На правах рукописи

ПОНОМАРЕВА Ольга Анатольевна

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА СОШНИКА ДЛЯ ПОДПОЧВЕННО-РАЗБРОСНОГО

ПОСЕВА СЕМЯН

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Челябинск - 2008

Работа выполнена на кафедре Сельскохозяйственные машины Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т.С.Мальцева и на кафедре Почвообрабатывающие и посевные машины Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Челябинский государственный агроинженерный университет.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

засл. работник высшей школы РФ

Рахимов Раис Саитгалеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Капов Султан Нануович

кандидат технических наук, старший

научный сотрудник

Гордеев Олег Власович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО Башкирский государственный аграрный университет

Защита состоится л18 декабря 2008 года, в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 при Челябинском государственном агроинженерном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр.им. В.И.Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного агроинженерного университета.

Автореферат разослан л14 ноября 2008 г. и размещен на официальном сайте ФГОУ ВПО ЧГАУ // www.csau.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Басарыгина Е.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для посева зерновых культур по стерне и на почвах, подверженных ветровой и водной эрозии, применяются стерневые сеялки, которые за один проход выполняют несколько технологических операций. Это способствует меньшему уплотнению почвы, сохранению влаги в верхних ее слоях и экономии топлива. Однако распределительные устройства сошников этих сеялок не отвечают требованиям агротехники по обеспечению равномерного распределения семян в подсошниковом пространстве по ширине захвата лапы и по глубине заделки семян. Это ведет к неравномерным всходам, увеличению засоренности поля, снижению качества зерна и урожайности возделываемых культур. Анализ проведенных исследований показывает, что сошники, распределительные устройства которых исключают свободный полет семян по длинным траекториям и отскок от отражающих поверхностей, а также от внутренних боковых стенок сошника, равномерно распределяют семена по площади посева. Достаточно полно данным требованиям отвечают сошники с активным распределением семян, в основе работы которых лежит вибрация, но они не обеспечивают стабильность равномерного распределения семян в подсошниковом пространстве.

В связи с этим разработка сошников с вибрационным распределительным устройством для подпочвенно-разбросного посева семян, является актуальной и имеет практическое значение.

Тема исследования соответствует разделу федеральной программы по научному обеспечению АПК Российской Федерации: шифр 01.02 Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г., плану НИР Курганской государственной сельскохозяйственной академии, № 01.2.00 109598 от 1 апреля 2001 года.

Цель исследования. Повышение равномерности распределения семян по площади посева путем разработки и обоснования параметров сошника с вибрационным распределительным устройством для подпочвенно-разбросного посева.

Задачи исследования

1. Исследовать процесс распределения семян вибрационным распределительным устройством в подсошниковом пространстве и обосновать конструктивную схему сошника.

2. Обосновать конструктивные и кинематические параметры вибрационного распределительного устройства, обеспечивающие норму высева и равномерность распределения семян по площади посева.

3. Разработать конструкцию вибрационного распределительного устройства для подпочвенно-разбросного распределения семян к сошникам и дать экономическую оценку эффективности его применения.

Объект исследования. Технологический процесс подпочвенно-разбросного посева зерновых культур сошником с вибрационным распределительным устройством.

Предмет исследования. Закономерности влияния конструктивных и кинематических параметров сошника с вибрационным распределительным устройством на равномерность распределения семян по дну борозды и на норму высева.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

- уравнения движения семян в горизонтальной трубе сошника с вибрационным распределительным устройством;

- зависимости истечения семян из щели распределительного устройства и распределения их в подсошниковом пространстве;

- аналитическая зависимость нормы высева семян от угловой частоты и амплитуды колебаний распределительной трубы;

- зависимости равномерности распределения семян по площади посева от кинематических параметров вибрационного распределительного устройства сошника.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов

Исследования разработанных и изготовленных по обоснованным параметрам макетных образцов сошников с вибрационным распределительным устройством для подпочвенно-разбросного способа посева зерновых культур показали, что они обеспечивают разбросной посев по площади поля c коэффициентом вариации *= 41Е45% и по ширине захвата лапы с коэффициентом вариации = 4,2%, что обеспечивает равномерность посева в пределах агродопуска.

Разработана чертежно-техническая документация на изготовление сошника с вибрационным распределительным устройством для стерневых сеялок и передана для изготовления в ЗАО ИПП ТехАртКом (г. Челябинск) и АО Варнаагромаш (с. Варна).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях в КГСХА, (г. Курган, 2003-2008 гг.), ЧГАУ (г. Челябинск, 2004-2008 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе один патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 62 рисунка, состоит из введения, пяти глав, выводов и рекомендаций, 12 приложений.

Список использованной литературы включает в себя 126 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, поставлена цель работы, показана ее научная и практическая значимость и приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава Состояние вопроса, цель и задачи исследования посвящена анализу способов посева зерновых культур и конструкций сошников для подпочвенно-разбросного посева, изучению влияния качества посева зерновых культур на урожайность сельскохозяйственных культур, проведен обзор научно-исследовательских работ по обоснованию параметров сошников.

Разработкой конструкции сошников и обоснованием их параметров занимались такие ученые, как А.С. Архипов, К.И. Васильев, Д.А. Смиловенко, Ф.В. Грищенко, Н.П. Попель, Н.И. Любушко, П.П. Карпуша, Н.У. Вахитов, И.И. Сахатский, В.И. Ковзалов, Ю.П. Ворожеин и другие. Анализ их работ показал, что проблема повышения качества посева семян зерновых культур до конца не решена. Существующие сошники с пассивным, пневматическим и активным распределением семян не обеспечивают равномерное распределение семян в подсошниковом пространстве. Поэтому вопросы обеспечения равномерного распределения семян и, как следствие, повышения урожайности путем применения сошников с активным распределительным устройством при подпочвенно-разбросном посеве являются актуальными.

Теория процесса высева семян разработана М.Н. Летошневым, А.Н. Карпенко, Л.В. Гячевым, А.А. Вишняковым, И.В. Сегедой, А.Н. Семеновым, А.Ф. Владимировым, В.М. Атомянам и многими другими. Большинство исследователей при рассмотрении процесса истечения семян рекомендуют принимать следующие допущения: процесс движения сыпучих материалов подчиняется законам механики сплошной среды; движение отдельного слоя семян рассматривается как движение материальной точки; сыпучий материал состоит из абсолютно твердых шаровых частиц, обладающих сухим внутренним и внешним трением. Анализ работ по механике сыпучих материалов показывает, что создание моделей, описывающих движение сыпучей среды, является одной из самых сложных проблем в области механики сплошных сред. Это в первую очередь связано с наличием так называемого сухого трения. Одним из путей преобразования сухого трения в вязкое может быть применение вибрации, наличие которой создает равномерное и устойчивое истечение сыпучего материала.

На основании проведенного анализа была сформулирована следующая научная гипотеза: воздействие вибрации на семенной материал позволит создать устойчивый и равномерный поток семян с постоянной скоростью, движение которого с достаточной достоверностью можно описать в рамках модели несжимаемой бингемовской жидкости. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе Исследования факторов, влияющих на работу вибрационного распределительного устройства сошника описана конструкция вибрационного распределительного устройства к сошникам стерневых сеялок, рассмотрена закономерность движения зернового потока от бункера до распределительного устройства и обоснованы конструктивные параметры вибрационного распределительного устройства.

Основным рабочим органом сошника стерневых сеялок является лапа 1, которая крепится к раме через подпружиненную стойку 2 (рисунок 1).

Для обеспечения равномерного распределения семян по площади посева, на основе наших предварительных исследований, позади стойки сошника было установлено разработанное нами вибрационное распределительное устройство.

Распределительное устройство состоит из семяпровода 7, горизонтальной трубы 8, высевающей щели 9; оно установлено в стойке семяпровода 5, жестко закрепленной к подпружиненной стойке 2. Сверху горизонтальная труба закрыта кожухом 6, соединенным с лапой 1.

1 - лапа; 2 - подпружиненная стойка; 3 - вибровозбудитель; 4 - ось вращения;

5 - стойка семяпровода; 6 - кожух; 7 - семяпровод; 8 - горизонтальная труба распределительного устройства; 9 - высевающая щель

Рисунок 1 - Схема сошника для подпочвенно-разбросного посева

с вибрационным распределительным устройством

Технологический процесс работы распределительного устройства состоит из трех этапов. На первом этапе засыпанные в бункер семена за счет своей текучести заполняют семяпровод. На втором этапе при включении вибровозбудителя 3 за счет колебаний семяпровода относительно оси вращения 4 происходит заполнение семенами горизонтальной распределительной трубы, на третьем этапе - дальнейшее истечение семян через высевающую щель и равномерное их распределение в подсошниковом пространстве. Ширина высевающей щели регулируется в зависимости от размера семян.

Для исследования закономерностей движения семян внутри распределительного устройства (рисунок 2), изучения влияния частоты и амплитуды вибрации распределительного устройства на норму высева и на равномерность распределения семян по площади поля проведены теоретические исследования. При этом приняты следующие допущения: высота слоя семян вдоль горизонтальной трубы уменьшается по линейному закону; зёрна - частицы сферической формы с эквивалентным диаметром.

1 - семяпровод; 2 - горизонтальная распределительная труба; 3 - высевающая щель; 4 - ось вращения; 5 - точка крепления привода вибровозбудителя; b - ширина щели; h - высота расположения щели над почвой; dc - внутренний диаметр вертикальной трубы; dmp - внутренний диаметр горизонтальной трубы; L - длина горизонтальной трубы распределительного устройства; hг - максимальный перепад высоты слоя семян от центра до края горизонтальной трубы

Рисунок 2 - Схема работы предлагаемого вибрационного

распределительного устройства семян

Расход семян из горизонтальной трубы Q можно определить по норме высева семян N и скорости движения агрегата Vа:

, шт./с (1)

где - длина горизонтальной распределительной трубы, м.

Объемный расход семян

, м3/с (2)

где m - масса зерновки, кг;

- плотность семян, кг/м3.

По уравнению неразрывности потока определяется скорость потока семян в начале горизонтальной трубы, м/с:

, (3)

где - площадь сечения потока семян, м2.

С учетом допущения, что при колебаниях семенной материал приобретает свойства текучести, движение зерновки можно описать в рамках модели бингемовской жидкости. Реологические свойства бингемовской жидкости характеризуются в основном двумя параметрами: начальным напряжением сдвига и бингемовской, или пластической, вязкостью.

Для изучения движения семян в горизонтальной распределительной трубе при ее колебаниях и оценки влияния вибрации на коэффициент внутреннего трения семян составлена расчетная схема (рисунок 3 а, б).

Движение бингемовских жидкостей начинается лишь после того, как внешней силой преодолено касательное напряжение сдвига в состоянии покоя. Для пшеницы угол естественного откоса в состоянии покоя = 23Е28. При этом сила трения Fmpe и касательная составляющая Te силы тяжести уравновешивают друг друга (рисунок 3 а). Под действием вибрации нарушается контакт между отдельными семенами, и коэффициент внутреннего трения, определяемый углом естественного откоса, стремится к нулю.

Вибрационное движение распределительной горизонтальной трубы со скоростью, м/с, обеспечивает движение семян по трубе со скоростью.

Из рисунка 3 б определяем амплитуду скорости колебаний горизонтальной трубы, обеспечивающую перемещение семян со скоростью :

, м/с

При колебаниях амплитуда скорости UA определяется по выражению

, м/с

где А - амплитуда колебаний горизонтальной трубы, м;

- угловая частота колебаний горизонтальной трубы, с-1.

Отсюда

, c-1 (4)

Из рисунка 3 а, б можно получить соотношение