Исследование влияния пневматического сбрасывателя семян на показатели качества дозирования высевающего аппарата избыточного давления Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Глобин Андрей Николаевич - канд. техн. наук, доцент кафедры механизации и технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359) 43-1-71.

Терновой Дмитрий Александрович - канд. техн. наук, доцент, главный специалист отдела обеспечения качества образования Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359) 43-3-60.

Бондарева Мария Александровна - аспирантка Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359) 43-1-71.

Information about the authors

Krasnov Ivan Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Mechanization and technology for production and processing of agricultural products department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 43-1-71.

Globin Andrey Nikolaevitch - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Mechanization and technology for production and processing of agricultural products department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 43-1-71.

Ternovoi Dmitryi Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, chief specialist of the department of quality assurance, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 43-3-60.

Bondareva Maria Alexandrovna - post-graduate student, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 43-1-71.

УДК 631.331.001.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО СБРАСЫВАТЕЛЯ СЕМЯН НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ДОЗИРОВАНИЯ ВЫСЕВАЮЩЕГО АППАРАТА

ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ

© 2013 г. А.Ю. Попов, Д.А. Терновой

Представлены результаты экспериментальных исследований влияния параметров пневматического сбрасывателя семян на показатели качества дозирования пневматического высевающего аппарата избыточного давления с принудительной герметизацией семенной камеры. Построены математические модели процесса дозирования в виде уравнений регрессии. Проведен анализ полученных математических моделей процесса дозирования.

Ключевые слова: подача, дозирование, математическая модель, избыточное давление, диаметр отверстий, сбрасыватель.

The results of experimental studies about influence of pneumatic seeds ejector parameters on the quality indicators of dispensing of the back pressure seed distributor with compulsory sealing of the seed vessel are presented. Mathematical models of dispensing process in the form of the regression equations are submitted. The analysis of the received mathematical models of dispensing process is carried out.

Key words: giving, discharge, mathematical model, overpressure, diameter of openings, ejector.

При посеве пропашных культур особое внимание уделяется качеству дозирования семян. Оно в значительной степени определяет равномерность распределения растений на поле, позволяет более рационально использовать почвенную влагу, питательные вещества и другие факторы.

Для посева пропашных культур на большинстве современных сеялок применяются вакуумные высевающие аппараты. Из практики известно, что вакуумные аппараты при повышенных скоростях посева (более 7 км/ч) не обеспечивают достаточно качественное дозирование семян, так как увеличивается количество пропусков. Такой недостаток отсутствует в высевающих аппаратах, работающих на избыточном давлении. Поэтому разработка пневматического аппарата избыточного давления для посева пропашных культур и исследование процессов, происходящих при высеве, является актуальной задачей.

На кафедре механизации растениеводства ФГБОУ ВПО АЧГАА был разработан экспериментальный высевающий аппарат избыточного давления с принудительной герметизацией семенной камеры [1, 2], а также проведены экспериментальные исследования для определения его оптимальных режимов работы, в ходе которых на универсальном компьютеризированном стенде производилась регистрация индивидуальной подачи семян кукурузы каждым дозирующим элементом [3].

При работе высевающего аппарата на процесс дозирования оказывает влияние множество факторов. В ходе исследований, проведенных ранее, известно, что основными факторами, определяющими качество дозирования семян аппаратом избыточного давления с принудительной герметизацией семенной камеры, являются диаметр отверстий дозирующих элементов, частота вращения высевающего диска и величина избыточного давления в семенной камере аппарата [4, 5].

В качестве параметра оптимизации было принято математическое ожидание

подачи семян дозирующими элементами высевающего диска М.

Так как процесс дозирования семян высевающим аппаратом, кроме захвата, включает также и сброс «лишних семян», то возникает необходимость в проведении исследования влияния пневматического сбрасывателя на показатели качества дозирования аппаратом.

В предложенной принципиальной схеме высевающего аппарата избыточного давления используется пневматический сброс «лишних» семян потоком воздуха, нагнетаемым каналом избыточного давления аппарата, расположенным в верхней части семенной камеры. Исходя из законов гидравлики известно, что варьировать скоростью потока воздуха можно за счет изменения диаметра сопла при постоянном расходе воздуха. Поэтому одним из факторов, оказывающих влияние на сброс «лишних» семян, выбран диаметр сопла канала избыточного давления высевающего аппарата.

Определение влияния диаметра отверстий высевающего диска и диаметра сопла пневматического сбрасывателя. Для исследования процесса дозирования семян пневматическим высевающим аппаратом избыточного давления был выбран и реализован двухфакторный эксперимент по матрице планирования ПФЭ 2 , который проводился согласно составленной методике и программе исследования.

Двухфакторный эксперимент по матрице планирования ПФЭ 22 проводился с использованием семян кукурузы Зерно-градский 330 МВ при оптимальных значениях основных факторов [4, 5]:

- величина избыточного давления р = 3,0 кПа;

- частота вращения высевающего диска п = 0,8

- количество дозирующих элементов в высевающем диске - 15 шт.

Факторы и их уровни варьирования представлены в таблице 1.

Таблица 1

Основные факторы и уровни их варьирования

^^^^^-^^Факторы Уровни Диаметр сопла пневматического сбрасывателя Диаметр отверстий дозирующих элементов

Натуральное обозначение Б, мм ё, мм

Верхний 35,0 5,0

Основной (нулевой) 30,0 4,0

Нижний 25,0 3,0

Кодированное обозначение XI X2

Верхний +1 + 1

Основной (нулевой) 0 0

Нижний -1 -1

2

Результаты эксперимента 2 по исследованию влияния диаметра сопла высевающего аппарата и диаметра отверстий до-

зирующих элементов высевающего диска на показатели качества дозирования высевающего аппарата приведены в таблице 2.

Таблица 2

Подача семян дозирующими элементами высевающего диска

№ опыта Факторы Частости подач семян дозирующими элементами, % Числовые характеристики

X! Х2 а0 а1 а2 аэ а4 М, шт. о, шт. V, %

Б, мм ё, мм

1 35 5,0 1,3 88,3 8,3 1,7 0,4 1,12 0,43 39

2 35 3,0 13,3 80,1 6,2 0,4 - 0,94 0,46 49

3 25 5,0 4,0 85,9 8,5 1,6 - 1,08 0,43 40

4 25 3,0 18,6 76,4 4,8 0,2 - 0,87 0,47 55

Повторность опытов трехкратная, по 400 подач в каждой повторности. Таким образом, в каждом опыте регистрировалось 1200 подач. Точность опытов, т.е. относительная ошибка средней подачи семян, составила от 1,12 до 1,57%.

В результате обработки опытных данных таблицы 2 известным методом [6, 7, 8] была построена статистическая математическая модель процесса высева в кодированном виде:

У = 1,002 + 0,025X + 0,095Х2. (1)

Оценка однородности дисперсий была проведена с помощью критерия Кохре-на. С помощью критерия Стьюдента проверена гипотеза о значимости коэффициентов уравнения регрессий. Коэффициент Ь12 = -0,005 незначим. С помощью критерия Фишера была подтверждена адекватность модели с 95% доверительной вероятностью.

Проведя преобразования уравнения регрессии (1), получим уравнение регрессии в натуральном виде:

М = 0,472 + 0,005В + 0,095^. (2)

По уравнению регрессии (2) были построены изолинии поверхности отклика, которые представлены на рисунке 1.

Из анализа уравнения регрессии (1) и изолинии (рис. 1) следует:

- при увеличении диаметра сопла пневматического сбрасывателя в диапазоне от 25 мм до 35 мм математическое ожидание подачи семян дозирующими элементами увеличивается незначительно;

- при увеличении диаметра отверстий дозирующих элементов математическое ожидание подачи увеличивается;

- при одновременном увеличении диаметра сопла пневматического сбрасывателя и диаметра отверстий дозирующих элементов пропорционально их интервалам варьирования математическое ожидание подачи семян увеличивается;

- из двух факторов в исследуемых пределах наибольшее влияние на математическое ожидание подачи семян кукурузы оказывает диаметр отверстий дозирующих элементов высевающего диска;

- показатели неравномерности дозирования находятся в пределах о = 0,43-0,47 шт., коэффициент вариации V = 39-55%.

<± мм.

X;

г £

I 5

8

й &

н

I

к

П

4.5

4,0-

3.5

3,0

1 "м=К10____

0,5 --М=1, М=1,05.___ )0

-1 -0,5 0 -М=О£5.0;5 1

-1

X,

25 27,5 30 32,5 Б, мм

Диаметр сопла высевающего аппарата

Рис. 1. Изолинии математического ожидания подачи семян дозирующими элементами при изменении диаметра сопла и диаметра отверстий дозирующих элементов

Из таблицы 2 видно, что при увеличении диаметра сопла при постоянном диаметре отверстий дозирующих элементов частость нулевых подач уменьшается, частость двухштучных подач увеличивается незначительно, частость трехштучных подач практически не изменятся, частость одноштучных подач увеличивается незначительно, математическое ожидание пода-

чи семян находится в диапазоне М = 0,871,12 шт.

Определение влияния диаметра сопла пневматического сбрасывателя и избыточного давления в семенной камере на показатели качества дозирования высевающего аппарата. Для определения влияния диаметра сопла пневматического сбрасывателя и избыточного давления в семенной

камере на показатели качества дозирования высевающего аппарата был проведен полный факторный эксперимент типа ПФЭ 2 .

Двухфакторный эксперимент по матрице планирования ПФЭ 2 проводился с использованием семян кукурузы Зерно-градский 330 МВ при оптимальных значениях основных факторов:

Основные факторы

- диаметр отверстий дозирующих элементов ё = 4,0 мм;

- частота вращения высевающего диска п = 0,8 с-1;

- количество дозирующих элементов в высевающем диске - 15 шт.

Факторы и их уровни варьирования представлены в таблице 3.

Таблица 3

и уровни их варьирования

Факторы Уровни Диаметр сопла пневматического сбрасывателя Избыточное давление в камере

Натуральное обозначение Б, мм р, кПа

Верхний 35,0 4,0

Основной (нулевой) 30,0 3,0

Нижний 25,0 2,0

Кодированное обозначение XI Х2

Верхний +1 + 1

Основной (нулевой) 0 0

Нижний -1 -1

2

Опыты проведены по матрице ПФЭ 2 в последовательности, имеющей случайный характер, т.е. опыты рандомизированы.

Результаты эксперимента 2 по исследованию влияния диаметра сопла пневматического сбрасывателя и избыточного давления в семенной камере на подачу высевающего аппарата приведены в таблице 4.

Повторность опытов трехкратная, по 400 подач в каждой повторности. Таким образом, в каждом опыте регистрировалось 1200 подач.

Точность опытов, т.е. относительная ошибка средней подачи семян, составила от 0,60 до 2,50%.

Таблица 4

Подача семян кукурузы дозирующими элементами высевающего диска

№ Факторы Частости подач семян дозирующими элементами, % Числовые характеристики

опыта Х1 Х2 а0 а1 а2 аэ М, о, шт. V, %

Б, мм р, кПа шт.

1 35 4,0 0,8 95,3 3,9 - 1,03 0,22 21

2 35 2,0 5,8 93,6 0,6 - 0,95 0,25 26

3 25 4,0 12,3 85,1 2,5 0,1 0,90 0,37 42

4 25 2,0 40,1 57,0 2,7 0,2 0,63 0,54 87

В результате обработки опытных данных таблицы 4 известным методом [9, 10] была построена статистическая мате-

матическая модель процесса высева в кодированном виде:

У = 0,878 + 0,112X + 0,090Х2 - 0,048X^2 •

(3)

Оценка однородности дисперсий была проведена с помощью критерия Кохрена [6, 9]. С помощью критерия Стьюдента проверена гипотеза о значимости коэффициентов уравнения регрессий. Все коэффициенты регрессии значимы. С помощью

критерия Фишера была подтверждена адекватность модели с 95% доверительной вероятностью.

Проведя преобразования уравнения регрессии (3), получим уравнение регрессии в натуральном виде:

М = -0,928 + 0,05Ш + 0,378р - 0,010£)р.

(4)

По уравнению регрессии (4) были построены изолинии поверхности отклика, которые представлены на рисунке 2.

Проанализировав уравнение регрессии (3) и изолинии этой функции (рис. 2), можно сделать следующие выводы:

- при увеличении диаметра сопла пневматического сбрасывателя в диапазоне от 25 мм до 35 мм математическое ожидание подачи семян дозирующими элементами увеличивается;

р, кПа

- при увеличении избыточного давления в семенной камере высевающего аппарата от 2,0 кПа до 4,0 кПа математическое ожидание подачи дозирующими элементами увеличивается;

- при одновременном увеличении диаметра сопла пневматического сбрасывателя и избыточного давления в семенной камере аппарата пропорционально их интервалам варьирования математическое ожидание подачи семян увеличивается.

Х>

3,5-

41

1=1 3 о о

ю

Я 2,5

2,0-

\ М=1,00

\о,5 м=о Ч 1 М=0,90 ,95 \

-1 ^-0.5 \ \ 0 У М=0,8: \ 0,5 1 \ \ 1

\ м=о М=0,70 ЧМ=0,65\ ,75 \-0,5 \\ \\

X,

25 27,5 30 32,5

Диаметр сопла высевающего аппарата

Б, мм

Рис. 2. Изолинии математического ожидания подачи семян дозирующими элементами при изменении диаметра сопла и избыточного давления в семенной камере высевающего аппарата

Анализ таблицы 4 показывает:

- увеличение диаметра сопла или избыточного давления в семенной камере аппарата приводит к значительному уменьшению частости нулевых подач;

- при диаметре сопла, равном П=35 мм, увеличение избыточного давления приводит к увеличению частости двухштучных подач, при диаметре сопла П=25 мм увеличение избыточного давления не оказывает влияния на частость двухштучной подачи;

- при увеличении диаметра сопла частость одноштучной подачи увеличивается более значительно, чем при увеличении избыточного давления;

- показатели неравномерности дозирования находятся в пределах а = 0,22-

0,54 шт., коэффициент вариации V = 2187%.

Влияние величины избыточного давления в семенной камере на показатели качества дозирования высевающего аппарата. Для определения влияния величины избыточного давления в семенной камере на показатели качества дозирования величина избыточного давления изменялась ступенчато от 2,0 кПа до 4,0 кПа. Диаметра сопла пневматического сбрасывателя принят равным 35 мм. Частота вращения высевающего диска п = 0,8 с-1.

Влияние величины избыточного давления в семенной камере на показатели качества дозирования высевающего аппарата представлены на рисунке 3.

а„

110 100.

90 80

70 60.

50

¿0 30

20

10 О

м

\

х \

У /

/

а2 а0

/ / /

V Ю 0,9 0.8 ■0.7 ■0.6

М, шт.

05

ОА ■ 0.3

0.2

0.1

2.0

2,5

3,0

3.5

Ь,0 р. к Па

Рис. 3. Влияние величины избыточного давления в семенной камере на показатели качества дозирования высевающего аппарата

Из рисунка 3 видно, что

- при увеличении избыточного давления от 2,0 кПа до 4,0 кПа математическое ожидание подачи семян увеличивается от 0,95 до 1,03 шт.;

- при увеличении избыточного давления от 2,0 кПа до 4,0 кПа частость нуле-

вых подач уменьшается от 5,8% до 0,8%, частость двухштучных подач увеличивается от 0,6% до 3,9%, частость одноштучных подач колеблется в пределах от 93,6% до 95,7%;

- при избыточном давлении 2,0 кПа и 2,5 кПа частость нулевых подач составляет

5,8% и 2,1% соответственно, что недопустимо по агротехническим требованиям;

- при увеличении давления от 2,5 кПа до 4,0 кПа показатели неравномерности подачи семян аппаратом находятся в пределах о = 0,19-0,25 шт., V = 21-26%;

- максимальная частость одноштуч-ной подачи семян а1 = 95,7% наблюдается при давлении р = 3,0 кПа, причем математическое ожидание составляет М = 1,01 шт., то есть работа высевающего аппарата в этом диапазоне величины избыточного давления и установленном диаметре сопла пневматического сбрасывателя D = 35 мм осуществляется в оптимальном режиме дозирования с учетом агротехнических требований (частость нулевых подач не более 2%), а установленные параметры работы высевающего аппарата - величина избыточного давления и диаметр сопла пневматического сбрасывателя - рациональными.

Общие выводы. На основании проведенных экспериментальных исследований построены математические модели процесса дозирования в виде уравнений регрессии, построены изолинии математического ожидания подачи семян дозирующими элементами при изменении диаметра сопла и диаметра отверстий высевающего диска, а также изолинии математического ожидания подачи при изменении диаметра сопла и избыточного давления в семенной камере высевающего аппарата.

В ходе анализа полученных данных видно, что диаметр сопла пневматического сбрасывателя высевающего аппарата оказывает значительное влияние на математическое ожидание подачи семян кукурузы. Но данный параметр является нерегулируемым, поэтому необходимо снижать влияние этого фактора путем увеличения его величины.

Из конструктивных особенностей рассматриваемого аппарата [1], рекомендуется использовать диаметр сопла равным 35 мм. При такой величине диаметра сопла пневматического сбрасывателя наблюдается оптимальное дозирование семян, которое подтверждается дополнительным исследованием дозирования семян высеваю-

щего аппарата при изменении величины избыточного давления в семенной камере.

Литература

1. Пат. 2355153 Российская Федерация МПК7 A01C7/04 Пневматический высевающий аппарат / П.Я. Лобачевский, А.Ю. Попов, А.Ю. Несмиян, В.И. Хижняк (ФГОУ ВПО АЧГАА). - № 2007145276/12 заявл. 05.12.2007; опубл. 20.05.2009 Бюл. № 14.

2. Попов, А.Ю. Совершенствование конструкции пневматического высевающего аппарата избыточного давления / Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2009. - № 4. - С. 7679.

3. Попов, А.Ю. Оценка качества дозирования семян аппаратами точного высева / А.Ю. Попов // Ресурсосбережение в сельскохозяйственном производстве. Сборник научных трудов // ФГОУ ДПО РИПКК АПК. - Ростов-на-Дону, 2009.

4. Попов, А.Ю. Элементы теории пневматического высевающего аппарата избыточного давления // Вестник аграрной науки Дона. - 2009. - № 1. - С. 22-28.

5. Попов, А.Ю. Исследование подачи семян кукурузы аппаратами избыточного давления / А.Ю. Попов // Совершенствование технических средств в растениеводстве: межвузовский сборник научных трудов. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2009. - 157 с.

6. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю. П. Адлер, ЕВ. Маркова, Ю.В. Грановский. - Москва: Наука, 1976. - 279 с.

7. Грановский, В.А. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях / В.А. Грановский, Т.Н. Сирая. -Ленинград: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 288 с.

8. Ермольев, Ю.И. Основы научных исследований в сельскохозяйственном машиностроении / Ю.И. Ермольев. - Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2003. - 243 с.

9. Вольф, В.Г. Статистическая обработка опытных данных / В.Г. Вольф. -Москва: Колос, 1966. - 254 с.

10. Спиридонов, А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов / А.А. Спиридонов. -Москва: Машиностроение, 1981. - 184 с.

Сведения об авторах

Попов Антон Юрьевич - канд. техн. наук, доцент кафедры механизации растениеводства Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел./факс 8(86359) 43-2-90. E-mail: [email protected].

Терновой Дмитрий Александрович - канд. техн. наук, доцент, главный специалист отдела обеспечения качества образования Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359) 43-3-60.

Information about the authors

Popov Anton Yurievich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Agricultural mechanization department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zerno-grad). Phone/факс 8(86359) 43-2-90. E-mail: [email protected].

Ternovoi Dmitryi Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, chief specialist of the department of quality assurance, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zerno-grad). Phone: 8(86359) 43-3-60.

УДК 631.354.23

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА РАБОТЫ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЕЙ ЗЕРНОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ

© 2013 г. С.А. Родимцев, М.Ю. Ягельский

Представлены результаты экспериментальных исследований измельчителей-разбрасывателей соломы зерноуборочных комбайнов с помощью вновь разработанного пробоотборника.

Ключевые слова: зерноуборочный комбайн, измельчение соломы, равномерность распределения, отбор проб.

Results of pilot studies of straw processing machine of the combine harvesters, using the newly developed sampler are presented.

Key words: combine harvester, straw crushing, uniformity of distribution, sampling.

Интенсивное земледелие сопровождается выносом из почвы большого количества питательных веществ и органической массы с урожаем сельскохозяйственных культур.

Агроэкологическими и земледельческими исследованиями установлена закономерная тенденция увеличения уровня деградации почв и земель на территории ЦЧО и Нечерноземья России. В Орловской области баланс питательных веществ в почвах пашни с 1992 года стал отрицательным (по годам от -3,7 до -123 кг га-1 д.в.), содержание гумуса снизилось на 14,1...

28,6%. На дерново-подзолистых почвах ежегодные потери гумуса составляют 0,5. 0,7 т га-1 под зерновыми культурами и до 1,5.2,0 т га-1 - в чистом паре [1].

Сохранению и приумножению плодородия почв способствует рациональное использование пожнивных остатков и особенно соломы. Известно, что 1 т измельченной соломы в сочетании с азотными удобрениями эквивалентна 3,0.3,5 т качественного навоза.

Существует 2 варианта технологии измельчения и разбрасывания соломы по поверхности поля с последующей ее задел-