Самарская область, Россия
п.г.т. Усть-Кинельский, Самарская область, Россия
Россия
Самарская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
Цель исследований – повышение качества технологического процесса высева катушечно-штифтового высевающего аппарата. В селекционном производстве к технологической операции посева предъявляются жесткие требования по качеству выполнения, поэтому ее осуществляют специальными селекционными сеялками. Одним из главных конструктивных элементов селекционной сеялки, влияющим на качественные и количественные характеристики посева, является высевающий аппарат. Наибольшее распространение среди высевающих аппаратов получили катушечно-желобчатые. Однако высевающие аппараты данного типа имеют недостатки, одним из которых является создание пуль-сирующего протока семян, увеличивающего неравномерность высева, что приводит к снижению качества посева. Катушечно-штифтовые высевающие аппараты лишены этого недостатка и имеют более высокую равномерность высева. Предложена новая конструкция катушечно-штифтового высева-ющего аппарата, у которого катушка составлена из трех штифтовых дисков, двух боковых и одного центрального. При работе катушки боковые диски вращаются с опережением относительно цен-трального, что способствует повышению равномерности высева семян. С целью выявления оптималь-ных параметров высевающего аппарата, влияющих на равномерность продольного высева, проведены исследования по методике многофакторного планирования эксперимента. Изготовлен опытный катушечно-штифтовый высевающего аппарат для пневматической селекционной сеялки ССНП-16. Основными факторами, влияющими на качественные параметры технологического процесса высева семян, приняты следующие: число штифтов высевающей катушки k = 48; 72; 96; передаточное отношение редуктора, приводящего во вращение крайние штифтовые диски, i = 1,17; 1,55; 1,93; частота вращения центральной части штифтовой катушки n = 12; 16; 20. Критерием оптимизации выбрана неравномерность продольного высева ν, %. Найдены оптимальные значения факторов: число штифтов высевающей катушки k = 87, передаточное отношение редуктора, приводящего во вращение крайние диски, i = 1,77, средняя частота вращения центральной части высевающей катушки n = 16 об/мин. При данных значениях факторов неравномерность продольного высева не превышает 22,5%.
сеялка, аппарат, катушка, высев, неравномерность, оптимизация, параметр
Селекционное производство новых сортов и гибридов семян является одним из важных направлений в агропромышленном комплексе, обеспечивающих сельхозпроизводителей качественным посевным материалом. На всех стадиях и этапах получения новых сортов и гибридов ко всем технологическим процессам предъявляются высокие агротехнические требования.
Посев семян является одним из важных процессов в селекционном производстве, который осуществляется специальными селекционными сеялками. Равномерное распределение семян по площади поля является одной из основных задач процесса посева, решение которой обеспечивает будущее растение оптимальной площадью питания. К процессу посева семян селекционными сеялками предъявляются такие агротехнические требования, как обеспечение заданной нормы высева, неравномерность распределения семян вдоль рядка, глубина заделки семян, устойчивость высева и пр. Одним из основных элементов посевной машины, отвечающей за большинство предъявляемых требований, является высевающий аппарат [2, 10, 11].
Для посева зерновых культур используются сеялки с различными типами высевающих аппаратов, однако наибольшее распространение получили аппараты катушечно-желобчатого типа. Основным их преимуществом является надежность, простота конструкции, малая восприимчивость к воздействию внешних факторов и т.д. Однако, одним из основных недостатков аппаратов данного типа является создание пульсирующего протока семян при выходе из него, приводящее к тому, что на некоторых участках рядков будет наблюдаться высокая густота растений, а на части участков, наоборот, более редкие всходы. В результате площадь питания растений не будет соответствовать заданным нормам, что в дальнейшем приведет к снижению урожайности и качества получаемого посевного материала [3, 4].
Одним из перспективных типов высевающих аппаратов является катушечно-штифтовые высевающие аппараты, обеспечивающие низкую неравномерность высева по сравнению с катушечно-желобчатыми высевающими аппаратами. Поэтому исследования, направленные на совершенствование аппаратов данного типа являются актуальными.
Цель исследований – повышение качества технологического процесса высева катушечно-штифтового высевающего аппарата.
Задачи исследований: определить оптимальные конструктивно-технологические параметры катушечно-штифтового высевающего аппарата; изучить влияние конструктивно-технологических параметров катушечно-штифтового высевающего аппарата на неравномерность высева.
Материалы и методы исследований. Для пневматической селекционной сеялки
ССНП-16 разработана схема катушечно-штифтового высевающего аппарат (рис. 1, а) (патент РФ
№ 2473200 «Высевающий аппарат») [5]. Основными элементами высевающего аппарата являются корпус 5 (рис. 1), штифтовая катушка, редуктор, клапан 11, бункер 12 и приемный лоток 13. Штифтовая катушка, состоит из центрального 2 и крайних 1, 9 штифтовых дисков, установленных на валу 8. На дисках 1, 2, 9 установлены штифты 4, имеющие цилиндрическую форму. Центральный диск 2 неподвижно закреплен на валу 8. Крайние диски 1, 9 приводятся в движение через повышающий редуктор. Высевающий аппарат приводится в движение от опорного колеса сеялки, цепную понижающую передачу, карданный вал и редуктор [7].
Высевающий аппарат работает следующим образом. Семена через загрузное отверстие поступают самотеком из бункера 12 в семенную коробку высевающего аппарата, образуемую корпусом 5, клапаном 11 и штифтовой катушкой. При вращении штифтовые диски перемещают семена, попавшие в межштифтовое пространство, а также часть семян, образующих активный слой. В результате семена перемещаются в нижнюю часть семенной коробки и сбрасываются с клапана 11 на наклонный лоток 13.
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 1. Высевающий аппарат катушечно-штифтового типа:
а – схема конструкционная; б – общий вид; 1, 9 – крайние (боковые) штифтовые диски; 2 – центральный штифтовый диск; 3 – ведомы звездочки привода крайних дисков; 4 – цилиндрические штифты; 5 – корпус высевающего аппарата;
6 – ведущая звездочка повышающего редуктора; 7 – звездочка привода высевающего аппарата; 8 – вал высевающего аппарата; 10 – крышка; 11 – семенной клапан; 12 – семенной бункер; 13 – приемный лоток
Так как крайние диски 1, 9 вращаются быстрее центрального диска 2, в высевающем аппарате образуются три потока семян, которые, взаимодействуя между собой, уплотняют поток, выходящий из высевающего аппарата.
В результате предлагаемый высевающий аппарат создает определенные предпосылки для увеличения равномерности продольного высева семян зерновых культур.
Для проверки достоверности гипотезы разработана программа и методика исследований влияния конструкционных и технических параметров на подачу высевающего аппарата, на устойчивость и неравномерность высева [9]. Изготовлен экспериментальный катушечно-штифтовый высевающий аппарат.
В результате предварительных исследований установлены факторы, влияющие на качественные показатели предлагаемого высевающего аппарата.
В качестве основных факторов, оказывающие наибольшее влияние на качественные параметры технологического процесса высева семян, были приняты следующие:
– число штифтов высевающей катушки k;
– передаточное отношение редуктора, приводящего во вращение крайние штифтовые диски, i;
– частота вращения центральной части штифтовой катушки n.
Исследования влияния указанных факторов на качество технологического процесса высева семян проводились на лабораторной установке для экспериментальных исследований подачи семенного материала.
Для определения влияния числа штифтов высевающей катушки на качество технологического процесса высева семян были изготовлены комплекты сменных высевающих катушек с разным количество штифтов.
С каждым комплектом штифтовых катушек определялось качество технологического процесса высева семян согласно методике многофакторного планирования эксперимента.
Критерием оптимизации выбран такой параметр качества технологического процесса высева семян как неравномерность продольного высева ν, %.
На основании предварительных исследований выбирались уровни и интервалы варьирования переменных факторов.
В результате определили, что лучшие параметры равномерности высева высевающего аппарата обеспечиваются, если количество штифтов варьируется в пределах k = 48...96, соотношение частот вращения штифтовых дисков – i = 1,17...1,93 и частоты вращения катушки – n = 12…20 мин-1 (табл. 1).
Многофакторные опыты проводились в соответствии с симметричным некомпозиционным квази-D-оптимальным планом Песочинского.
Таблица 1
Варьирование интервалов и уровней основных факторов
|
Уровни варьирования факторов |
Факторы |
Факторы в кодированном виде |
||||
|
k, шт. |
i |
n, мин-1 |
x1 |
x2 |
x3 |
|
|
Верхний |
96 |
1,93 |
20 |
+1 |
+1 |
+1 |
|
Нижний |
72 |
1,55 |
16 |
-1 |
-1 |
-1 |
|
Основной |
48 |
1,17 |
12 |
0 |
0 |
0 |
|
Интервал варьирования |
24 |
0,38 |
4 |
1 |
1 |
1 |
Результаты реализации многофакторных экспериментов обрабатывались по методике, изложенной в источнике [1], и приведены в экспериментальной части работы.
При исследовании влияния конструкционно-технологических параметров катушечно-штифтового высевающего аппарата на качество высева были проведены лабораторно-полевые исследования [6].
Для этого на базе селекционной пневматической сеялки ССНП-16 разработана и изготовлена экспериментальная селекционная сеялка, оборудованная разработанным высевающим аппаратом.
Проводимые исследования определяли сравнительные показатели высева экспериментальной сеялки и селекционной пневматической сеялки ССНП-16, оснащенной базовым катушечно-желобчатым высевающим аппаратом [7].
Результаты исследований. Для аналитического описания влияния факторов на критерий оптимизации была выбрана квадратичная модель уравнения регрессии:
, (1)
где y – параметр оптимизации;
b0 – свободный член, равный отклику при xi = 0;
bi – коэффициент уравнения регрессии, соответствующий i-му фактору;
bij – коэффициент уравнения регрессии, соответствующий взаимодействию факторов;
xi – кодированное значение факторов (i = 1, 2, 3…).
В результате реализации многофакторного эксперимента и обработки полученных данных определены значения коэффициентов регрессии выбранной математической модели (табл. 2).
Таблица 2
Коэффициенты регрессии представленной математической модели
|
b0 |
b1 |
b2 |
b3 |
b12 |
b13 |
b23 |
b11 |
b22 |
b33 |
|
23,910 |
-4,910 |
-0,361 |
0,953 |
-1,153 |
-0,032 |
0,159 |
4,069 |
9,493 |
-0,844 |
Оценена значимость коэффициентов регрессии по ti-критерию Стьюдента для 5% уровня значимости и числа степеней свободы 26 (tкр=2,06). Определены расчетные значения критерия Стьюдента. Коэффициенты уравнения регрессии b13, b23 оказались несущественными, так как tрасч<tкр (их можно исключить без пересчета остальных). В результате уравнение регрессии:
(2)
После раскодировки факторов при средней частоте вращения центральной части высевающей катушки n = 16 об/мин уравнение регрессии:
. (3)
Проверка адекватности модели с исключенными несущественными коэффициентами уравнения регрессии проведена с использованием F-критерия Фишера. Расчетное значение F-критерия Фишера составило 295,89. Табличное значение критерия со степенями свободы f1 = 1 и f2 = 11 составило Fтабл = 4,84.
Поскольку фактическое значение критерия Фишера F > Fтабл, то коэффициент детерминации статистически значим, и найденная оценка уравнения регрессии статистически надежна, что подтверждает адекватность полученной модели.
По представленной формуле уравнения регрессии (3) построена графическая зависимость изменения неравномерности продольного высева (ν) в зависимости от числа штифтов высевающей катушки (k) и передаточного отношения редуктора, приводящего во вращение крайние штифтовые диски (i), в виде поверхности отклика (рис. 2, а) и сечения поверхности отклика (рис. 2, б).
Найдены оптимальные значения факторов: число штифтов высевающей катушки k = 87, передаточное отношение редуктора, приводящего во вращение крайние штифтовые диски, i = 1,77, средняя частота вращения центральной части высевающей катушки n = 16 об/мин. При данных значениях факторов неравномерность продольного высева не превышает 22,5 %.
В результате проведения лабораторно-полевых испытаний было установлено [6], что неравномерность распределения семян и растений в рядке при посеве сеялкой с катушечно-желобчатым высевающим аппаратом и сеялкой с катушечно-штифтовым высевающим аппаратом составила, соответственно: для семян – 64,5 и 53,8%; для растений – 72,3 и 58,1%.
В результате динамика появления всходов при посеве семян яровой пшеницы экспериментальной сеялкой была выше на 16%, чем при посеве сеялкой с катушечно-желобчатым высевающим аппаратом.
а
|
Число штифтов высевающей катушки |
|
Соотношения частот вращения крайних |
б
Рис. 2. Факторная зависимость неравномерности продольного высева:
а – поверхность отклика; б – сечение поверхности отклика
Заключение. Обеспечение высокого качества посева можно достичь за счет применения катушечно-штифтового высевающего аппарата предлагаемой конструкции. Лучшая неравномерность продольного высева обеспечивается при оптимальных значениях факторов: число штифтов высевающего аппарата k = 87, передаточное отношение редуктора, приводящего во вращение крайние штифтовые диски, i = 1,77, средняя частота вращения центральной части высевающей катушки n = 16 об/мин. При данных значениях факторов неравномерность продольного высева не превышает 22,5%. Лабораторно-полевые испытания экспериментальной сеялки, оснащенной катушечно-штифтовым высевающим аппаратом, показали, что неравномерность распределения семян и растений в рядке, оказалась ниже, чем при посеве сеялкой, оснащенной катушечно-желобчатым высевающим аппаратом. В результате динамика появления всходов оказалась выше на 16%.
1. Доспехов, В. А. Методика полевого опыта (с обоснованием статистической обработки результатов ис-следований) / В. А. Доспехов. - М. : Колос, 1979. - 416 с.
2. Исаев, Ю. М. Высев семян спирально-винтовым аппаратом / Ю. М. Исаев, Н. М. Семашкин, В. А. Злобин // Международный журнал экспериментального образования. - 2014. - № 8-3. - С. 75-76.
3. Ларюшин, Н. П. Обоснование выбора конструкции высевающего аппарата зерновой сеялки / Н. П. Ла-рюшин, А. В. Шуков, В. А. Мачнев // Нива Поволжья. ¬- 2012. - № 2 (23). - С. 59-65.
4. Ларюшин, Н. П. Результаты лабораторных исследований высевающего аппарата / Н. П. Ларюшин, В. Н. Кувайцев, С. Д. Загудаев [и др.] // Фундаментальные исследования. -2013. - № 10-1. - С. 140-144.
5. Пат. №2473200 РФ, МПК A01C 7/12. Высевающий аппарат / Петров А. М., Сыркин В. А., Васильев С. А. [и др.]. - № 2011122286/13 ; заявл. 01.06.2011 ; опубл. 27.01.13, Бюл. №3. - 7 с.
6. Петров, А. М. Результаты полевых исследований экспериментальной селекционной сеялки с катушеч-но-штифтовым высевающим аппаратом / А. М. Петров, В. А. Сыркин // Известия Самарской государствен-ной сельскохозяйственной академии. - 2017. ¬ - № 2. - С. 36-39.
7. Сыркин, В. А. Обоснование конструкционно-технологической схемы катушечно-штифтового высеваю-щего аппарата / В. А. Сыркин, А. М. Петров, С. А. Васильев // Известия Самарской государственной сель-скохозяйственной академии. ¬- 2011. ¬ - № 3. - С. 44-46.
8. Сыркин, В. А. Результаты экспериментальных исследований катушечно-штифтового высевающего ап-парата / В. А. Сыркин, А. М. Петров // Достижения науки агропромышленному комплексу : сб. науч. тр. - Ки-нель : РИЦ СГСХА. - 2013. . - С. 85-88.
9. Isaev, Yu. M. Theoretical studies of movement of loose material in a dosing device / Yu. M. Isaev, N. P. Kryuchin, N. M. Semashkin, A. N. Kryuchin // International Journal of Mechanical Engineering and Technolo-gy. - 2018. - Т. 9, № 5. - С. 834-840.
10. Kotov, D. N. Determination of speed of movenment of the particle on the rotating cone with shovels / D. N. Ko-tov, Yu. M. Isaev, N. P. Kryuchin [et al.] // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. - 2019. - Т. 10, № 2. - С. 1507-1514.
