Содержание к диссертации
Введение
CLASS ГЛАВА I. Состояние вопроса и задачи исследований CLASS 9
1.1. Краткий обзор конструкций централизованных высевающих систем 9
1.2. Анализ результатов испытаний широкозахватных сеялок с пневматическими ЦВС 24
1.3. Общий анализ процесса высева и конструкций рабочих органов пневматических ЦВС 29
1.4. Выводы по главе. Задачи исследований .50
CLASS ГЛАВА 2. Аналитические исследования 5 CLASS 1
2.1. Исследование процесса центробежного дозирования семян и обоснование основных параметров дозатора 51
2.1.1. Общая характеристика процесса центробежного дозирования семян 51
2.1.2. Заполнение ротора высеваемым.материалом Размер входного отверстия ротора и параметры сводоразрушающего устройства .53
2.1.3. Процесс раскручивания высеваемого.материала. , ротором 58
2.1.4. Процесс истечения материала через дозирующие отверстия. Производительность центробежного. дозатора и форма дозирующих отверстий 69
2.1.5. Устойчивость центробежного высева. Ширина, ,
. дозирующих отверстий 71
2.1.6. Принцип регулирования нормы высева , .74
2.2. Анализ процесса распределения семян по сошникам
пневматической ЦВС и обоснование агротехнических
требований к качеству его выполнения 83
2,3. Выводы по результатам аналитических исследо ваний 91
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных изследований 93
3.1. Программа экспериментальных исследований 93
3.2. Методика экспериментальных исследований 94
3.2.1. Лабораторная установка для исследования процесса центробежного дозирования семян 94
3.2.2. Исследование влияния формы и конструкции ротора на производительность дозатора 95
3.2.3. Исследование влияния размеров дозирующих отверстий на процесс центробежного дозирования семян 99
3.2.4. Определение высевающей способности и качества работы центробежного дозатора семян 102
3.2.5. Лабораторная установка для исследования процесса пневматического централизованного высева семян 105
3.2.6. Исследование процесса распределения семян по семяпроводам пневматическим распределителем . 114
3.2.7. Определение качества высева семян пневматической ЦВС 119
3.2.8. Исследование пневматического высева туков 120
3.2.9. Техническая характеристика макетного образца широкозахватной сеялки с пневматической ЦВС 121
3.2.10. Методика определения показателей качества посева127
3.2.11. Методика оценки равномерности распределения растений по площади 132
3.2.12. Энергетическая оценка макетного образца ,. широкозахватной сеялки с пневматической ЦЮ. 143
3.2.13. Эксплуатационно-технологическая и экономи ческая оценка макетного образца сеялки 145
CLASS ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 14 CLASS 8
4.1. Результаты исследований процесса центробежного дозирования семян 148
4.1.1. Влияние формы и конструкции ротора.на производительность дозатора 148
4.1.2, Влияние размеров дозирующих отверстий на процесс центробезкного дозирования семян 151
4.1.3. Высевающая способность и качество работы центробежного дозатора 157
4.1.4, Параметры и конструкция центробежного дозатора .' 161
4.2. Результаты лабораторных исследований процесса . пневматического централизованного высева .семян 165
4.2.1. Результаты исследований процесса распределения семян по семяпроводам пневматическим. , распределителем 165
4.2.2. Качество высева семян пневматической центра лизованной высевающей системой 179
4.2.3. Результаты исследования процесса высева туков 181
4.3. Результаты.лабораторно-полезых испытаний макетного образца широкозахватной зерновой.сеялки 185
4.3.1, Показатели качества посева . 185
4.3.2. Результаты энергетической оценки макетного образца широкозахватной сеялки 196
4.3.3. Результаты эксплуатационно-технологической оценки макетного образца сеялки 199
4.4. Выводы по результатам экспериментальных исследований 204
ГЛАВА 5. Экономическая эффективность, апробация и внедрение результатов исследований 207
5.1. Экономическая эффективность применения широкозахватной сеялки с ЦВС на посеве зерновых колосовых культур 207
5.2. Апробация результатов исследований 209
5.3. Внедрение результатов исследований 212
Общие выводы 214
Спюок основной использованной литературы 217
Приложения 227
- Краткий обзор конструкций централизованных высевающих систем
- Общая характеристика процесса центробежного дозирования семян
- Лабораторная установка для исследования процесса центробежного дозирования семян
- Результаты исследований процесса центробежного дозирования семян
Введение к работе
Продовольственной программой, разработанной в соответствии с решениями ХХУІ съезда КПСС, поставлена задача увеличить среднегодовое производство зерна в одиннадцатой пятилетке до 238... 243 млн. тонн, а в двенадцатой - до 250...255 млн.тонн. Продуктивность труда в колхозах и совхозах за десятилетие должна быть повышена в 1,5 раза. Для успешного решения этих задач намечено дальнейшее развитие механизации процессов производства зерна [1-3].
Посев - основная операция в технологическом процессе выращивания зерновых колосовых культур. Просчеты, сделанные при выполнении посевных работ, в дальнейшем трудноисправимы и, как правило, приводят к резкому снижению урожая. Поэтому посев должен производиться в строгом соответствии с современными требованиями агротехники, которые на первое место ставят вопросы качества работы посевных машин [ 4] .
Не менее важным условием получения высокого урожая является своевременность проведения посевных работ. Статистическая обработка известных, агрономических данных по срокам выполнения посева [5-8] с учетом допустимых потерь урожая показывает, что в условиях Украины посев озимых должен производиться не более, чем за 7 - 8 дней, а ранних яровых - за 2 дня [9] .
Сжатые сроки проведения посевных работ требуют применения высокопроизводительных машин и агрегатов. Применяемые сейчас в производстве зерновые сеялки не соответствуют этому. При агрегатировании их с современными энергонасыщенными тракторами приходится составлять с помощью сцепок многосеялочные широкозахватные агрегаты, которые получаются громоздкими и крайне неудобными в обслуживании. Много рабочего времени затрачивается на подготовку
их к работе, на заправку посевным материалом, на повороты, на переезды с поля на поле. Отмеченное является одной из причин того, что сейчас, даже в передовых хозяйствах, сев ранних яровых продолжается не менее недели, а озимых - не менее двух.
Необходимо иметь ввиду и другое. Во многих хозяйствах уже теперь ощущается дефицит в рабочей силе. Посев зерновых колосовых - один из самых напряженных периодов в сельскохозяйственном производстве не только по срокам ,но и по количеству занятых людей. Это в немалой степени обусловлено несовершенством существующих конструкций зерновых сеялок. Для обслуживания каждой сеялки, например СЗ-3,6, помимо тракториста необходим дополнительный рабочий-сеяльщик. Поэтому затраты труда на посеве зерновых колосовых культур все еще высоки и достигают 2,5 чел.-часа в расчете на I га flOj . Уменьшение количества обслуживающего персонала остается пока что неиспользованным резервом сокращения труда, затрачиваемого на посеве.
Для решения этой задачи и повышения производительности посевных агрегатов в настоящее время разрабатываются новые широкозахватные сеялки к энергонасыщенным тракторам. Одним из перспективных направлений в развитии конструкций широкозахватных посевных машин является создание сеялок с пневматическими централизованными высевающими системами (ЦВС). Разработка такой сеялки к трактору класса тяги 30 кН предусмотрена Системой машин на 1981-1990 годы [II] .
Применение ЦВС на сеялке повышает надежность процесса .высева семян, обеспечивает более рациональную компановку ее с размещением бункера для семян по центру машины. Это дает возможность уменьшить непроизводительные затраты времени на заправку сеялки посевным материалом, сократить количество обслуживающего персонала.
Однако, как показывают испытания зарубежных образцов таких
сеялок, по качеству посева и, в частности, по показателям стабильности нормы высева, равномерности распределения семян по сошникам, они несколько уступают сеялкам с индивидуальными высевающими аппаратами и не соответствуют агротехническим требованиям. Отмеченное обусловлено несовершенством процесса высева семян, недостатками конструкций дозирующих рабочих органов ЦЮ.
G учетом изложенного была поставлена цель диссертационной работы: изыскать пути повышения качества высева семян, обосновать параметры дозирующих рабочих органов пневматической ЦШ широкозахватной зерновой сеялки к трактору класса 30 кН, обеспечивающей повышение производительности агрегата и сокращение затрат труда на посеве.
Работа выполнена в Украинском НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства, в лаборатории посева и ухода за с.-х. культурами.
На защиту выносятся следующие положения, являющиеся новыми в исследуемой проблеме:
результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса дозирования и распределения семян по сошникам пневматической централизованной высевающей системой;
методика расчета параметров центробежного дозатора семян;
результаты испытания макетного образца широкозахватной сеялки с пневматической ЦЮ и ее конструктивно-технологические параметры.
Основное содержание работы изложено на 147 страницах машинописного текста, отражено в 28 таблицах и иллюстрировано 64 рисунками. Общий объем диссертации, включая список основной использованной литературы и приложения, - 281 страница. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка основной использованной литературы, включающем 109 наименований (из них 20 - на иностранных языках), и 18 приложений.
_ 9 -
Краткий обзор конструкций централизованных высевающих систем
ЦВС стали применять в конструкциях зерновых сеялок сравни» тельно недавно - о конца 60-х годов. Но сам принцип централизованного высева семян известен давно. Суть его состоит в том, что высев семян осуществляется не из длинных семенных ящиков большим количеством высевающих аппаратов, расположенных по всей ширине захвата сеялки, а из одного бункера, размещенного по центру сеялки или посевного агрегата, одним или несколькими высокопроизводительными высевающими аппаратами - дозаторами; высеянные семена транспортируются и распределяются по сошникам принудительно, под действием центробежных сил, или потока воздуха, или под действием того и другого одновременно.
Прототипом централизованного высева может служить разбросной посев семян зерновых культур, который осуществлялся вручную и применялся человеком с давних времен. Взяв посевной материал.из лукошка, подвешенного на плече, сеятель круговыми движениями руки разбрасывал семена по полю. Налицо почти все,признаки централизо-ванного высева: центральный бункер - лукошко; семена транспорти-. руются к поверхности поля принудительно, под действием центробежных сил, создаваемых рукой сеятеля.
Если же посмотреть еще глубже, то окажется, что первым принцип централизованного высева стал использовать не человек, а сами растения. Раскачиваясь на ветру, растения разбрасывают вокруг себя себя созревшие семена и таким образом размножаются. Для транспортирования семян они, как видим, тоже используют центробежные силы и энергию потока воздуха (ветра).
Таким образом, принцип централизованного высева семян представляется вполне естественным. Элементы его "заимствованы" у природы.
В зерновых рядковых сеялках централизованный высев стал широко применяться после изобретения норвежским агрономом В.Стокландом довольно совершенного в техническом отношении центробежного высевающего аппарата. Сеялка с таким аппаратом была запатентована в нескольких странах [90, 91] По лицензиям норвежской фирмы Глобус Машинофабрик было начато производство сея- лок "Стокланд11 в Англии, Франции, Голландии, ФРГ, Швеции и США [12] .
Конструктивно - технологическая схема центробежного высевающего аппарата сеялки "Стокланд" показана на рис. I.
Высевающая система сеялки имеет центральный бункер для . зерна и расположенный в нем дополнительный бункер для других семян (рис. I ). Дозирование семян из большого бункера осуществляется устройством, включающим конус распределителя с дозирующим отверстием и нагнетатель. Семена из малого бункера дозируются центробежным дозатором, представляющим собой ротор, выполненный в виде конической чаши с регулируемым дозирующим отверстием в боковой поверхности.
При высеве семена из большого бункера поступают во внут- . реннюю полость между вращающимся конусом распределителя и корпусом аппарата, отжимаются нагнетателем к конусу и через дозирующее отверстие попадают внутрь конуса. Под действием центробежной силы семена перемещаются по поверхности распределительного конуса вверх и, сойдя с него, поступают в направляющие каналы неподвижного распределительного кольца. Из направляющих каналов семена попадают в семяпроводы, а по ним - в сошники.
Норма высева в центробежном аппарате регулируется изменен»» ем размеров дозирующих отверстий. Привод аппарата осуществляется от колеса сеялки.
Отличительной чертой ЦВС центробежного типа, как видим .является использование центробежных сил для дозирования и распределения семян по сошникам из центрального бункера.
Испытания сеялки "Стокланд" в СССР в сравнении с зерновыми сеялками с катушечными индивидуальными высевающими аппаратами по казали, что применяемый на ней аппарат позволяет производить ка чественный высев различных семян на скорости посева до 10 км/ч [I3J Отмечается простота конструкции высевающего аппарата и его универсальность по высеваемым культурам. Вместе с бункерами он весит всего 79 кг и включает 108 деталей 53 наименований. Семен ной ящик обычной зерновой сеялки с индивидуальными катушечными высевающими аппаратами имеет вес 118 кг и состоит из 1076 деталей 176 наименований [14] Удельная материалоёмкость сеялки на І м ширины захвата составляет 155 кг, что почти в 3 раза меньше, чем удельная материалоёмкость сеялки СЗ-3,6.. Важным технологическим преимуществом, сеялки "Стокланд" является центральное расположение ее семенного бункера, что упрощает заправку его посевным материалом.
Общая характеристика процесса центробежного дозирования семян
Центробежный дозатор, как уже отмечалось (см. п...1.1),. представляет собой полый ротор (рис. 16),. сопрягающийся входным отверстием.с выпускным отверстием бункера .В .боковой стенке ротора выполнено одно или несколько регулируемых дозирующих отверстий. --Снаружи ротор имеет тарелку, предотвращающую самопроизвольное высыпание семян при остановленном роторе.
При работе дозатора высеваемый материал.самотеком поступает из бункера во вращающийся ротор, где он раскручивается и под действием центробежных сил выбрасывается через дозирующие отверстия.
Как видим, центробежное дозирование семян включает в себя . три одновременно протекающих процесса: процесс, заполнения ротора высеваемш;м материалом, процесс раскручивания материала в роторе и процесс истечения его через дозирующие отверстия. Рассмотрим эти процессы более подробно. - 52 Основным требованием к заполнению ротора высеваемым материалом является: Mmax 7MQX \2.Л) где П - максимально-возможный (потенциальный) расход семян і через входное отверстие ротора при его заполнении, кг/с; 1Ш требуемая максимальная производительность дозатора, кг/с. Максимальное значение расхода семян (Ьш будет иметь место при свободном (гравитационном) истечении семян из бункера через входное отверстие ротора.
Явление свободного истечения сыпучих материалов из отверстий в днищах бункеров изучалось многими исследователями, В большинстве работ при анализе процесса гравитационного истечения сыпучих материалов развивается гипотеза саморазгружающегося динамического свода, предложенная в 1909 году М.М, Протодъяконовым [57] Образованию такого свода способствует стремление большого количества частиц одновременно приблизиться и пройти через отверстие. В результате возникает самозаклинивание их, появляется свод. Однако сколько - нибудь долго существовать этот свод не может, поскольку для разрушения его достаточно выпадения из него хотя бы одной частицы. При уменьшении отверстия динамический свод приобретает все более устойчивую структуру и при критических размерах выпускного отверстия превращается в статический свод. Процесс истечения мате риала-прекращается.
Таким образом, динамический свод в отличии от статического не является постоянным, один раз сложившимся; его рассматривают как слой сыпучего материала, в котором одновременно протекают многочисленные процессы разрушения и восстановления сводов [58, 59, 60] .
Согласно теории саморазгружающегося динамического свода, скорость истечения материала из отверстия зависит от высоты свода и не зависит от высоты столба сыпучего материала над этим сводом, т.е. в бункере. Это объясняется тем, что вес материала, находящегося над отверстием, частично, посредством внутреннего трения, передается на стенки бункера и частично воспринимается и уравновешивается сопротивлением свода.
По М.М. Протодъяконову [57] высота динамического саморазгружающегося свода над плоскостью отверстия определяется из выра где I - высота свода, м; Ц0 - диаметр отверстия, м;. Д - радиус отверстия (рис. 16), м; і - коэффициент внутреннего трения материала. Из выражения (2.2) следует, что высота динамического свода определяется размером отверстия и внутренним трением сыпучего материала, и не зависит от величины и характера действующих на частицы сил.
Лабораторная установка для исследования процесса центробежного дозирования семян
Исследования процесса центробежного дозирования семян проводили на специально разработанной лабораторной установке (рис. 25). Основными элементами ее являются: рама, на которой установлен бункер для семян, механизм привода, автоматический пробоотборник семян, семянаправитель, приборы управления и контроля за исследуемым процессом.
Механизм привода включает электродвигатель, вариатор и конический редуктор, на выходном вертикальном валу которого устанавливали исследуемые рабочие органы (роторы),
Семянаправитель представляет собой полую камеру, цилиндрическую в верхней части и переходящую в лоток - в нижней части. Назначение его - улавливать и направлять в пробоотборник высеянные семена.
Автоматический пробоотборник имеет перекидной клапан., управляемый электромагнитом. В зависимости от положения клапана, семена
- 95
поступают в контрольный или сбросовый отсек пробоотборника. Напряжение на электромагнит подается через механический.прерыватель, который имеет кинематическую связь с валом редуктора.
Частоту вращения ротора регулировали с:помощью вариатора и замеряли тахометром ТМ 1,6-12. Время отбора проб контролировали электросекундомером ПВ-53. Массу отобранных проб семян определяли на весах РН-І0Ц-І39.
С целью проверки теоретических положенийовлияний формы и конструкции ротора на производительность центробежного дозатора исследовался процесс высева семян пшеницы, ячменя и гороха (табл. 5) ротором конической формы (I), цилиндрической (П), цилиндрической с конической верхней частью (Ш) и таким же ротором со вставленными внутрь его неподвижным патрубком (ІУ). Параметры исследуемых роторов представлены в табл. б . Каждый ротор имеет . по два дозирующих отверстия, выполненных в виде щелей.с регулируемой шириной. По результатам предварительных опытов_и с учетом, теоретических предпосылок (формула 2.40) при высеве семян.пшеницы и ячменя ширина дозирующих отверстий была принята равной 15 мм, при высеве гороха - 23 мм.Частота вращения ротора во время опытов изменялась в пределах 200...600 мин " .
Опыты выполняли в следующей последовательноети. На вертикальном валу устанавливали один из указанных роторов. Включали привод и с помощью вариатора устанавливали требуемую частоту вращения ротора (опыты проводили при частоте вращения 200, 300, 400, 500 и 600 мин" -1 ). После этого в бункер засыпали семена и включали в работу автоматический пробоотборник семян. Контрольный отбор проб выполняли на установившемся режиме работы установ
Высеянные семена взвешивали, условия опытов и результаты измерений заносили в журнал.
Опыты проводили в трехкратной повторности. Отбор проб семян осуществляли за 23 оборота ротора, что согласно данным предварительных экспериментов и с учетом, шкалы В.И. Романовского [65] , обеспечивало относительную ошибку опыта 1,2...4,5$ при доверительной вероятности 0,90.
Неустойчивость высева (дозирования) определяли по.результатам опытов при каждой фиксированной частоте .вращения ротора по известной методике [32] . Критерием неустойчив ос ти. дозирования служил коэффициент вариации высева между повторностями каждого опыта.
Результаты исследований процесса центробежного дозирования семян
Энергетические испытания проводили по стандартной методике [78] Опыты выполняли при посеве озимой пшеницы с полностью загруженным зерновым отсеком бункера сеялки. Условия испытания приведены в таблице II.
Макетный образец сеялки агрегатировался с трактором Т-І50К, оснащенным тензоизмерительной аппаратурой. Тензоизмерительная аппаратура включала осциллограф К-І2-22, усилитель 8АНЧ-7М, преобразователь ППЕА-2, блок согласования и блок питания (рис. 40). Тензометрическим звеном при замере тягового сопротивления машины служила поперечная скоба трактора с наклеенными тензометрически-ми датчиками. Крутящий момент на привод вентиляторов передавался через теизометрическую карданную видку с ртутным токосъемником (рис, 41).
Расход топлива на зачетном участке пути (100м) замеряли расходомером с одновременной фиксацией времени опыта. Количество оборотов колес трактора и путеизмерительного.колеса регистрировали электромеханическими счетчиками БЕ-ІР-6. .. .
Опыты.выполняли на трех скоростных режимах, в трехкратной повторности. Записанные на осциллограммы переменные величины (крутящий момент на ВОМ и тяговое сопротивление) обрабатывали методами математической статистики на ЭВМ "Мир-2". При.определении средних значений указанных величин учитывали данные тарировки те 1 нзоскобы трактора и теизометрической карданной вилки (рис. 42). Тарировку выполняли в лабораторных условиях на специальных стендах (рис. 43).
Эффективную мощность определяли по расходу топлива с уче« том тормозной характеристики двигателя трактора.
Зависимость удельного сопротивления машины от скорости движения агрегата представляли в виде уравнения регрессии первого порядка. Коэффициенты регрессии определяли методом наименьших квадратов [69] . На основании анализа полученных данных делали вывод о соответствии тягового сопротивления сеялки энергетическим возможностям трактора.
Одновременно с проведением лабораторио-полевых и энергетических испытаний, а также во время производственных - посевов ози-. мой пшеницы.выполняли хронометражные наблюдения за.работой сеялки с целью получения следующих показателей: производительности, за .... час чистого и сменного времени, затрат времени на перевод агрегата из транспортного положения в рабочее и наоборот; затрат времени на технологическое обслуживание агрегата, включая заправку _ сеялки посевным материалом. При этом использовали основные поло--жения стандартной методики [79] . Такие же показатели определяли для базового агрегата, включающего трактор Т-І50К, сцепку СП-ІІ и три сеялки СЗ-3,б.
Полученные результаты использовали наряду со справочными-данными для экономической оценки разработанной сеялки Экономические показатели определяли по методике [80] .
На основании проведенных лабораторных исследований получены зависимости, приведенные на рис. 44. Графики показывают, что удельная производительность дозатора с коническим ротором I (табл. 6) при увеличении частоты вращения его снижается. Это отмечается как при высеве пшеницы (рис. 44а), так и при высеве гороха (рис. 44б). Снижение удельной производительности дозатора при высеве пшеницы коническим ротором в исследуемом диапазоне частот вращения достигает 57,0, а при высеве гороха - 47,0$. Так, как удельная производительность дозатора пропорциональна норме высева семян, а частота вращения ротора - поступательной скорости сеялки, то приведенные цифры одновременно показывают относительное изменение нормы высева при увеличении в три раза поступательной скорости. Понятно,. что столь большие изменения нормы.. высева недопустимы, и поэтому, применять ротор конической формы в конструкции центробежного дозатора нецелесообразно.
Цилиндрический ротор П при увеличении частоты вращения от 200 до 400 мин"1 обеспечивает примерно.постоянную.удельную производительность. Дальнейшее повышение частоты его вращения, как . -видно из графиков, приводит к-Снижению удельной производительности. Следовательно, цилиндрический ротор с указанными параметрами (табл. б) можно использовать в конструкции центробежного дозатора, но при условии, что максимальная частота его вращения при
