Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 8
1.1. Сравнительный анализ способов посева зерновых культур 8
1.2. Анализ существующих конструкций зерновых сеялок и посевных агрегатов 13
1.3. Обзор конструкций сошников для подпочвенного разбросного посева 22
1.4. Влияние параметров распределительных устройств на распределение семян по площади поля 31
1.5. Выводы, цель и задачи исследования 34
2. Теоретические исследования процесса распределения семян зерновых культур комбинированным распределителем семян сошника для подпочвенного разбросного посева 36
2.1. Обоснование формы делителя семян и расчет скорости поступления семян на наклонный участок 40
2.2. Теоретическое обоснование параметров наклонного участка распределителя семян 49
2.3. Обоснование эксцентриситета установки делителя 56
Выводы 60
3. Программа и методика экспериментальных исследований 62
3.1. Программа экспериментальных исследований 62
3.2. Методика лабораторных исследований 62
3.2.1. Описание лабораторной установки 63
3.2.2. Методика определения скорости схода с криволинейной образующей поверхности делителя 67
3.2.3. Методика определения дальности распределения семян в зависимости от длины наклонного участка 70
3.2.4.Методика проведения многофакторного эксперимента по оптимизации параметров распределительного устройства сошника для подпочвенного разбросного посева зерновых культур 71
3.3. Методика полевых испытаний 76
4. Результаты экспериментальных исследований 81
4.1. Результаты определения скорости схода с криволинейной образующей поверхности делителя 81
4.2. Результаты по определению дальности распределения семян в зависимости от длины наклонного участка 83
4.3. Результаты оптимизации параметров комбинированного распределителя семян сошника для подпочвенного разбросного посева зерновых культур 88
4.4. Разработка экспериментального сошника для подпочвенного разбросного посева зерновых культур 102
4.5. Результаты полевых испытаний 106
Выводы 112
5. Экономическая эффективность внедрения экспериментальной сеялки для безрядкового посева зерновых культур 115
5.1 .Определение годового экономического эффекта 115
Выводы 118
Общие выводы 120
Список используемой литературы 123
Приложения
- Сравнительный анализ способов посева зерновых культур
- Обоснование формы делителя семян и расчет скорости поступления семян на наклонный участок
- Программа экспериментальных исследований
- Результаты определения скорости схода с криволинейной образующей поверхности делителя
Введение к работе
Получение высоких и стабильных урожаев остается на сегодняшний день актуальной задачей сельскохозяйственного производства. При возделывании зерновых культур особое внимание уделяется посеву, так как в основном при посеве закладываются основы будущего урожая. Одной из основных характеристик посева является равномерность распределения растений по площади питания.
В идеальном случае площадь питания растения имеет форму круга. Однако у большинства применяемых на сегодняшний день способов посева форма площади питания представлена сильно вытянутым прямоугольником. Такая форма площади питания приводит к недоиспользованию части плодородной почвы и загущению растений что, снижает урожайность зерновых культур. Наиболее рациональную площадь питания растения получают при подпочвенном разбросном способе посева.
Еще одно преимущество подпочвенного разбросного способа посева состоит в том, что он позволяет совместить предпосевную обработку почвы с посевом. Это сокращает сроки посева, что позволяет уменьшить потери почвенной влаги, количество проходов агрегата по полю и снизить прямые эксплуатационные затраты.
Однако, хотя растения при подпочвенном разбросном способе посева находятся в более выгодных условиях по сравнению с другими способами посева, все же и при этом способе имеет место неравномерность распределения растений по площади поля. Это связано с тем, что применяемые сошники для подпочвенного разбросного посева не в полной мере соответствуют предъявляемым к ним требованиям. Одним из основных недостатков существующих сошников для подпочвенного разбросного посева является недостаточная дальность рассева семян по ширине захвата сошника, что приводит к увеличению количества стыковых междурядий, и
5 как следствие этого увеличение незасеянной площади поля и снижению равномерности распределения растений по площади поля. В связи с этим повышение урожайности зерновых культур за счет совершенствования технологического процесса распределения семян является актуальной научно -технической проблемой.
Данные исследования проводились с 2000 по 2003 г.г. по темам НИР Самарской области «Областная целевая научно-техническая программа «Зерно и зернопродукты» и Самарской ГСХА «Разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий и технических средств предпосевной обработки почвы и посева в условиях Среднего Поволжья» на 2001 ...2005 г.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - совершенствование технологического процесса
распределения семян зерновых культур путем обоснования
конструктивных параметров сошника для подпочвенного разбросного посева.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИИ -технологический процесс подпочвенного разбросного посева зерновых культур.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИИ -сошник для подпочвенного разбросного посева.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в математическом описании движения семян по поверхности комбинированного распределителя аналитическими зависимостями скорости схода с криволинейной образующей делителя от диаметра образующей окружности и координаты попадания семени на поверхность делителя; системой уравнений (в параметрическом виде) дальности распределения семян от параметров наклонного участка; получении аналитических зависимостей равномерности распределения семян по ширине захвата сошника от эксцентриситета установки делителя; разработке конструктивных параметров сошника с комбинированным распределителем семян, позволяющим производить рассев более широкой полосой; выводе эмпирических
зависимостей равномерности распределения семян от конструктивных параметров комбинированного распределителя.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. При возделывании зерновых культур для повышения урожайности предлагается на посеве применять сеялку для безрядкового посева, оборудованную сошниками для подпочвенного разбросного посева, позволяющую проводить данную операцию с лучшим качеством. Для улучшения распределения растений по площади поля предлагается использовать сошник с комбинированным распределителем семян. Распределитель семян выполнен в форме комбинации делителя с образующей в виде брахистохроны и наклонного участка, являющегося основанием делителя, причем делитель установлен с эксцентриситетом относительно оси семяпровода для повышения равномерности распределения семян в середине засеваемой полосы. Применение сеялки, оборудованной разработанным сошником для подпочвенного разбросного посева с комбинированным распределителем семян позволит получить прибавку урожая в среднем на 32,4% по сравнению с сеялкой СЗС-2,1Л, при ширине засеваемой сошником полосы 280...300мм, количестве растений, обеспеченных расчетной площадью питания 42...44%, и доле семян в находящихся в слое 4...6 см равной 74,5...75,8%.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ: Сеялка оборудованная сошниками для подпочвенного разбросного посева с разработанным распределителем семян внедрена в ФГУП «Учебно -опытное хозяйство» Самарской ГСХА.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований доложены и
одобрены на заседаниях кафедры «Эксплуатация машинно -тракторного
парка», научно-практических конференциях профессорско-
преподавательского состава Самарской ГСХА и Пензенской ГСХА (2001 -2003 гг.), на Международной научно -практической конференции преподавателей и аспирантов МГАУ имени В.П.Горячкина (2003 г.).
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам выполненных исследований опубликовано 6 печатных работ.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти общих разделов, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит таблиц 13, иллюстрацию 52 и 6 приложений. Список используемой литературы включает 114 источников.
8 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования
1.1. Сравнительный анализ способов посева зерновых культур
Современной наукой и передовой практикой доказано, что при создании необходимых условий для роста и развития сельскохозяйственные растения обладают большими резервами повышения урожайности. Для реализации этих возможностей необходимо совершенствовать существующую технологию их возделывания, а также создавать машины, соответствующие прогрессивной технологии и отвечающие высоким требованиям новой агротехники [74].
Для нормального роста и развития растений необходимы свет, тепло, вода, питательные вещества и воздух [56, 103].
В жизни растений все эти экологические факторы равнозначны, ни один из них не может быть заменен каким-либо другим. В целях получения высоких урожаев необходимо одновременно воздействовать на все факторы роста и развития, обеспечив растения ими в оптимальных соотношениях [15, 50]. Факторы жизни растений создаются природой и принятой агротехникой, потребность в которых в разные фазы вегетации растений неодинакова. В процессе возделывания сельскохозяйственных культур особенно важным и ответственным является посев, поскольку именно при посеве закладывается основа будущего урожая. Основным условием получения высоких урожаев является способность выбранного способа посева и технологии его осуществления наиболее полно обеспечить растения факторами жизни.
Наилучшее обеспечение всех растений питательными веществами, воздухом и светом может быть получено при равномерном распределении растений по площади поля. Равномерного распределения растений по поверхности поля можно добиться различными способами посева. В настоящее время различают следующие основные способы посева семян зерновых культур): обычный рядовой, узкорядный, перекрестный, ленточный, подпочвенно -разбросной, который подразделяется на полосовой
9 и разбросной [45,94, 95] (рис. 1.1).
Наиболее распространенным способом посева зерновых культур в сельском хозяйстве нашей страны остается обычный рядовой посев с междурядьями 12...15 см. Научное обоснование к ширине междурядий этого способа как со стороны агрономической, так и со стороны технической не достаточно полно [45, 49]. Можно предположить, что размещение сошников с такой шириной междурядий (12... 15 см) выбрано из соображений меньшего их забивания почвой и растительными остатками.
Один из основных недостатков, присущих рядовому посеву, -неравномерное распределение семян по площади питания. При ширине междурядий 12... 15 см и нормах высева 5...6 млн. штук на гектар среднее расстояние между растениями в рядке составляет 1,1... 1,3 см. В результате неравномерности посева многие растения находятся еще ближе друг к другу, попадая в условия жесточайшей конкуренции с самых ранних этапов развития. Форма элементарной площади питания каждого растения при данном способе посева представляет собой сильно вытянутый в стороны от рядка прямоугольник, длина которого в 10... 15 раз больше ширины, что является причиной недоиспользования растениями площади на 30% и снижения на столько же урожайности [7, 9, 11,51].
Стремление получить более равномерные по площади питания посевы привело к возникновению новых способов посева, при которых устраняется ряд недостатков, присущих обычному рядовому посеву с междурядьями 15 см, это перекрестный и узкорядный способы посева [44].
Перекрестный способ посева зерновых получил широкое распространение в 50-х годах. Посев выполняют в двух взаимно перпендикулярных направлениях при сохранении ширины междурядий обычного рядового посева. При проходе в каждом направлении высевают половину установленной нормы высева. Применение этого способа позволило получать урожаи на 15...20% выше, чем при рядовых посевах, что связано с более равномерным распределением растений по площади [8, 44].
Способы посева семян зерновых культуо
Рядовой
Подпочвенно-разбросной
орудия шит осуществления посева
Обычный рядовой
V
\
Перекрестный
Узкорядный
Разбросной
Полосовой
Сеялки для рядового посева
Сеялки для безрядкового посева
С пневматическим транспортированием семян
С гравитационным транспортированием семян
рабочие органы сеял
езрядкового, посева
Сошники для полосового посева
Сошники для
подпочвенного разбросного
посева
распределители семян сошников для подпочвенного разбросного посева
Активные
Пассивные
Состоящие только из разбрасывателя (делителя)
Комбинированные, состоящие
из делителя и распределяющей поверхности
криволинейными обоазуюшими
« О X
« я
СО с Я Ё
а, - 5
Й с
о с
а, и
ш о
>я о в я 9 « 2 2
Щ я
«
«
Я Я Ч о
« о
я я
о ffl я
JQ H
s g
О о
& ч
Я В
О і
о,
О, К
С "
прямолинейными обоазуюшими
а, с
S 2 к >>
j а>. я
я ч
^- ю о
5 * 2 <и
а. 2 я
о, -. 1)
(U «
Рисунок 1.1 - Юіассификация способов посева и средств их реализации
Однако при этом способе посева требуются двукратные проходы агрегата по полю, соответственно увеличиваются расход топливо -смазочных материалов, затраты труда, а затягивание сроков посева (особенно в районах недостаточного увлажнения) может свести к нулю прибавку урожая от рационального размещения растений. При этом способе растениями занято около 50% площади поля.
Более совершенным является узкорядный способ посева, при котором посев производят с междурядьем 7,5 см. Площадь питания семян имеет форму прямоугольника со сторонами 7,5x1,3 см, растения занимают 70% площади поля [12, 13]. Эффект от узкорядного посева увеличивается при повышении плодородия почвы и улучшении агротехники. Положительные качества узкорядного посева проявляются более заметно при увеличении нормы высева на 10...15%. Узкорядный посев позволяет лучше использовать междурядья. Уменьшая их ширину вдвое, ведет к меньшему испарению влаги, благодаря затенению междурядий смыкающимися рядами культурных растений, уменьшает засоренность полей [4]. Однако сеялки для узкорядного посева имеют неудовлетворительные агротехнические показатели, значительно снижается проходимость рабочих органов даже на хорошо обработанных фонах. На почвах грубой разделки эти сеялки неработоспособны.
Внедрение в районах недостаточного увлажнения почвозащитной системы земледелия на основе комбинированных агрегатов, позволило разработать подпочвенно -разбросной посев зерновых культур. В качестве рабочих органов таких агрегатов используются сошники на основе культиваторной лапы, одновременно выполняющие функции рабочего органа для предпосевной обработки почвы (рыхление и подрезание сорняков) и рабочего органа для посева (распределение семян и их заделка). Совмещение предпосевной обработки почвы и посева, оставление растительных остатков на поверхности поля позволяет уменьшить сроки проведения посева, снизить потери почвенной влаги на испарение, что
12 сказывается на повышении урожайности возделываемых культур [6, 9,16, 21, 43, 48, 52, 55, 57, 58, 96].
Подпочвенно -разбросной посев можно подразделить на полосовой посев и разбросной посев. При полосовом посеве семена распределяются полосами различной ширины. Семена в полосе, как и при обычном рядовом посеве, распределяются беспорядочно. Недостатками такого способа являются неравномерное распределение семян по ширине засеваемой полосы, часть площади поля остается незасеянной [46, 53, 67]. В последнее время подпочвенно -разбросной полосовой способ посева зерновых культур заменяется разбросным способом.
Отличие подпочвенного разбросного способа посева в том, что семена укладываются в почву не рядами, а по всей ширине сеялочного афегата без незасеянных промежутков между ними. Семена распределяются по полю более равномерно, чем при рядовом посеве. По данным исследований [17, 21, 31, 40, 51, 68, 76], урожайность зерновых культур при разбросном способе посева повышается в среднем на 10...30% по сравнению с узкорядным и рядовым способами. Более высокая полевая всхожесть семян, меньшая гибель растений в течении вегетационного периода, уменьшение конкуренции между растениями по сравнению с рядовым способом, приводит к тому, что общее развитие растений при разбросном способе посева оказывается значительно лучшим, корневая система более мощной, что способствует увеличению структурных составляющих урожая: увеличивается толщина и высота стебля, число зерен в колосе, масса 1000 семян, абсолютный вес зерна. Засоренность поля значительно снижается по сравнению с рядовым и узкорядным способом. Улучшение конфигурации площади питания при разбросном посеве увеличивает степень использования засеваемой площади, то есть обеспечивает возможность размещения на единице площади большего числа растений, а, следовательно, и получение большего урожая [44, 72, 98, 105, 107].
13 1.2. Анализ существующих конструкций зерновых сеялок и посевных
агрегатов
Наиболее распространенными орудиями для посева зерновых культур являются сеялки и посевные агрегаты для рядкового посева.
Основными марками сеялок для рядкового посева, выпускаемых отечественной промышленностью, являются сеялки на базе зерновой сеялки СЗ-3,6. Сеялка зернотуковая СЗ-3,6 универсальная, предназначена для рядового посева семян зерновых и зернобобовых культур с одновременным внесением в засеваемые рядки гранулированных удобрений [5, 18]. Она может использоваться для посева семян других культур, близких к зерновым по размерам семян и нормам высева (просо, гречиха и др.). Как базовая модель унифицированного семейства сеялка СЗ-3,6 выпускается в нескольких модификациях: СЗП-3,6, СЗУ-3,6, СЗТ-3,6, СЗА-3,6 и других, то есть она может оборудоваться различными приспособлениями: для прикатывания посевов [59, 66], для узкорядного посева, для посева трав [5, 49] и посева по хорошо обработанным почвам (для этого сеялка оборудуется анкерными сошниками) [104]. Сеялка предназначена для работы на почвах, подготовленных в соответствии с агротехническими требованиями под посев, влажностью не более 20% и на скоростях до 12 км/ч.
Достоинством этого семейства сеялок является простота конструкции, высокая надежность работы. Сеялки СЗ-3,6 и СЗП-3,6 обладают хорошей проходимостью и заделывают семена на плохо подготовленных почвах. Наличие у сеялки СЗП-3,6 прикатывающих катков позволяет совместить операции посева и прикатывания почвы, что благоприятно сказывается на прорастании семян, сокращает сроки посева и эксплуатационные затраты. Применение в сеялке СЗА-3,6 анкерных сошников обеспечивает более компактную заделку семян в почву.
Посевные комплексы зарубежных стран различаются технологическими схемами, назначением, схемой компоновки, типом
14 рабочих органов и уровнем универсальности [2, 37, 47, 62, 64, 86, 97, 110-114]. Для заделки семян в почву применяются сошники нескольких типов: однодисковые с плоским или сферическим дисками; однодисковые, спаренные на одном поводке; двухдисковые в комбинации с дисковыми ножами (плоскими или рифлеными); двухдисковые, спаренные на одном поводке в комбинации с дисковыми ножами; трубчатые с наральником в виде черенкового ножа; трубчатые в комбинация с дисковыми ножами; анкерные, с возможностью внесения удобрений одновременно с посевом.
Применение в посевных комплексах семенного бункера автономной высевающей системы (ABC) или центральной высевающей системы (ЦВС) повышенной вместимости сокращает время простоев агрегата под загрузкой, что увеличивает производительность агрегата. Однако применение пневматической высевающей системы усложняет конструкцию и стоимость посевных машин и комплексов, повышает неравномерность распределения семян по сошникам.
Основным недостатком перечисленных выше сеялок является то, что они осуществляют рядовой посев зерновых культур. А как было отмечено в разделе 1.1 при рядовом посеве семена распределяются по поверхности поля неравномерно. Дисковые сошники сеялок укладывают семена в рыхлый слой не обеспечивая надежный контакт семян с почвой [5].
Поэтому основным направлениям совершенствования зерновых сеялок является создание комбинированных сеялок -культиваторов и посевных агрегатов для безрядкового, широкополостного и других способов посева, позволяющих более равномерно распределять растения по площади поля [42, 60, 63-65].
В 80-х годах в УНИИМЭСХе была разработана универсальная широкозахватная машина, которая выполняет поверхностную подготовку почвы, внесение удобрений, прикорневую подкормку и боронование посевов, а также подсев изреженных и пересев погибших озимых [93]. Машина
15 состоит из лущильника, с установленной на нем центральной высевающей системой и сменных комплектов рабочих органов.
Машина (рис. 1.2) имеет полунавесную раму с установленным на ней центральным бункером для посевного материала (семян и удобрений) и пневматическую высевающую систему. Посевная машина агрегатируется с трактором класса 3 и обслуживается одним трактористом. Имея рабочую ширину захвата 10—12 м, за 1 ч сменного времени она выполняет одну из перечисленных операций на площади 6—8 га. Согласно расчетам авторов, применение универсальной посевной машины позволяет снизить приведенные затраты на 43,8 % и уменьшить прямые эксплуатационные затраты.
В 1990-1992 гг. в ВИСХОМе было создано и изучено семейство автономных высевающих систем для комбинированных машин с использованием отечественных стерневых и паровых культиваторов на предпосевной обработке почвы [42, 64]. Разработаны модификации семейства автономных высевающих систем - прицепные («тянущая» и «буксируемая») к тракторам класса 4 и 5. Они отличаются объемом бункера, конструкцией несущей системы и рядностью модулей высевающих систем. Комбинированная машина построена на базе автономной высевающей системы и сошниковой секции стерневой сеялки-культиватора СЗС-6/12.
Широкозахватная сеялка -культиватор СЗС-12, оснащенная новыми рабочими органами с меньшим тяговым сопротивлением, повышает производительность труда по сравнению с агрегатом из семи и пяти СЗС-2,1 соответственно на 18 и 31,8%.
Научно -производственная фирма «Агротехник» для районов, подверженных ветровой эрозии почв, предлагает почвообрабатывающе -посевной комплекс ППК-300 с шириной захвата 7,9 м для внутрипочвенного разбросного посева зерновых с одновременным внесением минеральных удобрений. Машина агрегатируется с тракторами класса 3 и 5. Ее отличает расположение бункера (ABC) на раме культиватора. Недостатком комплекса
является малая ширина захвата для тракторов класса 5. Кроме того, используемая в ППК заделывающая система не подходит для других агрегатов и предназначена для засушливых условий. Технологическая схема машины не позволяет применить ее на почвах повышенными влажностью и связанностью [63].
По лицензии фирмы «Concord» выпускаются посевной комплекс «Кузбасс» на Юргинском машиностроительном заводе Кемеровской области, и посевной комплекс КПА-8 «Лидер» на опытном заводе СибИМЭ Новосибирской области [109]. Их отличие от базового варианта состоит в уменьшенной ширине захвата, равной 8 метрам против 12,2 метра у агрегата «Concord». Применение пневматической транспортирующей системы для увеличения ширины засеваемой полосы усложняет конструкцию комплекса, повышает неравномерность распределения семян по сошникам. Также на заводе СибИМЭ выпускается сеялка-культиватор СКТ-4К «Обь» (рис. 1.3). Сеялка -культиватор предназначена для предпосевной обработки почвы с одновременным посевом семян зерновых и зернобобовых культур, внесением гранулированных минеральных удобрений и последующим прикатыванием почвы спиральными катками. Конструкция сеялки получена дооснащением культиватора КТ-4К посевным оборудованием: семенным ящиком с высевающими аппаратами, приводом высевающих аппаратов. В сеялке применяются катушечные высевающие аппараты и специальные плоскорежущие сошники шириной захвата 360 мм, снабженные пластинами -отражателями для полосового посева.
Группой кампаний «Сок» в ООО «Сельмаш» выпускается агрегат универсальный посевной плоскорежущий АУЛ-18 (рис. 1.4). Он предназначен для разбросного посева зерновых, зернобобовых культур и семян трав по стерневым фонам и зяби с внесением гранулированных удобрений, одновременной предпосевной культивацией и прикатыванием.
Рисунок 1.2 - Конструктивно-технологическая схема универсальной широкозахватной посевной машины: 1-дозатор семян центробежного типа; 2 -пневмопровод; 3 - дозатор минеральных удобрений катушечного типа; 4-вентилятор; 5-бункер для высеваемых материалов (семян и удобрений); 6-центральная распределительная головка; 7-промежуточный пневмопровод; 8-вторичная распределительная головка; 9-семяпроводы; 10- заделывающие рабочие органы
»* її і \ її jti.w V її
V/IV А ««*,*
1-4K «Обь»
Его также рекомендуют применять для подготовки почвы под посев с глубиной обработки до 120 мм и культивацией паров [71, 85]. Агрегатируется с тракторами тягового класса З (ДТ-75М, Т-150).
Агрегат состоит из культиваторной части и установленным на нем посевным оборудованием: зернотуковыми ящиками с катушечными высевающими аппаратами, приводом высевающих аппаратов. Сошник с установленным на нем распределителем семян и удобрений производит разбросной высев семян по всей ширине захвата сошника за счет конструкции пассивного распределителя семян.
Рабочая ширина захвата агрегата 4,5 м, способ агрегатирования — прицепной, расстояние между осями стоек сошников -250 мм, расстановка сошников —в 4 ряда. Незначительное расстояние между осями стоек сошников не позволяет применять агрегат на полях с большим количеством растительных остатков и высотой стерни более 140 мм. Также из-за малой ширины захвата сошника уменьшается равномерность распределения растений по площади поля за счет большого числа стыковых междурядий.
На Оренбургском заводе «Агромаш» освоено производство сеялки — культиватора СЗС-2,1 [87]. Сеялка предназначена для полосового посева зерновых и зернобобовых культур с одновременной предпосевной культивацией, внесением гранулированных удобрений и последующим прикатыванием почвы. В зависимости от комплектации сеялка может поставляться с катками для рядового и сплошного прикатывания почвы.
Посевные комплексы зарубежных стран для безрядкового посева (рис. 1.5) различаются технологическими схемами, назначением, типом рабочих органов [3, 63, 64, 86].
Сошниковые системы большинства комбинированных машин Канады и США предусматривают возможность посева —заделки семян с одновременной культивацией почвы, внесением удобрений и уплотнением почвы над семенами.
Рисунок 1.4 - Агрегат универсальный посевной плоскорежущий АУГЪ
18.05
Рисунок 1.5 - Посевной агрегат фирмы «Flexi -Coil»
В применяемых для посева тяжелых культиваторах («Concord», «Flexi coil», «John Deer», «Air Drill») стойки лап оснащаются приставками для рядкового, ленточного двухстрочного и разбросного посева (рис. 1.6). Стойки С образной формы выполнены из упругой полосовой стали прямоугольного сечения или из полос, закругленных с боковых сторон. Некоторые варианты сошников фирмы John Deer имеют литые стойки и сменные наконечники с лапой (посев с культивацией) или наральниками (посев без культивации).
Делители семян, установленные на культи ватерных стрельчатых лапах, позволяют производить рядовой, разбросной или широколенчатый посев. Требуемая дальность рассева осуществляется за счет энергии потока воздуха [88-90].
В австралийских сеялках применяются рабочие органы культиваторного типа с лапами шириной 90 и 126 мм (ширина междурядий
Рисунок 1.6 - Сменные наральники сошников зарубежных посевных комплексов (вверху), схема распределения растений и удобрений (внизу)
21 175-185 мм) [62, 65]. Рабочие органы для обеспечения проходимости размещены в шесть рядов. Посев ведется в сошники третьего, четвертого и пятого рядов. Шестой, последний ряд лап служит в качестве разравнивающего устройства.
Перечисленные зарубежные почвообрабатывающе -посевные машины и комплексы обладают высокой степенью комбинированности и универсальности, что позволяет использовать их как на посеве, так и на обработке почвы. Посев ими может осуществляться как на подготовленных агрофонах, так и на стерневых агрофонах с большим количеством растительных остатков. Применение семенного бункера (ABC или ЦВС) повышенной вместимости сокращает время простоев агрегата под загрузкой, что увеличивает производительность агрегата. Однако применение пневматической высевающей системы усложняет конструкцию посевных машин и комплексов, повышает неравномерность распределения семян по сошникам. Применение наральников для рядового посева увеличивает неравномерность распределения растений по площади поля, за счет недостатков этого способа посева. Совмещение посева с внесением между строчками семян удобрений положительно сказывается на развитии растений и повышении урожайности, но для этих целей применяют наральники усложненной конструкции или устанавливают дополнительные сошники. Это отрицательно сказывается на качестве посева, так как верхний слой почвы интенсивно перемешивается. Также зарубежные посевные машины и комплексы отличаются высокой стоимостью по сравнению с отечественными аналогами [85].
Основной тенденцией в развитии посевных машин является создание сеялок и посевных агрегатов для безрядкового посева. Следовательно, необходимо рассмотреть конструкции рабочих органов этих машин.
22 1.3. Обзор конструкций сошников для подпочвенного разбросного посева
Зона Среднего Поволжья находится в рискованных для земледелия почвенно -климатических условиях [6, 13, 43, 57]. Поэтому при осуществлении посева необходимо создать семенам условия для наиболее полного использования почвенной влаги. Достичь таких условий позволяет применение ресурсосберегающих технологий на основе комбинированных агрегатов и разбросного способа посева, позволяющего наиболее равномерно распределить растения по площади питания [1, 17]. Актуальной проблемой является разработка сошников для подпочвенного разбросного посева, применяемых в комбинированных агрегатах [58, 66,108].
Омским сельскохозяйственным институтом [100] разработан сошник (рис. 1.7) состоящий из стрельчатой лапы 1, установленной на стойке семяпровода 2. В зоне выходного канала семяпровода 2 к поперечной пластине прикреплен двухскатный лоток 4, состоящий из боковых граней. При этом поперечная пластина прикреплена к подлапнику 6. Для увеличения свободного сечения выходного канала семяпровода с целью предотвращения его забивания боковые грани в задней части лотка 4 выполнены со скосом под углом 45 относительно его верхнего ребра 7 и на половине их длины надрезаны на 0,5 ширины грани, а концы 8 и 9 образовавшихся надрезов отогнуты в противоположные стороны. К поперечной пластине 3 жестко прикреплены отогнутые пластинчатые пружины 10. Выходной канал семяпровода 2 прикрыт козырьком 11, для предотвращения забивания его почвой. Применение сошника позволяет повысить равномерность распределения семян по площади поля и предотвратить забивание выходного канала семяпровода. Недостатком данного сошника является недостаточная дальность и равномерность распределения семян по ширине засеваемой полосы.
Казанский сельскохозяйственный институт предлагает комбинированный сошник для посева зерновых культур [54]. Сошник (рис. 1.8)
*
Рисунок 1.7 - Сошник конструкции Омского СХИ: 1-стрельчатая лапа; 2 -семяпровод; 4-двухскатный лоток; 6 -подлапник; 7-ребро; 8 и 9 -концы; 10 -пружина; 11 -козырек
Рисунок 1.8 - Сошник конструкции Казанского СХИ: 1-стойка; 2-лапа; 3-семенная камера; 4 -сферическая поверхность; 6-формирователь потока семян; 7 -веерный распределитель; 8-кронштейн; 9 -дисковый нож
24 выполнен в виде полой стойки 1, снабженной жестко закрепленной лапой 2 выпуклой формы, кривизна поверхности и режущая кромка которой описывается уравнением логарифмической спирали, с тыльной стороны лапы размещена семенная камера 3, имеющая сферическую поверхность 4. Внутри стойки 1 размещен формирователь 6 потока семян, выполненный в виде винтового шнека, ось шнека жестко закреплена, на выходе шнека размещен веерный распределитель 7. Посредством кронштейна 8 к стойке 1 прикреплен дисковый нож. Сошник работает следующим образом. В процессе прохождения рабочего органа в слое почвы происходит резание со скольжением корней сорняков и растительных остатков, дисковый нож 9 обеспечивает проход стойки 1 в почве с меньшим сопротивлением без образования рваных краев почвенного пласта, семена, поступающие в стойку из семяпровода, подаются на формирователь потока 6, далее через веерный распределитель сплошным потоком, но с разным углом подаются на сферическую поверхность 4, на которой происходит дальнейшее распределение семян в зависимости от угла подачи. Сошник обеспечивает равномерность высева и образование оптимальной зоны питания и прорастания семян. Недостатком сошника является малая дальность рассева семян по ширине захвата сошника и сложность конструкции.
В Азербайджанском научно -исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства разработан сошник для разбросного посева сельскохозяйственных культур [101]. Сошник состоит из стойки 1, к которой болтами 2 и гайками 3 крепится подрезная лапа 4 (рис. 1.9). При помощи этих же болтов к стойке крепится распределитель 5, представляющий собой пластинку с наклоном в заднюю сторону, на поверхности которой расположен конус 6, а за ним прикреплены в радиальном направлении вертикальные пластины с треугольными удлинениями под углом 45. Распределитель сверху закрыт крышкой 8 сотверстием для семяпровода 9 и кольцом 10. Семяпровод изготовлен из пустотелой трубы и крепится к стойке при помощи болтов 11. На
25 поверхности семяпровода на разной высоте выполнены отверстия, через которые проведены внутрь семяпровода проволочные рассеиватели. Семена, попадая в семяпровод 9, ударяясь о проволочные рассеиватели, хаотически распределяются по поперечному сечению семяпровода. Затем попадают на конусный рассеиватель 6 и далее распределяются между удлиненными вертикальными пластинами и равномерно высеваются по ширине захвата. Сошник позволяет повысить качество разбросного посева, что увеличивает урожайность сельскохозяйственных культур. Недостатком данного сошника является недостаточная дальность и равномерность распределения семян по ширине засеваемой полосы.
Тамбовским ВНИИТиНом проводятся работы по созданию сеялки-культиватора на базе СЗ-3,6 для средней полосы России [76, 77]. В ней вместо серийных дисковых сошников применены рабочие органы парового культиватора КПС-4. Предлагаемый сошник (рис. 1.10) состоит из стрельчатой универсальной лапы 8 (ширина захвата 270 мм.), стойки 7, к которой через кронштейн 6 хомутом 5 прикреплен семяпровод 4 в виде трубы с овальным нижним сечением. В подсошниковом пространстве установлен пассивный съемный распределитель семян, состоящий из рассекателя 3 и отражателя 2. Рассекатель выполнен в виде трехгранной пирамиды, задняя грань которой расположена вертикально, а нижняя сторона является образующей отражателя. Отражатель -цилиндрическая поверхность, верхняя кромка которой прикреплена к пластине -удлинителю 1, а нижняя приварена к пластине 9. Пластина —удлинитель имеет направляющий язычок для семяпровода. Сошник позволяет производить посев лентами шириной 225 мм. При использовании экспериментальной сеялки урожайность озимой пшеницы оказалась на 25...52% выше, чем при использовании серийной сеялки СЗ-3,6 за счет более равномерного распределения растений по площади питания. Недостатком данного сошника является недостаточная дальность распределения семян по ширине
Рисунок 1.9 - Сошник конструкции Азербайджанского НИИ механизации и электрофикации: 1-стойка; 2-болты; 3-гайки; 4-подрезная лапа; 5- распределитель; 6-конусный рассеиватель; 8-крышка; 9-семяпровод; 10-кольцо; 11-крепежные болты
Рисунок 1.10 - Сошник конструкции Тамбовского ВНИИТиНа: 1-пластина-удлинитель; 2-отражатель; 3-рассекатель; 4-семяпровод; 5-хомут; 6-кронштейн; 7-стойка; 8-лапа; 9-пластина
27 засеваемой полосы из-за применения делителя с прямолинейными образующими.
Сошник для посева зерновых, зернобобовых и крупяных культур, разработанный В.П.Пьяных и А.М.Кольчуговым (рис. 1.11), представляет собой стойку 1, выполненную из стальной трубы, в нижней части которой размещена серийная лапа 3 и рассеиватель семян 2. Рассеиватель расположен так, что его рабочие поверхности перекрывают 2/3 внутреннего сечения стойки. Остальная часть остается открытой для свободного падения семян в почву, обеспечивая максимальный разброс и равномерное распределение по всей ширине засеваемой полосы. При посеве таким сошником растения равномерно распределяются на 75...80% площади поля, полевая всхожесть увеличивается на 4...8%, что обуславливает повышение урожайности. При этом за счет совмещения операций предпосевной обработки почвы и посева экономится 2,3...2,5 кг топлива на одном гектаре возделываемой площади [91]. Недостатком данного сошника является недостаточная дальность распределения семян по ширине засеваемой полосы и увеличенные размеры подсошникового пространства.
Пензенская государственная сельскохозяйственная академия предлагает сошник для посева зерновых культур [68], который состоит из плоскорежущей лапы 1 (рис. 1.12), стойки 2, семяпровода 3, распределителя семян 4, расположенного в подлаповом пространстве, а также прикатывающего катка 6 и его механизма регулировки 7.
Распределитель семян 4 выполнен в виде разведенных в противоположные стороны в поперечно -горизонтальной плоскости двух симметричных по линии изгиба крыльев, причем крылья распределителя выполнены в виде параллелограммов, изогнутых по параболе. Основание распределителя семян расположено в вертикальной плоскости, симметрично и перпендикулярно оси направления движения сошника, нижняя и верхняя поверхности распределителя семян -горизонтальны, а симметрично линии изгиба, в нижней части распределителя семян, сделан срез под углом
28 ct=75...70 к нижнему основанию распределителя семян. Угол, на который разведены крылья в верхней части распределителя семян, равен углу развода крыльев в нижней части распределителя. На выходе из семяпровода 3 и ниже его горизонтального диаметра, в горизонтальной плоскости, установлен отражатель 5, обеспечивающий упорядоченный, постоянной ширины и толщины поток семян, направленный на распределитель семян 4. Применение таких сошников позволяет получить прибавку урожая на 15...36% по сравнению с сеялкой СЗ-3,6. Недостатком данного сошника является недостаточная дальность распределения семян по ширине засеваемой полосы и увеличенная высота свода сошника.
Оренбургским СХИ предложена следующая конструкция сошника стерневой сеялки для широкополостного посева [102]. Сошник состоит из стойки 1 (рис. 1.13) с семянаправляющей воронкой, к нижнему концу которой при помощи металлического клина закреплена стрельчатая лапа 3, под которой расположен распределитель семян 2, выполненный в виде разведенных в противоположные стороны в поперечно -вертикальной плоскости двух симметричных по линии изгиба крыльев в виде прямоугольных трапеций, изогнутых по параболе, причем угол на который разведены крылья в передней части распределителя, больше угла развода крыльев в его задней части, а задняя кромка распределителя расположена в вертикальной плоскости. При работе семенной материал по семяпроводу попадает в семенную воронку, где поток разделяется вершиной распределителя на три равных потока, два из которых направляются под крылья лапы на полную ширину захвата сошника, а еще один -вперед, под лапу на дно борозды. Предлагаемый сошник позволяет повысить равномерность распределения семян по ширине и устойчивость его работы за счет исключения забивания распределителя. Недостатком данного сошника является недостаточная дальность распределения семян по ширине засеваемой полосы и значительные размеры борозды, оставляемой стойкой сошника.
Рисунок 1.11 - Сошник конструкции НПО по зернобобовым крупяным культурам: 1-стойка; 2-рассеиватель семян; серийная лапа; 4-заделыватель семян
Рисунок 1.12 - Схема сошника для подпочвенно-разбросного посева сельскохозяйственных культур: 1 - лапа плоскорежущая; 2 -стойка; 3 - семяпровод; 4 - распределитель семян; 5 -отражатель; 6 - каток; 7 - механизм регулировки
Рисунок 1.13 - Сошник конструкции Оренбургского СХИ: 1-стойка; 2-распределитель семян; 3-стрельчатая лапа; 4-эластичная стенка; 5, 6-винты крепления
31 1.4. Влияние параметров распределительных устройств на распределение
семян по площади поля
Как уже отмечалось выше, наиболее перспективным способом посева зерновых культур с точки зрения равномерности распределения растений по площади поля и совмещения операций является подпочвенно -разбросной посев.
Важнейшей частью любого рабочего органа, осуществляющего подпочвенно -разбросной посев, является распределитель семян, который в сочетании с конструкцией рабочего органа, дополнительными приспособлениями и устройствами обеспечивает распределение семян по площади питания. В существующих конструкциях рабочих органах для подпочвенного разбросного посева распределение семян осуществляется тремя способами:
за счёт применения активных распределителей;
за счёт использования энергии воздушного потока;
за счёт использования энергии свободного падения.
Принцип работы распределителей первого типа заключается в том, что в подсошниковом пространстве установлен распределитель семян, совершающий либо вращательное движение [106], либо колебательное движение [19,98].
В сошниках для подпочвенного разбросного посева с использованием пневматического распределения, семенам сообщается дополнительная скорость поступательного движения за счёт энергии воздушной струи. Благодаря применению воздушно -семенного потока представляется возможным значительно увеличить ширину засеваемой полосы.
Перечисленные два типа распределительных устройств обеспечивают повышение качества распределения семян по площади поля, но слишком усложняют конструкцию сеялки, так как требуют введения в конструкцию рабочих органов элементов механизма привода и других дополнительных
32 элементов, применение которых делает конструкцию рабочего органа ненадёжной, что приводит к снижению эксплуатационной надёжности всей сеялки [2]. Наиболее перспективными научным направлением и конструкторско-технологическими исследованиями являются разработки сошников для подпочвенного разбросного посева с распределительными устройствами пассивного действия, которые распределяют семена за счёт энергии их свободного падения.
Сошники с распределителями семян пассивного действия отличаются простотой конструкции, высокой надёжностью, а при соответствующих геометрической форме и параметрах установки распределительного устройства обеспечивают высокую равномерность распределения семян по площади поля [3, 8, 30, 35, 40, 46, 67, 68, 76, 77, 107, 108].
По способу распределения семян пассивные распределители можно разделить на две группы: состоящие только из разбрасывателя (делителя) и комбинированные, состоящие из делителя и распределяющей поверхности (отражателя).
Разбрасыватели (делители) могут быть с прямолинейными (конусы, призмы) и криволинейными (в виде брахистохрон, полиномов, окружностей, парабол) образующими [21, 30, 46, 50, 51, 53, 67, 68, 102].
Технологический процесс распределителей этого типа осуществляется следующим образом. Семена из семяпровода поступают на распределитель. После контакта с распределителем семена либо за счет отскока от поверхности распределителя, либо за счет соскальзывания с поверхности распределителя разбрасываются в подсошниковом пространстве по ширине засеваемой полосы. Причем после контакта с распределителем движение семян происходит как движение тела, брошенного к горизонту. Равномерность распределения семян достигается за счет геометрической формы распределителя и параметров его установки в подсошниковом пространстве. Для достижения необходимой дальности распределитель устанавливают на некоторой высоте от дна борозды, а для достижения
33 равномерности распределения по ширине засеваемой полосы некоторые типы распределителей смещают относительно оси семяпровода на величину эксцентриситета.
Недостатками распределителей данного типа являются: незначительная дальность разброса семян распределителями, использующих в своем принципе действия отскок семян от поверхности, так как при этом теряется большое количество кинетической энергии [46, 67]; недостаточная равномерность распределения семян по ширине засеваемой сошником полосы; увеличенные геометрические размеры распределителей, использующих в своем принципе соскальзывание семян с поверхности, что увеличивает высоту подсошникового пространства и толщину стойки сошника. И в том и в другом случае увеличенная высота свода сошника повышает его тяговое сопротивление и минимальную глубину заделки семян.
Комбинированные распределители могут сочетать в себе делитель с прямолинейными образующими и криволинейную распределяющую поверхность [76, 77], делитель и распределяющую поверхность с криволинейными образующими [78]. Семена после контакта с делителем семян распределителя этого типа поступают на распределяющую поверхность, где распределяются по ширине засеваемой сошником полосы. В этом случае ко дну борозды семена доставляются по распределяющей поверхности. Необходимая дальность и равномерность распределения семян достигается выбором типа делителя и распределяющей поверхности. Достоинством таких распределителей является то, что они позволяют увеличить дальность рассева семян при малой высоте свода сошника и при этом показатели равномерности распределения семян будут оставаться довольно высокими [22, 32, 78]. Уменьшение высоты свода сошника и расстановка сошников с большим междурядьем позволяет снизить тяговое сопротивление агрегата, вероятность забивания сошниковых групп растительными остатками и повысить равномерность распределения растений по площади поля за счет уменьшения числа стыковых междурядий.
34 1.5. Выводы, цель и задачи исследования
На основании проведенного анализа способов посева зерновых культур, конструкций зерновых сеялок и посевных агрегатов и распределительных устройств семян сошников для подпочвенного разбросного посева можно сделать следующие выводы:
1. Для достижения более высокой продуктивности
сельскохозяйственных культур необходимо рациональное сочетание размера
и конфигурации площади питания каждого растения, которые
обуславливаются нормой высева и способом посева. Наиболее
прогрессивным способом посева зерновых культур является разбросной
способ посева позволяющий равномерно распределить семена по площади
питания.
Анализ конструкций отечественных и зарубежных сеялок и посевных агрегатов выявил, что разработка их конструкций идет по направлению создания сеялок и посевных агрегатов, осуществляющих подпочвенно -разбросной посев, так как такой способ посева позволяет оптимально использовать площадь питания растениями и улучшить условия их произрастания, а за счет совмещения операций предпосевной обработки почвы и посева сократить сроки проведения посева и снизить эксплуатационные затраты.
Анализ конструкций сошников для подпочвенного разбросного посева показал, что подавляющее большинство сошников выполнены на базе стрельчатой культиваторной лапы и имеют малую ширину захвата. Наиболее перспективными конструкциями рабочих органов являются сошники с увеличенной шириной захвата, позволяющие повысить равномерность распределения растений по площади поля за счет уменьшения числа стыковых междурядий, снизить тяговое сопротивление сеялки и улучшить её качественные показатели работы.
4. Использование широкозахватных сошников для выполнения
35 подпочвенного разбросного посева предусматривает обеспечение рассева семян по всей ширине захвата сошника, что должно быть обеспечено за счёт конструктивных параметров распределительного устройства. Среди множества конструкций распределительных устройств наибольшее распространение получили пассивные распределители, которые осуществляют распределение семян за счёт энергии их падения.
Рабочая гипотеза исследований основана на возможности увеличения дальности и повышения равномерности распределения семян по ширине засеваемой сошником полосы за счет применения комбинированного распределителя, делитель которого выполнен с криволинейной образующей.
В связи с этим целью настоящих исследований является совершенствование технологического процесса распределения семян путем обоснования конструктивных параметров сошника для подпочвенного разбросного посева зерновых культур.
В связи с поставленной целью в задачи исследования входило:
Выбрать конструктивную схему распределителя семян зерновых культур и выявить основные факторы, влияющие на дальность и равномерность распределения семян по ширине захвата сошника;
Дать теоретическое обоснование процесса движения семян по поверхности экспериментального распределителя и определить его основные конструктивные параметры;
Провести экспериментальные исследования для изучения факторов, влияющих на равномерность распределения семян и на этой основе обосновать оптимальные параметры распределительного устройства сошника для подпочвенного разбросного посева;
4. Испытать сошники в производственных условиях, сравнить
качественные показатели работы сошников с экспериментальным
распределителем и серийных сошников для подпочвенного разбросного
посева, дать экономическую оценку их использования и рекомендации
производству.
36 2. Теоретические исследования процесса распределения семян зерновых культур комбинированным распределителем семян сошника для подпочвенного разбросного посева
Сравнительный анализ способов посева зерновых культур
Современной наукой и передовой практикой доказано, что при создании необходимых условий для роста и развития сельскохозяйственные растения обладают большими резервами повышения урожайности. Для реализации этих возможностей необходимо совершенствовать существующую технологию их возделывания, а также создавать машины, соответствующие прогрессивной технологии и отвечающие высоким требованиям новой агротехники [74].
Для нормального роста и развития растений необходимы свет, тепло, вода, питательные вещества и воздух [56, 103].
В жизни растений все эти экологические факторы равнозначны, ни один из них не может быть заменен каким-либо другим. В целях получения высоких урожаев необходимо одновременно воздействовать на все факторы роста и развития, обеспечив растения ими в оптимальных соотношениях [15, 50]. Факторы жизни растений создаются природой и принятой агротехникой, потребность в которых в разные фазы вегетации растений неодинакова. В процессе возделывания сельскохозяйственных культур особенно важным и ответственным является посев, поскольку именно при посеве закладывается основа будущего урожая. Основным условием получения высоких урожаев является способность выбранного способа посева и технологии его осуществления наиболее полно обеспечить растения факторами жизни.
Наилучшее обеспечение всех растений питательными веществами, воздухом и светом может быть получено при равномерном распределении растений по площади поля. Равномерного распределения растений по поверхности поля можно добиться различными способами посева.
Наиболее распространенным способом посева зерновых культур в сельском хозяйстве нашей страны остается обычный рядовой посев с междурядьями 12...15 см. Научное обоснование к ширине междурядий этого способа как со стороны агрономической, так и со стороны технической не достаточно полно [45, 49]. Можно предположить, что размещение сошников с такой шириной междурядий (12... 15 см) выбрано из соображений меньшего их забивания почвой и растительными остатками.
Один из основных недостатков, присущих рядовому посеву, -неравномерное распределение семян по площади питания. При ширине междурядий 12... 15 см и нормах высева 5...6 млн. штук на гектар среднее расстояние между растениями в рядке составляет 1,1... 1,3 см. В результате неравномерности посева многие растения находятся еще ближе друг к другу, попадая в условия жесточайшей конкуренции с самых ранних этапов развития. Форма элементарной площади питания каждого растения при данном способе посева представляет собой сильно вытянутый в стороны от рядка прямоугольник, длина которого в 10... 15 раз больше ширины, что является причиной недоиспользования растениями площади на 30% и снижения на столько же урожайности [7, 9, 11,51].
Стремление получить более равномерные по площади питания посевы привело к возникновению новых способов посева, при которых устраняется ряд недостатков, присущих обычному рядовому посеву с междурядьями 15 см, это перекрестный и узкорядный способы посева [44].
Перекрестный способ посева зерновых получил широкое распространение в 50-х годах. Посев выполняют в двух взаимно перпендикулярных направлениях при сохранении ширины междурядий обычного рядового посева. При проходе в каждом направлении высевают половину установленной нормы высева. Применение этого способа позволило получать урожаи на 15...20% выше, чем при рядовых посевах, что связано с более равномерным распределением растений по площади [8, 44]. Способы посева семян зерновых КУЛЬТУО
Однако при этом способе посева требуются двукратные проходы агрегата по полю, соответственно увеличиваются расход топливо -смазочных материалов, затраты труда, а затягивание сроков посева (особенно в районах недостаточного увлажнения) может свести к нулю прибавку урожая от рационального размещения растений. При этом способе растениями занято около 50% площади поля.
Более совершенным является узкорядный способ посева, при котором посев производят с междурядьем 7,5 см. Площадь питания семян имеет форму прямоугольника со сторонами 7,5x1,3 см, растения занимают 70% площади поля [12, 13]. Эффект от узкорядного посева увеличивается при повышении плодородия почвы и улучшении агротехники. Положительные качества узкорядного посева проявляются более заметно при увеличении нормы высева на 10...15%. Узкорядный посев позволяет лучше использовать междурядья. Уменьшая их ширину вдвое, ведет к меньшему испарению влаги, благодаря затенению междурядий смыкающимися рядами культурных растений, уменьшает засоренность полей [4]. Однако сеялки для узкорядного посева имеют неудовлетворительные агротехнические показатели, значительно снижается проходимость рабочих органов даже на хорошо обработанных фонах. На почвах грубой разделки эти сеялки неработоспособны.
Внедрение в районах недостаточного увлажнения почвозащитной системы земледелия на основе комбинированных агрегатов, позволило разработать подпочвенно -разбросной посев зерновых культур. В качестве рабочих органов таких агрегатов используются сошники на основе культиваторной лапы, одновременно выполняющие функции рабочего органа для предпосевной обработки почвы (рыхление и подрезание сорняков) и рабочего органа для посева (распределение семян и их заделка).
Обоснование формы делителя семян и расчет скорости поступления семян на наклонный участок
Исследованиями [21, 40, 46, 51, 67] доказано преимущество распределителей с криволинейными образующими, на рабочей поверхности которых семена плавно изменяют направление своего движения и с минимальными потерями кинетической энергии поступают в подсошниковое пространство и высеваются на дно борозды.
Для того чтобы скорость движения семян достигла максимальных значений в точке схода с кривой, кривая должна удовлетворять условиям быстрейшего перемещения частиц за некоторый промежуток времени. Такой кривой по определению является брахистохрона.
Теоретическим и экспериментальным исследованиям движения семян по криволинейной образующей посвящена работа Малева М.К. [67]. Он рассматривает брахистохрону как совокупность прямолинейного участка и окружности постоянного радиуса г, а движение семян по криволинейной образующей рассматривает как движение семян по такой окружности.
Полученная им формула скорости схода (2.1) с криволинейного участка образующей V с допустимой точностью может быть принята для расчета траектории и скорости движения семян после схода с криволинейного участка распределителя: где/-коэффициент трения зерна о сталь; Vg- скорость поступления семян на криволинейный участок образующей, м/с; у0 -угол между вертикальной осью у и начальным направлением скорости Vo\ g -ускорение свободного падения, м/с .
Однако в действительности радиус кривизны брахистохроны изменяется по определенному закону. Отличие реального радиуса брахистохроны от радиуса окружности ведет к тому, что и реальная скорость схода с криволинейной образующей будет отличаться от расчетной. А так как от скорости движения семян после схода с криволинейного участка распределителя будет зависеть запас кинетической энергии, обуславливающего дальность распределения семян в подсошниковом пространстве, то рассмотрение данного вопроса является важным и необходимым этапом теоретического исследования.
Частица семенного материала поступает на криволинейную поверхность с начальной скоростью VQ. При движении по криволинейной поверхности на семя действуют вес, сила трения, центробежная сила и сила нормального давления.
Для анализа зависимости скорости схода от коэффициента трения подставим в зависимость (2.12) значение f=0,2...0,5, при постоянном значении а и проведем расчеты. Из полученной зависимости V(f) (рис. 2.6) видно, что коэффициент трения в незначительной степени (в пределах изменения f изменение скорости составляет 5,5...5,9%) влияет на скорость схода.
Основным фактором, влияющим на скорость схода, является диаметр образующей окружности брахистохроны. Оптимальный диаметр образующей окружности и, следовательно, геометрический размер самого делителя определится с точки зрения достаточности скорости схода с криволинейного участка образующей делителя.
Для анализа зависимости скорости схода от координаты попадания семени на криволинейную поверхность подставим в зависимость (2.13) значение а=0...0,02 и проведем расчеты по зависимости (2.12).
По результатам расчетов построим графическую зависимость скорости схода от координаты попадания семени на криволинейную поверхность делителя V(a) (2.7).
Наибольшая скорость схода будет у тех семян, которые попадают на делитель в крайней точке (Е) проекции направителя семян (рис. 2.5), из-за того, что эти семена будут проходить меньшее расстояние по криволинейной поверхности и соответственно потери кинетической энергии на работу сил трения будут меньше. В этом случае угол ф\ определиться по следующей зависимости: где dn -внутренний диаметр направителя, м.
Таким образом, используя полученные зависимости (2.12., 2.13., 2.14) можно определить скорость схода семян с криволинейной образующей в зависимости от конструктивных параметров (диаметра образующей окружности, диаметра выходного сечения направителя или семяпровода) делителя и координаты попадания семени на криволинейную поверхность делителя. Для повышения дальности распределения семян по ширине засеваемой сошником полосы делитель должен использоваться с наклонной плоскостью, являющуюся его основанием.
Программа экспериментальных исследований
В основу лабораторных исследований были приняты основные положения ГОСТ 12036-85, ГОСТ 12041-82, а также методик некоторых авторов [24, 25,46, 76].
Анализ процесса распределения семян по площади питания проводился с использованием методов теории вероятности и случайных функций [20, 73].
При обработке экспериментальных данных применялся метод вариационной статистики с использованием пакетов программ для ЭВМ -Microsoft Excel, MathCAD [36, 61, 84].
В соответствии с разработанной программой в лабораторных условиях предусматривалось выполнить следующие экспериментальные исследования: -исследования по определению скорости схода семян с криволинейной образующей поверхности делителя; -исследования по определению параметров наклонного участка распределителя семян; -исследования зависимости равномерности распределения семян по ширине захвата сошника от основных параметров распределительного устройства и обоснование оптимальных параметров комбинированного распределителя семян сошника для подпочвенного разбросного посева зерновых культур с использованием методики многофакторного планирования эксперимента.
Для исследования факторов, влияющих на дальность и равномерность распределения семян по ширине захвата сошника, применялась лабораторная установка (рис. 3.1), разработанная и изготовленная автором.
Лабораторная установка состоит из рамы 1, на которой смонтирована семяпроводная система сеялки-культиватора СЗС-2,1: бункер 2, катушечный высевающий аппарат 3, семяпровод 4. К раме крепится бесконечная лента 6, надетая на барабанах 7. Натяжение ленты осуществляется натяжным устройством 8. Над лентой закреплён плоскорежущий сошник 5 с экспериментальным комбинированным распределителем семян. Привод ленты и вала высевающего аппарата осуществляется от электродвигателя 10 через понижающий редуктор 9 посредством цепной передачи со сменными звездочками 11. Конструкция привода ленты и высевающего аппарата позволяет варьировать скоростью движения и нормой высева.
Схема лабораторной установки: 1-рама; 2-бункер; 3-высевающий аппарат; 4-семяпровод; 5-плоскорежущий сошник; 6-бесконечная лента; 7-барабан; 8-натяжное устройство; 9-понижающий редуктор; 10-электродвигатель; 11-цепная передача со сменными звездочками
Основной принцип, положенный в основу этой установки, это принцип обратимого движения, то есть движется не сошник, а «почва» в сторону, обратную движению сеялки. Использование этого принципа позволяет эффективно и с достаточной точностью проводить эксперименты по исследованию равномерности распределения семян сошниками для разбросного посева. Ширина ленты позволяет испытывать сошники с шириной захвата до 0,6 метров.
Для снижения трудоемкости по проведению опытов и, учитывая то, что равномерность распределения семян по площади обусловлена в основном характером их распределения по ширине захвата, и с целью сокращения времени на проведение экспериментов был изготовлен специальный прибор, позволяющий оперативно и с достаточной точностью оценивать качество распределения семян по ширине захвата сошника (рис. 3.3). Прибор для определения равномерности распределения семян по ширине захвата сошника представляет собой планшет размером 1,0 х 0,5 м и высотой 0,015 м. Внутреннее пространство планшета разделено перегородками из тонкого пластика на продольные желобки, длиной 1 м и шириной 0,02 м. Такой прибор закреплялся на ленте транспортёра под распределителем сошника. Когда включался привод ленты и высевающего аппарата, прибор вместе с лентой перемещался под распределителем сошника. Семена, высеянные распределителем, собирались в желобки прибора. После того, как был произведён высев семян, прибор вместе с семенами снимался с ленты, закрывался стеклом и устанавливался вертикально, в результате чего получали наглядную гистограмму распределения семян по ширине захвата сошника, что позволяло оценить равномерность распределения семян по ширине засеваемой полосы.
Результаты определения скорости схода с криволинейной образующей поверхности делителя
При определении скорости схода с криволинейной поверхности применялись делители представляющие собой тело вращения образующая которых -брахистохрона с диаметром образующей окружности 10, 15, 20, 25, 30 мм. Исследования проводились в пятикратной повторности с использованием семян пшеницы, как наиболее распространенной зерновой культуры.
Аппроксимация полученной зависимости скорости схода с криволинейной поверхности делителя от диаметра образующей окружности, позволила вывести уравнение этой зависимости, которая описывается полиномом четвертой степени: =4,07140 +6,58210 -7,133-1( - +195,751 -0,432. (4.1)
Коэффициент корреляции равен: R=0,42, что показывает среднюю зависимость влияния скорости схода от диаметра образующей окружности брахистохроны.
Анализ полученной зависимости показывает, что наибольшая скорость схода семян с криволинейной поверхности среди испытываемых делителей будет у делителя, диаметр образующей окружности которого равен 0,02 м.
Сопоставляя экспериментальные и теоретические графические зависимости (рис. 4.2), можно отметить следующее.
Полученные теоретические зависимости позволяют определять скорость схода с криволинейной поверхности делителя с 95 % степенью точности в точках значения диаметра d=0,02 м, с!=0,025м, d=0,03 м. Значительное расхождение теоретических и экспериментальных значений при диаметре образующей окружности 0,01...0,015 м можно объяснить тем, что размеры делителя сопоставимы с геометрическими размерами семян.
Таким образом, для дальнейших исследований принимаем делитель с криволинейной образующей в виде брахистохроны с диаметром образующей окружности d=0,02 м. Так как при таком диаметре образующей окружности скорость схода с криволинейной поверхности делителя наиболее высокая среди делителей с d=0,01...0,03 м; и при таком диаметре экспериментальные значения скорости доказывают с 95% точностью теоретические значения скорости схода. Геометрические размеры делителя: высота 0,03 м, ширина (диаметр) основания 0,04 м.
Исследования проводились на лабораторной установке с помощью приспособления, которое состоит из наклонного участка с установленным на нем делителем в виде двусторонней криволинейной призмы и направителем семян диаметром 20 мм. Ширина наклонного участка составляет 0,6 м. Длина наклонного участка изменялась в диапазоне 30... 100 мм шагом 10 мм перемещением делителя и направителя семян. Делитель с диаметром
образующей окружности равной 20 мм устанавливался без эксцентриситета. Угол постановки наклонного участка к горизонту составлял 22. Повторность опытов трехкратная. Для экспериментов также использовались семена пшеницы.
По результатам проведенных экспериментов строились графики распределения семян по ширине засеваемой полосы (рис. 4.3., приложение 2) и проводилась их статистическая обработка. Рассчитывалось среднее значение количества семян в полосках, определялся доверительный интервал при 95% уровне достоверности. Дальность распределения семян определялась графически как проекция точки пересечения кривой распределения семян с нижней границей доверительного интервала с учетом проекции криволинейной образующей делителя.
На основе анализа полученных зависимостей можно сделать следующие выводы. С увеличением длины наклонного участка дальность распределения семян возрастает по линейной зависимости. При этом распределитель, выполненный в виде комбинации делителя и наклонного участка способен распределять семена полосой шириной 350...500 мм. Наиболее равномерно по ширине захвата сошника семена распределяются при длине наклонного участка 60...90 мм. Проведенный анализ полученной зависимости по t-критерию, показывает, что теоретическая зависимость (рис. 4.4) с 95% точностью описывает процесс распределения семян по ширине захвата сошника в зависимости от длины наклонного участка.
Таким образом, для дальнейших экспериментальных исследований принимаем максимальную длину наклонного участка равную LH=60 мм так как при такой величине семена распределяются на достаточную ширину и равномерность их распределения высока. Дальнейшее увеличение длины наклонного участка приведет к увеличению геометрических размеров комбинированного распределителя, что нежелательно с точки зрения компактности рабочего органа.
