CC BY
17
УДК 631.331
ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ СЕМЕНИ ПО ПОВЕРХНОСТИ РАВНОХОДОВОГО ЧЕРВЯКА КАТУШЕЧНОГО ВЫСЕВАЮЩЕГО АППАРАТА
А. В. Мачнев, доктор техн. наук, профессор; А. М. Данилов*, доктор техн. наук, профессор; В. А. Мачнев, доктор техн. наук, профессор; П. Н. Хорев, канд. техн. наук, доцент;
А. Н. Хорев, аспирант
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия; * ФГБОУ ВПО «ПГУАС», г. Пенза, Россия, т. (8412) 62-85-17, e-mail: alexei_sura@mail. т
Предложена конструкция катушечного высевающего аппарата, который состоит из семенной коробки с розеткой, муфты, клапана и катушки, выполненной в виде равноходового червяка с несимметричным профилем желобков и выступом в их днище. Выявлены особенности движения семени по желобку катушки с учетом действующих на него сил: веса семени, силы трения скольжения, силы сопротивления движению семени в потоке, реакции связи. Составлены дифференциальные уравнения движения семени в векторной и координатной формах. Установлены аналитические зависимости для определения скорости движения семени по желобку катушки по касательной, нормали и его абсолютной скорости, а также законы движения семени по желобку катушки по касательной, нормали и уравнение траектории движения семени по желобку катушки.
Ключевые слова: посев, высевающий аппарат, катушка, желобок, сила, закон движения, семя, качество посева.
Эффективное развитие отрасли растениеводства АПК России невозможно без применения современных посевных машин, основным узлом которых является высевающий аппарат. Именно от конструкции высевающего аппарата в значительной степени зависит равномерность распределения семян по площади рассева и глубине, а в конечном счете, и урожайность сельскохозяйственных культур [1-4]. Зарубежный и отечественный опыт последних лет производства зерновых культур доказал целесообразность применения катушечных высевающих аппаратов, включающих в себя желобки катушки, изготовленные по винтовой линии [2, 5, 6]. Однако и данным высевающим аппаратам присущи некоторые недостатки в работе. К ним относятся защемление и дробление семян, повышенное смещение семян в поперечном направлении и вдоль желобков катушки, недостаточное заполнение семенами желобков катушки и пульсация семенного потока [4, 7-10]. Все это приводит к повышению травмирования семян, снижению равномерности распределения семян по площади рассева, полевой всхожести семян и урожайности сельскохозяйственных культур.
Поэтому для устранения вышеперечисленных недостатков на кафедре «Механизация технологических процессов в АПК» ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» разработан катушечный высевающий аппарат, ко-
торый включает в себя семенную коробку с розеткой, муфту, клапан и катушку, выполненную в виде равноходового червяка, рабочая поверхность витка которого имеет правозаходную винтовую поверхность [2, 6], образованную перемещением криволинейной образующей, а линия вершины витка на развертке цилиндрической поверхности является кривой второго порядка уВ =-0,0041х2-0,7822х+35,894 . Поперечное сечение желобка катушки изготовлено несимметричным, имеет форму криволинейной трапеции, а в каждом желобке катушки расположен выступ в виде гипоциклоиды (рис. 1).
С целью обоснования конструктивных параметров предложенного высевающего аппарата проводились исследования по изучению характера взаимодействия семени с желобком катушки, для чего необходимо было установить законы движения семени.
Рассмотрим движение семени в желобке равноходового червяка катушечного высевающего аппарата, учитывая, что при вращении катушки против часовой стрелки с угловой скоростью со оно будет совершать движение по поверхности желобка катушки. Принимаем семя за материальную точку М (рис. 2) массой т, величина которой заранее известна. Таким образом, движение семени по поверхности желобка является несвободным.
Рис. 1. Схема катушки, выполненной в виде
равноходового червяка: 1 - гипоциклоида; 2 - линия вершины витка; 3 - рабочая поверхность витка; 4 - вершина витка; 5 - желобок; 6 - выступ; 7 - делительная окружность; ПЖ - линия профиля стандартного желобка
Находясь в желобке катушки, семя будет иметь две степени свободы: движение в радиальном направлении от минимального радиуса катушки г0 и вращательное движение вместе с катушкой с угловой скоростью о.
Угловая скорость катушки со определяется из известного выражения [1, 6, 7, 11, 12]
пп„
a =
30 '
где о - угловая скорость катушки, с - ; пк - частота вращения катушки, мин-1. Так как семя имеет две степени свободы, то для изучения его движения необходимо иметь два дифференциальных уравнения. Выберем естественную систему координат с касательной осью т, нормалью п и началом координат в точке М.
В общем виде дифференциальные уравнения движения семени (несвободной точки М) имеют вид [11, 13-17]:
(1)
(2)
где m - масса семени, кг; v - скорость семени, м/с; р- радиус кривизны траектории, м; Ft, Fn - сумма проекций активных сил на касательную ти нормаль п соответственно, H; Nt, Nn - сумма проекций реакций связи на касательную т и нормаль п соответственно, H.
Приложим действующие на семя активные силы - вес G семени, силу трения скольжения по желобку катушки, силу Fc сопротивления движению семени в потоке семян. Реакцию связи N приложим по нормали к поверхности желобка.
Составим дифференциальное уравнение движения семени в векторной форме:
m~â = ~G+~F mp=~Fc+~, (3)
где a - ускорение семени, м/с2; G - вес семени, H, равный G = mg; Fmp - сила трения скольжения по желобку катушки, H; Fc -сила сопротивления движению семени в потоке семян, H; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Семя начнет движение вдоль нормали п, когда реакция связи N будет равна нулю.
Силу Fc сопротивления движению семени, как следует из литературы [11, 1821], можно принять пропорциональной скорости:
Ft- = k -mv
Нива Поволжья № 4 (29) 2013 49
где к - коэффициент сопротивления движению семени в потоке семян, с-1; V - скорость движения семени по желобку катушки, м/с.
Сила трения скольжения по желобку катушки находится как ^тр = т^/, где /- коэффициент трения скольжения семени о поверхность желобка катушки, определяемый по выражению f=tgyст; /ст - статический угол трения семени по поверхности желобка катушки, град.
Спроектируем дифференциальное уравнение (3) на нормаль п:
(4)
где Vfi - проекция скорости движения семени по желобку катушки на нормаль, м/с; а - угол между нормалью и весом семени, град.
Начальными условиями движения семени в выражении (4) будут: £ = £"0, Va = о , 5n = 5m, где I - время движения семени по желобку катушки, с, Sn - проекция перемещения семени на нормаль, м. Подставив значения сил в уравнение (4), будем иметь
dv,
ш'-^- = тд ■ сова -kmv
dt
.
(5)
Разделив в последнем выражении ле вую и правую части на массу т, получим:
ЙИ»
.
(6)
&
Обозначив величину ¿Кдьог} = а и учитывая, что а принимает только положительные значения, после разделения переменных придем к зависимости следующего вида:
dv.
п
.
(7)
Проинтегрируем это выражение в пределах от у до и0= о и от £в= о до (: :
.
^ а -киъ ^ После интегрирования получим
(8)
где 0-1 - постоянная интегрирования, для определения которой подставляем в уравнение (8) начальные условия. В результате установили, что С1 = 1п а.
Теперь уравнение (8) с учетом величины С1 = 1п а и после преобразования представится в виде
Умножим данную формулу на коэффициент сопротивления к
ln a~ÎVn = -kt
а
(9)
и, потенцируя выражение (9), получим
a -k v.
а
Тогда из последнего выражения после некоторых преобразований получим уравнение для определения скорости движения семени по желобку катушки в проекции на нормаль:
.
(10)
Для определения перемещения 5П семени по желобку катушки в проекции на нормаль в уравнении (10) заменим переменную 11ц = ^ . Тогда получим
dt
dSn__
dt. fc(l -е-**),
a
откуда
a
.
(11)
После интегрирования формулы (11) будем иметь
S -с
к* г
(12)
Постоянную интегрирования С2 найдем после подстановки начальных условий в уравнение (12). Тогда получим, что постоянная интегрирования С2 равна а/к2.
Подставляя эту величину в формулу (12), после преобразований будем иметь выражение, устанавливающее закон движения семени по желобку катушки в проекции на нормаль с учетом силы сопротивления:
ffi
.
(13)
к к
Спроецируем теперь векторное уравнение (3) на касательную т, учитывая при этом, что начальными условиями движения семени являются t = 0 , и и И, = 1>а, где 5ц - проекция перемещения семени на касательную Т, м. Тогда с учетом значения сил будем иметь
¿и.
- = 1/141 п ее — г и
(14)
dt
,
где Щ - проекция скорости семени по желобку катушки на касательную Т , м/с. Умножим данное уравнение на :
а-р&Ь
и проинтегрируем его. После интегрирования получим зависимость вида
Ут = я(япа- /)Г + Сз. (15)
Подставив в выражение (15) начальные условия, получим, что С3 = v0, тогда уравнение для определения скорости движения семени по желобку катушки на касательную т примет окончательный вид:
. (1 6)
Для определения закона движения семени по желобку катушки по касательной в левой части последнего уравнения представим величину щ как После разделения переменных будем иметь:
= + ^(£¡11 а - РЬ ■ (££ .
Проинтегрировав это выражение, получим зависимость
¿V = ^ - с4.
Подставив начальные условия в последнее уравнение, получим закон движения семени по желобку катушки в проекции на касательную т:
¿г-^Г+^О.ЬГУ-ОГ* . (17)
Абсолютную скорость движения семени по желобку катушки найдем по её проекциям на оси координат:
L' -^XTTI-jTyil . (18)
Подставив в данное выражение значение времени t, можно определить скорость движения семени по желобку катушки в любой момент времени.
Исключив из уравнения движения (17) время t, после преобразований получили уравнение траектории движения семени по желобку катушки:
П _kv а Siaff-t-1 1 | ( ка е \
kv.CQXi '^-'V'-TTn- |.(20)
Исследованиями движения семян по поверхности равноходового червяка высевающего аппарата установлены аналитические зависимости для определения скорости движения семени по желобку катушки по касательной т (16), нормали n (10) и его абсолютной скорости (18), а также законы движения семени по желобку катушки в проекциях на естественные оси координат (12) и (17). Получено уравнение (20) траектории движения семени по желобку катушки.
Литература
1. Экспериментальные исследования сошника с направителем-распределителем семян пневматической сеялки / М. А. Ларин, А. В. Мачнев, В. В. Мачнева, А. В. Шуков // Вестник Ульяновской ГСХА. - 2012. - № 3. - С. 23-28.
2. Посевные машины: Теория, конструкция, расчёт: монография / Н. П. Ларюшин, А. В. Мачнев, В. В. Шумаев и др. - М.: Росинформагротех, 2010. - 292 с.
3. Халанский, В. М. Сельскохозяйственные машины / В. М. Халанский, И. В. Горбачёв. - М.: КолосС, 2003 - 624 с.
4. Структурная оценка энергосберегающей технологии возделывания зерновых культур и рабочих органов посевных машин / Н. П. Ларюшин, А. В. Мачнев, М. А. Ларин, А. Н. Хорев // Нива Поволжья. - 2011. - № 2(19). - С. 71-78.
5. Кем, А. А. Винтовой высевающий аппарат для посева мелкосеменных культур / А. А. Кем, Д. Н. Алгазин // Агро XXI. - 2010. - № 7-9. - С. 15-16.
6. Пат. № 2384040, МПК А01С 7/12. Высевающий аппарат / Н. П. Ларюшин, А. В. Мачнев,
A. В. Шуков и др. - № 2008145301/12; заявл. 17.11.2008; опубл. 20.03.2010, Бюл. № 8. - 10 с.
7. Ларюшин, Н. П. Обоснование конструкции высевающих аппаратов зерновой сеялки / Н. П. Ларюшин, В. А. Мачнев, А. В. Шуков // Нива Поволжья. - 2012. - № 2. - С. 59-65.
8. Мачнев, В. А. Обоснование возможности применения направителя-распределителя семян при подпочвенно-разбросном посеве / В. А. Мачнев, А. В. Мачнев, М. А. Ларин // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. - № 3. - С. 13-19.
9. Мачнев, А. В. Кинематика семян при подпочвенно-разбросном посеве / А. В. Мачнев // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2010. - № 8. - С. 47-48.
10. Вайнруб, В. И. Технология производственных процессов и операций в растениеводстве /
B. И. Вайнруб, П. В. Мишин, В. Х. Хузин. - Чебоксары: Издательство «Чувашия», 1999. - 456 с.
11. Мачнев, В. А. Теоретическая механика / В. А. Мачнев. - Пенза: РИО ПГСХА, 2001. - 140 с.
12. Клёнин, Н. И. Сельскохозяйственные машины / Н. И. Клёнин, С. Н. Киселев, А. Г. Левшин. - М.: КолосС, 2008. - 816 с.
13. Мачнев, В. А. Использование вибрационных процессов в зубчатой передаче / В. А. Мачнев, В. И. Шишкин // Техника в сельском хозяйстве. - 1996. - № 3. - С. 35-37.
14. Мачнев, В. А. Влияние вибраций на изнашивание подшипников / В. А. Мачнев // Тракторы и сельхозмашины. - 2004. - № 3. - С. 52-57.
Нива Поволжья № 4 (29) 2013 51
15. Мачнев, В. А. Сеялка-культиватор для подпочвенно-разбросного посева с направителя-ми-распределителями семян / В. А. Мачнев, А. В. Мачнев, М. А. Ларин // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. - № 8. - С. 16-17.
16. Нуруллин, Э. Г. Анализ и оценка дозирующих устройств современных посевных комплексов / Э. Г. Нуруллин, И.3. Исламов, И. М. Салахов // Вестник Казанского ГАУ. - 2009. -№ 2(12). - С. 53-55.
17. Мачнев, В. А. Обоснование технологической карты поиска неисправностей передач / В. А. Мачнев // Техника в сельском хозяйстве. - 2008. - № 3. - С. 63-66.
18. Сабиев, У. К. Математическая модель движения сегмента зерновки в центробежно-роторном измельчителе фуражного зерна / У. К. Сабиев, В. В. Фомин // Достижение науки и техники в АПК. - 2010. - № 2. - С. 62-66.
19. Ларюшин, Н. П. Сеялка с комбинированными сошниками / Н. П. Ларюшин, А. В. Мачнев, В. В. Шумаев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - № 5. - С. 9-10.
20. Мачнев, А. В. Обеспечение наименьшей деформации семени при ударе о распределитель / А. В. Мачнев // Нива Поволжья. - 2010. - № 2(15). - С. 63-65.
21. Сенин, П. В. Повышение надежности мобильной сельскохозяйственной техники при ее необезличенном ремонте / П. В. Сенин. - Саранск: Изд-во Мордовского университета, 2000. -124 с.
UDK 631.331
THE STUDY OF THE MOVEMENT OF SEED ON THE SURFACE OF THE EQUAL-PACE SCREW OF COIL SOWING MACHINE
A. V. Machnev, doctor of technical sciences, professor; A. M. Danilov*, doctor of technical sciences, professor; V. A. Machnev, doctor of technical sciences, professor;
P. N. Horev candidate of technical sciences, docent; A. N. Horev, graduate student
FSBEE HPT «Penza SAA», Russia;
*FSBEE HPT «Penza SUAC», Russia, t. (8412) 62-85-17, e-mail: alexei_sura@mail.ru
The paper proposed the construction of the coil sowing unit, which consists of a seed box with socket, couplings, valves and coils, made in the form of a equal-pace screw with the same stroke asymmetrical profile of grooves and the projection into their bottom. The features of the movement of the groove seed coil with the forces acting on it are diagnosed. The following forces were taken into consideration: the weight of the seed, the force of friction, the force of resistance movement in the flow of semen, the reaction of communication. Different levels of seed motion are written in coordinate form and vector form. The analytical determination of the velocity of the seed on the coil groove tangen-tially, normal and its absolute velocity, as well as the laws of seed motion on the coil groove tangen-tially, normaly and the equation of motion trajectory for seed coil groove are established.
Key words: seeding, planting unit, coil, groove, force, the law of motion, seed, quality of sowing
References:
1. Larin, M. A. Experimental studies of spade with the director-distributor of seed in pneumatic planters / M. A. Larin, A. V. Machnev, V. V. Machneva, A. V. Shukov // Vestnik of Ulyanovsk SAA. -2012. - № 3. - P. 118-122.
2. Sowing cars: theory, design, calculation. Monography / N. P. Laryushin, А. V. Machnev, V. V. Shumaev and others. - М.: Rоsinformagrotech, 2010. - 292 p.
3. Halansky, V. М. Agricultural machines / V. М. Halansky, I. V. Gorbachev. - М.: KolosS, 2003 -624 p.
4. Structural evaluation of energy saving technologies of grains growing and work of seeding machines / N. P. Laryushin, A. V. Machnev, M. A. Larin, A. N. Horev // Niva Povolzhya. - 2011. -№ 2(19). - P. 71-78.
5. Kem, А. А. The screw sowing machine for small seeds planting / А. А. Kem, D. N. Algazin // Аgrо XXI. - 2010. - № 7-9. P. 15-16.
6. Patent № 2384040 Russian Federation, Int. cl. А01С 7/12. Seed Dispenser / N. P. Laryushin, A. V. Machnev, А. V. Shukov and other. - № 2008145301/12; Application published 17.11.2008; Date of publication 20.03.2010, Bull. № 8. - 10 p.
7. Laryushin, N. P. Reasoning of the design of sowing grain machines / N. P. Laryushin, V. А. Machnev, А. V. Shukov // Niva Povolzhya. - 2012. - № 2. - P. 59-65.
8. Machnev, V. А. Reasoning of use of seeds deflector-distributor for underground-surfase planting / V. А. Machnev, А. V. Machnev, М. А. Larin // Izvestiya SSAA. - 2012. - № 3. - P. 13-19.
9. Machnev, А. V. Kinematics of seeds at underground-surfase sowing / А. V. Machnev // The Bulletin of Saratov State Agrarian University in honor of N. I. Vavilov. - 2010. - № 8. - P. 47-48.
10. Vainrub, V. I. Technology of manufacturing processes and operations in plant growing / V. I. Vinrub, P. V. Мishin, V. H. Huzin. - Cheboksary: publishing house «Chuvashia», 1999. - 456 p.
11. Machnev, V. А. Theoretical mechanics / V. А. Machnev. - Penza: EPD PSAA, 2001. - 140 p.
12. Klenin, N. I. Agricultural machines / N. I. Klenin, S. N. Kiselev, А. G. Levshin. - М.: folosS, 2008. -816 p.
13. Machnev, V. А. The use of vibrational processes of a gearing / V. А. Machnev, V. I. Shishkin // Engineering in Agriculture. - 1996. - № 3. - P. 35-37.
14. Machnev, V. А. The effects of vibrations on the wear of the bearings / V. А. Machnev // Tractors and agricultural machines. - 2004. - № 3. - P. 52-57.
15. Machnev, V. А. A tiller-seeder for subsoil-broadcast sowing with seeds deflectors-distributors / V. А. Machnev, А. V. Machnev, М. А. Larin // Tractors and agricultural machines. - 2012. - № 8. -P. 16-17.
16. Nurullin, E. G. Analysis and evaluation of dozing devices of modern sowing complexes / E. G. Nurullin, I. Z. Islamov, I. M. Salakhov // Vestnik of Kazan State Agrarian University. - 2009. -№ 2(12). - P. 53-55.
17. Machnev, V. А. Reasoning of a technological card of troubleshooting gear search / V. А. Machnev // Engineering in Agriculture. - 2008. - № 3. P. 63-66.
18. Sabiev, U. К. Mathematical model of caryopsis segment movement in centrifugal-rotor crushing machine for fodder grain / U. К. Sabiev, V. V. Fomin // Achievement of science and technology in agriculture. - 2010. - № 2. - P. 62-66.
19. Laryushin, N. P. Seeder with combined shares / N. P. Laryushin, А. V. Machnev, V. V. Shumaev // Mechanization and Electrification of Agriculture. - 2011. - № 5. - P. 9-10.
20. Machnev, А. V. Procuring of the least deformation of seeds during the impact against a distributor / А. V. Machnev // Niva Povolzhya. - 2010. - № 2(15). - P. 63-65.
21. Senin, P. V. Improving the reliability of mobile agricultural machinery under personal repair / P. V. Senin. - Saransk: publisher university of Mordovia, 2000. - 124 p.
УДК 631.354
К ПРОБЛЕМЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УБОРКИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР
Н. И. Стружкин, доктор техн. наук, профессор ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, т. 8412-628-351
Уборка зерновых культур рассматривается как единый технологический процесс, связывающий операции по уборке, транспортировке и послеуборочной обработке зерна на зерно-току. С целью выработки конечных технологических и технических решений по повышению эффективности уборочных работ разработана экономико-математическая модель. В модели с учетом технико-экономических показателей зафиксировано взаимодействие машин, участвующих в сложной уборочной системе «поле - комбайн - транспорт - зерноток». Приведены результаты моделирования как по отдельным составляющим уборочной системы, так и процесса в целом. Полученные результаты позволили определить оптимальные технологические и технические параметры функционирования уборочной системы, которые могут быть использованы для обоснования рационального состава уборочного комплекса с учетом различных условий уборки.
Ключевые слова: уборка, зерно, чистота, ворох, зерноток, система, транспорт, комбайн, производительность, модель,экономика.
Обеспечение России зерном собственного производства является ключевой задачей агропромышленного комплекса [1, 2, 3]. Эта задача должна решаться также и с учетом комплексного развития технологий уборки, транспортировки и послеуборочной обработки зерна.
Однако в научных публикациях [4-9], посвященных вопросам уборки, уборочные
операции и операции по послеуборочной обработке зерна чаще всего рассматриваются отдельно, независимо друг от друга, что не позволяет адекватно оценить эффективность уборочных работ.
В связи с этим в работе [10] все уборочные операции предлагается рассматривать как единый технологический процесс с выделением взаимосвязанных фи-
Нива Поволжья № 4 (29) 2013 53
