Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ существующих технологий заделки семян в почву и конструкций заделывающих рабочих органов 8
1.1. Классификация существующих способов посева 8
1.2. Классификация посевных машин. Технологический процесс посева 10
1.3. Анализ исследований по вопросу влияния качества заделки семян на урожай 12
1.4. Классификация заделывающих рабочих органов 22
1.5. Анализ существующих технологий заделки семян в почву на основе имеющихся рабочих органов 24
1.6. Перспективы развития заделывающих рабочих органов 37
1.7. Цели и задачи исследований 37
2. Теоретическое обоснование предложенной технологии заделки семян в почву и предлагаемой конструкции заделывающего рабочего органа 39
2.1. Предлагаемая технология заделки семян в почву. Устройство и работа предлагаемого заделывающего рабочего органа 39
2.2. Определение реакций почвы, действующих на бороздообразующий диск, и плотности почвы, создаваемой диском на дне борозды 42
2.2.1. Определение реакций почвы, действующих на бороздообразующий диск 45
2.2.2. Определение плотности почвы на дне борозды 52
2.3. Обоснование конструктивных параметров бороздообразующего диска 55
2.3.1. Обоснование диаметра бороздообразующего диска 55
2.3.2. Обоснование ширины обода бороздообразующего диска 58
2.3.3. Обоснование высоты конической части бороздообразующего диска 58
2.3.4. Обоснование угла конусности конической части бороздообразующего диска 59
2.4. Определение устойчивости глубины хода сошника 63
2.5. Определение надежности работы сошника 68
2.6. Выводы по 2-й главе 70
3. Программа и методика экспериментальных исследований 72
3.1. Общая программа экспериментальных исследований 72
3.2. Программа лабораторных исследований 72
3.2.1. Устройство и работа экспериментального рабочего органа -сошника 72
3.2.2. Устройство и работа почвенного канала. Общий вид лабораторной установки 73
3.2.3. Методика определения влияния глубины хода сошника на плотность дна борозды 77
3.2.4. Определение оптимальных конструктивных параметров бороздообразующего диска сошника методом многофакторного эксперимента 83
3.2.5. Методика определения равномерности глубины заделки семян 87
3.2.6. Методика определения липкости почвы 92
3.3. Программа полевых исследований 94
3.3.1. Устройство и работа экспериментальной сеялки 94
3.3.2. Методика определения динамики всходов и полевой всхожести семян 98
3.3.3. Методики определения равномерности глубины заделки семян 98
3.3.4. Методика определения надежности работы сошника 98
4. Результаты и анализ экспериментальных исследований 102
4.1. Результаты лабораторных исследований 102
4.1.1. Результаты исследований по определению влияния глубины хода сошника на плотность дна борозды 102
4.1.2. Результаты определения оптимальных конструктивных параметров бороздообразующего диска сошника методом многофакторного эксперимента 106
4.1.3. Результаты исследований по определению равномерности глубины хода сошника ПО
4.1.4. Результаты лабораторных исследований по определению липкости почвы 113
4.2. Результаты полевых исследований , 115
4.2.1. Динамика всходов и полевая всхожесть семян 115
4.2.2. Равномерность глубины заделки семян 115
4.2.3. Надежность работы сошника 118
4.3. Выводы по 4-й главе 120
5. Технико-экономическая оценка использования новой технологии заделки семян в почву и предлагаемого заделывающего рабочего органа 122
- Анализ существующих технологий заделки семян в почву на основе имеющихся рабочих органов
- Обоснование диаметра бороздообразующего диска
- Определение оптимальных конструктивных параметров бороздообразующего диска сошника методом многофакторного эксперимента
- Результаты исследований по определению влияния глубины хода сошника на плотность дна борозды
Введение к работе
Увеличение урожайности сельскохозяйственных культур является основной целью при решении большинства задач, связанных с усовершенствованием технологических процессов и рабочих органов сельскохозяйственных машин. Одним из важнейших этапов возделывания сельскохозяйственных культур является посев семян. Посев должен обеспечивать наиболее благоприятные условия для прорастания семян и дальнейшего развития растений, что увеличивает полевую всхожесть и урожайность. Эти условия создаются правильным определением сроков посева, нормы высева, площади питания растений и технологии заделки семян в почву [15, 16, 93, 102]. Заделка семян в почву это заключительная стадия при посеве. Здесь происходит непосредственное воздействие на почву - среду нахождения семян с целью изменить ее свойства и тем самым создать условия для прорастания семян.
Для осуществления заделки семян в почву применяются различные заделывающие рабочие органы - сошники. Наибольшее распространение получили двухдисковые, анкерные, килевидные и лаповые сошники.
Существующие сошники создают недостаточно благоприятные условия для прорастания семян и неудовлетворительно работают в условиях отечественного земледелия [17, 27, 42, 54, 63, 85, 91, 95, 103,107].
Т. о. актуальным является вопрос совершенствование технологии заделки семян и конструкции заделывающих рабочих органов, направленного на улучшение условий прорастания семян и работоспособности рабочих органов. Решение этого вопроса является важной задачей, имеющей научное и народнохозяйственное значение.
Данная работа направлена на совершенствование технологии заделки семян в почву и обоснование конструкции нового заделывающего рабочего органа, обеспечивающего создание более благоприятных условий для прорастания семян и более работоспособного в условиях отечественного земледелия по сравнению с существующими рабочими органами.
В работе проведен анализ существующих технологий заделки семян и конструкций заделывающих рабочих органов (глава 1) на основании которого разработана новая конструкция заделывающего рабочего органа (патент РФ № 2224401); проведены теоретические и экспериментальные исследования нового заделывающего рабочего органа (главы 2, 3, 4); определена экономическая эффективность его применения в сельском хозяйстве (глава 5).
На основании проведенных исследований на защиту выносится конструктивно-технологическая схема нового заделывающего рабочего органа - сошника (патент РФ Х 2224401) и следующие положения диссертации:
результаты теоретических исследований работы сошника и полученные аналитические зависимости для определения реакций почвы, действующих на сошник при работе, плотности дна борозды, образованной сошником, конструктивных параметров сошника и равномерности глубины его хода;
результаты лабораторных исследований по определению плотности дна борозды, образованной сошником, оптимальных конструктивных параметров сошника, равномерности заделки семян по глубине;
результаты полевых исследований экспериментального сошника по определению полевой всхожести семян, равномерности заделки семян по глубине и надежности работы сошника;
результаты технико-экономической оценки экспериментальной сеялки.
Анализ существующих технологий заделки семян в почву на основе имеющихся рабочих органов
Вопросами заделки семян в почву в разные годы занимались: А. С. Абашкин [1], М. К. Амирханов [4], А. И. Беднов [14], Г. М. Бузенков [16], В. К. Бурлаков [17], X. С. Гайнанов [24], А. П. Глотов [25], В. Г. Гниломедов [27], Г. К. Демидов [30], М. Б. Ероков [33], С. А. Ивженко [38], А. Н. Карпенко [40], В. В. Ли [47], С. Г. Ломакин [48], А. Б. Лурье [49, 50], Н. И. Любушко [51], С. А. Ма [53, 54], Н. Г. Мальмин [55], Г. Р. Муртазин [62], П. И Пахарь[69], В. И Пешков [70], Г. М. Рекубрацкий [76], И. И Сахацкий [80], Семенов А. Н.[81], Ю. Я. Сидоренко [82], М. А. Скользаева [84], Ю. И. Трофимченко [91], Э. В. Филиппов [95], В. Т. Фогель [97], В. Е. Хорунженко [103], В. П. Чичкин [105], В.В.Юдкин[107] и др.
На основе имеющихся типов конструкций сошников разработано и исследовано множество различных заделывающих рабочих органов и технологий заделки семян.
Наиболее распространенным типом сошников в нашей стране является двухдисковый сошник (рис. 1.6). Он применяется в отечественных сеялках: СЗ-3,6; СЗУ-3,6; СЗТ-3,6; СРН-3,6; СЛТ-3,6; СЗП-3,6, а также в иностранных: 5100 ("Case International", США); 8000 ("John Deer", США); End Wheel ("Great Plains", США); TC-4 ("Hestair", Вел); 40 Sex Ш 150("Ross", Чех) и др. [51].
Двухдисковый сошник состоит из двух плоских дисков 1, установленных в вертикальной плоскости под углом 10 друг к другу. Корпус сошника соединен с поводком 2 и прижимается к почве нажимной штангой с пружиной 3. При работе диски сошника вращаются и образуют, борозду раздвигая почву в стороны. В образовавшуюся борозду поступают семена из семяпровода 5 через на-правитель семян 4, установленный между дисками.
Преимуществом данного сошника является его способность работать на засоренных растительными остатками почвах.
Основными недостаткам двухдискового сошника, на которые указывают исследователи, является неравномерность заделки семян по глубине [17, 91, 95, 103] и др. и то ,что данный сошник не обеспечивает уплотнение дна борозды [54,63,103,107].
В. К Бурлаков [17] называет следующие причины неравномерности заделки семян в почву двухдисковым сошником: - захват семян вращающимися дисками с выбросом их за пределы сошника в верхние слои почвы, - захват семян почвой, отбрасываемой сошниками, - осыпание бороздки, в результате чего семена, отраженные о дна борозды, попадают в более верхние слои почвы.
Малая опорная поверхность двухдискового сошника не обеспечивает достаточного уплотнения дна борозды.
Од но дисковые сошники не так распространены как двухдисковые. Они используются в сеялках: СЗО-3,6; ЛДС-6; а так же в иностранных: 424 ("Massey-Ferguson", США), ТС-3, СД-4 ("Hestair", "Bamlett", Вел) и др.
Одно дисковые сошники бывают сферические и плоские. Они работают подобно дискам лущильников, образуя борозду, вращаясь и отбрасывая почву в сторону. Преимуществом данных сошников, так же как и двухдисковых, является возможность работы на засоренных и плохообработанных почвах. Недостатками являются неравномерность заделки семян по глубине и укладка семян на рыхлый слой почвы. Как указывает В. Е. Хорунженко [103] и Э. В, Филиппов [95] однодисковые сошники укладывают семена на 2 см мельче чем глубина их хода, а так же выворачивают нижние влажные слои почвы на поверхность.
В отличие от сошников качения, которые совершают вращательное движение, наральниковые сошники движутся в почве поступательно. К наральни-ковым сошникам относятся: анкерные, килевидные, полозовидные, ножевид-ные и сошники в виде стрельчатых лап культиваторов (рис. 1.7).
Наральниковые сошники используются в сеялках: СЗА-3,6; СЗЛ-3,6; СТС-2,1; СЗС-2,1; СЗС-9; СЗС-12; СК-3,6; КФС-3,6; СЗТ-3,6; а также в иностранных: CLF-600 ("Nordsten", Дания); EV-1000 ("Amazone", Германия); 32-row ("Horwood Bagshaw", Австралия) и др.
Все наральниковые сошники отличаются друг от друга формой рабочей поверхности наральника и состоят в основном из наральника 1, прикрепленного к раструбу для подачи семян 2, в который входит семяпровод 3.
Анкерный сошник имеет наральник с вогнутой рабочей поверхностью, в результате чего суммарная составляющая реакций почвы, действующих на него, будет стремиться, заглубить сошник. Килевидный сошник имеет наральник с выпуклой рабочей поверхностью, поэтому при работе реакция почвы будет стремиться выглубить сошник. Сошник в виде стрельчатой лапы имеет наральник в виде стрельчатой лапы культиватора, который осуществляет подпочвен-но-разбросной посев семян и одновременно подрезает сорняки. Изучением на-ральниковых сошников занималось много исследователей: [1, 24, 27, 42, 69, 70, 80, 82, 95] и др. В результате было установлено, что наральниковые сошники отличаются неравномерностью заделки семян в почву, требовательностью к качеству предпосевной обработки почвы и состоянию полей.
Как указывает В. Г. Гниломедов [27] анкерные сошники сильно перемешивают почву с пожнивными остатками, выносят влажные слои почвы на поверхность и значительно перемешивают почву по горизонтам, что приводит к их залипанню и забиванию. Отсюда большая неравномерность глубины заделки семян. К тому же, по словам Э. В. Филиппова [95], анкерные сошники требовательны к качеству подготовки поля и не обеспечивают уплотнение дна борозды.
Килевидные сошники обеспечивают уплотнение дна борозды, но не могут работать на засоренных и плохообработанных полях т. к. не обеспечивают необходимую глубину заделки и забиваются растительными остатками [85, 103].
Стрельчатые лапы более равномерно заделывают семена [42], но не обеспечивают уплотнение дна борозды.
Во многих сеялках для обеспечения уплотнения почвы в борозде применяются прикатывающие катки, которые устанавливаются за сошниками и прикатывают посевы. Прикатывающие катки применяются на сеялках: СЗП-3,6; СЗП-16; СТС-2,1; СЗС-2,1; СК-3,6; КФС-3,6; а так же в иностранных: НСЗО ("Great Plains", США); Versatile (Канада) и др.
Технологический процесс заделки семян таких сеялок состоит из (рис. L8) : заделки семян сошниками 1 и загортачами 2, прикатывания бороздок следом идущими катками 3.
В результате этого почва над семенами в борозде оказывается сильно уплотненной. Влага из такой почвы испаряется быстрее, а семена не получают достаточного количества кислорода. На данные обстоятельства указывают целый ряд исследователей [32, 39, 45, 75, 77, 90, 99, 103].
Наиболее целесообразно уплотнять дно борозды и заделывать семена рыхлой почвой. По такому пути пошли многие исследователи, которыми были преложены различные конструкции комбинированных сошников, обеспечивающих уплотнение дна борозды.
Одной из наиболее ранних была конструкция комбинированного сошника, предложенная в 1954 г. А. И. Бедновым [14] (рис. 1.9). Он включает в себя киле видный сошник 1 и семявдавливающий каток 2. Семена, уложенные в борозду килевидным сошником, дополнительно вдавливаются в дно бороздки катком 2 и заделываются рыхлой почвой.
Обоснование диаметра бороздообразующего диска
Угол конусности конической части бороздообразующего диска определяет угол наклона стенок борозды. Стенки борозды не должны преждевременно осыпаться, что приведет к закрытию уплотненного дна и укладке семян на рыхлый слой почвы.
Осыпание почвы со стенок борозды происходит под действием силы тяжести, действующей на почвенные частицы. Препятствует этому процессу сила внутреннего трения в почвах и, кроме того, в связных почвах действует сила сцепления частиц почвы друг с другом. Мерой сопротивления перемещению почвенных частиц в связной почве служит коэффициент сдвига fc, который играет такую же роль, как коэффициент трения в сыпучих материалах [13], [86]. Причем коэффициент сдвига для деформируемых почв является величиной переменой и зависит от величины внешней нагрузки, приложенной к почве.
Коэффициент сдвига определяется:
Л=-, (2.54) где т - касательное напряжение, Па, а - нормальное напряжение, Па. Согласно исследованиям П. У. Бахтина [13] а и т связаны между сбой прямолинейной зависимостью:
т=кр+к2, (2.55)
где к\ и к-і - коэффициенты, зависящие от влажности почвы. Нормальное давление на стенку борозды определяется, исходя из выражений (2.23) и (2.27):
Как уже отмечалось выше для глубин 2...4, 4...5, 6...8 см допускаемое отклонение составляет соответственно ±0,5; ±0,7; ±1 см [49], [89]. Необходимо, чтобы предлагаемый сошник обеспечивал указанную равномерность заделки. Т. к. возможность осыпания почвы со стенок борозды и захвата семян рабочими поверхностями сошника сведена к минимуму, то основным фактором неравномерности глубины заделки семян является изменение глубины хода бо 64 роздообразующего диска [66].
Изменение глубины хода сошника во время работы происходит в результате изменения внешних воздействий на него. При движении сошника на него действуют следующие силы (рис. 2.11):
G сила тяжести, Н,
RXl Ry - вертикальная и горизонтальная реакции почвы, Н,
Q - сила пружины, Н.
Обозначим:
U IQ, IG - расстояния от оси подвеса до точек приложения сил, м,
Я - высота подвеса сошника, м,
h глубина хода сошника, м,
q угол отклонения поводка от вертикали.
Как видно из рис. 2.11:
h=lcos -H + rl (2.71)
При работе сошник будет испытывать внешние воздействия в виде изменения реакций почвы Rx и Ry, зависящих от твердости почвы, и изменения высоты подвеса Н, определяемой профилем поверхности поля.
В. В, Юдкин [107] считает, что в условиях степной зоны Поволжья сопротивление почвы, характеризуемое твердостью, оказывает большее влияние на колебание глубины хода сошников, чем профиль поверхности поля. Следовательно, при расчетах можно принять H=const. Реакции почвы RxyiRy определяемые по выражениям (2.34) и (2.35), зависят от коэффициента объемного смятия почвы q.
Как видно из зависимостей, к конструктивным параметрам непосредственно сошника (без учета подвески), влияющим на изменение глубины его хода, относятся: радиус о, угол конусности а и ширина цилиндрической части b\ бороздообразующего диска. Эти параметры оптимизируются в соответствии с требованиями равномерности заделки семян. Усилие сжатия пружины, необходимое для заглубления сошника на глубину ho, определяется из условия статического равновесия:
Определение оптимальных конструктивных параметров бороздообразующего диска сошника методом многофакторного эксперимента
Ставилась задача определить оптимальные конструктивные параметры бороздообразующего диска: радиус гь ширину обода Ьь угол конусности клиновидной части а. В качестве критерия оптимизации выбрано максимальное отклонение глубины хода сошника от положения равновесия при работе Ahmax.
В результате теоретических исследований выявлены основные факторы, оказывающие влияние на критерий оптимизации;
1) Физические и физико-механические свойства почвы, к которым относятся:
- твердость почвы, определяемая коэффициентом объемного смятия q0, Н/м3,
- изменение твердости почвы по длине борозды Aq, Н/м ,
- шаг изменений твердости почвы р, м,
- коэффициент трения бороздообразующего диска о почву/
2) Конструктивные параметры подвески сошника к сеялке:
- высота точки подвеса Н, м,
- расстояние от точки подвеса до оси вращения бороздообразующего диска /, м,
- расстояние от точки подвеса до линии действия нажимной пружины lq, м, - коэффициент жесткости нажимной пружины кт Н/м,
- момент инерции подвески относительно точки подвеса Сь кг/м .
3) Конструктивные параметры сошника:
- высота клиновидной части бороздообразующего диска hK, м,
- толщина стенок диска 5, м,
- радиус диска її, м,
- ширина обода диска Ьь м,
- угол конусности клиновидной части диска а,,
- вес сошника без учета бороздообразующего диска сг, Н,
- плотность материала диска р, кг/м3.
4) Параметры режима работы сошника:
- равновесная глубина хода сошника h0, м,
- скорость сеялки v, м/с.
На основании теоретических исследований была получена математическая модель процесса работы сошника, связывающая вышеперечисленные факторы в единую систему. Для реализации этой модели была составлена программа для ЭВМ , позволяющая получить значения критерия оптимизации, задавая значения факторов (приложение 3). Для расчета использовалась стандартная подвеска сошников сеялки СЗ-3,6,
Для определения равномерности глубины заделки семян использовался экспериментальный рабочий орган - сошник и почвенный канал (рис. 3.1, 3.3). Сошник соединяется с кронштейном 4 почвенного канала посредством стандартного поводка сеялки СЗ-3,6 для обеспечения реальных условий работы сошника (рис. 3.8 ).
В эксперименте применялась почва — обыкновенный чернозем с плотно-стью твердой фазы 2,4-10 кг/м , механическим составом: фракции 1...0,25 мм — 2 %, 0,25...0,05 мм - 13 %, 0,05...0,01 мм - 29 %, 0,01...0,005 мм - 8 %, 0,005...0,001 мм - 10 %, 0,001 мм - 38 %, коэффициентом объемного смятия почвы 2-Ю6 Н/м3, влажностью 25 %.
Определялась зависимость равномерности глубины хода сошника от усилия предварительного сжатия пружины. Усилие предварительного сжатия пружины изменялось путем деформации пружины на определенную длину и фиксации ее с помощью отверстий в штанге поводка. Сошник заглублялся в почву до тех пор пока пружина не начинала дополнительно сжиматься. Затем производилось образование борозды и высев семян (рис. 3.9, 3.10). Для исключения влияния неровности поверхности почвы глубина заделки семян измерялась от контрольной нити, натянутой над бороздой (рис. 3.11). Замер глубины заделки семян производился через каждые 2 см на расстоянии 1 м. Средние значения глубин заделки семян аппроксимировались по методу наименьших квадратов функцией у=ах+Ь. Неравномерность глубины заделки семян определялась коэффициентом вариации:
Результаты исследований по определению влияния глубины хода сошника на плотность дна борозды
Исследования проводились с целью определения зависимости плотности р почвы дна борозды от глубины h хода сошника и соответствия ее теоретическим предпосылкам. Глубина h принимала значения h = 0,01; 0,02; 0,03; 0,04; 0,05; 0,06 м. На каждой глубине определялась масса скелета образца почвы. Результаты исследования приведены в приложении 2.
Критерий Кочрена однородности дисперсий G = 0,622076904. Критическое значение критерия при 1% уровне значимости, 7 точках и 2-х степенях свободы GKp = 0,6644. Т. к. G GKp, то принимается гипотеза об однородности дисперсий и равноточности измерений.
В результате дисперсионного анализа определена факторная дисперсия S2$, = 2,62094127 и остаточная дисперсия S2OCT = 0,431090476. Критерий Фи-шера-Снедекора F = 6,079793952. Критическое значение критерия при 1% уровне значимости, 6 и 14 степенях свободы Б,ф = 4,46.
Т. к. F Бкр,
то отвергается гипотеза о равенстве факторной и остаточной дисперсий. Следовательно фактор глубины оказывает значимое влияние на плотность дна борозды.
После исключения значения т22 S2$ = 1,793835556, S20(rr = 0,314297436, F - 5,707445721. Критическое значение критерия при 1% уровне значимости, 6 и 13 степенях свободы Fgp = 4,62. то и в этом случае фактор глубины оказывает значимое влияние на плотность дна борозды.
Критерий Стьюдента для исключаемого значения t = 3,050181561. Критическое значение критерия при 1% уровне значимости и 13 степенях свободы tKp = 3,01. то исключение является обоснованным.
Опытные данные аппроксимилровались функцией (рис 4.1) р = 0,065 In 100h + 1,293, 103 кг/м3, где где h, глубина заделки семян, м. Дисперсия аппроксимации о м = 0,000108. Дисперсия, характеризующая ошиб-ку определения плотности S = 0,0014. Т. к. а т S , то аппроксимирование удовлетворительно.
Теоретические значения определялись по выражению (2.44) (рис. 4.2).
Коэффициент корреляции между рядами аппроксимационных и теоретических значений Ту1у2 = 0,99958711. Критерий Стьюдента для коэффициента корреляции t = 69,5762377. Критическое значение критерия при 1% уровне значимости и 4 степенях свободы tKp = 4,6. то коэффициент корреляции является значимым т. е. наблюдается высокая степень линейной зависимости аппроксимационных и теоретических значений плотностей.
Т. о. можно сделать вывод, что опытные данные достаточно хорошо согласуются с теоретическими, а выражение (2.44) можно использовать для определения плотности почвы дна борозды, образованной сошником.
Анализ двумерных сечений полученного уравнения показал, что значение функции отклика растет с ростом факторов bi и а (рис. 4.3), а рост фактора Г] приводит к уменьшению значений функции отклика (рис. 4.4, 4.5).
Допустимое максимальное отклонения глубины заделки семян составляет 0,01 м. Это значение функции отклика ограничивает область оптимальных значений Ь, и а (рис. 4.3) (показано штриховкой). С другой стороны рост радиуса диска г, приводит к уменьшению значений функции отклика, но он ограничен по конструктивным соображениям (рис. 4.4, 4.5) (показано штриховкой). Исходя из этого, оптимальные значения факторов составляют ri = 0,15...0,2 м, b, = 0,01...0,013 м,а= 15...18.
Определялась глубина заделки семян в зависимости от усилия предварительного сжатия пружины. Задавались значения усилий предварительного сжатия пружины: 0, 141, 235 Н. Результаты исследования приведены в приложении 5. Зависимость средних значений глубин от усилия предварительного сжатия пружины практически линейна (рис. 4.6), что делает возможным использовать усилие предварительного сжатия пружины для установки равновесной глубины заделки семян. Так для заглубления сошника на 0,06 м необходимо усилие предварительного сжатия пружины Qnp = 527 Н, что составляет 0,11 м деформации пружины.
