Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы механизации селекционно-семеноводческого процесса зернобобовых культур. Обоснование задач исследования 18
1.1 Современное состояние отрасли зернобобовых культур. Проблемы и перспективы селекции зернобобовых культур в России 18
1.2 Анализ и тенденции развития технологий и средств технического обеспечения селекционно-семеноводческого процесса 22
1.3 Система питомников. Этапы работ в процессах селекции и первичного семеноводства зернобобовых культур 26
1.4 Требования, предъявляемые к селекционно-семеноводческим машинам 30
1.5 Технологические операции в процессах селекции, сортоиспытания и первичного семеноводства зернобобовых культур. Система машин 31
1.6 Принципы создания высокоэффективных средств механизации селекционно-опытных работ с зернобобовыми культурами 37
1.6.1 Особенности строения семян зернобобовых культур и их влияние на выбор конструктивно-режимных параметров рабочих органов машин 39
1.6.2 Пути снижения травмирования семян при обмолоте 41
1.6.3 Задачи и методы фракционирования семян по степени физиологической зрелости 52
1.6.4 Условия совершенствования механизированного процесса при закладке селекционных питомников 57
1.6.5 Проблемы механизации ухода за опытными посевами 64
1.6.6 Пути повышения производительности методов оценки селекционного материала 70
1.7 Выводы по главе 1 75
1.8 Цель и задачи исследования 76
Глава 2. Формирование модели перспективного машинно-технологического комплекса для селекционно-опытных работ. Анализ и оптимизация параметров его элементов 78
2.1 Разработка модели перспективного машинно-технологического комплекса и основы создания альтернативной системы машин 79
2.2 Теоретические аспекты разработки аксиально-конического МСУ шнеко-лопастного типа 86
2.2.1 Обоснование критической скорости и угла установки обмолачивающего элемента. Сохранность семян при обмолоте 87
2.2.2 Растаскивающая способность шнеко-лопастного МСУ 91
2.2.3 Анализ кинематики движения свободного зерна при его взаимодействии с обмолачивающей плоской лопастью и теоретические предпосылки к условию фракционной сепарации 92
2.2.4 Вычисление объема призмы волочения. Обоснование высоты обмолачивающей лопасти 119
2.2.5 Условия затягивания хлебной массы в молотильный зазор. Оптимизация геометрии окна подачи 120
2.3 Обоснование основных параметров сошниковой секции селекционной сеялки 128
2.3.1 Динамика почвенных частиц при формировании бороздки.
Расчет геометрии подсошникового пространства 128
2.3.2 Кинематическая трансформация сечения и оптимизация угла установки стойки семяпровода и плоского ножа 133
2.3.3 Исследование схемы параллелограммнои подвески и ее влияния на качественные и эксплуатационные показатели сеялки 140
2.4 Теоретические исследования полозовидного формирователя направляющей борозды. Повышение курсовой устойчивости агрегата 145
2.5 Исследование и оптимизация параметров ротационного шнеко-лопастного рабочего органа разравнивания гребневых посевов 150
2.6 Изучение закономерностей распределения потока рабочей жидкости в подлаповом пространстве культиваторной лапы и оптимизация ее конструктивного исполнения 153
2.7 Выводы по главе 2 158
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований 163
3.1 Методическое и материальное обеспечение изучения физико-механических и биологических свойств семян зернобобовых культур 163
3.1.1 Специфика оценок изучаемых показателей 164
3.1.2 Экспериментальная оценка основных технологических свойств семян 165
3.1.3 Оригинальные методики и технические средства для изучения физико-механических свойств семян 167
3.1.4 Разработка методов оценки микроповреждений семян 182
3.1.5 Методические особенности и оборудование для изучения посевных и урожайных качеств семян 185
3.2 Разработка методических основ и оборудования для изучения параметров технологических процессов в лабораторно-стендовых испытаниях 186
3.2.1 Оборудование и методика проведения эксперимента по изучению захватывающей и растаскивающей способности молотильного устройства шнеко-лопастного типа 187
3.2.2 Оборудование и методика для изучения параметров обмолота тангенциально-аксиальным коническим МСУ шнеко-лопастного типа с фракционным разделением зернового вороха 189
3.2.3 Методические основы и разработка стенда для исследования параметров распределения рабочей жидкости в подлаповом пространстве... 191
3.3 Некоторые аспекты методики планирования и оптимизации факторного эксперимента ПФЭ З3, при изучении качественных характеристик обмолота в экспериментальном МСУ...; 193
3.4 Обработка экспериментальных данных. Точность измерений 194
3.5 Выводы по главе 3 194
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований свойств растительного материала и конструктивно-технологических параметров рабочих органов машин и их анализ 196
4.1 Исследования физико-механических и посевных свойств семян зернобобовых культур 196
4.1.1 Изучение массово-геометрических характеристик семян 196
4.1.2 Вычисление коэффициентов формы и свойств поверхности семян. Оценка выполненности семян 209
4.1.3 Определение коэффициента восстановления семян 211
4.1.4 Усилия отрыва семян от плодоэлемента при статическом силовом воздействии центрифугированием 212
4.1.5 Определение силовых и энергетических показателей связи семян с плодоэлементом при воздействии динамических нагрузок 217
4.1.6 Динамическая прочность семян. Критическая скорость обмолота.221
4.1.7 Изучение фрикционных свойств семян 224
4.1.8 Аэродинамические свойства семян 228
4.1.9 Разработка схем локализации физиологически полноценных семян зернобобовых культур на материнском растении 230
4.1.10 Энергия прорастания и всхожесть семян 232
4.2. Результаты стендовых испытаний МСУ шнеко-лопастного типа, с тангенциальной и тангенциально-аксиальной схемами подачи хлебной массы в молотильную камеру 240
4.2.1 Результаты факторного эксперимента по обмолоту хлебной массы шнеко-лопастным молотильным устройством тангенциального типа 240
4.2.2 Изучение качественных характеристик обмолота хлебной массы в аксиально-тангенциальном коническом МСУ шнеко-лопастного типа, с фракционным разделением зернового вороха 249
4.2.3 Исследование параметров распределения частиц рабочей жидкости в подлаповом пространстве 256
4.3 Выводы по главе 4 258
Глава 5. Результаты экспериментально-полевых исследований и технико-экономическое обоснование машинных технологий и комплекса машин 263
5.1 Разработка технологии и комплекса машин для двухпоточной системы сепарации и очистки биологически ценных семян 263
5.1.1 Обоснование двухпоточной системы сепарации и очистки зернового вороха в селекционно-семеноводческом процессе 264
5.1.2 Технические решения фракционного разделения семян при обмолоте 275
5.1.3 Конструктивно-технологические схемы селекционно-семеноводческих машин с аксиально-коническим МСУ и фракционным разделением зернового вороха 280
5.2 Разработка номограммы для определения конструктивно-технологических параметров молотильного устройства конического типа...293
5.3 Испытания МСУ зерноуборочного комбайна селекционно-семеноводческого назначения 295
5.4 Исследование параметров подпочвенно-разбросного посева с использованием комбинированного лапового сошника на параллелограммной подвеске 298
5.5 Курсовая устойчивость МТА, оборудованного формирователями направляющей борозды 307
5.6 Методика проведения и результаты полевых испытаний культиватора-разравнивателя почвенных гребней на посевах фасоли 311
5.7 Экономическое обоснование машинно-технологического комплекса 314
5.7.1 Индивидуальная экономическая эффективность разработанных технических средств 314
5.7.2 Интегральная оценка экономической эффективности нового машинно-технологического комплекса 327
5.8 Выводы по главе 5 329
Основные выводы и предложения 332
Публикации автора по теме диссертации 337
Список литературы 346
Приложения 386
- Анализ и тенденции развития технологий и средств технического обеспечения селекционно-семеноводческого процесса
- Разработка модели перспективного машинно-технологического комплекса и основы создания альтернативной системы машин
- Оригинальные методики и технические средства для изучения физико-механических свойств семян
- Изучение массово-геометрических характеристик семян
Введение к работе
Актуальность темы. Выведение новых и возобновление используемых сортов на научной основе невозможны без полевой стадии их отработки на селекционно-опытных делянках. В свою очередь, эффективность и интенсификация селекционно-семеноводческих процессов в значительной степени зависят от оснащенности селекционных учреждений средствами технического обеспечения. В настоящее время в России действует около 750 опытных сельскохозяйственных учреждений. Оснащенность их средствами механизации работ в селекции, сортоиспытании и первичном семеноводстве зерновых и зернобобовых культур находится на уровне 40…45%, изношенность парка селекционных машин составляет 65…70%. Общая потребность селекционно-семеноводческих учреждений в специальной технике составляет от 350 до 1400 единиц, в зависимости от наименования машины.
Новый вызов прогресса знаний убеждает в необходимости разработки и внедрения средств комплексной механизации селекционно-семеноводческих процессов на качественно новом уровне. Создание нового поколения машин должно осуществляться с учетом достигнутого технического уровня и конструктивных решений, реализующих направление ресурсосбережения и наиболее полного учета агробиологических особенностей объектов машинного воздействия. Последнее наиболее важно в отношение зернобобовых культур, для которых разработка вопросов механизации селекционно-семеноводческой работы осложняется целым рядом агробиологических особенностей.
В связи с вышеизложенным, проблема научного обоснования и создания новых технологических и технических решений, обеспечивающих интенсификацию производства элитных семян зернобобовых культур и высокие показатели технологической эффективности за счет оптимизации воздействия рабочих органов на обрабатываемый материал, является актуальной, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Исследования проводились в соответствии с производственными заданиями НИР и ОКР календарного плана выполнения работ по Государственному контракту ГНТР/ГК ВНИИ Зернобобовых и крупяных культур, по следующим основным разделам: 06.04.02; 08.06.04; 08.06.05 и др., а также по тематическим научно-прикладным планам НИР и НИРС кафедры “МТП в АПК” ФГОУ ВПО «ОрелГАУ».
Объект исследований. Технологические процессы возделывания, уборки и послеуборочной обработки семян зернобобовых культур в селекции и первичном семеноводстве, экспериментальные образцы новых рабочих органов и машин.
Предмет исследований. Закономерности влияния конструктивных, кинематических и динамических параметров рабочих органов машин на качественные показатели их работы.
Цель работы. Разработка теоретических основ высокоэффективного машинно-технологического комплекса для целей селекции, сортоиспытания и первичного семеноводства зернобобовых культур, создание, исследование и внедрение рабочих органов и машин в производство.
Задачи исследований:
- Систематизация элементов перспективного машинно-технологического комплекса и обоснование альтернативной системы машин для селекционно-опытных работ по выведению новых сортов зернобобовых культур;
- Изучение физико-механических и посевных свойств семян перспективных сортов гороха и фасоли, определение степени влияния на них матриакальной разнокачественности;
- Разработка математических моделей зависимости критической скорости соударения рабочего органа с обмолачиваемым материалом, а также кинематики движения свободного зерна на поверхности обмолачивающей лопасти, с целью установления закономерностей процесса и оптимизации конструктивно-технологических параметров МСУ, улучшающих условия зональной сепарации;
- Разработка теоретических основ и исследование динамических факторов процессов бороздообразования лаповыми сошниками и клиновидными формирователями направляющих борозд, разравнивания почвенных гребней ротационными рабочими органами шнеко-лопастного типа, равномерного распределения гербицида заделывающими устройствами;
- Разработка машинно-технологического комплекса для двухпоточной системы сепарации и очистки биологически ценных семян; изготовление и исследование в лабораторных и полевых условиях рабочих органов и машин для обмолота, посева и ухода за растениями, определение их технологических и энергетических показателей;
- Теоретическое обоснование и разработка методического комплекса и лабораторного оборудования для оценки пригодности селекционного материала к механизированному возделыванию и уборке;
- Определение технико-экономической эффективности предлагаемых технологических процессов.
Методика исследований. Теоретические исследования базируются на основополагающих законах земледельческой механики: теории упругости, теории удара, механики разрушения, теории подобия. Физико-механические и биологические свойства растительного материала определены с использованием методик, разработанных ГНУ ВИМ, ОАО ВИСХОМ, а также частных теоретических и прикладных методик. Качество работы экспериментальных рабочих органов машин, параметры технологических процессов исследовались в лабораторных и полевых условиях с помощью стандартных и специально разработанных и изготовленных оборудовании и стендах, опытных образцах машин. Полевые испытания проводились по ОСТ 70.5.1-74, ОСТ 10.8.1-99, агротехническим и исходным требованиям на селекционные молотилки, разработанными лабораторией механизации работ в селекции и первичном семеноводстве ГНУ ВИМ, а также по специально разработанным требованиям к качеству обмолота с фракционным разделением зернового вороха.
Достоверность результатов теоретических и экспериментальных исследований, подтверждена актами о проведении полевых испытаний технологий и машин. Ошибка в определении контролируемых показателей не превышала 10%. Адекватность теоретических положений подтверждена экспериментальными исследованиями по критериям согласия К. Пирсона, А.Н. Колмогорова, Р. Фишера.
Научную новизну представляют:
- Классификация и ранжирование доминирующих факторов, определяющих работу комплекса машин для селекции и первичного семеноводства зернобобовых культур;
- Статистические распределения физико-механических свойств семян гороха и фасоли и закономерности влияния на локализацию семян ранних сроков образования на материнском растении и качественные параметры обмолота;
- Методика расчета коэффициента формы и состояния поверхности семян зернобобовых культур, позволяющая получить комплексную оценку физиологической выполненности семян;
- Полученные математические модели критической скорости соударения рабочего элемента со свободным зерном и методика установления закономерностей его перемещения по обмолачивающей лопасти МСУ;
- Установленные теоретические закономерности, описывающие процессы деформации почвы и распределения рабочей жидкости рабочими органами машин для посева и междурядной обработки, а также энергетические показатели процесса бороздообразования.
Практическую ценность представляют:
- Технология производства элитных семян зернобобовых культур с применением новой высокоэффективной техники;
- Технологические и конструктивно-компоновочные схемы машин для посева, ухода за растениями и обмолота зернобобовых культур и методика расчета конструктивно-технологических, кинематических и динамических параметров их рабочих органов;
- Номограмма для определения конструктивно-технологических параметров аксиального конического МСУ шнеко-лопастного типа, обеспечивающая оперативное определение оптимальных технологических режимов его работы в производственных условиях;
- Статистические данные по физико-механическим свойствам перспективных сортов гороха и фасоли, рекомендуемые для сравнительной оценки новых сортов в селекционно-семеноводческом процессе и в производстве;
- Схемы локализации на материнском растении семян ранних сроков образования, позволяющие использовать данный признак при поиске эффективного показателя комплексного критерия механического разделения семенных партий;
- Комплекс методических рекомендаций и лабораторное оборудование для оценки пригодности селекционного материала к механизированному возделыванию и уборке урожая.
Новизна технических решений, полученных в результате исследований, защищена четырнадцатью патентами Российской Федерации.
Реализация результатов исследований. Созданы, прошли лабораторные и хозяйственные испытания на опытных полях ГНУ ГНЦ ВНИИЗБК следующие машины: молотилка сноповая коническая с фракционным разделением зернового вороха МСК-1Ф (Протокол №1, от 28.02.07г); зерноуборочный комбайн для обмолота зернобобовых и крупяных культур с МСУ шнеко-лопастного типа (отчет о НИР (заверш.) №ГР 01200215097); зерновая сеялка широкополосного посева, оборудованная комбинированными лаповыми сошниками с тупым углом вхождения на паралелограммной подвеске (Отчет №14-20-2003 (4210102), от 29.12.03г); формирователи направляющей борозды полозовидного и отвально-каткового типов (Протокол №1, от 25.11.02г); культиватор-разравниватель гребневых посевов.
Методика и лабораторное оборудование для определения усилий вымолота семян сельскохозяйственных культур центрифугированием, а также способ и прибор для экспериментальной оценки физиологической выполненности семян нашли применение при оценке пригодности селекционного материала к механизированному возделыванию и уборке урожая.
Внедрение в производство предложенных технических решений подтверждены 10-ю актами об использовании изобретений ГНУ ГНЦ ВНИИЗБК (г. Орел), справками и актами о внедрении НИР в ГНУ ВИМ (г. Москва), ОАО «ГСКБ «Зерноочистка» (г. Воронеж), ОАО «Автосельмаш» (г. Орел), НИИСХ ЦРНЗ (Московская обл.), рекомендациями ФГУ ЦЧ МИС (г. Курск).
Научно-методические разработки по обоснованию параметров рабочих органов машин и изучению физико-механических свойств семян сельхозкультур внедрены в учебный процесс по направлениям 110301 “Механизация сельского хозяйства”, 110201 “Агрономия”, 110203 “Агроэкология” (Акт “О выдаче грифа УМО” №07-8а/52, от 7.07.04г; протоколы научно-методического Совета ФГОУ ВПО «ОрелГАУ» №3, от 21.11.06г и №4, от 13.12.06г).
Работы по созданию и внедрению в производство новой сельскохозяйственной техники и комплекса лабораторного оборудования отмечены Дипломом победителя конкурса молодых ученых Администрации Орловской обл. 1999г и Свидетельством Администрации г. Орла о присвоении звания “Лучший изобретатель г. Орла 2004г”.
Положения, выносимые на защиту:
- Классификационные схемы машинно-технологического комплекса для производства элитных семян зернобобовых культур;
- Теоретические положения процесса взаимодействия элементов хлебной массы с рабочими органами шнеко-лопастного МСУ, теория и методы его расчета;
- Общие закономерности и оптимизация процессов взаимодействия с почвой комбинированных лаповых сошников, формирователей направляющей борозды, ротационных гребнеразравнивателей;
- Конструктивно-технологические схемы рабочих органов, машин и лабораторного оборудования;
- Результаты производственных испытаний, технико-экономические и энергетические показатели функционирования разработанных технических средств.
Личный вклад автора. Все результаты представленные в работе получены при непосредственном личном участии автора в период с 1998 по 2007гг, в результате научных исследований, проведенных на базе ГНУ ГНЦ “Всероссийский научно-исследовательский институт зернобобовых и крупяных культур”, а также ФГОУ ВПО “Орловский государственный аграрный университет”.
Апробация работы. Основные положения доложены и обсуждены на научных конференциях ОрелГАУ и ОрелГТУ (Орел, 1998-2008гг.), научно-практической конференции Рязанского СХИ (Рязань, 1999г), 12-й всемирной конференции по механизации полевых экспериментов (Санкт-Петербург, 2004г), IV-ой и V-ой Международных научно-практических Интернет-конференциях “Энерго- и ресурсосбережение – XXI век” (Орел, 2005, 2007гг), Международной научно-практической конференции “Инновации в области земледельческой механики” (Москва, 2008г), научно-практической конференции “Аграрная наука – сельскому хозяйству” Самарской ГСХА (Самара, 2007г), II-й Международной выставке-Интернет-конференции “Энергообеспечение и безопасность” (Орел, 2007г); заседаниях Ученого Совета ГНЦ ГНУ ВНИИЗБК (Орел, 2004-2005гг).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 63 научных работах. Общий объем публикаций составляет 62,14 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 478 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, общих выводов и предложений, списка использованной литературы, содержащей 387 источников, в том числе 64 иностранных и приложений. В диссертации содержится 113 рисунков и 47 таблиц.
Анализ и тенденции развития технологий и средств технического обеспечения селекционно-семеноводческого процесса
Широкое распространение зернобобовых культур в мировом земледелии обусловлено, прежде всего, их способностью накапливать в семенах и вегетативной массе большое количество высококачественного белка. По сравнению со злаковыми культурами они содержат в семенах в 1,5...2 раза больше белковых веществ и обеспечивают самый высокий выход переваримого протеина и незаменимых аминокислот с гектара посева. В состав белка зернобобовых входят все необходимые для питания человека и животных аминокислоты. Благодаря этому однолетние бобовые культуры - горох, бобы, люпин, вику - можно использовать как белковые корма и как незаменимый источник сырья для производства белковых добавок к зерну ячменя, овса, кукурузы и других фуражных культур с низким содержанием белка. Многие виды бобовых (фасоль, горох, чечевица и др.) и в настоящее время являются важнейшими продовольственными культурами для населения [217].
Наряду с этим, зернобобовые культуры имеют большое значение в повышении плодородия почвы. Обладая способностью усваивать азот из воздуха, они накапливают в почве значительное его количество. Некоторые зернобобовые культуры повышают доступность питательных веществ в почве, переводя в усвояемые формы трудно-растворимые фосфаты. Благодаря этим особенностям зернобобовые культуры являются лучшими предшественниками для других культур; часто их используют в качестве сидератов. Одними из важнейших зернобобовых культур в мире остаются горох и фасоль. Семена гороха, зеленая масса и солома являются высококачественным кормом для животных. Горохо-злаковые смеси возделывают на силос, зеленый корм и сено. Сорта фасоли обладают высокими кулинарными и потребительскими достоинствами, хорошо приспособлены для выращивания во многих почвенно-климатических районах. Зернобобовые культуры в мировом земледелии занимают 120 млн. га посевных площадей. Наиболее широко возделывают горох, фасоль, нут, кормовые бобы, чечевицу, люпин, вигну и др. (рис. 1.1.1). Из представленных культур в период с 2003 по 2007 гг. в мире отмечается рост их производства. Посевы гороха в 2004...2007 гг. занимали от 2,32 до 2,52 млн. га. Наибольшие посевные площади его были зафиксированы в 2006 году - 4,02 млн. га. В настоящее время лидерами в производстве гороха являются Канада (3,34 млн. т), Франция (1,67 млн. т), Китай (1,35 млн. т), Россия (1,24 млн. т) [326, 370] (рис. 1.1.2). Зернобобовые культуры в земледелии Российской Федерации являются важной и специфической составной частью зернового комплекса, поскольку решают проблему обеспечения населения ценными высококачественными пищевым продуктами, а животноводство - высокобелковым зерном. Основные площади зерновых бобовых культур, а соответственно и основные объемы урожая, приходятся на Приволжский (37,5%), Центральный (21,0%), Сибирский (17,7%) и Южный (15,6%) федеральные округа. Последние годы существовала устойчивая тенденция сокращения посевных площадей, снижения урожайности и валовых сборов (табл. 1.1.1). Так, посевные площади зернобобовых культур снизились с 3946 тыс. га - в 1986... 1990 гг. до 1112 тыс. га - в 2007 г. или в 3,5 раза. Валовое производство зернобобовых культур сократилось с 4443 тыс. тонн - в 1986 ...1990 гг. до 1628 тыс. тонн -в 2007 г., или в 2,72 раза [130]. Резкое снижение посевных площадей зернобобовых культур объясняется тем, что они более требовательны к качеству и срокам проведения технологических операций, нуждаются в более четкой системе селекции и семеноводства, хуже обеспечены специализированной техникой для возделывания. В последнее время созданы новые, высокопродуктивные формы гороха с усатым типом листа, короткостебельные, раннеспелые, мелкосемянные, ценные по качеству: Батрак, Мультик, Шустрик, Орел, Алла, Орпела (ВНИИЗБК); Ак-сайский усатый 7, Аксайский усатый 10, Аксайский усатый 55, Приазовский (Донской ЗНИИСХ), Таловец 65, Таловец 70, Факор, Дударь (НИИСХ НЧП); Казанец, Тан (ТатНИИСХ); Самарец, Флагман 5, Флагман 9 (Самарский НИИСХ) и другие. Среди перспективных высокопродуктивных сортов фасоли можно выделить сорта селекции ВНИИЗБК Нерусса, Ока, Оран, Шоколадница и др. [126]. Свойства этих сортов с позиции механической обработки практически не известны, что предполагает проведение дополнительных исследований. В последние годы формируется тенденция повышения продуктивности селекционно-семеноводческих работ в полеводстве за счет оптимального сочетания техногенных и биологических факторов интенсификации. Поэтому, дальнейший прогресс в селекции зернобобовых неразрывно связан с использованием новых перспективных технологий, позволяющих ускорить селекционный процесс на 2...3 года и повысить качество передаваемых в производство сортов. Обеспечить высокие технологии возделывания сельскохозяйственных культур должно широкое внедрение современных средств механизации селекционно-семеноводческого процесса.
Разработка модели перспективного машинно-технологического комплекса и основы создания альтернативной системы машин
Целью работы является разработка теоретических основ высокоэффективного механо-технологического комплекса для целей селекции, сортоиспытания и первичного семеноводства зернобобовых культур, создание, исследование и внедрение рабочих органов и машин в производство.
В работе решались следующие основные задачи: - Систематизация элементов перспективного механо-технологического комплекса и обоснование альтернативной системы машин для селекционно опытных работ по выведению новых сортов зернобобовых культур; - Изучение физико-механических и посевных свойств семян перспективных сортов гороха и фасоли, определение степени влияния на них матриакаль-ной разнокачественности; - Разработка математических моделей зависимости критической скорости соударения рабочего органа с обмолачиваемым материалом, а также кинематики движения свободного зерна на поверхности обмолачивающей лопасти, с целью установления закономерностей процесса и оптимизации конструктивно-технологических параметров МСУ, улучшающих условия зональной сепарации; - Разработка теоретических основ и исследование динамических факторов процессов бороздообразования лаповыми сошниками и клиновидными формирователями направляющих борозд, разравнивания почвенных гребней ротационными рабочими органами шнеко-лопастного типа, равномерного распределения гербицида заделывающими устройствами; - Разработка машинно-технологического комплекса для двухпоточной системы сепарации и очистки биологически ценных семян; изготовление и исследование в лабораторных и полевых условиях рабочих органов и машин для обмолота, посева и ухода за растениями, определение их технологических и энергетических показателей; - Теоретическое обоснование и разработка методического комплекса и лабораторного оборудования для оценки пригодности селекционного материала к механизированному возделыванию и уборке; - Определение технико-экономической эффективности предлагаемых технологических процессов. Формирование модели перспективного машинно-технологического комплекса для селекционно-опытных работ. Анализ и оптимизация параметров его элементов Механизации возделывания сельскохозяйственных культур в России придается большое значение. Результатами работы научно-исследовательских учреждений, СКБ, заводов сельскохозяйственного машиностроения явилась практически полная механизация сельскохозяйственных операций. Однако многие вопросы механизации трудоемких процессов в селекции и первичном семеноводстве остаются не решенными. В результате имеют место значительное травмирование и использование биологически неполноценного материла, нарушается распределение семян по площади питания, развитие и рост растений идут неравномерно. Как следствие, происходит неточная оценка сортов, снижается эффективность селекционного процесса, в целом.
Существенное расширение масштабов селекционной работы и ускорение выведения новых, более урожайных сортов сельскохозяйственных культур может быть достигнуто разработкой и внедрением средств комплексной механизации селекционно-опытных процессов на качественно новом уровне.
Академик В.И. Анискин отмечает: "Создание нового поколения машин должно осуществляться с учетом достигнутого технического уровня машин и конструктивных решений, реализующих направление ресурсосбережения: снижение затрат труда, экономии топлива, сохранение почвенных ресурсов, уменьшения массоемкости техники" [24]. При этом одним из принципиальных значений отводится "...наиболее полному учету агробиологических особенностей объектов машинного воздействия..." [27]. Последнее, наряду с другими условиями, предполагает преимущественное использование биологически ценных семян, свободных от механических повреждений и обладающих законченным периодом физиологического развития. Это особенно актуально в отношении зернобобовых культур, семена которых отличаются пониженной механической прочностью и высокой степенью матриакальной разнокачественности. Учитывая вышеизложенное, в настоящей главе ставится задача формирования модели перспективного машинно-технологического комплекса для селекционно-опытных работ по выведению новых сортов зернобобовых культур, теоретического обоснования и выбора рациональных параметров рабочих органов машин для механизации селекционного процесса и, прежде всего, устройств для посева семян и обмолота массы с опытных делянок.
Оригинальные методики и технические средства для изучения физико-механических свойств семян
Динамическая нагрузка при ударе снижается, если нормальная составляющая скорости и„ до удара, уменьшается на величину u(l-cosa), зависящую от направления относительной скорости. Получены аналитические выражения, позволяющие определить зависимость вызывающей разрушение зерна критической скорости икр рабочего органа от угла его установки. Установлено, что для зерна гороха, влажностью w= 14,5... 19,9% оптимальная скорость ударного взаимодействия со стальной плоскостью составляет 10,4 м с 1; для фасоли, влажностью w=l 4,1...15,8% - 7,4 м с"1. С увеличением угла а установки лопасти, по отношению к направлению вектора окружной скорости и от 15 до 60 значение икр возрастает с 10,7 до 19,3 м с"1 - для семян гороха и с 7,8 до 14,1 м с"1 - для семян фасоли; 3. Увеличение площади контакта пары трения "зерно-лопасть" регламентирует увеличение момента вращения и критического угла поворота зерна. Площадь контакта пары "зерно-лопасть" в значительной степени определяется длиной 1с пятна контакта и зависит от состояния и свойств поверхности семян. Для физиологически выполненных семян 1с=1/3 Lc, для семян с незаконченным периодом развития 1с=2/3 Lc. Предложена функциональная зависимость, определяющая условие качения зерна по плоской поверхности. Перемещение свободного зерна по плоской поверхности под воздействием сил трения качения происходит при окружной скорости ііокр не менее 30...35 м с" ; вероятность перемещения семян со скольжением возрастает на 20...25%, при увеличении коэффициента трения fTp с 0,1 до 0,5; 4. Предложен алгоритм решения задачи по определению кинематических параметров системы "зерно-лопасть", под влиянием действующих факторов. Выведены основные уравнения текущих координат движения семян по поверхности вращающейся лопасти в параметрической форме. Установлено, что на разность численных значений тангенциальных координат схода с лопасти семян, отличающихся по своим свойствам, большее влияние оказывает угол а установки лопасти, меньшее - угловая скорость со. Показатель фракционного разделения обусловлен разностью областей предельных значений тангенциальных координат для различных по качеству семян и зависит от соотношения коэффициентов восстановления к и трения скольжения f трс. Минимальный угол а, регламентирующий -дифференцирование областей схода семян составляет 42. Повышение показателя фракционного разделения обеспечивает подъем торца лопасти в зоне схода семян с меньшими значениями f ; к и большими fTpc; 5. Теоретически обоснованы объем призмы волочения обмолачиваемой массы и высота лопасти молотильного устройства; 6. Получены уравнения для расчета направления вектора относительной скорости рабочего элемента и динамических характеристик, определяющих захватывающую способность молотильного барабана. Захватывающая способность молотильного барабана увеличивается при уменьшении количества z лопастей по одному следу, увеличении численного значения показателя кинематического режима X, уменьшении угла \j/, между векторами относительной и окружной скоростей. Определены основные конструктивно-технологические параметры устройства в зоне окна подачи: A,=ll,8; \/=0...30; z=3; ширина В и высота Н приемного окна равны 0,4 м и 0,17 м - соответственно; 7. Варьирование глубины заделки семян определяется соотношением времени toc осыпания почвы на дно раскрытой борозды и времени tK5 необходимого для прекращения вертикальных колебаний семян. Качество заделки семян обеспечивается при t0C tK и зависит от формы и размеров подсошникового пространства. Получены дифференциальные уравнения движения почвенных частиц, при сходе с лапы сошника. Уравнения могут быть использованы для определения энергетических показателей рабочего органа. Установлено, что длина подсошникового пространства должна находиться в пределах 0,2 м; получено аналитическое выражение для определения мощности, потребной для перемещения почвенных частиц стойкой-семяпроводом, установленным под углом офп/2 к направлению движения сошника. Установлено, что при а— 0 N"—»0; при а=л/2 N"=N\ С уменьшением угла а мощность N снижается. Для поступательной скорости сошника Vc= 2,5 м с"1 (9 км ч"1), глубины заделки h = 0,15 м и диаметре стойки d = 0,06 м, при изменении угла а наклона стойки с 90 до 50, мощность N снижается с 100,1 до 86,0 Вт; условие скольжения сорняков по лезвию плоского сошникового ножа, расположенного в продольно-вертикальной плоскости определяется углом ал установки ножа и коэффициентами трения ф почвы и сорняков и выражается неравенством ал - max(q?K;(pn). Вследствие различия зависимости углов резания і и затылочного є от угла ссл установки лезвия к вертикали, равнодействующая сила R отклонена от нормали к лезвию на угол ф-і-є. Предложена формула для определения угла р=і-є. При углах установки ал=50...70, приращение отклонения равнодействующей R от нормального давления может составлять от 4 до 8. Влияние на направление распространения силы R кинематической трансформации лезвия с односторонней заточкой должно учитываться методикой определения критерия оптимальности угла установки ал по количеству сорняков на лезвии ножа в каждый момент времени его работы. При фк=18 и фп=22 оптимальный угол установки стойки сошника составит а=54; увеличение угла вхождения в почву лапового, сошника на радиальной подвеске влечет уменьшение глубины заделки семян и увеличение тягового сопротивления, пропорциональное приращению лобовой проекции рабочего органа. Установлена зависимость и поострены графики влияния на глубину заделки семян и площадь лобовой проекции лапового сошника на радиальной подвеске величины неровности копируемого микрорельефа. Изменение микронеровности агрофона на допускаемую агротехническими требованиями величину 25 мм, влечет изменение глубины заделки семян в пределах ±14...22 мм (при допустимой ±10 мм) и приращение площади лобовой проекции сошников на 12..Л8 см2. Предложена схема параллелограммнои подвески сошниковой секции. Установлено, что транспортный просвет по сошникам переднего и заднего рядов сеялки, равный 150 мм, обеспечивается поворотом сошникового вала на угол 8=17 и 12, для радиальной - и 5=12 и 9 - для параллелограммнои подвески - соответственно.
Изучение массово-геометрических характеристик семян
Тем не менее, без отражения состояния поверхности (морщинистость, сдавленность с боков, прочие отклонения формы поперечного сечения от небольшого числа геометрически правильных тел) численная оценка показателя, учитывающего размерные характеристики семян была бы неполной. Кроме того, необходимо компенсировать допущения, принятые при расчете условного диаметра D кривизны окружности поперечного сечения. Исходя из этого, считаем необходимым ввести в формулу (3.1.24) коэффициент \]/ (3.1.20), учитывающий выполненность семян. Последняя, как известно из [285], зависит от величины периметра поперечного сечения зерна. На основании изложенного, для охарактеризования формы семян сельскохозяйственных культур, предлагается использовать комплексный показатель, определяемый по формуле:
Таким образом, показатель будет увеличиваться при уменьшении длины 1 семян и увеличении коэффициента \/ выполненности (в обоих случаях - с приближением формы семян к шарообразной). Для семян идеальной шарообразной формы (b=5=l; Vf=l), коэффициент 4 равен единице.
Предлагаемый показатель 4 дает адекватную оценку геометрических характеристик и свойств поверхности семян различных сельскохозяйственных культур. Коэффициент , формы семян может быть использован для практического применения при обосновании оптимальных конструктивных параметров рабочих органов и технологических режимов работы сельскохозяйственных машин, а также, в качестве сравнительной характеристики семян различных сортов для процессов селекции и первичного семеноводства.
Методы определения фрикционных свойств семян. В ходе исследований предусматривалось рассмотреть процессы перемещения свободного зерна на поверхности обмолачивающей пластины, при вращении молотильного барабана. С этой целью изучались фрикционные свойства семян, различных по геометрическим размерам, форме и состоянию поверхности, в состояниях покоя и движения.
Коэффициенты трения покоя и скольжения семян определялись по известным методикам, изложенным в [256] и основанными на использовании прибора В.А. Желиговского и наклонной плоскости, с расположенным на ней образцом. Отличие используемых способов заключалось в том, что с целью более точной оценки изучаемого показателя, сравниваемые образцы выполнялись в виде пластин, с наклеенными на их поверхностях семенами. Семена отбирались из одной партии, в соответствии с их биологической ценностью, определяемой заранее.
Исследование кинематических параметров семян на вращающейся лопасти с использованием методов стробоскопической видеосъемки и графического анализа. С целью экспериментального подтверждения теоретических зависимостей, были разработаны способ и устройство, позволяющие определить среднюю скорость, характер перемещения и траекторию движения свободного зерна на поверхности вращающейся лопасти.
При изучении процессов, протекающих за короткий промежуток времени или предметов, совершающих высокочастотные перемещения, широко используется метод скоростной киносъемки [43]. Однако это метод основан на использовании громоздкого и сложного в обращении оборудования. Кроме того, процесс проявления и обработки большого количества кинопленки связан со значительными затратами времени и реактивов.
Известен способ изучения кинематических показателей движения семян методом скоростной (стробоскопической) пространственной фотосъемки [307]. Этот метод основан на последовательном фиксировании изображений движущегося объекта на одном фотокадре через равные промежутки времени. Тем не менее, используемая при этом многократная экспозиция не позволяет рассматривать процесс перемещения объекта сколь угодно долго и ограничена обеспечивающим качество изображения временем выдержки, а также площадью кадра.
Для исследования кинематических параметров зерна нами предложен способ скоростной стробоскопической видеосъемки. Способ основан на совместном использовании обычной видеосъемки движущегося предмета и стробоскопического эффекта, создаваемого высокочастотной импульсной лампой строботахометра. Полученный материал представляет собой видеоизображение последовательных положений движущегося объекта (зерна) через равные промежутки времени.
Лабораторная установка (Приложение 3) включает прибор для динамических исследований, устройство для создания стробоскопического эффекта, в качестве которого использован стробоскопический тахометр ТСт-100, цифровую фотокамеру "FUJIFILM FinePix S9500", установленную на фотоштативе.
Прибор для динамических исследований (рис. 3.1.2) состоит из стола-рамы, с расположенными на ее поверхности электродвигателем с электромагнитной муфтой и устройством для изменения и контроля частоты вращения ротора. На валу электродвигателя закреплен диск с установленными на нем лопастями. Лопасти на диске закреплены радиально и имеют различные углы установки, по отношению к плоскости диска. На рабочих поверхностях лопастей нанесена координатная сетка. Прибор имеет устройство для фиксации семян в зоне центра вращения диска и возможностью освобождения их, при установившемся режиме работы прибора. Устройство для изменения частоты вращения диска обеспечивает устойчивые режимы работы прибора, в пределах 150...900 и более мин"1.
Методика исследования заключается в следующем. Перед проведением эксперимента на поверхность пластин наносился тонкий слой солидола. Семена укладывались в фиксатор, расположенный в зоне нижнего обреза каждой лопасти, ближайшего к оси вращения диска. Фотокамера располагалась на штативе так, чтобы оптическая ось камеры была перпендикулярна плоскости лопасти.
Вращением кольца зума камеры достигается требуемое увеличение объекта съемки. После включения прибора, с помощью регулятора частоты вращения, устанавливается необходимая скорость вращения диска. Затем, регулятором строботахометра добиваются соответствия частоты вспышек высокочастотной лампы частоте вращения диска. Убедившись в устойчивости работы прибора, включают фотокамеру в режим видеосъемки и освобождают фиксатор зерна на лопасти. Зерно, под действием центробежной силы, сходит с вращающейся лопасти. Описывая некоторую траекторию и оставляя след на поверхности лопасти, зерно перемещается, освещенное импульсными вспышками лампы стробоскопа. Фотокамера "FUJIFILM FinePix S9500" позволяет устанавливать режимы качества изображения 640x480 пикселей или 320x240 пикселей, при частоте кадров 30 сек"1.
