Обоснование параметров и режимов работы дискового скарификатора для предпосевной обработки семян многолетних бобовых трав

На правах рукописи

Вербовский Александр Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ

ДИСКОВОГО СКАРИФИКАТОРА ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ

СЕМЯН МНОГОЛЕТНИХ БОБОВЫХ ТРАВ

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск 2009

Работа выполнена на кафедре «Тракторы и автомобили, сельскохозяйственные машины и механизация животноводства, ремонт машин» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Омский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Шевченко Анатолий Павлович

Официальные оппоненты: Домрачев Виктор Андрианович,

доктор технических наук,

член - корреспондент Россельхоакадемии

(ГНУ СибНИИСХ СО Россельхозакадемии)

Торопов Виктор Романович,

кандидат технических наук

(ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакадемии)

Ведущая организация: ФГОУ ВПО АГАУ

Защита диссертации состоится 15 декабря 2009 года в 9 часов на заседании диссертационного совета ДМ 006.059.01 при Государственном научном учреждении Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Сибирского отделения Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: Новосибирская область, Новосибирский район, п. Краснообск-1, а/я 460 ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакадемии; телефон, факс (383) 348-12-09.

www.sibime.sorashn.ru; e-mail: sibime@ngs.ru

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакадемии.

Автореферат разослан 14 ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук В.С. Нестяк

Общая характеристика работы

Актуальность темы. За последние десятилетия валовое производство семян трав сократилось в 3-4 раза по сравнению с 80-ми годами XX века, а кондиционные семена составляют около 40% их валового сбора. Решение проблемы удовлетворения потребности отрасли кондиционным семенным материалом во многом определяется эффективностью технологического и технического обеспечения процессов очистки и предпосевной подготовки семян. Применяемые технологии производства семян в большинстве своём морально устарели, а физический износ техники достигает 80 - 90%. Отсутствие в хозяйствах очистительных и специальных машин для обработки семян приводит к значительным их потерям в процессе послеуборочной обработки. Причём имеют место потери связанные с травмированием, и как следствие, ухудшением всхожести семян. Основными причинами повышенного расхода остро дефицитных семян многолетних бобовых трав являются их твердокаменность и высокая прочность поверхностной пленки, сдерживающие набухание зерна и не позволяющие развиваться зародышу семени. Это приводит к длительной затяжке всходов и безвозвратной потере части высеянных семян, кроме того, неравномерные всходы резко снижают и урожайность, и общую продуктивность растительной массы.

Наиболее доступным, простым и производительным является механический способ нарушения герметичности покрывающей пленки семян. Применяемые для этой цели скарификаторы, имея рабочие органы высокой твердости и высокие скорости воздействия на семена, не в полной мере обеспечивают хорошее качество и часто чрезмерно повреждают семена в процессе их обработки. Кроме этого, дозирующие и распределительные подающие устройства скарификаторов не обеспечивают равномерности подачи семян на рабочий орган, что отрицательно сказывается на качестве их обработки.

Отсюда вытекает необходимость совершенствования конструкций скарификаторов семян с целью устранения вышеотмеченных недостатков.

Цель исследования – повышение эффективности скарификации семян многолетних бобовых трав.

Объект исследования – технологический процесс скарификации семян многолетних бобовых трав дисковым скарификатором с нижним фрикционным диском и дозирующим устройством.

Предмет исследования – закономерности взаимодействия элементов дискового скарификатора с нижним фрикционным диском и дозирующим устройством и семян многолетних бобовых трав.

Рабочая гипотеза: повысить качество скарификации предложено за счёт обеспечения равномерности распределения и подачи семян в дисковом скарификаторе с нижним фрикционным диском и дозирующим устройством.

Научная новизна.

1. Получены дифференциальные уравнения движения семян по рабочим элементам дискового скарификатора, определяющие его конструктивно-режимные параметры.
2. Определены закономерности взаимодействия семян многолетних бобовых трав с рабочими элементами дискового скарификатора.
3. Обоснованы технологические параметры и режимы работы дискового скарификатора.

Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на полезную модель.

Методы исследования. Работа выполнена в период 2005-2009 гг в Омском государственном аграрном университете на кафедре «Тракторы и автомобили, сельскохозяйственные машины и механизация животноводства, ремонт машин» в соответствии с планами НИР кафедры в рамках государственной темы № 012.00002130 - «Совершенствование технологических процессов зональных сельскохозяйственных машин, повышение их агроэкологической эффективности» сроком действия с 2005 по 2010 г.

В аналитических исследованиях использованы методы и положения теоретической и технической механики, методы решения дифференциальных уравнений. При экспериментальном исследовании применялись методы планирования многофакторных экспериментов и математического моделирования. При обработке результатов исследования – методы математической статистики, теории вероятностей, линейного программирования.

При теоретических исследованиях и обработке результатов экспериментов вычисления производились на ПЭВМ с использованием программ Math CAD, EXCEL.

Практическая значимость. Применение разработанного устройства обеспечивает:

- качественную скарификацию семян многолетних бобовых трав;

- снижение расхода семян при посеве;

- повышение всхожести семян многолетних бобовых трав;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в учебно-методических целях, а также проектно-конструкторскими организациями для разработки новых скарификаторов семян.

Апробация работы. Основные материалы работы в период с 2005 по 2009 гг. докладывались на Международных и региональных конференциях, в частности: на Международном научно - техническом форуме (г. Омск, март 2009); региональной научно-практической конференции посвящённой 90-летию ОмГАУ (г. Омск, март 2008).

Внедрение. Изготовленная установка «Скарификатор» в 2008 году прошла приёмочные испытания в ООО «Ложниковское» Тарского района Омской области.

Публикации. По теме диссертации опубликованы пять научных статей, в том числе одна статья в рецензируемом журнале из перечня рекомендованных ВАК. Получен патент РФ на полезную модель.

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

Содержание работы изложено на 137 страницах, включает 23 таблицы, 30 рисунков и 10 приложений на 21 странице. Список использованной литературы включает 95 наименований, в том числе 5 источников на иностранном языке.

Содержание работы

Во введении раскрыта актуальность темы исследования, сформулирована цель работы и кратко изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены народнохозяйственное значение и особенности производства семян многолетних бобовых трав в Сибири, основные физико-механические и агробиологические свойства семян бобовых трав, проведён обзор методов скарификации семян многолетних бобовых трав и влияние механических средств уборки и послеуборочной обработки на содержание твердосемянности бобовых трав. Приведены основные требования к машинам для скарификации семян многолетних бобовых трав, дана их классификация.

Приведён анализ современных и перспективных технических решений по предпосевной обработке семян многолетних бобовых трав. На основании проведённой работы сделан вывод, что важнейшим агротехническим требованием к предпосевной обработке семян многолетних бобовых трав является качественная их скарификация.

Проблеме повышения эффективности процессов предпосевной обработки семян посвящены работы Ю.Д. Ахламова, Р.В. Брикмана, А.С. Вишнякова, П.А. Власова, И.А. Довнар, У.М. Сагалбекова, А.Ф. Степанова, А.Ф. Черкашина, В.В. Черника, Ж.А. Яртневой и других. Исследователями доказано, что проведение предпосевной обработки семян многолетних бобовых трав даёт прибавку урожая от 10 до 26,5 % и снижает норму высева семян на 30% за счёт улучшения посевных качеств семян.

Для реализации поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

1. Выявить закономерности взаимодействия рабочих элементов скарификатора с семенами.

2. Обосновать параметры и режимы работы дискового скарификатора.

3. Определить качественные показатели работы экспериментального дискового скарификатора.

4. Оценить экономическую эффективность полученных результатов.

Во второй главе, в соответствии с поставленными задачами, рассмотрены особенности технологической схемы и обоснованы конструктивные параметры и режимы работы дискового скарификатора. Для описания характера взаимодействия семян с рабочими поверхностями выбрана модель движения материальной точки. Такое допущение оправдывает себя тем, что позволяет описать процесс движения частицы поэтапно, а значит более точно. Кроме этого будем считать, что семена равномерно подаются в семяпровод дозирующим устройством.

Движение частицы условно можно разделить на три этапа (рисунок 1): свободное движение зерна в системе семяпровод-конус, движение зерна в щелевом пространстве (зона вращающегося диска) и движение зерна в приемной камере скарификатора.

Рисунок 1 – Схема скарификатора с указанием рабочих органов

1. Свободное движение семян в семяпроводе и на поверхности конуса.

На участках полёта семян в воздушной среде семяпровода закон движения описывается следующей системой обыкновенных дифференциальных уравнений:

(1)

где V – скорость семени; m - масса семени; , , - коэффициенты, учитывающие изменения направления семенного потока (начальные их значения = = = 1); - ускорение свободного падения.

Систему (1) дополним следующими начальными уравнениями:

, (2)

где - скорость семенного потока в семяпроводе.

Так как при ударе семени о различные поверхности происходит изменения его траектории движения в семенном потоке и при этом выполняется работа по деформации семени и работа по преодолению силы трения необходимо дать характеристику удара.

Для этого можно принять следующую упрощённую модель удара:

(3)

где - скорость семени в начале удара; - вектор нормали к поверхности в точке удара; - скалярное произведение; - коэффициент восстановления; - коэффициент трения, .

Заменим систему дифференциальных уравнений (1) с начальными условиями (2) на разностную схему первого порядка точности (t):

(4)

(5)

Получаем практическую схему для вычислений:

(6)

, , (7)

, , (8)

Пусть поверхность, по которой движется зерно массой m, задана уравнением связи:

(9)

где - текущие координаты точек поверхности в трёхмерном пространстве.

На движущееся семя действуют силы:

• сила тяжести ;
• сила инерции
• сила реакции ,

гдеR – величина, характеризующая силу реакции

• сила трения ,

где - координаты движущегося семени; - скорость семени.

Дифференциальные уравнения движения семени по внутренней поверхности семяпровода можно представить в следующем виде:

(10)

где поверхность задана уравнением

(11)

Начальные условия определим следующим образом:

В результате преобразований системы получим итерационную схему расчета скорости и координат семян.

(12)

Таким образом, получим:

, , (13)

, , , , , (14)

Уравнения поверхностей ограничения движения семян внутри семяпровода при достижении конуса будут иметь вид:

( 0) (15)

( 0) (16)

Движение семян в семяпроводе и на поверхности конуса зависит от следующих параметров: h – высота конуса; h1 – расстояние от расположения семени до вершины конуса; h2 – зазор между дисками; r1 – радиус окружности сечения основания конуса; r3 – радиус окружности сечения семяпровода (рисунок 2).

Радиус окружности сечения конуса (r2) на высоте расположения семени (z1) вычисляется из пропорции: .

Рисунок 2 – Схема движения семян в семяпроводе и на поверхности конуса:

Таким образом, или . - компоненты вектора нормали к поверхности в точке

- модуль вектора скорости.

Учитывая, что

имеем , , .

Кроме того

имеем , , .

Далее обратимся к формулам 12, 13, 14 для получения практической схемы движения семян на диске скарификатора.

2. Движение семян в зоне вращающегося диска.

Семя с очень малой поступательной скоростью попадает на вращающийся в горизонтальной плоскости диск. Вследствие вращения диска семя начинает перемещаться по его поверхности. Семя, находящееся на диске будет испытывать действие следующих сил, указанных на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема сил, действующих на семя, находящееся на диске

1. сила инерции:

(17)

где - сила инерции; m- масса семени, - частота вращения диска; h- расстояние от точки до центра системы координат; al -тангенциальное ускорение.

2) сила Кориолиса: (18) где – сила Кориолиса, - ускорение Кориолиса

(19) Опуская координату z:

(20)

3) сила трения:

(21)

где – сила трения; f - коэффициент трения; N - нормальная реакция.

4) вес:

P = m·g, (22)

где P- вес; g- ускорение свободного падения.

Общее уравнение движения имеет вид:

(23)

Дифференциальные уравнения движения по отношению к вращающейся системе координат xOy:

(24)

Сокращая на m получим:

(25)

От системы с уравнениями второго порядка перейдем к системе первого порядка.

Введем замены:

(26)

Определим начальные условия.

Очевидно, что при попадании на различные части диска семя имеет различные координаты (x(t),y(t)), однако достаточно рассмотреть положение семени на одном радиусе, на любом другом радиусе траектория движения будет повторяться. Условимся для простоты вычислений, что движение рассматривается по оси Ox, т.е. первые начальные условия имеют вид: x(0)=x, y(0)=0, где x(20,400).

Линейная скорость направлена по касательной к траектории движения, следовательно, в начале движения составляющая , а составляющая

Итак, начальные условия:

Учитывая замены получим:

(27)

При интегрировании данной системы необходимо учитывать, что траектория движения не будет соответствовать пути, пройденному семенем, по времени. Для нахождения длины пути необходимо считать интеграл по переменному верхнему пределу:

. (28)

При нахождении приращения необходимо проверять то, что верхний предел должен подчиняться условию:

, (29)

где r – радиус диска.

Проинтегрируем каждое неизвестное системы в виде ряда Маклорена:

, (30)

где р – неизвестная функция.

Для интегрирования воспользуемся методом Рунге-Кутта, четвертого порядка точности, т.е, когда в разложении удерживаются члены до h4 включительно.

После всех необходимых преобразований каждое последовательное приближение будет иметь вид:

(31)