Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1 Краткий анализ технологии и средств посева кукурузы 10
1.2 Краткий обзор конструкций высевающих аппаратов для однозернового высева семян пропашных культур и пути их совершенствования 17
1.3 Краткий анализ работ по исследованию процесса однозернового высева семян пропашных культур 33
1.4 Выводы 44
1.5 Цель и задачи исследования 45
2 Теоретические исследования движения семян в семяпро водах усовершенствованного высевающего аппарата 47
2.1 Аналитические исследования возможностей управления процессом доставки семян на дно борозды в пропашных сеялках 47
2.2 Разработка функциональной схемы и конструкции усовершенствованного высевающего аппарата с семяпроводом 53
2.3 Исследования процессов движения семян по семяпроводу усовершенствованного высевающего аппарата 56
2.3.1 Выбор модели сыпучего тела посевного материала 57
2.3.2 Разработка модели и анализ процесса движения семян по семяпроводу 57
2.4 Выводы 76
3 Программа и методика экспериментальных исследований 77
3.1 Цель и программа экспериментальных исследований 77
3.2 Методика экспериментальных исследований. Оборудование и приборы для проведения исследований 78
3.2.1 Методика и оборудование для определения свойств посевного материала 78
3.2.2 Методика исследования удара семени о почву в серийной пропашной сеялке 81
3.2.3 Методика и оборудование для исследований процесса движения семян по семяпроводу 83
3.3 Методика проведения полевого опыта 97
4 Результаты экспериментальных исследований 101
4.1 Результаты исследования свойств посевного материала 101
4.2 Результаты исследований удара семян о почву в серийной пропашной сеялке 103
4.3 Исследования процесса движения семян по семяпроводу. Определение рациональных конструктивно-технологических параметров семяпровода с ускорителем семян 110
4.4 Результат проведения полевых опытов 123
4.5 Выводы 128
5 Расчет показателей экономической эффективности внедрения в производство результатов исследований 131
Общие выводы 135
Библиографический список 137
Приложения 154
- Краткий анализ технологии и средств посева кукурузы
- Аналитические исследования возможностей управления процессом доставки семян на дно борозды в пропашных сеялках
- Цель и программа экспериментальных исследований
- Результаты исследования свойств посевного материала
Введение к работе
Актуальность темы. Посев пропашных культур относится к технологическим операциям с высокой степенью зависимости качества их выполнения, причем эта зависимость определяется не только четким выполнением технологически необходимых работ, но и применением наиболее совершенных на данный момент времени посевных машин.
Характерной особенностью современных пропашных сеялок (типа СУПН) является отсутствие в их конструкции семяпроводов. Свободное падение семян от высевающего аппарата до дна борозды является вероятностным процессом, что ухудшает равномерность их распределения по дну борозды, особенно при работе на высоких скоростях.
Предположено, что устранение выше отмеченных недостатков возможно созданием управляемого процесса движения семян от высевающего аппарата до дна борозды, который будет происходить по заданной траектории и с определенной (заданной) скоростью. Конструктивно это осуществляемо при движении семян после высевающего аппарата по семяпроводу определенной формы, который обеспечивает постоянство траектории движения семян и меняет скорость семян в необходимых пределах. В пневматических сеялках наиболее рациональным и актуальным представляется использование пневматического ускорителя, который обеспечивает изменение скорости семян, движущихся по семяпроводу, с помощью воздушного потока.
В соответствии с этим сформулирована рабочая гипотеза: в пневматических сеялках типа СУПН с помощью семяпровода с ускорителем возможно изменять скорость семени на выходе из семяпровода в соответствии со скоростью посевного агрегата, обеспечивая тем самым высокую равномерность их распределения.
Цель работы - повышение качества посева пропашных культур пневматическими сеялками путем установки семяпроводов, обеспечивающих управляемость движением семян от высевающего аппарата до дна борозды.
Объект исследования - технологический процесс однозернового высева семян пропашной культуры (кукурузы) аппаратом пневматического действия с семяпроводом.
Предмет исследования - закономерности движения семян в семяпроводе усовершенствованного пневматического высевающего аппарата пропашной сеялки.
Научная новизна. Проведены аналитические исследования способов управления процессом доставки семян на дно борозды в серийных пропашных сеялках. На основе закона сохранения энергии теоретически обоснованы закономерности движения семян в семяпроводах усовершенствованного пневматического высевающего аппарата с учетом влияния
скорости движения агрегата. Получены аналитические зависимости между скоростью семян на выходе из семяпровода с укорителем и его конструктивно-технологическими параметрами.
Новизна предложенных технических решений подтверждена патентами на изобретение № 2357393 и на полезную модель №97588.
Практическая ценность. Полученные аналитические зависимости и методика инженерного расчета могут быть использованы при проектировании аппаратов точного высева семян пропашных культур. Эмпирическая регрессионная модель может применяться для настройки высевающего аппарата с семяпроводом-ускорителем на рациональные режимы работы пропашных сеялок при посеве кукурузы. Определены рациональные конструктивно-технологические параметры семяпровода с ускорителем семян, позволяющего осуществлять доставку семени от высевающего диска до дна борозды по заданной траектории с необходимой скоростью. На защиту выносятся следующие положения:
аналитические исследования способов управления процессом доставки семян на дно борозды в пропашных сеялках;
результаты теоретических исследований процесса движения семян по семяпроводу усовершенствованного высевающего аппарата;
функциональная схема и конструкция аппарата пневматического действия для высева семян пропашных культур с семяпроводом;
результаты экспериментальных исследований: свойства посевного материала, поведения семян после удара о почву, а также процесса движения семян по семяпроводу;
- рациональные конструктивно-технологические параметры высе
вающего аппарата с семяпроводом с ускорителем семян.
Реализация. Результаты выполненных исследований реализуются в виде инновационного проекта в ООО НПП «АгроТехника», финансируемого Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, как победителя программы «СТАРТ-10».
Материалы аналитических исследований, схемы и описания технических решений с рекомендуемыми параметрами высевающего аппарата, оборудованного семяпроводом с ускорителем, переданы Институту агро-инженерных проблем ФГОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» (Акт передачи научных исследований для внедрения в производство от 17.03.2011 г.).
Элементы теоретических и экспериментальных исследований усовершенствованного высевающего аппарата переданы для использования в учебном процессе на кафедрах «Процессы и машины в агробизнесе» Ставропольского госагроуниверситета и «Сельскохозяйственные машины» Курсавского регионального колледжа «Интеграл».
Апробация. Основные положения диссертации представлены в докладах на научно-технических конференциях СтГАУ (Ставрополь, 2007-
2010 гг.). Результаты исследований и конструкция усовершенствованного высевающего аппарата были представлены на инновационных конкурсах, выставках и салонах (диплом за лучший инновационный проект в области производственных технологий Международной выставки-конгресса «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции», г. Санкт-Петербург, 2008 г.; золотая медаль 10-го Московского международного салона «Инновации и инвестиции», г. Москва, 2010 г.; серебряная медаль Российской агропромышленной выставки «Золотая осень», г. Москва, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять глав, общие выводы, библиографический список из 154 наименований и приложения. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, включает 60 рисунков и 17 таблиц.
Краткий анализ технологии и средств посева кукурузы
В настоящий момент перед сельским хозяйством России поставлена задача значительного увеличения производства животноводческой продукции. Это положено в основу стратегии развития агропромышленного комплекса на ближайшие 5 лет. Приоритетная роль при этом отводится кормовой базе, особенно кукурузе [118,132,152,154]. Как высококонцентрированный корм для животных кукуруза превосходит овес, ячмень, просо и другие зерновые культуры. Зерно кукурузы является источником полноценного белка (7-11%), а также жира, витаминов и минеральных веществ. Ценность кукурузы в том, что она позволяет решить одновременно две задачи - пополнить зерновой запас страны и получить корма высокого качества для животных.
Кукуруза самая продуктивная среди всех зерновых культур. Одно из ее преимуществ по сравнению с другими культурами - меньшие затраты труда на возделывание. В мировом зерновом балансе кукуруза занимает третье место после риса и пшеницы.
В структуре валового сбора зерна в России (рисунок 1.1) доля кукурузы в зерновом балансе невелика, однако наметилась тенденция повышения с 4,1% (2009 г) до 5,8% (2010 г) [152]. При этом средняя урожайность кукурузы на зерно значительно выше чем у других культур и составила 28 ц/га, в то время как урожайность яровой пшеницы, ярового ячменя и овса составила соответственно 12,0, 18,4, и 16,6 ц/га, т.е. в 1,5-2 раза ниже.
В России посевы кукурузы используются, прежде всего, для получения силоса, хотя во многих регионах она является самой урожайной зерновой культурой [132,153,154].
Основными производителями зерна кукурузы являются Краснодарский и Ставропольский края, Кабардино-Балкарская Республика, Ростовская, Белгородская, Воронежская и Саратовская области [61].
Кукуруза - важное сырье для производства крахмала, декстринов и спирта. Ее используют в качестве сырья для пищевых и непищевых продуктов (рисунок 1.2) [87,133,140].
О рентабельности производства культуры можно судить по ее себестоимости. В Ставропольском крае в настоящее время себестоимость зерна кукурузы при условии выполнения всего комплекса технологических требований (гербициды, удобрения, средства защиты и т.д.) составляет около 2 тыс.руб./ т, а прибыль с 1 га посевной площади кукурузы в среднем по краю составляет от 2 до 4 тыс. рублей, в то время как зерновые (без кукурузы) обеспечили от 800 до 1000 рублей соответственно. Поэтому возделывать данную культуру в нашем регионе достаточно выгодно [61,154].
По данным Государственного научного учреждения Ставропольского научно-исследовательского института сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук в Ставропольском крае площади посевов кукурузы на зерно в 2009 году колеблются от 0 до 10 тыс.га в зависимости от района края, посевные площади более 10 тыс.га занимают посевы кукурузы в Новоалександровском, Изобильненском и Кочубеевском районах (рисунок 1.4). Максимальная урожайность зерновых с кукурузой полной спелости во всех категориях хозяйств в 2009 году в Ставропольском крае (рисунок 1.5) наблюдается в Новоалександровском и Кочубеевском районах. На получение высоких урожаев кукурузы оказывают большое влияние целый ряд факторов [153]: почвенные условия; климатические условия (тепло, влага); качество, сроки и глубина посева; удобрения; защита от вредителей и болезней; технология возделывания; технология уборки и др.
Кукурузу можно возделывать на почве всех типов, но она должна быть плодородной, благоприятной структуры, богатой питательными веществами.
По физико-механическому составу наиболее благоприятными для выращивания кукурузы являются суглинистые и супесчаные почвы. Высокие урожаи она дает на черноземных и темно-каштановых почвах, а также на песчаных, но при условии внесения повышенных доз органических или органо-минеральных удобрений [58,132,133].
Кислотность почвы должна находиться в пределах 5,6-7,5 рН. При кислотности ниже 5,6 рН урожайность зерна резко снижается, а при рН, равном 4, растение кукурузы погибает [78,87,133].
Самыми хорошими предшественниками кукурузы являются те культуры, после которых почва остается плодородной и незасоренной, в частности, колосовые, зернобобовые, рапс и сама кукуруза, плохими — многолетние травы, суданская трава, подсолнечник. По биологическим признакам хорошим предшественником кукурузы на зерно считается сахарная свекла [51,71,100,132].
Аналитические исследования возможностей управления процессом доставки семян на дно борозды в пропашных сеялках
Для рассмотрения кинематики процесса высева семян высевающим диском пропашной сеялки примем ряд допущений, позволяющих построить модель процесса движения семян от высевающего диска до дна борозды:
1. Сход семян с высевающего диска происходит в момент прекращения действия на них вакуума и не зависит от формы и размера семян.
2. Отрыв семени от высевающего диска происходит без влияния присасывающей ячейки диска.
3. Движение семян с момента отрыва от высевающего диска до момента касания их дна борозды происходит без касания стенок сошника и без влияния сопротивления воздуха.
4. На схемах семя принимается за материальную точку определенной массы.
Анализ выражений (2.7), (2.9) и графиков на рисунке 2.2 показывает, что параметры (%с, R и h заданы конструктивно и являются величинами постоянными. Переменными являются параметры иа и СО. Диапазон изменения рабочей скорости посевного агрегата находится в пределах 7... 12 км/ч или 1,9...3,3 м/с. Угловая скорость высевающего диска зависит от нормы высева и скорости посевного агрегата. При нормах высева пропашной культуры (кукурузы) 3...5 шт./м и скорости сеялки 1,9...3,3 м/с диапазон изменения СО составит 1,6...4,8 рад/с. Определим диапазон числовых значений скоростей семени исг и исв в момент его соприкосновения с дном борозды конкретно для сеялки СУ ПН-8, у которой схс=45 и /г=188мм.
По этим данным можно сделать следующие выводы: - вертикальная составляющая скорости семени в момент падения его на дно борозды практически не зависит от угловой скорости высевающего диска, а зависит только от высоты падения и для сеялки СУ ПН составляет около 2 м/с; - горизонтальная составляющая скорости семени в момент падения его на дно борозды, в основном, зависит от скорости сеялки, угловая скорость диска СО уменьшает горизонтальную составляющую скорости семени, но не более чем на 10%.
На основании полученных данных видно, что в момент соприкосновения семени с дном борозды имеет место косой удар его о почву со скоростью 2,6...3,8 м/с и углом падения (45...55) относительно вертикали. Для изучения поведения семени после удара его о почву при данных значениях скорости и углах падения, нужны дополнительные экспериментальные исследования.
Для исключения явления отскока семени от дна борозды необходимо проанализировать пути уменьшения скорости семени при сходе его с высевающего диска и уменьшение (приближение к нулю) угла падения семени у.
Анализ выражений (2.12), (2.13) и графиков (рисунки 2.3; 2.4) показал, что при прочих равных условиях добиться снижение скорости семени ис можно уменьшением высоты падения h, однако значение угла падения у семени в борозду при этом увеличивается.
Изменение высоты падения семян конструктивно ограничено, поэтому для уменьшения высоты их падения на дно борозды в конструкцию серийного пневматического высевающего аппарата необходимо ввести дополнительный элемент (семяпровода), при этом высота установки оси высевающего диска останется неизменной.
Анализ полученных зависимостей процесса транспортировки семян на дно борозды позволяет сделать предположение, что устранить недостатки (продольный и поперечный разброс семян в борозде, их отскок от дна борозды и инверсию), возникающие при свободном падении семян можно, если в технологическую цепь движения семени после высевающего диска включить семяпровод, который позволит семенам после высевающего диска перемещаться по заданной траектории и с заданной скоростью. Идеальным можно считать семяпровод, который придавал бы выходящему из него семени скорость, равную по величине скорости сеялки и направленную в сторону, обратную движению посевного агрегата. При таком условии скорость семени относительно почвы равна нулю и семя укладывается на дно борозды в идеальных условиях [32,40,41,51,65,85].
По данным раздела 2.1 настоящей работы при любой конструкции семяпровода [103] скорость семени на выходе из него не может превышать 1,9 м/с, следовательно, для выполнения условия равенства скорости семени и скорости сеялки, которая может достигать значений З...3,5 м/с, необходимо иметь в конструкции семяпровода своеобразный ускоритель семян, который обеспечил бы ускорение движения семени в семяпроводе до необходимых значений.
В результате поиска наиболее рациональных схем конструкции семяпровода, обеспечивающих выполнение поставленных условий и доступных для их реализации в конструкции высевающего аппарата серийной сеялки выбрана-схема высевающего аппарата, представленная на рисунке .
Цель и программа экспериментальных исследований
Технологический процесс однозернового высева семян пневматическими сеялками представляет собой сложный комплекс взаимодействия множества факторов и может быть реализован в различных вариантах конструктивно-функциональных схем высевающих систем.
Целью экспериментальных исследований является проверка теоретических исследований и определения характера влияния наиболее значимых факторов на качественные показатели однозернового высева семян кукурузы усовершенствованным пневматическим высевающим аппаратом с семяпроводом-ускорителем, позволяющим регулировать скорость семени на выходе из него. Опираясь на теоретические исследования и учитывая цель, в программу экспериментальных исследований включены следующие вопросы: 1. Изучение свойств посевного материала: масса 1000 зерен, фрикционные свойства семян, определения коэффициента парусности семян. 2. Разработка и изготовление лабораторной установки для моделирования процесса удара семян о дно борозды при высеве серийными сеялками типа СУПН. Визуальные исследования удара семян о почву при различных скоростях и углах падения. 3. Разработка и изготовление лабораторной установки для экспериментальных исследований усовершенствованного высевающего аппарата с семяпроводами. 4. Проведение экспериментальных исследований: - исследование движения семян в семяпроводе без ускорителя; - выявление наиболее значимых факторов, оказывающих существенное влияние на процесс управления движением семян в семяпроводе с ускорителем, определение их интервалов варьирования; - определение рациональных конструктивно-технологических параметров усовершенствованного высевающего аппарата. 5. Анализ результатов экспериментальных исследований и оценка их соответствия теоретическим предпосылкам и расчетам. 6. Проведение экспериментальных исследований усовершенствованного высевающего аппарата в полевых условиях.
Методическое обеспечение при производстве экспериментальных работ осуществлялось путем сочетания стандартных и рабочих методик, определяющих порядок и последовательность операций при определении различных показателей.
В качестве посевного материала использовались семена кукурузы среднеспелого гибрида Краснодарский 382МВ. Отбор проб по 1000 семян проводился в трехкратной повторности. Взвешивание семян с точностью ОД г по ГОСТ 12042-80 [40] осуществлялось на весах аналитических ALC-210d4 (ГОСТ 24104-2001): предел взвешивания 210 г, дискретность отчета 0,0001г, точность 0,001 г. По результатам трехкратной повторности определяли среднее значение массы 1000 зерен тф , кроме того, по известной методике [36,67,97] определяется среднее квадратическое отклонение С, коэффициент вариации V .
Фрикционные свойство кукурузы, такие как коэффициент трения семян по стали, является известным параметром [56,97,122,138]. В нашем эксперименте применяется семяпровод из металлопластикового материала (труба ГОСТ Р 52134-2003), коэффициент трения о который для кукурузы отсутствует в литературных источниках. Поэтому нами определялся коэффициент статического трения J ст семян кукурузы по металлопластиковой трубке (семяпроводу) на лабораторной установке (рисунок 3.1). 1- опора с регулировочным винтом, 2 - штатив, 3 - неподвижный сектор угломера, 4 - указатель угломера, 5 - базовая поверхность, 6 - телескопическая трубка, 7 - емкость с почвой Рисунок 3.1 - Лабораторная установка для определения угла трения покоя и моделирования удара семян о дно борозды почвы За основу данных лабораторных исследований взята стандартная методика определения коэффициента трения покоя на установке «наклонная плоскость» [83,84]: семя помещают на внутреннюю поверхность телескопической трубки 6, установленную горизонтально. Затем плавно перемещают базовую поверхность 5 вверх, тем самым изменяя угол наклона плоскости до момента начала движения семени. С помощью угломера 3 (рисунок 3.1) фиксируется угол $ (рисунок 3.2) наклона базовой поверхности.
Коэффициент трения покоя определялся на основании серии опытов (w=50 шт.) с трехкратной повторностью. Результаты полученных экспериментальным путем данных представляют в виде статистического ряда (таблица 4.2). Далее определяют числовые характеристики статистического ряда: среднее значение угла трения ( О \ среднее квадратическое отклонение ( сг), коэффициент вариации (V). Выбирают теоретический закон распределения угла трения семени кукурузы о дно семяпровода, рассчитывают верхний и нижний уровни варьирования среднего значения ( Оа ; Оа ) с учетом критерия Стью дента при доверительной вероятности а =0,95. Угол трения семян кукурузы по семяпроводу рассчитывают по формуле (3.1).
Результаты исследования свойств посевного материала
Сошедшие с высевающего диска серийной сеялки семена, как отмечалось в разделе 2.1, свободно падают на дно посевной борозды, испытывая при этом косой удар. Поведение семени после удара его о почву зависит от многих факторов, но наиболее значимыми являются скорость и угол падения, которым считается угол между вектором скорости и вертикалью.
Экспериментальные исследования по определению отскока в момент падения семени проводились на лабораторной установке (рисунок 3.2) по методике, описанной в разделе 3.4.2.
Угол падения семени устанавливался поворотом подвижной части прибора с трубкой (рисунок 3.4) из материала, из которого изготовлен и семяпровод.
Величина скорости определялся длиной L трубки 6 при заданном угле падения У по формуле (3.5), при этом высота падения семян устанавливалась равной 20 мм. Данная установка позволила имитировать процесс вхождения семян в почву после схода их с высевающего диска серийной пропашной сеялки (типа СУПН) и свободного перемещения в сошниковом пространстве, т.е. процесс вхождения семян в почву с определенной скоростью и углом падения (рисунок 2.1).
Совместив теоретические и экспериментальные графики (рисунок 2.2 и 4.2) зависимости угла падения семени на дно борозды от скорости посевного агрегата Оа (рисунок 4.3), можно сделать вывод, что при посеве семян кукурузы серийной сеялкой СУІШ-8А на скорости посевного агрегата более 1,2 м/с (точка пересечения кривой 1 и кривой 2) возникает отскок семян от дна борозды или значительные смещения (более 2 см) семян относительно места их падения на дно борозды, что подтверждает теоретические выводы о наличии явления отскока семян, высеваемых серийными сеялками типа СУПН. Анализ рисунка 4.3 подтверждает аналитические исследования, приведенные в разделе 2.1, что для уменьшения отрицательного действия отскока необходимо, что бы вектор скорости семени стремился к вертикали (У — 90), тогда на рабочих скоростях посевного агрегата(3-9 км/ч) мы попадаем в зону отсутствие отскока. Важным показателем качества высева пропашных культур является шаг посева, отрицательное влияние на который оказывает отскок и перекатывание семян в серийных пропашных сеялках.
В ходе исследований удара семян о почву на лабораторной установке (рисунок 3.2) при различных скоростях движения агрегата и углах падения семян фиксировались величины отскока А для 50 семян (приложение 1). Результаты проведенных исследований обработаны статистическими методами, построены графически зависимости накопленных опытных вероятностей распределения семян по интервалам отскока при различных скоростях агрегата и углах 7 падения (рисунки 4.5, 4.6, 4.7). Величины полученных значений отскока семян от дна борозды сравнивались со значениями допустимых отклонений (Ас;= 3,95 см и АС2=3,21 см).
Допустимые значения отклонений определялись в следующей последовательности: - зная норму высева семян кукурузы (для Ставропольского края эта норма колеблется в пределах от 45000 до 55563 шт./га) определили интервал варьи 107 рования шага посева: от 31,7 см до 25,7. В соответствии с агротехническими требованиями к посеву кукурузы, отклонения от заданного интервала между семенами в рядке не должны превышать 0,25 его величины [133], т.е. Ас = 0,251с Значения этих отклонений Ас1= 7,9 см и Лс2=6,42 см. - принимает допущение, что распределение семян в рядке подчиняется нормальному закону, т.е. величина разброса симметрична относительно точки приземления при нормативных значениях шага посева Ас = ±0,5 А: Ас1 = ±3,95 см и Ас2 - ±3,21см (рисунок 4.4 вариант 1). Уменьшение скорости падения семени до 1,5 м/с приводит к уменьшению значений величин отскоков выходящих за пределы допустимого агротехническими требованиями значения (Ас2=3,2\ см): 0% семян при Г = 40 , 2% семян при у = 50 и 60% - при у = 60 Если принять условие, что семя в момент приземлении смещается в сторону движеня на величину Лс на 6,42....7,9 см (рисунок 4.4. вариант 2), тогда 100% значений отскока семян при всех проведенных исследованиях (рисунки 4.5, 4.6, 4.7) не превышают допустимые значения отклонений от заданных интервалов между семенами.
На основании вышеизложенного сделан вывод: уменьшить величину отскока семян в борозде можно снизив скорость падения семян (до 1,5 м/с) (путем уменьшения высоты падения до 20 мм) и угол падения У до нуля (т.е. обеспечить равенство горизонтальной составляющей скорости семян в момент выброса с высевающего аппарата и скорости движения агрегата).
