что при рекомендуемом способе высева семенной материал следует подавать к нагнетателям и катушкам под напором с производительностью, превосходящей производительность последних в 2,2…2,8 раза, благодаря чему в бункере из невысеянных семян образуются потоки, противоположные направлениям их доставки к нагнетателям с целью разрушения сводов.
Анализ материалов, полученных в результате видеосъемки камерой GVC модели GZ-MG 130E, позволил предположить, что параллельно с этим процессом в бункере происходило формирование устойчивых сводов над стыками спиралей, транспортирующих высеваемый материал в противоположных направлениях, как показано на рисунке 2.4.
Через определенное время потоки семян вдоль бункера начинали воздействовать на семенной материал, обрамляющий со всех сторон своды, в результате чего они разрушались. Как показала видеосъемка камерой сначала в бункере над стыками спиралей появляется провал (рисунок 4.2), а затем он расширяется и впоследствии обнажается наиболее удаленная от нагнетателя часть спирали (рисунок 4.3), что свидетельствует о начале появления сводов именно над стыками спиралей, транспортирующих высеваемый материал в разные стороны.
Рисунок 4.3 – Вид обнажившейся части спирали, наиболее удавленной от нагнетателя В дальнейшем постепенно по мере исчерпания семенного материала в бункере спирали открываются все больше и больше. Завершающая стадия процесса высева характеризуются накоплением оставшихся семян над нагнетателями. Сигналом к новой заправке бункера служит момент, когда в нем остается слой высеваемого материала толщиной меньше диаметра спирали (рисунок 4.4).
Результаты исследований высева семян прутняка простертого экспериментальным высевающим устройством
В процессе выполнения исследований по высеву с использованием нового высевающего устройства показатели работы мотор-редуктора фиксировали в памяти компьютера, а затем распечатывали их на принтере (см. рисунки в 5 приложении П.1…П.12).
Причем частотам тока 50, 75, 100 и 125 Гц соответствовали обороты высевающей катушки (nк) 0,133 с-1; 0,200 с-1; 0,266 с-1 и 0,333 с-1.
В качестве высеваемого материала использовали опилки из сосновой древесины, показатели сыпучести и влажности которых приведены в разделе 4.1.
В случае комплектования высевающего устройства ворошителем, как это показано на рисунке 3.2, мотор-редуктор на частотах тока 100 и 125 Гц во время предварительных исследований останавливался, что свидетельствует о нехватке потребной мощности. Такие же явления случались при высеве семян прутняка простертого на частотах 150 и 175 Гц.
На основании показателей работы мотор-редуктора построен также график изменения потребной мощности привода в зависимости от толщины высеваемого материала в бункере и частоты вращения катушек (рисунок 4.18) и составлены уравнения регрессии (таблица 4.24), из которых видно, что она на всех режимах работы повышается в диапазонах -частота вращения катушек п ,с 1:0,133; 0,200; 0,266; 0,333. 2. В результате обработки анализа материалов по качеству высева семян прутняка простертого предложенным высевающим устройством многофакторным экспериментом типа 23 установлено, что коэффициенты вариации высева по трем аппаратам не выходят за пределы агротехнических требований к этому показателю, равному 25%. Относительно устойчивости общего высева следует отметить, что имеются значительные различия между коэффициентами вариации с изменением толщины слоя семян в бункере, диапазон изменения которых в отдельных опытах составлял 35…59 %. Однако, несмотря на такую изменчивость, высев ни разу не прекращался; - результаты экспериментов по типу 22 показали следующее: изменение частоты вращения высевающей катушки и толщины слоя семян в бункере не привели к значительному разбросу такого показателя, как коэффициент вариации высева, диапазон изменения которого (V= 1,65…6,98 %) находится в пределах агротехнических требований; - используя результаты проведенных экспериментов, составлены уравнения регрессии, устанавливающие зависимость между производительностью катушек и основными факторами: частотой вращения катушек, углом крена бункера и толщиной слоя семян в бункере. Используя уравнения регрессии, получены поверхности отклика, изолинии поверхностей отклика и диаграммы Парето, определяющие степень влияния каждого фактора на производительность соответствующей катушки.
Полученные уравнения регрессии и графический материал позволяют определить направление совершенствования нового высевающего средства.
Суть предлагаемой высевающей системы сеялки СЗТ-3,6А заключается в следующем. Бункер новой сеялки должен быть смонтирован из двух ящиков (зернового и травяного), для чего из первого демонтируется днище с высевающими аппаратами, а на его место снизу стыкуется ящик в сборе для высева семян трав. Все это позволяет довести суммарный объем бункера до 1,3 м3 , что немаловажно при посеве несыпучих семян кормовых растений, отличающихся малой объемной массой.
В каждом бункере закрываются все аппараты кроме крайних и одного среднего, а на валу нагнетателей монтируют спирали правой и левой навивки. Причем, к каждому из крайних аппаратов семена доставляются одной спиралью, а к среднему – двумя. Кроме того, демонтируют систему ворошения семенного материала из-за ее ненадобности и снимают с сеялки все узлы и детали, предназначенные для заделки семян зерновых культур в почву.
В результате разработки нового высевающего устройства, сеялка может быть использована для закладки семенников трав и посева слабосыпучих и пло-хосыпучих семян некоторых овощных культур, избегая при этом такую дорогостоящую операцию по предпосевной подготовке семян, как дражирование.
Расчеты с целью определения экономической эффективности модернизированной сеялки выполнены в соответствии с методиками [92, 93, 94].
При определении затрат труда по переоборудованию серийной сеялки и эксплуатационных затрат были использованы тарифные коэффициенты ЕТС по ТО и ремонту сельскохозяйственной техники, литература справочного характера и цены на металлопрокат (проволоку) [95, 96, 97].