Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Особенности посева мелкосеменных культур 10
1.2 Анализ конструкций высевающих аппаратов катушечного типа для посева мелкосеменных культур 16
1.3 Устройство и принцип работы катушечного винтового высевающего аппарата 24
1.4 Цель и задачи исследования 26
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование процесса высева семян рапса катушечнымвинтовым высевающим аппаратом 28
2.1 Динамика семенного материала в катушечном винтовом высевающем аппарате 28
2.1.1 Процесс высева катушечным,винтовым высевающим аппаратом 28
2.1.2 Самопроизвольное движение семенного материала 30
2.1.1 Принудительное движение семенного материала 31
2.2 Высевающая способность катушечного винтового высевающего аппарата 38
2.3 Обоснование конструктивных элементов катушечного винтового высевающего аппарата 46
2.3.1 Обоснование конструктивных параметров планки катушечного винтового высевающего аппарата 47
2.3.2 Обоснование конструктивных параметров клапана катушечного винтового высевающего аппарата 49
2.3.3 Обоснование конструктивных параметров желобка катушки винтового высевающего аппарата 50
2.4 Математическая модель равномерности распределения семян вдоль рядка в зависимости от параметров катушечного винтового высевающего аппарата 54
ГЛАВА 3. Программа экспериментальных исследований 59
3.1. Программа исследований 59
3.2 Методика проведения лабораторных исследований 59
3.2.1 Методика определения физико — механических свойств семян рапса 59
3.2.2. Методика проведения планируемого многофакторного эксперимента 63
3.2.3 Методика определения равномерности распределения семян рапса вдоль рядка 68
3.2.4 Методика определения высевающей способности катушечного винтового высевающего аппарата 71
3.2.5 Методика определения травмирования семян рапса катушечным винтовым высевающим аппаратом. 72
3.3 Методика проведения лабораторно-полевых исследований 73
3.3.1. Методика определения равномерности распределения растений вдоль рядка 75
3.3.2. Методика определения урожайности 75
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 76
4.1. Лабораторные исследования 76
4.1.1 Физико-механические свойства семян рапса 76
4.1.2. Этапы проведения планируемого многофакторного эксперимента 79
4.1.3 Процесс распределения семян рапса вдоль рядка катушечным винтовым высевающим аппаратом 80
4.1.4 Высевающая способность катушечного винтового высевающего аппарата 88
4.1.5 Травмирование семян рапса катушечным винтовым высевающим аппаратом 95
4.1.6 Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований 103
4.2 Результаты лабораторно-полевых исследований 106
4.2.1 Равномерность распределения растений вдоль рядка в полевом опыте 107
4.2.2 Зависимость урожайности зеленой массы рапса в полевом опыте от высевающей системы и нормы высева 110
ГЛАВА 5 Экономическая эффективность 113
5.1 Экономическая эффективность применения экспериментальной посевной машины 113
5.2 Результаты внедрения 117
Общие выводы 119
Список использованной литературы 121
Приложения 139
- Анализ конструкций высевающих аппаратов катушечного типа для посева мелкосеменных культур
- Принудительное движение семенного материала
- Методика определения физико — механических свойств семян рапса
- Процесс распределения семян рапса вдоль рядка катушечным винтовым высевающим аппаратом
Введение к работе
Актуальность темы. Для ведения успешного животноводства необходимо создание надежной и сбалансированной кормовой базы. Это не возможно без применения высокобелковых мелкосеменных культур (рапс, донник, люцерна и др.), именно они являются основным источником дешевого растительного белка.
В технологической системе получения высоких урожаев зелёного корма и семян высокобелковых мелкосеменных культур операция посева одна из самых ответственных. Использование посевных агрегатов с катушечными высевающими аппаратами не предназначенными для посева мелкосеменных культур приводит к снижению биологической продуктивности посевов.
Анализ применяемых в настоящее время конструкций высевающих аппаратов для посева мелкосеменных культур показывает, что основными их недостатками являются неравномерность подачи высеваемых семян и высокое их травмирование.
Поэтому исследования направленные на усовершенствование высевающих аппаратов посевных машин используемых для возделывания мелкосеменных культур, в частности – рапса, являются актуальными.
Цель работы – совершенствование процесса высева мелкосеменных культур повышением качественных показателей за счет применения катушечного винтового высевающего аппарата.
Объект исследования – технологический процесс высева мелкосеменных культур катушечным винтовым высевающим аппаратом.
Предмет исследования – закономерности процесса взаимодействия семян мелкосеменных культур с рабочими поверхностями катушечного винтового высевающего аппарата.
Научная гипотеза. Применение катушечного винтового высевающего аппарата на рабочей поверхности которого по винтовой линии выполнен желобок позволит исключить пульсацию высева, равномерно распределить семена вдоль рядка и снизить их травмирование, тем самым повысить урожайность мелкосеменных культур.
Методы исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений, законов и методов классической механики, 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 результатов многофакторного эксперимента.
Научная новизна. Математические модели, описывающие движение семян в катушечном винтовом высевающем аппарате.
Регрессионные модели процесса распределения семян вдоль рядка, высевающей способности семян и травмирования, позволяющие прогнозировать качественные показатели технологического процесса высева семян в зависимости от параметров катушечного винтового высевающего аппарата и его режимов работы.
Рациональные конструктивные параметры и режимы работы катушечного винтового высевающего аппарата, позволяющие равномерно распределять семена вдоль рядка со снижением травмирования.
Практическая значимость Применение сеялки СЗП-3,6, оборудованной катушечными винтовыми высевающими аппаратами, в сравнении с серийной сеялкой обеспечило равномерность распределения семян вдоль рядка Y = 65 %, серийным катушечным Y = 53 %, при полевой всхожести 65 и 57 % соответственно. Что дало прибавку урожая зеленой массы рапса в среднем на 9,3 т/га (33%).
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на полезную модель № 85789 от 20.08.2009 г.
На защиту выносятся.
Математические модели, описывающие движение семян в катушечном винтовом высевающем аппарате.
Схема катушечного винтового высевающего аппарата для посева мелкосеменных культур.
Регрессионные модели подачи, распределения и травмирования семян.
Рациональные конструктивные параметры катушечного винтового высевающего аппарата и его режимы работы при посеве мелкосеменных культур.
Результаты лабораторно-полевых исследований.
Реализация результатов внедрения. Сеялка СЗП – 3,6, оборудованная катушечными винтовыми высевающими аппаратами, внедрена в производственный процесс ОПХ «Боевое» Исилькульского района Омской области.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались: на международных конференциях молодых ученых СибНИИСХ (г. Омск – 2007, 2008 гг.); III Международной научно-практической конференции «Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых учёных» 17 апреля 2008 года в Краснообске, «СИБИРСКОЙ АГРОПРОМЫШЛЕННОЙ НЕДЕЛЕ» (г. Омск 12-14 ноября 2009 г.).
Работа выполнена в период 2006 - 2009 гг. в отделе механизации Сибирского НИИ сельского хозяйства в рамках государственной тематики: IX.01. Разработать систему конкурентоспособных экологически безопасных технологий и комплексы энергосберегающих машин нового поколения для производства приоритетных видов сельскохозяйственной продукции.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных статей, в том числе две – в изданиях, указанных в «Перечне ведущих рецензируемых научных изданий и журналов», рекомендованном ВАК. Получен патент РФ на полезную модель.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений.
Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 4 приложения на 5 страницах, 13 таблиц, 83 рисунка. Список использованной литературы включает 157 наименований, в том числе 5 на иностранных языках.
Анализ конструкций высевающих аппаратов катушечного типа для посева мелкосеменных культур
Высевающие аппараты принято делить на три основных типа по принципу работы: механические, пневматические и пневмомеханические.
Механические высевающие аппараты весьма многообразны по конструкции. К ним относятся катушечные, внутриреберчатые, ложечные, мотыльковые, ка-навочные, фрикционные, центробежные, вибрационные, щеточные, шнековые и другие высевающие аппараты [65].
Катушечный высевающий аппарат является наиболее распространенным. Он относительно прост по конструкции легко устанавливается на норму высева. Уровень семян в бункере, скорость движения, а также вибрация практически не влияют на количественный высев семян. Но катушечному высевающему аппарату свойствен недостаток, заложенный в принципе его работы - неравномерность подачи семенного потока.
Анализ современных высевающих устройств сеялок позволяет выделить два пути в развитии их конструкции: модернизация традиционных катушечных высевающих аппаратов и создание принципиально новых высевающих систем - центробежных, шнековых, пневматических, винтовых и других.
Совершенствование желобчатых и штифтовых катушечных высевающих аппаратов осуществляется в направлении улучшения качества выполняемого технологического процесса высева и эксплуатацонно - технических показателей их работы. Это - повышение точности дозирования, универсальности (возможности высева семян, различающихся размерами и физико-механическими свойствами, в широком диапазоне норм) и снижение травмирования посевного материала, а также упрощение конструкции, уменьшение ее материалоемкости и затрат времени на техническое обслуживание и технологические регулировки, повышение надежности и срока службы. Для чего корпуса и дозирующие рабочие органы большинства современных катушечных высевающих аппаратов изготовляют литьем под давлением из долговечных и стойких к истиранию и коррозии материалов - алюминиевых сплавов, металлокерамики, полиуретана, нейлона, что повышает равномерность и устойчивость высева, так как изготовляемые по такой технологии все сопрягаемые детали точно выдержаны по размерам.
Исходя из совершенствования катушечного высевающего аппарата в направлении улучшения качества выполняемого технологического процесса высева, проведем анализ технических решений зарубежных и отечественных разработок.
Повысить равномерность высева семян можно за счет совершенствования формы и параметров катушки и режимов работы.
На продольную (вдоль рядка) равномерность распределения отрицательно сказывается наличие ячеек, порождающих пульсацию (дискретность) потока семян, особенно мелкосеменных культур. Снижения пульсаций потока высеваемого материла можно добиться путем увеличения количества желобков, с одновременным уменьшением их объёмов, уменьшением диаметра катушки, расположением желобков по винтовой линии. Так для снижения пульсаций край клапана (донышко) стандартного высевающего аппарата делают скошенным.
Для высева семян различных размеров использовать катушку с разновеликими ребрами (рисунок 1.1) [12]. Но попадание мелких семян в желобки для крупных семян так же ведёт к неравномерности высева. Для высева мелкосеменных культур сеялкой СЗ - 3,6 применяется катушка с приспособлением для мелкосеменных культур (рисунок 1.2) [6,7] Существуют конструкции совмещающие в одном высевающем аппарате две катушки: большего диаметра для зерновых и меньшего диаметра для мелкосеменных культур (рисунок 1.4) [13].
Некоторые авторы утверждают, что наиболее дозированный выход семян обеспечивается принудительным движением, т.к. при этом желобки имеют строгие геометрические размеры. В некоторых конструкциях высевающих аппаратов предусмотрены приспособления, отсекающие активный слой [126]. Поэтому предлагается снизить до минимума или совсем исключить принудительный высев, тем самым получить равномерность посева. В данном случае высев можно осуществить с помощью катушки с гладкой рабочей поверхностью, изготовленной из материала с высоким коэффициентом трения (сеялка ССС-5) [83]. Использование данной катушки затруднено из-за ограничения скорости вращения, вследствие проявления «пробуксовки» внутри семенной коробки.
Принудительное движение семенного материала
Равномерность подачи семенного материала высевающим аппаратом является одним из главных факторов, обуславливающих рост и развитие растений. В соответствии с теоретическими предпосылками программа экспериментальных исследований включает следующие вопросы: а) изучение физико-механических свойств семян рапса, как объекта высева; б) проведение экспериментальных исследований в лабораторных и по левых условиях по уточнения конструктивных и технологических парамет ров катушечного винтового высевающего аппарата; в) проверка сходимости теоретических и экспериментальных данных; г) проведение сравнительных лабораторно - полевых и хозяйственных исследований экспериментального образца сеялки в сравнении с серийной; д) определение эксплуатационно - экономических показателей работы экспериментального образца сеялки в сравнении с серийной. 3.2 Методика проведения лабораторных исследований 3.2.1 Методика определения физико — механических свойств семян рапса Задачей изучения физико-механических свойств семян является получение экспериментальных данных для обоснованного выбора параметров катушечного винтового высевающего аппарата [142]. В процессе высева семян и при их взаимодействии с поверхностями высевающего аппарата форма и размеры семян значительно влияют на характер истечения их из отверстия семенного ящика, траектории движения в семяпроводе. Эти различия в формах и размерах обуславливают значительную дифференциацию в процессе работы [90, 145]. Следовательно, важно знать, каким образом влияет на качество и показатели работы высевающего аппарата форма и размеры семян, поэтому в лабораторных условиях с помощью электронного штангенциркуля произведем определение геометрических размеров семян рапса. Электронный штангенциркуль позволяет проводить замеры с точностью до 0,01 мм. По двум размерам (длине и толщине) измерялись по 100 семян, такая по-вторность обеспечивает получение результатов, ошибка которых не превышает 1,5%.
Для определения коэффициента трения покоя использовался прибор, схема которого приведена на рисунке 3.1. прибора. Затем на верхнюю площадку закреплялся образец материала, коэффициент трения по которому необходимо было определить. В нашем случае для определения коэффициента трения покоя семян были использованы следующие материалы: сталь листовая, ПВХ, алюминий. На образец устанавливалась рамка, в которую засыпались семена рапса, затем рамка приподнималась таким образом, чтобы её нижний край не касался поверхности подстилающего материала и в тоже время семена не высыпались из образовавшегося зазора. Посредством вращения рукоятки прибора угол наклона верхней плоскости, на которой установлены образцы подстилающего и исследуемого материалов плавно увеличивался. В момент начала движения рамки с семенами по наклонной плоскости вращение рукоятки прекращалось и снимались показания угломера. Опыт с каждым из перечисленных подстилающих материалов и исследуемых образцов для достижения запланированной точности опыта выполнялся в пятикратной повторносте. Такая повторность проведения опыта обеспечила получение результатов, ошибка которых в нашем случае не превышает 3 %.
Масса семян определялась на весах типа ВЛТК - 500 с пределом измерений 0 - 500 г. и точностью ± 0,002 мг. Для каждого сорта отсчитывалось по 5 х 1000 шт семян и после взвешивания в 3-х кратной повторности, находилось среднее значение.
При относительном перемещении частиц семенного материала возникает трение между отдельными семенами. Сопротивление трению в слое принято оценивать углом естественного откоса, который определялся при помощи прибора, представляющего собоц прямоугольную ёмкость, рисунок 3.2 изготовленную из органического стекла с размерами 300 х 270 х 200. В днище ящика имеется прорезь, перекрываемая задвижкой. Ящик устанавливается горизонтально и заполняется семенами, затем выдвигается задвижка и материал высыпается через прорезь на горизонтальную поверхность, образуя конус с углом естественного откоса.
Методика определения физико — механических свойств семян рапса
Для определения высевающей способности катушечного винтового высевающего аппарата проводим опыт, на ранее описанном стенде. Методика проведения эксперимента следующая: 1. Бункер для семян заполняется семенами рапса; 2. Включается привод высевающего аппарата. После 4 — 5 оборотов катушки происходит заполнения желобков и стабилизация процесса высева семян; 3. Под семяпровод устанавливается приёмная тара; 4.C помощью счетчика отсчитываются 10 оборотов высевающего аппарата; 5. Выключается привод высевающего аппарата; 6. Высеянные семена взвешиваются на весах с точностью до 0,01 г. 7. Результаты фиксируются в журнал. Эксперимент проводим в трёхкратной повторности для каждой скорости. Далее заменяем высевающий аппарат следующим и проводим эксперимент по указанной последовательности. Для определения травмирования семян рапса катушечным винтовым высевающим аппаратом проводим опыт в следующей последовательности: 1. Бункер для семян заполняли семенами рапса; 2. Включается привод высевающего аппарата. После 4-5 оборотов катушки происходит заполнения желобков и стабилизация процесса высева семян; 3. Под семяпровод устанавливается приёмная тара; 4. Высевается не менее 10 г. семенной массы; 5. Выключается привод высевающего аппарата; 6. Затем масса высеянных семян измеряется на весах; 7. Отбираются дробленые семена и с частично поврежденной поверхностью. 8. Взвешиваются отобранные дробленые семена и с частично поврежденной поверхностью; 9. Определяется массовая доля повреждения семян высевающим аппа ратом. Нами была принята методика определения травмирования семян путем просмотра их в лупу и отбора поврежденных. Все полученные результаты фиксировали в журнал. Эксперимент повторяли в трехкратной повторности для каждой скорости вращения. Далее заменяли высевающий аппарат.
На основании проведённых исследований был изготовлены экспериментальные образцы катушечных винтовых высевающих аппаратов, для установки на сеялку СЗП- 3,6. Сравнительные исследования проводились в полевых производственных условиях в 2009 году в ОПХ «Боевое» Исилькуль-ского района Омской области в южной лесостепной зоне.
Задачей полевого агротехнического опыта являлось сопоставление качества посевов серийной посевной машиной и машины, оборудованной экспериментальными высевающими устройствами. Определялись показатели качества работы экспериментального и серийного высевающих аппаратов для выяснения их соответствия агротехническим требованиям (по равномерности распределения растений вдоль рядка). Схема опыта представлена на рисунке 3.7. Данный полевой опыт относится к разряду многофакторных. В нём изучается влияние равномерности распределения растений вдоль рядка, а так же технологический параметр - норма высева, на величину урожая.
В ходе наблюдений определялись следующие основные показатели: полевая всхожесть, количество растений на квадратный метр, вес одного растения, равномерность распределения семян вдоль рядка, урожайность по вариантам.
В целом, методика закладки и условия проведения полевого агротехнического опыта базировалась на стандартной.
Процесс распределения семян рапса вдоль рядка катушечным винтовым высевающим аппаратом
Из данных таблицы видно, что различие в величине коэффициентов статического трения по одноименным материалам между сортами колеблется незначительно. С изменением подстилающего материала коэффициенты статического трения изменяются от 0,1763 до 0,404. Наименьший коэффициент статического трения получен при контакте с ПВХ. На основании вышеизложенного нами сделан вывод, что по физико-механическим свойствам сорта рапса имеют незначительные различия.
На основании проведённых теоретических исследований и анализе литературы следует, что на процесс посева оказывает влияние ряд факторов, среди которых: конструктивные (высота установки семенного бункера, конструкция, настройка и состояние высевающих аппаратов, материал и угол наклона семяпроводов и др.), технологические (выравненность поверхности поля, уклон, норма высева, скорость движения агрегата, влажность и др.), характеристики высеваемого материала (физико-механические и аэродинамические свойства семян). Экспериментальные исследования по определению влияния конструктивных параметров катушечного винтового высевающего аппарата и режимов работы высевающей системы на равномерность распределения семян вдоль рядка проводились на лабораторной установке (имитационном стенде). Методика проведения исследований приведена в 3 главе. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что на равномерность распределения семян вдоль рядка, оказывают влияние большое количество факторов. Если рассматривать факторы оказывающие наибольшее влияние на процесс распределения семян, то можно выделить следующие: Н— глубина желобка катушки высевающего аппарата, мм; S — шаг винтовой линии катушки высевающего аппарата, мм; n — частота вращения катушки, с"1; N— норма высева, млн. шт/га. Для определения оптимальных параметров высевающей системы на стадии лабораторных исследований применялась теория планирования эксперимента. С этой целью была выделена область варьирования трех факторов: глубина желобка катушки Хі, шаг винтовой линии желобка катушки Х2, частота вращения катушки Х3. В планируемом эксперименте принимается к рассмотрению диапазоны варьирования «глубина желобка катушки» Н = 2..Л мм. Фактор «шаг винтовой линии желобка катушки» варьируем в пределах S = 7... 10 мм, так как показали теоретические исследования, в этом диапазоне наблюдаются максимумы равномерности распределения. Для фактора «частота вращения катушки» выбран диапазон варьирования п = 0,07...0,13 с"1.
Для описания зависимостей равномерности распределения семян принят симметричный композиционный ортогональный план с тремя факторами. Данный тип плана выбран по той причине, что при выполнении условия ортогональности коэффициенты уравнения регрессии рассчитываются независимо друг от друга и при отбраковке ртатистически незначимых пересчёт остальных не требуется. Эффект композиционности плана позволяет вначале получить линейную модель процесса, а в случае её неадекватности достроить до более сложных моделей второго порядка. [125].
На первом этапе как оптимизационный параметр рассмотрена зависимость равномерности распределения семян вдоль рядка от выше названых факторов. В качестве культуры применялся рапс сорта «Юбилейный».
Проверка на однородность ряда дисперсий по критерию Кохрена показала, что ряд дисперсий можно считать однородным, так как QZ = 0,1615 G; = 0,1904 [86,88].
После реализации эксперимента и обработки данных по определению влияния параметров высевающей системы на равномерность распределения семян вдоль рядка получены данные, приведенные в таблице 4.4.
