К теории дозирования семян пневматическим высевающим аппаратом избыточного давления Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

К теории дозирования семян пневматическим высевающим аппаратом избыточного давления

А.Ю. Попов, И.А. Казачков

В настоящее время в отечественных технологиях посева пропашных культур на замену вакуумным высевающим аппаратам точного высева [1] приходят аппараты, работающие на избыточном давлении. Основным достоинством этих аппаратов является возможность проведения посева с высокой равномерностью распределения семян на поле на больших скоростях движения сеялки, что диктуют все возрастающие агротехнические требования к возделыванию пропашных культур. Посевной агрегат в составе, которого используется сеялка, работающая на избыточном давлении, является высокопроизводительным и позволяет проводить посев в сжатые агротехнические сроки, что определяет в последующем получение высоких урожаев [2]. Разработка новых конструктивных параметров и технологических режимов работы высевающих аппаратов невозможна без правильного понимания процессов дозирования, которые для аппаратов, работающих на избыточном давлении, еще не достаточно изучены и имеют свои особенности.

На процесс транспортирования семян дозирующим элементом диска высевающего аппарата оказывает влияние множество факторов, в том числе избыточное давление, диаметр отверстий дозирующих элементов, частота вращения высевающего диска и другие [3, 4]. Для нахождения оптимальных параметров и режимов работы высевающего аппарата избыточного давления необходимо определить аналитическую зависимость величины избыточного давления в семенной камере от различных факторов, возникающих при транспортировании семян дозирующими элементами диска.

Рассмотрим один из этапов процесса дозирования высевающим аппаратом [5] - транспортирование единичного семени дозирующими элементами высевающего диска.

В основу теоретического исследования процесса транспортирования семян дозирующими элементами высевающего диска, положена модель сыпучего тела, предложенная исследователями Л.В. Гячевым и В.А. Богомягких. Учитывая их рекомендации, а также результаты предыдущих исследований, примем следующие допущения:

- все семена одинаковы по форме и размеру, и представлены в виде абсолютно твердых шаров с постоянным углом укладки в семенной камере высевающего аппарата;

- форма семян реального посевного материала учитывается с помощью коэффициента формы реальных семян кф, который для каждой культуры разный, а линейные размеры семян - длина, ширина и толщина - с помощью условного диаметра семени, определяемого по известной формуле

Лсем = кф-VаЬс [6];

- линейные размеры семян значительно меньше габаритных размеров семенной камеры;

- угловая скорость высевающего диска постоянна;

- величина избыточного давления в семенной камере постоянно;

- проекция центра тяжести транспортируемого семени на плоскость высевающего диска совпадает с центром отверстия дозирующего элемента;

- при повороте семени на кромке дозирующего элемента, изменение расположения центра тяжести семени изменяется незначительно;

- масса всех семян одинакова.

При транспортировании единичного семени дозирующим элементом высевающего диска на него в продольно-вертикальной плоскости хоу, действуют сила тяжести mg, сила сопротивления воздуха ЯС и центробежная сила и, которые относятся к совокупности сил, оказывающих сопротивление движению семени, транспортируемому дозирующим элементом. Так как каждая из них стремится сбросить захваченное семя из отверстия высевающего диска.

На рисунке 1 представлена схема сил, действующих на единичное семя при транспортировании его дозирующим элементом высевающего диска аппарата.

Рис. 1. - Схема сил, действующих в продольно-вертикальной плоскости xoy на единичное семя, транспортируемое дозирующим элементом

Определим силу общего сопротивления Fc, действующую на семя при транспортировании, по следующей формуле

f — IF 2 + F 2

C ~\ СХ CY '

где FCX -сила общего сопротивления Fc в проекции на ось x; FCY -сила общего сопротивления Fc в проекции на ось y.

Определим составляющую силы общего сопротивления Fc в проекции на ось x

FCX — RC + mg cos у,

где у - угол поворота диска высевающего аппарата по горизонтали, рад; m - масса семени, кг; g - ускорение свободного падения, g=9,81 м/с .

Определим составляющую силы сопротивления Fc в проекции на ось y

FCY — U - mg ■ sin y,

где U - центробежная сила, Н.

Тогда общая сила сопротивления Fc

FC — -„J(RC + mg cos y)2 + (U - mg sin y)2 .

(1)

Известно, что сила сопротивления воздуха определяется по формуле Яс = ткПа2Я2, а центробежная сила равна и = та2Я [7]. Подставляя в

формулу (1) значения и и Яс, получим

Ес = ^(ткПа2Я2 + mg • соб/)) + (та2Я - mg • Бт у) . (2)

где кП - коэффициент парусности семени, м-1; Я - радиус окружности центров отверстий дозирующих элементов высевающего диска, м; ю -угловая скорость высевающего диска, с-1.

Кроме того, на единичное семя, захваченное дозирующим элементом высевающего диска, оказывает воздействие сила избыточного давления РТР, которая удерживает его при транспортировании дозирующим элементом высевающего диска.

Из рисунка 2 видно, что сила избыточного давления РТР и сила общего сопротивления создают моменты относительно точки А. Если момент силы избыточного давления РТР будет недостаточен, то рассматриваемое семя может развернуться на кромке отверстия дозирующего элемента вокруг точки А по направлению действия силы общего сопротивления ГС

Момент силы трения семени Гтр о поверхность высевающего диска и момент силы реакции опоры N высевающего диска на семя относительно точки А отсутствуют. Это связано с тем, что линия действия данных сил проходит через точку А.

Из уравнения равновесия моментов сил относительно точки А определим силу избыточного давления РТР

РТр\АВ\ - Гс\МВ\ = 0. (3)

Из рисунка 2 видно, что треугольник ААМВ прямоугольный.

Следовательно, стороны равны |АВ| = —^ и |АМ| = гсем = 2

сем

Рис. 2. - Схема сил, действующих на семя при повороте на кромке дозирующего элемента в поперечно-вертикальной плоскости высевающего

диска

Так как \МВ\2 + \ЛВ\2 = |М4|2, то, подставляя значения |АВ| и и

преобразуя, определяем длину стороны \МВ\

\МВ\

М2 - а

у сем отв

2

(4)

Подставляя значения |АВ| и |МВ| из (4) в выражение (3) и преобразуя,

получим

Р„

V сем отв

а

Ра .

(5)

где аотв - диаметр отверстия дозирующего элемента высевающего диска, м; гсем - условный радиус семени, м; 0сем - условный диаметр семени, м.

Подставляя значение силы общего сопротивления РС из формулы (2) в формулу (5) и преобразуя, определим силу избыточного давления воздуха Ртр необходимую для гарантированного удержания и транспортирования одного семени дозирующим элементом

д/а2 - а2

V сем о.

Р™ =

а

Так как величину давления воздуха рТР в семенной камере пневматического высевающего аппарата определяют по известной формуле

2

2

4 Р

тр

Ртр —-2— [8] , то подставляя значение силы избыточного давления РТР из

пка

отв

формулы (6) в данное выражение и преобразуя, получим выражение для определения давления воздуха р в семенной камере пневматического высевающего аппарата избыточного давления необходимого для гарантированного удержания и транспортирования единичного семени дозирующим элементом высевающего диска к месту сброса в сошник сеялки.

44а2 - а2

V сем о

РТР —

пка

3

отв

где рТР - давление воздуха в семенной камере аппарата избыточного давления, Па; к - эмпирический коэффициент, определяемый экспериментально и зависящий от высеваемой культуры, для пропашных культур данный коэффициент находится в пределах к = 0,35-1,55 [9, 10].

На основе полученной зависимости (7) были построены графики теоретической зависимости величины избыточного давления р в семенной камере пневматического аппарата избыточного давления от угла поворота высевающего диска у (рис. 3) и от диаметра отверстий дозирующих элементов высевающего диска (рис. 4).

5 214г

а.

и

| 213.5'

я

а

0

= 213

з и и

1 212.5

й

3 да с!

212'

А

1

0 0 .5 1 1 .5 2 2 1 .5 3

Угол поворота высевающего диска у, рад.

Рис. 3. - График теоретической зависимости избыточного давления р от угла поворота высевающего диска у (ш = 0,8 с-1, аотв = 4 мм)

2000 Т"

а. о

&1500-"

£ -

в С

11000-~ и

и 500"" =

12 3 4 5 6

Диаметр отверстий дозирупщ* элементов Л,™, мм.

Рис. 4. - График теоретической зависимости избыточного давления р от диаметра отверстий высевающего диска тв (ш = 0,8 с-1, у= 1,5 рад)

Проанализировав полученную зависимость (7) и графики, представленные на рисунках 3 и 4 можно сделать следующие выводы:

- увеличение диаметра отверстий дозирующих элементов высевающего диска приводит к значительному уменьшению давления, необходимого для транспортирования семени;

- с увеличением угловой скорости высевающего диска повышается величина давления, необходимого для гарантированного удержания и транспортирования единичного семени дозирующим элементом;

- изменение угла поворота у высевающего диска оказывает незначительное влияние на величину давления необходимого для транспортирования семени.

Литература

1. Скурятин Н.Ф., Мерецкий С.В. Совершенствование процесса посева зерновых на склоновых почвах [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №1 - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2012/662 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

2. Рылякин, Е.Г. Обзор технических средств приготовления плющеного зерна, представленных на российском рынке сельхозтехники [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, №3 - Режим доступа:

http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1954 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.

3. Karayel D., Barut Z.B., Ozmerzi A. Mathematical Modelling of Vacuum Pressure on a Precision Seeder [Text] // Biosystems Engineering. - 2004. - №87 (4). - pp. 437-444.

4. Singh, R. C., Singh G., Saraswat D. C. Optimization of design an operational parameters of a pneumatic seed metering device for planting cottonseeds [Text] // Biosystems Engineering. - 2005. - №92 (4). - pp. 429-438.

5. Попов, А.Ю. Совершенствование конструкции пневматического высевающего аппарата избыточного давления [Текст] // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2009. - №4. - С. 76-79.

6. Богомягких, В.А. Анализ работы дозирующей системы зерновой сеялки с централизованным высевом [Текст] / В. А. Богомягких - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2005. - 85 с.

7. Тарг, С.М. Краткий курс теоретической механики [Текст] / С.М. Тарг -М.: Высш. шк., 2004. - 416 с.

8. Будагов, А.А. Точный посев на высоких скоростях [Текст] / А.А. Будагов. - Краснодар: Кн. изд-во, 1971. - 140 с.

9. Листопад, Г.Е. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины [Текст] / Г.Е. Листопад, Г.К. Демидов, Б.Д. Зонов и др. - М.: Колос, 1986. - 688 с.

10. Зенин, Л.С. К теории точного высева [Текст] // Вест.с.-х. науки Казахстана. - 1962. - №1. - С. 62 - 84.