Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 10
1.1. Почвенно-климатические условия Республики Бурятия 10
1.2. Агротехнические требования к посеву зерновых 12
1.3. Обзор способов посева зерновых и их механизация 14
1.4. Формирование урожая зерновых культур и их основные факторы 19
1.5. Тенденция развития посевных машин 24
1.6. Патентный обзор распределительных устройств
Выводы и задачи исследования 36
ГЛАВА 2. Теоретические исследования рабочего процесса сеялки для подпочвенно-разбросного посева семян
2.1. Динамическая модель стерневой сеялки 38
2.2. Анализ технологического процесса высева семян зерновых культур
2.3. Тяговое сопротивление стерневой сеялки 49
2.4. Анализ процесса движения зерновки по семяпроводной системе стерневой сеялки
2.5 Обоснование конструктивных параметров распределителя 61
2.6 Компьютерное моделирование технологического процесса высева семян сошником для подпочвенно-разбросного посева
Выводы по второй главе 67
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований для распределителя подпочвенно-разбросного сошника
3.1. Программа экспериментальных исследований 68
3.2. Методика экспериментального исследования 69
3.2.1 Выбор места для проведения испытаний 69
3.2.2. Экспериментальная установка. Приборы и аппаратура, используемые при исследовании
3.2.3. Сошники для подпочвенно-разбросного посева 75
3.3. Методика лабораторных исследований сошника подпочвенно- разбросного посева
3.3.1 Методика обработки опытных данных и оценка погрешности 81
измерений при исследованиях
3.3.2. Методика определения физико-механических свойств семенного материала
3.3.3. Методика определения твердости и влажности почвы 89
3.3.4. Методика определения равномерности распределения семян зерновых по площади высева
3.4. Планирование экспериментов с использованием регрессионного анализа и планов первого и второго порядков
3.4.1. Общие положения 96
3.4.2. Метод априорного ранжирования факторов 99
3.4.3. Ортогональное планирование второго порядка 101
3.5 Методика полевых исследований
3.5.1. Методика определения равномерности распределения растений по площади и полевой всхожести семян зерновых
3.5.2. Методика определения глубины заделки семян 105
3.5.3 Методика определения урожайности 106
Выводы по главе 107
ГЛАВА 4. Анализ результатов экспериментальных исследований и полевых опытов
4.1 Результаты исследования данных эксперимента по формированию полосы высева семян
4.2 Определение свойств семян зерновых культур по физико- механическим характеристикам
4.3. Результаты лабораторных исследований 113
4.4 Результаты и анализ метода априорного ранжирования факторов 116
4.5. Результаты полнофакторного эксперимента по оптимизации параметров распределителя лапового сошника
4.6. Результаты полевых испытаний 127
Выводы по главе 134
ГЛАВА 5. Технико-экономическая оценка эффективности внедрения сеялки для подпочвенно-разбросного посева
5.1. Расчет годового экономического эффекта 136
5.2. Показатели экономической эффективности 140
Общие выводы и предложения 142
Список использованной литературы 144
- Формирование урожая зерновых культур и их основные факторы
- Обоснование конструктивных параметров распределителя
- Экспериментальная установка. Приборы и аппаратура, используемые при исследовании
- Определение свойств семян зерновых культур по физико- механическим характеристикам
Введение к работе
Актуальность темы. В условиях рыночной экономики сельское хозяйство становится важнейшей отраслью народного хозяйства, от его развития зависит жизненный уровень и благосостояние населения.
Главная задача сельскохозяйственного производства это получение высоких урожаев с хорошим качеством зерна. Основы будущего урожая закладываются в области технологии посева зерновых. Эффективность работы стерневой сеялки во многом определяется равномерностью распределения семенного материала, как по площади поля, так и по глубине заделки.
При равномерном распределении семян лучшие условия питания, воздухообмена и освещенности растений, дружнее всходы, следовательно, выше урожайность.
Наиболее полно соответствует требованиям равномерного распределения семян зерновых культур по площади в республике Бурятия, в зоне недостаточного увлажнения, подпочвенно-разбросной посев.
Поэтому работа по совершенствованию технологического процесса распределения семян по площади при подпочвенно-разбросном посеве зерновых является актуальной.
Работа выполнена в соответствии с комплексной научно-технической темой БГСХА «Программа фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК в бассейне озера Байкал» по проблеме «Элементы формирования эффективной инженерно-технической системы АПК», с 2006 … 2011 г. номер государственной регистрации ФГУП ВНТИЦ 0120.0 712169, по проблеме «Формирования эффективной инженерно-технической системы АПК», 2011 … 2015 г., номер государственной регистрации 01201156752.
Цель работы. Повышение эффективности посева семян зерновых культур путем совершенствования технологического процесса распределения семян по площади питания.
Объект исследования. Технологический процесс подпочвен-но-разбросного посева зерновых культур с оптимальным размещением семян по площади питания.
Предмет исследования. Закономерности процессов движения семян по семяпроводной системе сеялки.
Научная новизна:
-
Разработана структурная модель технологии посева семян зерновых культур подпочвенно-разбросным способом.
-
Разработана математическая модель траектории движения семян в подсошниковом пространстве стерневой сеялки.
3. Разработаны конструкция и параметры распределителя,
обеспечивающие рациональное размещение семян зерновых культур.
4. Техническая новизна разработанных рабочих органов под
тверждена двумя патентами РФ на полезную модель.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-структурная модель посева семян сельскохозяйственных культури внесения удобрения, которая позволяет выявить рабочие органы, влияющие на качество посева;
- математические модели сошника для подпочвенно-
разбросного посева семян зерновых культур и распределителя семян;
-экспериментальные зависимости оценочных показателей работы сошника для подпочвенно-разбросного посева зерновых культур с распределителем для равномерного распределения семян по площади питания этих культур;
- результаты сравнительных испытаний экспериментальных
рабочих органов с серийными и расчет экономической эффективно
сти их применения.
- конструктивные и технологические параметры распределите
ля семян для подпочвенно-разбросного посева зерновых культур.
Практическая значимость работы. Посевной агрегат для
подпочвенно-разбросного посева зерновых культур с разработанным
распределителем прошел производственную проверку и внедрен
УНПП «Овощи», СПК «Колхоз Искра», ФГУП «Байкальское» СПК «Прибайкалец» Республики Бурятия.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийских и региональных научных конференциях Бурятской ГСХА (г. Улан-Удэ, 2005…2010 г.г.), ВСГУТУ (г. Улан-Удэ, 2011…2015 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 2 патента РФ на полезные модели и две статьи в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Работа изложена на 197 страницах и содержит 68 ри-
сунков, 18 таблиц и 16 приложений. Список использованной литературы включает 157 наименований, в том числе 3 на иностранном языке.
Формирование урожая зерновых культур и их основные факторы
Узкорядный посев Общеизвестно, что зерновые культуры обладают способностью Квадратно-гнездовой способ посева или перекрестный куститься, т.е. одно зерно может давать несколько колосоносных стеблей. Но при рядовом посеве кущение слабое. Недоразвитость растений, слабое кущение – результат ожесточенной борьбы растений на неправильных формах площади питания. Необходимость улучшения распределения семян по площади питания привела к изысканию конструкции двухстрочного сошника с междурядьем 7,5 см. Опытные данные научных исследований показали, что узкорядный способ посева (рис. 1.4) в результате лучшего распределения семян по площади питания повышает урожайность зерновых на 1…3 ц/га по сравнению с рядовым. При этом способе растения размещаются более равномерно и, хорошо затеняя почву, лучше заглушают сорняки, полнее используют микроэлементы, влагу и солнечную энергию [8, 20].
Стремление получить площадь питания, близкую к квадрату, привело к перекрестному посеву (рис. 1.5). Такой посев производится в два прохода сеялки, вдоль и поперек поля, причем норма высева в два раза меньше, чем при обычном рядовом посеве. Перекрестный способ способствует повышению урожайности, но ему присущи и недостатки, основными из которых являются двойная затрата труда, топливо-смазочных материалов, времени на единицу засеянной площади. Кроме того, он дает излишнее скопление в точках пересечения продольных и поперечных рядков. При втором проходе часть заделанных семян выносится сошниками на поверхность поля, что снижает качество сева [12].
Пунктирный способ посева или точный распределения семян по поверхности поля является безрядковый посев широкой лентой. Во время движения сошника на установленной глубине почва поднимается лапой на 3…4 см и открывается широкое дно борозды. К этому виду относится подпочвенно-разбросной посев. Зерновая струя, падая на отражательную пластинку, разлетается, и семена довольно равномерно распределяются по горизонтальной подсошниковой полости [11].
Применение точного посева семян обеспечивает экономию семян и главное – сокращение затрат труда на операциях по уходу за растениями, а также повышение урожайности в связи с возможностью своевременного механизированного проведения последующих работ с использованием химических средств борьбы с сорняками и вредителями растений. Однако правильное и полное использование точного посева сдерживается отсутствием в хозяйствах в необходимом объеме биологически высоковсхожих районированных сортов семян, а также недостаточным качеством их калибрования на семенных заводах. Высока засоренность семян. Отстает от требований сегодняшнего дня качество подготовки полей под посев [25, 43].
Равномерное распределение семян по площади питания и стабильная заделка их на заданную глубину создают оптимальные условия для прорастания семян и дальнейшего развития растений. Поэтому качество посева во многом определяется конструкцией рабочих органов, их параметрами и рабочими режимами [8, 3]
Большое влияние на появление дружных всходов, развитие растений и формирование высоких урожаев сельскохозяйственных культур в различных почвенно - климатических условиях оказывает качество подготовки семенного ложа. Л. Хенриксон (Швеция) [67] считает, что это очень важно, поскольку весной испарение влаги высокое, а количество выпадающих осадков часто небольшое. Тщательная подготовка семенного ложа необходима при ограниченных запасах влаги в почве. Требуемое размещение семян получается тогда, когда сошники сеялки опираются на твердое дно семенного ложа на необходимой глубине заделки семян.
Основа будущего урожая закладывается при выборе сроков сева. Данные [5, 7, 8, 10, 32] подтверждают, что сроки сева даже в одной и той же зоне изменяются в зависимости от погодных и почвенно - климатических условий. Максимальная урожайность, как правило, соответствует оптимальному сроку сева. Ранний или поздний посев в любой зоне приводит к потере урожая [10]. Для условий Бурятии оптимальные сроки сева зерновых культур -10...15 мая [7, 10].
Формирование урожая в полевых условиях - многофакторный процесс. Влияние всех факторов учесть без исключения очень трудно и невозможно. Существуют численно неопределяемые факторы, такие как срок сева, структура посевных площадей и др., а также неуправляемые факторы (такие как погодные явления). Урожайность является выходным параметром системы производства зерновых культур, которая относится к интегральным факторам, учитывающим влияние всех остальных факторов. А также представляет собой произведение числа растений на единице площади и средней продуктивности единичного растения. Но следует учитывать погодно-климатические условия, которые оказывают значительное влияние на урожайность возделываемых зерновых культур в любой географической точке мира. Основной технологической операцией при возделывании зерновых культур является посев, который задает уровень режима питания растений, зависящий также от местоположения поля в системе севооборота, состава и качества почвы и других факторов.
Проблема оптимальной площади питания может быть решена достаточно просто. Для этого необходимо выяснить сортовые особенности каждой из зерновых культур, возделываемых в той или иной почвенно-климатической зоне. И приняв во внимание все факторы, высевать определнные количества семян на единицу площади для обеспечения нормального пищевого режима растений.
Обоснование конструктивных параметров распределителя
На основании теоретического анализа динамики стерневой сеялки в продольно-вертикальной плоскости можно отметить, что стерневая сеялка является колебательным звеном и степень колебательности определяется интегральным критерием ( ).
Динамические характеристики, определяемые уравнениями 2.6 и 2.7, отражают поведение стерневой сеялки в переходных процессах. Исследование и анализ динамических свойств звеньев каждого этапа и всей системы (сеялки в целом) важны для выбора рациональных схем управления технологическим процессом работы сеялки и обоснования конструктивно-технологических параметров по совершенствованию рабочих органов сеялки.
Анализ технологического процесса высева семян зерновых культур сеялкой позволяет выделить пять этапов (рис.2.3.) [17, 32, 69, 121].
К первому этапу относится загрузка бункера, при которой основными показателями оценки исполнения бункером технологической операции являются: у1 – производительность машины, у2 – коэффициент использования времени смены, на которые влияют х1 – емкость бункера и х2 – время загрузки. Второй этап включает истечение семян из бункера в высевающие аппараты, характеризующиеся у3 – стабильностью высева, зависящей от х3 – формы бункера и х4 - непрерывности истечения. Третий этап характеризуется дозированием семян в высевающем устройстве, на что влияют: х5 - норма высева семян, хб - технологические свойства семян и колебания сеялки в продольно - вертикальной и горизонтальной плоскостях (а, щ).
Оценочными выходными показателями высевающего аппарата являются: у4 - урожайность, у5 - универсальность и уб- стабильность высева. Задача семяпровода заключается в доставке семян от высевающего аппарата к сошнику, на что влияют: х7 - конструкция семяпровода, х8 - высота падения, х9 - колебания сошника относительно рамы и х10 - колебания рамы сеялки. Оценочными показателями четвертого этапа являются: стабильность подачи семян - у7 и равномерность распределения по площади семян у8. На заключительном этапе показателями оценки работы сошников являются: у9 -равномерность распределения семян по ширине захвата сошника и глубине заделки семян и у10 - энергоемкость, зависящая от хи - состояния поверхности поля и х12 - универсальности сошников [37, 17, 32, 69, 118, 119, 121].
Технологический процесс высева семян сельскохозяйственных культур включает цикл отдельных технологических операций, направленных на создание условий для равномерного истечения семян из высевающего аппарата и распределения их в бороздке по ширине захвата лапового сошника, обеспечивающих интенсивный рост растений и качественный урожай. Факторы хь х2, х3,…, х12, влияющие на соответствующие технологические операции высева, оцениваются качеством их исполнения при минимальных энергетических и материальных затратах [17, 32, 119, 121].
По результатам исследования динамике процессов стерневой сеялки и технологического процесса высева семян зерновых культур нами обоснована целевая функция условной продуктивности с единицы площади ( , руб./га) по методике, предложенной профессорами А.В. Цугленком, А.А Вишняковым [17]. 2? Z (2.13) где – продуктивность почвы (урожайность зерна) ц/га; С – стоимость единицы продукции, руб./ц; – дополнительная продукция (возможный недобор продукции) из-за изменения технологии и средств механизации (ц/га); З – затраты на получение продукции с единицы площади, руб./га; – дополнительные затраты на i-ю операцию технологии посева при получении продукции с единицы площади, руб./га. По перечисленным показателям применяемые рабочие органы посевных машин должны обеспечивать высокий технико-экономический эффект.
Задача максимума разрешима, если при системе ограничений будут выполняться следующие условия: Анализ целевой функции (2.13) показывает, что взаимодействие рабочих органов посевных машин с почвой, удобрениями, растительными остатками должно обеспечить сохранение и повышение естественного плодородия почвы с достижением наивысшего агротехнического эффекта работы машины при минимальных затратах, изысканием путей снижения уровней всех составляющих затрат.
Технологический процесс высева семян сельскохозяйственных культур должен обеспечить высокий технико-экономический эффект, при котором общая целевая функция (2.13) стремится к максимуму. Для достижения максимального эффекта по равномерному распределению семян по площади и глубине заделки необходимо, чтобы затраты качественного выполнения высева семян и соответствующие материальные и энергетические затраты на получение единицы продукции были минимальными.
Экспериментальная установка. Приборы и аппаратура, используемые при исследовании
Теоретическое исследование технологического процесса высева семян сошником для подпочвенно-разбросного посева не может полно отразит динамику движения с учетом всех воздействующих на семена факторов, но имеющиеся информационные технологии позволяют учесть большинство внешних воздействий на объект исследования и ускорить задачу проектирования.
В этом случае важно выбрать методику формирования модели, дающего наименьшую погрешность при расчетах и не зависящую от опыта работы и интуиции оператора. При этом немаловажную роль отводится пакету прикладных программ реализующих МКЭ (Метод конечных элементов). Для МКЭ характерны: широкий диапазон применимости, инвариантность по отношению к геометрии конструкции и механическим характеристикам материалов, простота учета взаимодействия конструкций с внешней средой (механические и температурные нагрузки, граничные условия и т.д.), высокая степень приспособленности к автоматизации всех этапов расчета.
Расчет инженерных конструкций несущих и сопутствующих систем сельскохозяйственных машин по МКЭ аналогичен с расчетом методами статики конструкций. За основные неизвестные принимаются: кинематические величины (перемещения, производные перемещений, компоненты деформаций и др.) и статические величины (внутренние силы, компоненты напряжений и др.). При этом в зависимости от способа выбора основных неизвестных в узлах различают три основных вида МКЭ: метод деформаций, метод сил и смешанный или гибридный метод.
Разработанные процедуры построения моделей проектной области размещения металлоконструкций и эксплуатационной нагруженности несущей системы посевной машины, с учетом воздействия внешних факторов, позволили создать систему эффективного использования металла в конструкции сошника и получить качественно новые результаты при его проектировании.
Разработанный метод синтеза рациональной структуры несущей системы зерноуборочных машин основан на выделении теоретически рациональной силовой схемы из проектной области размещения металла, что позволило применить МКЭ, реализованный на ЭВМ в пакете прикладной программы Algodoo v.2.1.0. Исследования воздействий на семена, при их движении по семяпроводу высевающей системы машины позволили выделить и описать конструктивные факторы, определяющие эффективность процесса. Внешний вид компьютерной виртуальной модели высевающего аппарата в пакете прикладной программы Algodoo v.2.1.0. представлен на рис. 2.12.
Проведенные теоретические исследования процесса распределения семян зерновых культур позволили получить; - целевую функцию условий продуктивности с единицы площади при посеве семян зерновых культур. - структурную модель предпосевной подготовки почвы, посева семян зерновых культур и внесения удобрений, учитывающее подпочвенное разбрасывание семян и удобрений. - теоретические исследования позволяют определить форму криволинейного и длину горизонтального участков образующей распределителя, рассчитать траекторию параметры его установки в сошнике, обосновать конфигурацию заднего обреза распределителя, рассчитать траекторию движения семян по семяпроводной системе и определить параметры разбрасывателя. ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований для распределителя подпочвенно-разбросного сошника 3.1. Программа экспериментальных исследований
Технологический процесс работы посевных агрегатов при посеве зерновых культур это сложный процесс и для успешного решения поставленных задач при исследовании, была разработана программа экспериментальных исследований для изучения распределителя лапового сошника для подпочвенно-разбросного посева зерновых культур для проверки теоретических предпосылок и обоснования основных конструктивных и технологических параметров. В эту программу входило:
Исследования проводились в течении с 2005 по 2015 годы на полях сельскохозяйственных предприятий Республики Бурятия: УНПП «Овощи» от БГСХА им. В.Р. Филиппова, ОПХ «Байкальское», СПК «колхоз Искра».
Результаты полевых испытаний экспериментальной сеялки с предлагаемым распределителем семян зерновых культур, установленных на лаповые сошники рассматривались в сравнении с результатами работы стерневой сеялки-культиватора СЗС-2,1 (Приложение 5).
Определение свойств семян зерновых культур по физико- механическим характеристикам
Агротехническую оценку проводили по ОСТ 10.5.1-2000. Условия проведения испытаний экспериментальной сеялки приведены в таблице 4.11, а результаты испытаний в таблице 4.12. На рисунке 4.21 показан общий вид посевов пшеницы, произведенной сеялками СЗС-2,1 и экспериментальной СЗС-2,1. Испытания проведены в сравнении с сеялкой СЗС-2,1, работающей в УНПП «Овощи», СПК «Колхоз Искра», СПК «Прибайкалец» и ФГУП «Байкальское».
Серийная сеялка - СЗС-2,1 была отрегулирована на оптимальную глубину заделки семян для хозяйства – 40-60 мм и норма высева выставлена на 200 кг/га. Для сравнения в производственных условиях качество работы экспериментальной и серийного агрегатов были заложены сравнительные опыты на одном поле в одинаковых условиях с доведением до урожайности. Контрольное измерение хлебостоя пшеницы представлено в таблице 4.13.
В ходе роста пшеницы проведены контрольные измерения 05.08.2015 г. и 13.08.2015 г. (табл. 4.13). При молочно-восковой спелости (05.08.2015г.) отмечена большая влажность зерна. Для определения интенсивности созревания необходимо придерживаться специальных агрономических требований. После появления всходов 12 июня были проведены фенологические наблюдения и снятие основных показателей необходимых для нашего исследования, которые приведены в таблице 4.10. Из таблицы видны явное превосходство экспериментального сошника над серийным. Таблица 4.12. Агротехнические показатели при внутрихозяйственной проверке
По всем показателям подпочвенно-разбросной посев с распределителем семян имеет значительное превосходство перед подпочвенно-разбросным без распределителя (рис. 4.22). Масса одного колоса при посеве экспериментальной сеялкой на 27,01% выше, чем у посева с серийной сеялкой СЗС-2,1 (табл. 4.7). По степени засоренности поля эти два варианта посевов практически одинаковы. Применение гербицидов на всей площади полей позволило снизить засоренность. Затем при уборке согласно методике изложенной в подглаве (3.5.3 методика определения урожайности) при 14% влажности и 100% чистоте определили урожайность с опытных делянок. У делянок, в которых был произведен высев экспериментальными сошниками урожайность оказалась в среднем выше на 19,8% чем у серийных.
1. В результате обработки многофакторного эксперимента получены регрессионные модели процесса равномерного распределения семян оптимального расстояния между зерновками, среднеквадратичного отклонения семян от среднего значения распределения, по которым установлено, что наибольшее влияние на распределение семян зерновых оказывают следующие факторы: r – радиус кривизны, D – диаметр основания распределителя, Н – высота установки распределителя над ложем. Такие факторы, как скорость движения агрегата и норма высева в меньшей степени влияют на равномерность распределения семян при рекомендуемых скоростях движения посевного агрегата.
2. Обоснована конструктивная схема лапового сошника для подпочвенно-разбросного посева семян и внесения удобрений.
3. В процессе исследования установлены следующие оптимальные параметры: диаметр основания D = 95 мм, радиус кривизны r = 37,1…38,08 мм, расстояние между дном разбрасывателя и посевным ложем Н=6,61…11,54 мм. При данных параметрах достигается максимальные значения показателей равномерности: =42 мм. – среднее расстояние между семенами, Y2=0,005 м – среднеквадратичное отклонение среднего расстояния между семенами, : N Ш=78% – равномерность распределения семян по ширине полосы, при ширине лапового сошника b = 260 мм.
4. Применение распределителя с лаповым сошником на экспериментальной сеялке для подпочвенно-разбросного посева при одинаковой норме высева семян с контролем (СЗС-2,1), позволило добиться использования площади под сошником семенами зерновых культур в пределах 75,1… 85,3% (у контроля 15,3…41,4%), повысить число продуктивных растений и увеличить урожайность на 19,8%.
5. По результатам полевых исследований экспериментальная сеялка по всем показателям подпочвенно-разбросного посева с распределителем семян имеет значительное превосходство перед серийной сеялкой СЗС-2,1.
Методы технико-экономических расчетов по выбору наиболее эффективных вариантов механизации сельскохозяйственного производства регламентируются официальными документами, утвержденными в установленном порядке: ОСТ 10.2.18-2001, а также «Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. Нормативно-справочный материал.- М.: 1998» [105, 85, 84.].