автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему: Совершенствование технологического процесса посева амаранта и обоснование конструктивных параметров высевающего аппарата
Автореферат диссертации по теме "Совершенствование технологического процесса посева амаранта и обоснование конструктивных параметров высевающего аппарата"
СТОЯНОВ КОНСТАНТИН ЮРЬЕВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОСЕВА АМАРАНТА И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЫСЕВАЮЩЕГО
Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова».
доктор технических наук,
профессор Ивженко Станислав Андреевич
доктор технических наук,
профессор Дементьев Александр Иванович
кандидат технических наук,
старший научный сотрудник Матюшин Петр Алексеевич
Государственное научное учреждение «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока» (г. Саратов).
Защита состоится 26 апреля 2007 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, д. 60, ауд. 325.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан 23 марта 2007 г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время внимание российских и зарубежных ученых и практиков привлекает такое перспективное растение, как амарант.
Амарант отличается сбалансированностью белка при большом содержании в нем лизина, высокой урожайностью зеленой массы, интенсивным ростом, неприхотливостью к почвам, устойчивостью к болезням, вредителям, засухо- и солеустойчивостью, что немаловажно в засушливых условиях Поволжья. Наряду с этим, биологической особенностью амаранта является медленный рост в начальный период вегетации, усложняющий культивацию посевов. Этот недостаток компенсируется посевом маячковой культуры, например, кукурузы или подсолнечника, растения которых быстро развиваются в первый период их роста, что обеспечивает визуальное определение рядков посева при проведении культивации. Другой проблемой при посеве является то, что семена амаранта относятся к мелкосеменным, с повышенной сыпучестью, что ограничивает возможность использования высевающих аппаратов серийных сеялок.
В настоящее время при посеве мелкосеменных культур наибольшее распространение получили сеялки СО-4,2. Однако применяющиеся в них катушечные высевающие аппараты не позволяют получить высокую равномерность распределения семян в рядке. Причиной является высокая порционность высева семян катушкой, вследствие чего посевы получаются неравномерными — со сгущением или разрежением растений в рядке. Это в конечном итоге приводит к снижению урожайности.
Поскольку семена амаранта являются дорогостоящим посевным материалом, исследования, направленные на совершенствование процесса дозирования семян высевающими аппаратами, имеют важное научное и хозяйственное значение.
Дель работы. Повышение качества посева за счет совершенствования технологического процесса высева семян амаранта и обоснование конструктивно-режимных параметров высевающего аппарата.
Объект исследований. Технологический процесс высева семян амаранта с использованием катушечного высевающего аппарата с конусообразными отборочными элементами.
Предмет исследований. Закономерности отбора семян амаранта предлагаемым высевающим аппаратом от конструктивных и ре-
Методика исследования предусматривает разработку теоретических положений процесса высева семян амаранта с экспериментальным их подтверждением в лабораторно-полевых условиях и экономическую оценку результатов исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений, законов и методов классической механики, математики и статистики. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием методов планирования многофакторного эксперимента с применением законов математической статистики с помощью ЭВМ.
Научная новизна. Получены аналитические выражения для определения конструктивных параметров конусообразных отборочных элементов. Выполнено математическое описание технологического процесса отбора семян катушечным высевающим аппаратом и условий равномерной подачи семян.
Практическая значимость. Определены основные конструктивно-технологические параметры высевающего аппарата (патент РФ на изобретение № 2231247). Разработан технологический процесс его работы для высева семян амаранта и исследованы их физико-механические свойства. Использование сеялки с предлагаемым высевающим аппаратом обеспечивает прирост урожая.
Реализация результатов исследований. Предложенный высевающий аппарат испытан в сельскохозяйственной артели им. В.И. Чапаева Татищевского района Саратовской области. Результаты теоретических и экспериментальных исследований приняты за основу при создании опытного образца высевающего аппарата и могут быть использованы научно-исследовательскими институтами, конструкторскими бюро и машиностроительными заводами при разработке высевающих аппаратов, а также в учебном процессе учебных заведений.
Апробация. Результаты исследований доложены и одобрены на научно-технических конференциях кафедры «Теоретическая механика и ТММ» СГАУ им Н.И. Вавилова в 2001-2007 г, Международной научно-практической конференции, посвященной 85-летию СГСХА (Самара, 2004 г), второй Международной научно-технической конференции (Самара, 2005 г), Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию со дня рождения профессора Александра Григорьевича Рыбалко (Саратов, 2006 г), а также Междуна-
родной конференции, посвященной 119-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова (Саратов, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ общим объемом 1,31 печатного листа, из них лично соискателю принадлежит 0,86 п.л., в том числе две работы - в изданиях, поименованных в «Перечне. » ВАК, включающие статью объемом 0,25 п.л. полностью принадлежащую автору и описание патента РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц, 76 рисунков, 10 приложений. Список использованной литературы включает 105 наименований, из них 7 - на иностранных языках.
На защиту выносятся следующие научные положения:
- теоретическое обоснование конструктивно-технологической схемы катушечного высевающего аппарата;
- математические и вероятностно-статистические модели описывающие влияние основных конструктивных и режимных параметров на равномерность распределения семян в рядке;
- результаты теоретической и экспериментальной оптимизации конструктивных и режимных параметров.
В введении обоснована актуальность темы и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования» приведены биологические особенности амаранта и агротехники его возделывания, а также основные способы посева при возделывании силосных культур. Дан обзор существующих конструктивно-технологических схем наиболее распространенных высевающих аппаратов и приведена классификация семяпроводящих систем пневматических сеялок.
К основным агротехническим особенностям возделывания амаранта относятся малый размер и повышенная текучесть семян и замедленный, по сравнению с сорняками, рост в начальный вегетационный период. Дано обоснование проведения комбинированного посева амаранта с кукурузой.
Поскольку важнейшей задачей посева является обеспечение благоприятных условий для прорастания семян и равномерное распределение растений по площади питания, приведены основные способы посева при возделывании силосных культур.
Анализу процесса отбора семян высевающими устройствами и дозирования сыпучих материалов посвящены работы А.Н. Карпенко, М.В. Сабликова, В.П-Горячкина, C.B. Кардашевского, С.А. Ивженко, Н.П. Крючина и других российских и зарубежных учёных, которые рассматривают вопросы совершенствования технологического процесса высевающих аппаратов в аспекте повышения качественных показателей высева.
На основании анализа и классификации конструкций высевающих аппаратов и семяпроводящих систем выбрана наиболее рациональная технология отбора семян с использованием катушечного высевающего аппарата с конусообразными отборочньми элементами. Применение данного технологического процесса высева позволяет создать определенные предпосылки для улучшения равномерности распределения семян в рядке и повышения урожайности семян амаранта. Однако процесс движения семян в высевающих устройствах при использовании катушки с конусообразными отборочными элементами имеет ряд особенностей и недостаточно изучен, что вызывает необходимость дальнейших исследований.
В связи с изложенным и в соответствии с поставленной целью работы, определены следующие задачи исследований:
- на основании анализа литературных и патентных источников обосновать новую технологию совместного посева амаранта и кукурузы с разработкой общей компоновки технических средств;
- провести теоретическое исследование технологического процесса отбора семян амаранта механическим высевающим аппаратом с пневматическим транспортированием их к месту заделки;
- выполнить лабораторные исследования по изучению влияния основных конструктивных и режимных параметров высевающего аппарата и транспортирующих устройств на качество высева семян;
- провести производственные испытания экспериментальной сеялки и определить её экономическую эффективность.
Во втором разделе «Теоретические исследования технологического процесса отбора семян амаранта катушечным высевающим аппаратом» обоснован технологический процесс и описание конструк-
тивно-технологическои схемы катушечного высевающего аппарата (Патент РФ на изобретение №2231247) и теоретический анализ его рабочего процесса.
Под бункером 1 (рис. 1) расположен корпус 2 высевающего аппарата. В корпусе 2 на валу 3 установлена катушка 4, на цилиндрической поверхности которой по окружности выполнены п рядов конусообразных отборочных элементов 5, эластичный уплотнитель со счищающим устройством 6, боковые уплотнители 7 и эластичный отражатель 8, расположенный под острым углом к касательной окружности цилиндрической поверхности катушки 4. На днище 9 корпуса 2 расположенного под углом Р, выполнены желоба 10. Каждому ряду конусообразных углублений 5 соответствует приемное окно 11 эжектора 12. К эжектору 12 подходит воздуховод 13 и семяпровод 14. Осевые линии конусообразных отборочных элементов 5 по окружности катушки 4 совпадают с осевыми линиями каждого желоба 10.
Для обеспечения поштучного отбора и исключения травмирования необходимо, чтобы семя лежало в пределах конусообразного
СЙПШВЮТЛШЙ эооооооо Э-ОО-ООО-ОО эооооооо эооооооо
Рисунок 1 - Катушечный высевающий аппарат: 1 - бункер, 2 - корпус, 3 - горизонтальный вал, 4 - катушка, 5 - конусообразный отборочный элемент, 6 - эластичный уплотнитель со счищающим устройством, 7 -боковой уплотнитель, 8 - эластичный отражатель, 9 - днище, 10 - желоба, 11 - приемное окно, 12 - эжектор, 13 - воздуховод, 14 - семяпровод
Рисунок 2 - Конусообразный отборочный элемент
отборочного элемента (рис. 2). Определим основные параметры конусообразного отборочного элемента:
где Дс — диаметр основания конусообразного отборочного элемента, м; 1)с - диаметр шаровидного семени, м, а - угол наклона образующей конуса к осевой линии, град.
Угол при вершине конусообразного отборочного элемента равен:
где / - коэффициент трения качения семени о поверхность отборочного элемента, ф1 - угол трения шаровидных семян о поверхность конусообразного отборочного элемента. Процесс отбора семян разделим на 5 этапов. Рассмотрим 1 этап отбора - загрузку конусообразных отборочных элементов.
Процесс загрузки конусообразного отборочного элемента начинается с момента входа его в семенную массу бункера и заканчивается моментом выхода его из бункера (рис. 3).
Определим минимальный угол поворота катушки у3, на котором шаровидное семя успеет попасть в ячейку:
где ю - угловая скорость вращения катушки, рад/с, ?3 - время западе-ния шаровидного семени в конусообразный отборочный элемент, с.
Рисунок 3 - Процесс загрузки конусообразного отборочного элемента
Определим дугу центрального угла у3:
где Я - радиус катушки, м.
2 этап - перемещение семени конусообразным отборочным элементом на угол переноса уп до момента его выгрузки.
3 этап - разгрузка конусообразного отборочного элемента. Определим угол наклона образующей конусообразного отборочного элемента уъ в момент начала выгрузки. Для этого рассмотрим конусообразный отборочный элемент с находящимся в нем семенем (рис. 4). Семя начинает двигаться и отрывается от верхней образующей конуса, совершая сложное движение.
В момент выгрузки на семя действуют следующие силы: (г - сила тяжести семени, Н; Рк — сила инерции семени, Н; N — сила нормальной реакции опоры, Н; р - сила трения семени о поверхность
конусообразного отборочного элемента, Н. Поскольку значение силы Кориолиса мало, в расчете учитывать его не будем. Тогда условие равновесия семени имеет вид:
Выберем оси координат хОу и спроецируем силы на них: -/-т-со2 •/••5та|+/«-£-со8ув +т-со2-г-со&а = 0-,
-т^-эту +(/»•£■• эту -т-со1 -г-втсп + т-со2-г-бшс^О,
где т - масса семени, кг; г - расстояние от центра тяжести семени до оси вращения катушки, м; /— коэффициент трения семени о поверхность отборочного элемента.
После преобразований угол наклона образующей конуса к вертикали равен:
у =агсзш 'г . (/•5ша+со5а)+агс5ш . * (7)
Угол, на который повернётся осевая линия отборочного элемента от вертикали, равен:
Определение угла поворота отборочного элемента уп необходимо для нахождения координат семени в момент начала выгрузки.
4 этап - полет семени до дна соответствующего желоба (рис. 5).
На семя, находящееся в свободном полете, действуют сила тяжести (7 и сила сопротивления воздуха .
Составим дифференциальные уравнения движения семени, спроецировав силы на выбранные оси <2*1 и Оу\.
Рисунок 5 - Полет семени и движение его по днищу высевающего
то = (?-./? -те-тки , У1 ^ £ V
где т-масса семени, кг; ¿-коэффициент сопротивления воздуха, с-1; и - скорость семени, м/с.
Таким образом, скорость и местоположение семени соответственно равны:
где кв - коэффициент восстановления при ударе 1
5 этап - движение семени по желобу. Он наступает с момента отскока семени от дна каждого желоба и далее по желобу до приемного окна эжектора (рис. 5).
На данном этапе определяется высота ребер желоба Яр, поскольку при недостаточной высоте ребра возможен перескок семени из одного желоба в другой.
Выберем систему координат х2Оу2. На семя, находящееся в свободном полете после отскока, действуют сила тяжести й и сила сопротивления воздуха Я .
Составим дифференциальные уравнения движения семени после отскока, спроецировав силы на выбранные оси Ох2 и Оу2.
то =(? -Я — /и^вшР -тко ; х2 Х2 2 ® Х2
то -С -К = /иесозВ -тко , у2 у2 « ^в у2>
где рв - угол отскока семени после удара, град.
Максимальная высота подъема семени должна быть меньше высоты ребер желоба. Тогда высота ребер желоба равна:
После того, как вертикальная составляющая скорости приблизится к нулю, семя начнет скользить по дну высевающего аппарата в приёмное окно эжектора (см. рис. 5).
Составим дифференциальные уравнения движения семени:
то = mgsm.$-fnlg cos.fi-тко ;
_#(з1пр-/созр) 1 к к
Выражение (16) представляет собой уравнение движения семени перед входом в приемное окно эжектора.
В третьем разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» приведены программа и методики исследований фи-
зико-механических свойств семян амаранта и проведения лаборатор-но-полевых испытаний, описание экспериментальных установок, методики обработки опытных данных и проведения полевых испытаний.
К наиболее характерным физико-механическим свойствам семян относятся линейные размеры, масса семени, коэффициент внутреннего трения и коэффициент трения о поверхность различных материалов, а также аэродинамические характеристики.
С целью исследования процесса высева семян экспериментальным катушечным высевающим аппаратом, определения его конструктивных и режимных параметров использовали специально изготовленную лабораторную установку.
В результате предварительных поисковых исследований и теоретических расчетов были установлены основные параметры, влияющие на отбор семян экспериментальным катушечным высевающим аппаратом: п - частота вращения катушки экспериментального высевающего аппарата, мин"1; й - диаметр основания конусообразного отборочного элемента, мм; а - угол наклона образующей конуса отборочного элемента катушки высевающего аппарата, град.
Определение влияния конструктивных параметров высевающего аппарата на равномерность высева семян проводили на лабораторной установке.
Для исследования комплексного влияния факторов на равномерность распределения семян высевающим аппаратом был реализован полнофакторный эксперимент, результаты которого позволяют оптимизировать работу высевающего аппарата.
Полевые исследования проводили с целью проверки работы и надёжности экспериментальной сеялки, на базе СУПН - 8, с катушечным высевающим аппаратом для посева семян амаранта совместно с маячковой культурой кукурузой, а также для сравнительной оценки посевов с посевами амаранта, выполненными серийной сеялкой СО-4,2.
Исследования проводились в 2001, 2002 г. на полях сельскохозяйственной артели им. В.И. Чапаева Татищевского района Саратовской области. При проведении лабораторно-полевых исследований руководствовались методикой ОСТ 70.5.1-82. «Машины посевные. Программа и методы испытаний».
В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследо-
ваний» представлены результаты проведенных в соответствии с разработанной методикой экспериментальных исследований и производственных испытаний и дан их анализ.
Для обоснования основных параметров элементов высевающего аппарата были исследованы физико-механические и аэродинамические свойства семян амаранта. В ходе проведенных исследований получены следующие результаты. Сорт «Багряный» - 96 % семян длиной 0,9. 1,3 мм, 97 % семян шириной 0,6. 1,1 мм, 98 % семян толщиной 0,5. 0,8 мм. Сорт «Кинельский - 254» - 95 % семян длиной 1. 1,3 мм, 96 % семян шириной 1. 1,3 мм, 99 % семян толщиной 0,9. 1,3 мм. В результате лабораторных исследований весовых характеристик семян амаранта получены следующие данные: семена сорта «Багряный» 97 % имеют массу 0,6. 0,9-Ю-6 кг, а семена сорта «Кинельский - 254» 96 % с массой 0,8. 1,2-Ю-6 кг. В ходе проведения исследований по определению коэффициентов трения на установке ТМ-21А получены: семена сорта «Багряный» имеют коэффициент трения скольжения по стали/- 0,45. 0,53, коэффициент трения скольжения по дереву /= 0,63. 0,69, а семена сорта «Кинель-ский-254» коэффициент трения скольжения по стали/= 0,46. 0,53, коэффициент трения скольжения по дереву/= 0,66. 0,72. Для семен сорта «Багряный» коэффициент внутреннего трения_^нтр= 0,39. 0,42, а сорт «Кинельский-254» коэффициент внутреннего трения /штр = 0,41. 0,46. В ходе проведения исследований по изучению аэродинамических свойств семян получены результаты: для семян сорта «Багряный» скорость витания составляет г)в = 1,87. 4,45 м/с, коэффициент парусности Ал = 0,49. 2,81 и коэффициент сопротивления к -0,37. 2,12 м-1, для семян сорта «Кинельский-254» скорость витания составляет г>в = 1,98. 4,69 м/с, коэффициент парусности ки = 0,45. ..2,51 и коэффициент сопротивления к = 0,24. 1,36 м-1.
Анализ процесса работы катушечного высевающего аппарата с конусообразными отборочными элементами показал, что наилучшая равномерность подачи семян достигается при угле наклона образующей конусообразного отборочного элемента а = 45°; диаметре основания конусообразного отборочного элемента (1 = 1,4 мм; частоте вращения катушки п - 45 мин-1.
Для определения комплексного влияния факторов на равномерность распределения семян исследуемым высевающим аппаратом был реализован полнофакторный эксперимент по методике много-
факторного планирования эксперимента. Для получения математической модели технологического процесса распределения семян высевающим аппаратом реализован полный факторный эксперимент 23.
Уравнение регрессии в натуральном раскодированном виде:
V = 9,58 - 0,08а + 0,08« - 5,1 Ы+ 0,05а</. (20)
Поверхность равного отклика имеет вид гиперболического параболоида (рис. 6).
Полевые исследования проводились с использованием экспериментальной сеялки и контрольной сеялки СО-4,2 на полях сельскохозяйственной артели имени В.И. Чапаева Татищевского района Саратовской области в течение двух лет.
Во время всего вегетационного периода развития растений оценивалось качество распределения растений в рядке (рис. 7). Из него видно, что средний интервал между всходами при посеве экспериментальной сеялкой составил аср = 15,85 см, а при посеве сеялкой СО-4,2 оср — 13,4 см. Также изучалась динамика и интенсивность появления всходов (рис. 8). В результате наблюдения за появлением всходов амаранта на опытных посевах были получены результаты свидетельствующие, что при посеве экспериментальной сеялкой, оборудованной ножевидными сошниками интенсивность появления всходов выше, чем при посеве сеялкой СО-4,2.
С целью сопоставления адекватности модели и экспериментальных данных построена графическая зависимость (рис. 9) влияния частоты вращения катушки высевающего аппарата на равномерность высева и расчетов по полученным аналитическим выражениям (20). При расчете соответствия величины неравномерности подачи полученных аналитическим выражением и экспериментальных данных величина коэффициента парной корреляции составила |гт>,| = 0,92. Таким образом, можно сделать вывод, что аналитическое выражение для определения неравномерности высева адекватно описывает подачу семян катушечным высевающим аппаратом.
Рисунок 6 - Зависимость равномерности высева семян от конструктивных параметров высевающего аппарата: 1 — область оптимальных значений