ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОГО ВЫСЕВАЮЩЕГО АППАРАТА ВИБРАЦИОННОГО

На правах рукописи

КОЗЛОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОГО ВЫСЕВАЮЩЕГО АППАРАТА ВИБРАЦИОННОГО ТИПА

Специальность 05.20.01. – Технологии и средства

механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Красноярск – 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный

аграрный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Вишняков Андрей Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Докин Борис Дмитриевич

кандидат технических наук, доцент

Семенов Александр Викторович

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «РГАУ–МСХА

имени К.А. Тимирязева»

Защита состоится 17 февраля 2012 г. в 1130 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 220.037.01 при ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90.

Тел/Fax: 8(391)227-36-09, e-mail: dissovet@kgau.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «16» января 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Бастрон А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для полного удовлетворения потребностей населения в продуктах питания, а отрасли животноводства – кормами, необходимо довести среднегодовое производство зерновых культур в стране до 1,0 тоны на человека.

Решение этой проблемы во многом определяется урожайностью возделываемых культур, которая зависит от качества посева зерна с одновременным внесением дозы минеральных удобрений.

Отечественные и зарубежные посевные машины для одновременного дозирования семян и минеральных удобрений (туков) оснащаются отдельными высевающими устройствами. Это значительно усложняет конструкцию сеялок, что в конечном счете увеличивает затраты на единицу производимой продукции.

В связи с этим, важной народнохозяйственной задачей является разработка универсального высевающего аппарата, обеспечивающего совместный высев семян и туков

Работа выполнялась в соответствии с планом НИР Красноярского государственного агроуниверситета и включена в межведомственный координационный план СО РАСХН на период 2006–2010 гг. по заданию IХ. 01.02.01 «Обосновать и разработать комплексы конкурентоспособных технических средств нового поколения для машинных технологий производства зерновых культур, выращивания овощей в открытом грунте и улучшения лугопастбищных угодий».

Цель работы: обоснование параметров и режимов работы комбинированного вибрационного высевающего аппарата для повышения урожайности и снижения материальных и энергетических затрат.

Задачи исследований:

1. Разработать технологический процесс совместного высева семян и туков многоструйным вибрационным высевающим аппаратом сеялки.

2. Разработать математические модели процесса высева семян и туков многоструйным вибрационным высевающим аппаратом, определяющие диапазоны изменения основных конструктивно-технологических параметров и факторов, влияющих на эффективность рабочего процесса.

3. Обосновать методику оценки количественных и качественных показателей работы комбинированного вибрационного высевающего аппарата.

4. Провести иисследования и обосновать рациональные параметры и режимы работы комбинированного вибрационного высевающего аппарата.

5. Изготовить опытный образец зерновой сеялки, оборудованной комбинированными вибрационными высевающими аппаратами и провести сравнительные полевые испытания с сеялкой СЗ-3,6А, установив технико-экономический эффект от ее применения.

Объектом исследований является процесс совместного высева семян зерновых культур и удобрений комбинированным вибрационным высевающим аппаратом.

Предметом исследований являются закономерности, определяющие рабочие процессы комбинированного вибрационного аппарата при совмещенном высеве семян зерновых культур и минеральных удобрений.

Научную новизну составляют:

– способ совместного дозирования частиц с разными физико-механическими свойствами при помощи вибрации;

– математические модели, описывающие состояние колеблющегося слоя семян и туков в вибрационном высевающем устройстве;

– экспериментальные зависимости, устанавливающие влияние параметров и режимов работы комбинированного вибрационного высевающего аппарата на его оценочные показатели.

Практическую значимость составляют: конструктивные параметры и эффективные режимы работы комбинированного вибрационного высевающего аппарата зерновой сеялки; номограмма для настройки сеялки на заданную норму высева семян и внесения удобрений; использование результатов исследований в научном и учебном процессе при подготовке специалистов сельскохозяйственного производства.

На защиту выносятся:

– способ совместного высева семян и туков, обладающих различными физико-механическими свойствами;

– математические модели оптимизации процесса совместного высева семян и минеральных удобрений;

– результаты экспериментальных исследований по обоснованию эффективных режимов работы комбинированного вибрационного высевающего аппарата при совместном высеве семян зерновых культур и туков;

– результаты производственной проверки опытной сеялки с комбинированными высевающими аппаратами.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на международных, всероссийских и региональных научных конференциях, проводимых в Красноярском ГАУ (2004–2008 гг.), Новосибирском ГАУ (2005 г.), Омском ГАУ (2007 г.), МГАУ им. В.П. Горячкина (2007, 2009 гг.), Орловском ГАУ (2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получен 1 патент на изобретение

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы, шести приложений. Работа изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 40 рисунков, 10 таблиц. Список литературы включает 128 наименований, в том числе 3 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее практическая значимость, новизна, сформулирована цель исследований.

В первой главе «Анализ технических средств для высева семян и внесения удобрений» установлено, что одной из важнейших операций при возделывании с.-х. культур является посев, выполняемый зерновыми сеялками и комбинированными почвообрабатывающими и посевными агрегатами, а основным рабочим органом сеялки, определяющим качество посева, является высевающий аппарат. В связи с этим, рассмотрены основные способы посева и агротехнические требования, предъявляемые к этой операции. Исследованиями высевающих аппаратов занимались В.П. Горячкин, А.Н. Карпенко, М.Н. Летошнев, А.Н. Семенов, Н.И. Любушко, В.Н. Зволинский, В.П. Чичкин, П.Я. Лобачевский, А.Н. Репетов и многие другие авторы. В работах этих ученых отмечаются достоинства и недостатки высевающих аппаратов, и высказывается необходимость как в совершенствовании существующих, так и изыскании новых принципов их работы.

Важность внесения удобрений рассмотрена в работах А.С. Бойко, Г.Н. Лысевского, А.О. Петросяна, В.Ф. Салынского, Б.А. Нефедова, Н.С. Авдонина и др. При локальном внутрипочвенном внесении стартовой дозы удобрения равная прибавка урожая, в сравнении с разбросным способом, достигается при сокращении дозы на 25–30 %.

Внесение минеральных удобрений при посеве осуществляется комбинированными сеялками. Дозирование туков в них осуществляется отдельными туковысевающими аппаратами.

Анализ рабочих процессов высевающих аппаратов, осуществляющих одновременный высев семян и туков, показывает, что их дозирование обеспечивается двумя различными по конструкции аппаратами с собственными приводами и настройками на требуемый режим работы. Обеспечить дозирование семян и туков одним аппаратом, работающим на существующих принципах высева, не представляется возможным.

Иследованиями И.И. Блехмана, Г.Е. Листопада, Н.В. Антонова, И.В. Сегеды, И.В. Кудрявцева, Н.Н. Троянова, Р.Г. Кузнецовой, А.С. Вишнякова, В.С. Красовских, А.И. Клишина, А.А. Бричагиной и других авторов доказана возможность использования нового принципа дозирования сыпучего материала за счет вибрации. В качестве сыпучего материала ими использовались только семена различных сельскохозяйственных культур, и не рассматривалась возможность совместного внесения удобрений.

Особенностью представленных исследований является обоснование возможности совместного высева семян и туков лотковым высевающим устройством вибрационного аппарата, разделенного на зерновые и туковые емкости.

Во второй главе «Математическое моделирование рабочего процесса комбинированного вибрационного высевающего аппарата» определены диапазоны возможного изменения основных факторов и конструктивных параметров, влияющих на процесс совместного дозирования семян и туков.

Семена и туки в колеблющемся лотке вибрационного высевающего аппарата за счет снижения сил трения между отдельными частицами приобретают новые свойства, характерные для вязкой жидкости. Это позволяет рассматривать их движение в рамках модели несжимаемой жидкости. Гарантией равномерного высева семян и туков высевными отверстиями лоткового высевающего устройства будет отсутствие значительных возмущений свободной их поверхности при колебаниях.

На рисунке 1 – неподвижная система координат. С колеблющимся по закону лотком связана подвижная систему координат . Лоток имеет длину L, высоту в и уровень в нем семян h.

Рисунок 1 – Схема движения свободной поверхности верхнего слоя семян

Для анализа состояния верхней свободной поверхности слоя семян необходимо отыскать гармоническую по х и у функцию (хIуIt):

(1)

удовлетворяющую на дне и торцевых стенках колеблющегося лотка условиям “непротекания”:

(2)

а на поверхности условию:

(3)

где c (t) – переносная скорость движения частиц верхнего слоя; – ускорение свободного падения; – Релеевский коэффициент диссипативной вязкости.

При найденной функции возмущение верхней свободной поверхности семян в лотке определяется уравнением:

(4)

Численный эксперимент показал, что если входящие в задачу параметры будут находиться в следующих пределах: L = 490…530 мм, h = 50…90 мм, f = 6…11 Гц, А = 5…7 мм, то это обеспечит максимальную локализацию возмущения свободной поверхности у торцевых стенок лотка. В средней части, составляющей 80 % поверхности, амплитуды колебаний не превышает 5 % от уровня равновесия.

Полученный в рамках гидродинамической модели результат нельзя признать достаточно полным решением поставленной задачи, что приводит к необходимости построения дискретной модели сыпучей среды, описывающей взаимодействие отдельных частиц между собой, со стенками и дном высевающего устройства и т.д. В работе предлагается имитационный подход к моделированию сыпучих сред, при которых отслеживаются параметры движения отдельных частиц, их упругое взаимодействие друг с другом и со стенками высевающего устройства и выполняется визуализация процесса.

Запишем закон Ньютона для i-того элемента в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка:

(5)

. (6)

Здесь Fx и Fy – действующие на i-й элемент суммарные силы в направлениях х и у; ui, Vi – компоненты скорости центра масс в направлениях х и у соответственно, а диссипативные (вязкие) члены и , где>0 – коэффициент вязкости, введены искусственным образом для повышения устойчивости решения. При численном эксперименте значение вязкости выбирается эмпирически, чтобы обеспечивалась устойчивость процесса, но при этом величина по возможности должна быть минимальной.

Решение приведенных систем уравнений позволяет определить значения скоростей и перемещений каждой частицы и является основой создания имитационной модели процесса работы высевающего устройства в среде Delphi. На рисунке 2 приведен результат применения имитационной модели.

При создании модели было принято, что на экране компьютера в верхнем лотке находится сыпучий материал, подобный по физико-механическим свойствам семенам пшеницы, а в нижнем – с гранулами суперфосфата простого. С помощью установленных у каждого отверстия счетчиков можно отследить выпавшее количество семян и удобрений. Оптимизация необходимого при высеве количества семян и удобрений проводится на основе необходимой серии расчетов при вычислительном эксперименте. Таким образом оптимизируется процесс одновременного дозирования семян и удобрений комбинированным вибрационным высевающим аппаратом.

Рисунок 2 – Графическое изображение модели процесса работы комбинированного высевающего устройства

По результатам математического моделирования и графического изображения процесса высева подтверждены значения параметров комбинированного высевающего устройства и определены пределы изменения основных факторов: f = 6…11 Гц, А = 5…7 мм, h = 50…90 мм, влияющих на одновременный высев семян и туков.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» определены методы оценки рабочего процесса комбинированного аппарата (патент РФ № 2310311, рисунок 3) с использованием многофакторного и серии однофакторных экспериментов, уточняющих выводы, полученные при теоретических исследованиях.

Рисунок 3 – Комбинированный вибрационный высевающий аппарат: 1 – бункер; 2 – подвеска; 3 – высевающее устройство; 4 – регулировочная пластина; 5 – нижний кронштейн; 6 – наконечник семяпровода; 7 – делительная пластина; 8 – дозатор; 9 – горловина бункера; 10 – пластина подвески; 11 – регулировочное устройство; 12 – дно высевающего устройства; 13 – шатун; 14 – кронштейн шатуна; 15 – уголок; А – полости для семян; Б – полость для удобрений

Для проведения исследований предлагаемого аппарата была разработана экспериментальная установка, позволяющая изменять режим его работы, характеризуемый частотой и амплитудой колебаний лоткового высевающего устройства и уровнем в нем семян и туков.

Рабочий процесс любого высевающего аппарата с количественной стороны оценивается коэффициентами средней неравномерности высева Н, % и неустойчивости высева Нпр, %. Согласно агротребованиям их величины при высеве зерновых культур не должны превышать соответственно 6 и 2,8 %.

Качественные показатели рабочего процесса аппарата оцениваются коэффициентом вариации V и среднеквадратическим отклонением расстояний между семенами в рядке.

При планировании многофакторного эксперимента в качестве параметров оптимизации выступали коэффициенты Н, Нпр и средний расход семян и удобрений через высевное отверстие аппарата . Факторами оптимизации выступали частота колебаний лотка высевающего устройства f, его амплитуда А и уровень слоя семян и удобрений У. По результатам теоретических исследований диапазон изменения факторов был принят: для частоты колебаний высевающего устройства f от 7 до 11 Гц; амплитуды колебаний А от 5 до 7 мм; уровня семенного материала У от 50 до 90 мм. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась по общепринятой методике, предусматривающей аналитическое описание функций в виде уравнений регрессии, построение плана ПФЭ, расчет коэффициентов регрессии, анализ уравнений регрессии. Гипотеза об однородности опытов определялась при помощи критерия Кохрена, значимость коэффициентов регрессии находилась по t-критерию Стьюдента, проверка адекватности уравнений регрессии осуществлялась по критерию Фишера.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» определены зависимости среднего расхода семян и туков , коэффициента средней неравномерности высева Н и коэффициента неустойчивости общего высева Нпр от основных параметров и режимов работы вибрационного высевающего аппарата.

По результатам математической обработки данных, при реализации плана эксперимента (по схеме Бокса-Бенкина) получены соответствующие регрессионные модели и поверхности отклика (рисунок 4):

Н=99,4 –12f – 10128,75A – 340,31Y + 287,5fA + 8,12fY + 4375AY

+ 0,53f 2 + 631250A2 +1703,12Y2; (7)

Hпр=35,9 – 2,86f – 3093,75A – 335,31Y – 62,5fA + 8,13fY – 3125AY

+ 0,13f 2 + 331250A2 +1953,12Y2 ; (8)

=1228,57 – 114,77f –164300A –1053,75Y – 5500fA + 37,5fY +

350AY + 8,88f 2 + 16875000A2 +14062,5Y2 ; (9)

Проведенный регрессионный анализ показал, что все коэффициенты в полученных уравнениях статистически значимы. Расчет критерия Фишера подтвердил адекватность моделей.

Анализ поверхностей отклика позволил установить оптимальный режим, характеризуемый наименьшими оценочными показателями: частота колебаний f = 9 Гц, амплитуда колебаний А = 6 мм, уровень семян и туков У = 70 мм.

а б в

Рисунок 4 – Поверхности отклика при У = 0 (дозируемый материал – пшеница): а – коэффициент неравномерности Н, %; б – коэффициент неустойчивости Нпр, %; в – средний расход семян и туков через отверстие , г/мин

С целью проверки полученных математических моделей, дополнения результатов исследований и уточнения влияния каждого из факторов был проведен ряд однофакторных экспериментов. На рисунке 5 минимальное значение коэффициента Н соответствует частоте колебаний f = 9 гц, амплитуде А = 6 мм и уровню семян У = 70 мм, что обеспечивает его снижение до 3 %.