ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ВЫСЕВАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ РАВНОМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ

На правах рукописи

Красильников Евгений Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ВЫСЕВАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ РАВНОМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Омск 2009

Работа выполнена на в Сибирском научно-исследовательском институте сельского хозяйства а период с 2004 до 2009 гг.

Научный руководитель: кандидат технических наук

А.А. Кем

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук,

профессор

Б.Д. Докин

кандидат технических наук

С.Г. Щукин

Ведущая организация: Алтайский государственный аграрный университет

Защита состоится «23» апреля 2009 года в 10 часов на заседании диссертационного совета № ДМ 006.059.01 в Новосибирском аграрном университете по адресу: 630039,, г. Новосибирск, ул. Добролюбова 160..

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета: 63501, Новосибирская обл., РП Краснообск – 1, а/я 460 при ГНУ СибИМЭ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан «20» марта 2009 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета д.т.н. _________________ В.С. Нестяк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Наукой и практикой доказано, чтобы получить высокий урожай, необходимо добиться не максимального количества растений на единице площади, а оптимального по густоте и равномерности размещения растений по площади питания. При неравномерном размещении по посевной площади многие растения оказываются в условиях жесточайшей конкуренции с самых ранних этапов развития. Это приводит к снижению полевой всхожести семян и продуктивности растений. На равномерность распределения семян основное влияние оказывают высевающая система и сошниковая группа посевной машины.

В западной Сибири посев зерновых культур производится зернотуковыми и зерновыми – стерневыми сеялками отечественного производства, а также зарубежными посевными машинами. Зерновые сеялки имеют различные высевающие системы, которые не в полной мере отвечают предъявляемым агротребованиям к качеству посева. Основные способы посева, осуществляемые этими сеялками – рядовой и полосной. Изучению вопросов распределению семян по площади питания и созданию сошников и сеялок для подпочвенного разбросного посева посвящены работы В. Ф. Грищенко, В.А., Синягина И.И., Домрачева, Е.П. Огрызкова, М. К. Малева, Н. И. Любушко, Кема А.А., Шевченко А.Г., Докина Б.Д., Михальцова Е.М. и других авторов. Исследования, показывают, что при различных способах посева, наибольшая урожайность достигается при разбросном способе посева.

Анализ предшествующих исследований, позволяет заключить, что резервом повышения продуктивности возделываемых зерновых культур является применение подпочвенно-разбросного безрядкового способа посева. Преимущество данного способа перед другими заключается в том, что равномерное распределение растений по площади, обеспечивает равное освещение, питание и увлажнение, практически исключается конкурентная борьба внутри вида, что обеспечивает более полную реализацию генетического потенциала каждого растения, снижая общую засорённость посевов и гербицидную нагрузку на ландшафт.

Существующие посевные машины для подпочвенно-разбросного посева ещё не получили широкого распространения из-за того, что не в полной мере соответствуют агротехническим требованиям предъявляемым к подпочвенно-разбросному посеву.

Цель работы – совершенствование элементов высевающей системы с целью увеличения равномерности распределения семян по площади питания с применением пневмомеханической подачи.

Объект исследования – технологический процесс посева зерновых с пневмомеханической подачей семян.

Предмет исследования – закономерности взаимодействия семян зерновых с рабочими поверхностями пневмомеханической высевающей системы.

Методы исследований.

Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений, законов и методов классической механики, аэродинамики, математики и статистики.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях на основе общепринятых и частных методик, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Основные расчеты и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием методов статистики на ЭВМ.

Достоверность результатов работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, использованием современных методов и технических средств исследований, а также оценкой результов многофакторного эксперимента

Научную новизну представляют.

Закономерности и зависимости, описывающие движение семян в системе: семяпровод – воздушный поток – лаповый сошник – распределитель семян – почва.

Регрессионные модели процесса распределения семян по длине и ширине полосы позволяющие прогнозировать качество распределения семян в зависимости от параметров пневмомеханической высевающей системы и режимов работы посевного агрегата в целом.

Рациональные конструктивные параметры и режимы работы применяемой пневмомеханической высевающей системы, позволяющие равномерно распределять семена по площади питания.

Практическая значимость. Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическую реализацию в совершенствовании посева зерновых культур подпочвенно-разбросным способом. Новизна решений подтверждена патентом РФ на полезную модель №2007100264/17 от 17.07.2007г.

Посев зерновых сеялкой с экспериментальной пневмомеханической высевающей системой обеспечивает равномерность распределение семян вдоль полосы Крд до 75% и по ширине полосы Крш до 76%.

Внедрение. Усовершенствованная сеялка - культиватор СКП – 2,1 с пневмомеханической высевающей системой и установленными распределителями семян внутри подлапового пространства сошника с шириной захвата 280 мм в 2007 - 2008 году прошла производственную проверку на опытном поле ОПХ СибМИС Таврического района Омской области.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались: на международной конференции молодых ученых СибИМЭ (г. Новосибирск – 2006); на международных конференциях молодых ученых СибНИИСХ (г. Омск – 2006, 2007,2008 гг); на международной научной конференции посвящённой информационным технологиям и информационным измерительным приборам в исследовании сельскохозяйственных процессов, СибФТИ (г. Новосибирск – 2006); на международной научно-практической конференции посвященной 100 – летию со дня рождения академика ВАСХНИЛ А.И. Селиванова (г. Новосибирск – 2008 г).

Работа выполнена в период 2004-2008гг в отделе механизации Сибирского НИИ сельского хозяйства.

Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы, опубликованы в 11 научных публикациях в трудах СибНИИСХоза, СибИМЭ, СибФТИ, Красноярского НИИСХ, Якутского НИИСХ, ОМГАУ, а также в двух периодических научных изданиях - журнале «Сибирский вестник сельскохозяйственной науки» и «Достижение науки и техники АПК».

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений.

Работа содержит 156 раниц машинописного текста, 11 таблиц, 56рисунков и 6 приложений. Список использованной литературы включает 116 наименований, в том числе 4 иностранных источника.

На защиту выносятся.

Принципиальная технологическая схема посевной машины с пневмомеханической высевающей системой для подпочвенно-разбросного посева зерновых культур.

Выявленные закономерности и зависимости, описывающие движение семян в пневмомеханической высевающей системе.

Регрессионные математические модели пневмомеханической подачи и распределения семян по площади питания.

Рациональные конструктивные параметры пневмомеханической высевающей системы и режимы работы посевного агрегата при посеве зерновых культур подпочвенно-разбросным способом.

Результаты лабораторно-полевых исследований и экономическое обоснование применения экспериментальной машины с пневмомеханической высевающей системой.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении приведена актуальность и обоснование направления исследования, изложены научные положения, выносимые на защиту, и их основные позиции.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассмотрены зональные почвенно-климатические условия, приведены основные агротехнические требования к посеву зерновых, проведён анализ работы перспективных конструкций посевных машин, и анализ способов посева зерновых культур.

В результате анализа технических решений посева зерновых культур нами было установлено, что одним из перспективных способов посева является подпочвенно-разбросной, но сеялки для сплошного подпочвенного посева в настоящее время не получили широкого распространения из-за ряда недостатков конструктивного и технологического характера. Основной недостаток современных конструкций – это низкое качество распределения семян. В связи с этим, нами была сформулирована рабочая гипотеза согласно которой - использование лапового сошника оснащённого пассивным распределителем семян, с применением пневмомеханической подачи посевного материала в сошник, позволит повысить равномерность распределения семян, полевую всхожесть и соответственно урожайность.

Проведенный анализ позволил сформулировать цель исследований - повышение урожайности зерновых культур, за счёт увеличения равномерности распределения семян по площади питания, при помощи пневмомеханической высевающей системы. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Выявить закономерности, определяющие процесс пневмомеханического высева семян и влияние его режимов на равномерность их размещения по площади питания.

2. Обосновать параметры высевающей системы, обеспечивающей равномерное распределение посевного материала по площади питания.

3. Определить качество работы усовершенствованной посевной машины и экономическую эффективность её применения.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса распределения семян с применением пневмомеханической подачи посевного материала в подсошниковое пространство» предложена и теоретически обоснована технологическая схема работы высевающей системы для подпочвенно-разбросного посева зерновых культур с использованием пневмомеханического высева (рисунок 1). Система для разбросного посева зерновых культур включает высевающий аппарат 1, семяпровод 2, источник избыточного давления воздуха (вентилятор) 3, стрельчатую лапу 4, пассивный распределитель 5 установленный в подлаповом пространстве, прикатывающий каток 6.

Эта система высева работает следующим образом. Семена из бункера, с катушечным высевающим аппаратом 1 подаются в семяпровод 2, и часть пути проходят под действием силы тяжести и сопротивления воздуха, затем, достигая уровня нижней части семяпровода, они попадают в воздушный поток, нагнетаемый вентилятором 3, приобретая дополнительную кинетическую энергию. Входя в подсошниковое пространство лапы 4 семена падают на поверхность распределителя 5 и в момент удара они имеют достаточную скорость, чтобы достичь любой точки подсошникового пространства, благодаря чему, способны равномерно его заполнить. После прохождения стрельчатой лапы, приподнятый слой почвы засыпает высеянные на заданную глубину семена. Идущие следом катки 6, прикатывают и выравнивают дневную поверхность почвы.

Рисунок 1. Конструктивно-технологическая схема пневмомеханической высевающей системы для подпочвенного разбросного посева

зерновых культур.

Качество работы посевной машины с пневмомеханической высевающей системой зависит от правильности определения её конструктивных параметров и выбора режимов её работы.

В теоретическом исследование движения зерна в системе семяпровод – распределитель - сошник – почва; в условиях пневмомеханической подачи, учтены следующие варьируемые величины: скорость воздушного потока подающегося в семяпровод –с, м/с; форма и размеры распределителя, диаметр воздухопроводящей трубки –d, мм и месторасположение её по высоте семяпровода –H, мм; угол подвода воздушного потока , град. и расход зерна в единицу времени –Q,шт/с.

Исследования движения зерна осуществлялось с учетом изменения условий его движения на четырёх участках, которые представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема движения зерна в пневмомеханической высевающей системе: I - свободное движение зерна в семяпроводе; II - движение зерна в зоне воздушного потока; II - движение зерна в подсошниковом пространстве; IV – распределение зерна по семенному ложу.

В зоне I – при свободном движении зерна в семяпроводе уравнение движения семени, с учётом силы сопротивления воздуха, выглядит следующим образом:

(1)

где k – сила сопротивления воздуха приходящаяся на единицу массы;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

e – основание натурального логарифма.

Семена движутся без соударений, лишь на ограниченных участках, так как семяпровод имеет изгибы. При ударе зерна о поверхность семяпровода, выполняется работа, вызывающая деформацию зерна, и работа по преодолению силы трения. Поэтому при расчетах использовалась теорема об изменении количества движения:

, (2)

Было принято условие допущение, что зерно после удара не отскочит, а начнёт скатываться или скользить по поверхности семяпровода (рисунок 3).

Рисунок.3. Схема перемещения зерна по наклонной поверхности семяпровода.

Поэтому реакция связи R имеет две составляющие: нормальную N, и тангенциальную, то есть силу трения Fтр.

Зерно на данном этапе своего пути испытывает действие следующих сил:

- сила тяжести G = (0, 0, - mg);

- нормальная составляющая силы реакции ;

- сила трения ;

- сила сопротивления воздуха .

Основное уравнение динамики для несвободно движущегося зерна, будет иметь вид:

, (3)

Используя множитель Лагранжа , получаем схему расчёта скорости зерна соответствующее уравнению (3), при скольжении в следующем виде:

(4)

где f – коэффициент трения,

m – масса зерна, кг.

При рассмотрении движении зерна, в зоне II - воздушного потока, закон движения можно описать следующей системой дифференциальных уравнений:

(5)

где Vx, Vy, Vz - проекции скоростей зерна на оси координат, м/с;

, , -коэффициенты, учитывающие изменения направления

воздушного потока (начальные их значения = = =1);

Систему (5) дополним следующими начальными уравнениями:

(6)

где - проекции скорости зерна движущихся в семяпроводе под действием воздушного потока.

С учетом уравнений (5) и начальными условиями (6) получим разностную схему первого порядка для расчёта скорости зерна в данной зоне:

(7)

На движущееся зерно, на данном участке, действуют следующие силы:

• сила тяжести ,
• сила инерции ,
• сила реакции ,
• сила трения ,
• сила воздушного потока в семяпроводе ,

где - координаты движущегося зерна,

- скорость зерна.

Дифференциальные уравнения движения зерна по внутренней поверхности семяпровода можно представить в следующем виде, на этом участке:

(8)

где - коэффициент трения качения;

- масса зерна, кг;

R – величина характеризующая силу реакции поверхности, направленную вдоль нормали.

При рассмотрении движения зерна в зоне III - подлапового пространства, необходимо учитывать условие ограничения поверхностью сошника и распределителя.

Попадая в сошник, семена ударяются о поверхность распределителя. Чтобы равномерно заполнить подлаповое пространство семена, должны двигаться согласно схеме, представленной на рисунке 4

Рисунок. 4. Схема полёта зерновки в подлаповом пространстве после удара о поверхность распределителя.

где g – ускорение свободного падения, м/с2;

d – горизонтальная составляющая траектории полёта зерна, м;

h – высота падения зерновки, после соударения с распределителем, м;

V1 – скорость зерновки в момент начала удара о распределитель, м/с;

V2 – скорость зерновки после удара о поверхность распределителя, м/с.

V1n, V2n, - нормальные составляющие скорости, в начале и в конце удара, м/с;

V1, V2, - тангенциальные составляющие скорости, в начале и в конце удара, м/с;

– угол между вектором скорости V1 и нормалью к поверхности, распределителя, град;

– угол образованный вектором скорости V2 и нормалью к поверхности распределителя, град;

– угол образованный вектором скорости V2 и горизонтальной плоскостью, град;

– угол образованный поверхностью распределителя и горизонтальной плоскостью, град.

Скорость, которой будет обладать зерновка, после соударения с поверхностью распределителя, для перемещения на расстояние d, при высоте удара h, от опорной поверхности стрельчатой лапы определяется по формуле.

, (9)

Выразив угол через известный параметр , с учетом что угол = , получаем формулу для расчёта необходимой скорости полёта зерна после соударения с поверхностью распределителя:

, (10)

Пользуясь известными зависимостями, через V2 находим: