CC BY
0DOI
УДК 631.331
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КАТУШЕЧНО-ШТИФТОВОГО ВЫСЕВАЮЩЕГО АППАРАТА
Сыркин Владимир Анатольевич, старший преподаватель кафедры «Электрификация и автоматизация АПК», ФГБОУ ВО Самарский ГАУ.
446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная, 2.
E-mail: Sirkin_VA@mail.
Машков Сергей Владимирович, канд. экон. наук, доцент кафедры «Электрификация и автоматизация АПК», ФГБОУ ВО Самарский ГАУ.
446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная, 2.
E-mail: [email protected].
Ишкин Павел Александрович, канд. техн. наук, доцент кафедры «Электрификация и автоматизация АПК», ФГБОУ ВО Самарский ГАУ.
446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная, 2.
E-mail: [email protected].
Васильев Сергей Иванович, канд. техн. наук, доцент кафедры «Электрификация и автоматизация АПК», ФГБОУ ВО Самарский ГАУ.
446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная, 2.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: сеялка, аппарат, катушка, высев, неравномерность, оптимизация, параметр.
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 пульсирующего 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 высевающего аппарата, у которого катушка составлена из трех штифтовых дисков, двух боковых и одного центрального. При работе катушки боковые диски вращаются с опережением относительно центрального, что способствует повышению равномерности высева семян. С целью выявления оптимальных 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 v, %. 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%.
OPTIMIZATION OF DESIGN AND PROCESS PARAMETERS OF THE PEG-WHEEL FEED
V. A. Syrkin, senior lecturer of the Department of «Electrification and Automation of the Agro-industrial Complex»,
FSBEI He Samara State Agrarian University.
446442, Samara region, settlement Ust-Kinelsky, Uchebnaya street, 2.
E-mail: Sirkin_VA@mail.
S. V. Mashkov, Candidate of Economic Sciences, Head of the Department of «Electrification and Automation of the Agro-industrial Complex», FSBEI HE Samara State Agrarian University. 446442, Samara region, settlement Ust-Kinelsky, Uchebnaya street, 2. E-mail: [email protected].
P. A. Ishkin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department «Electrification and Automation of the Agro-industrial Complex», FSBEI HE Samara State Agrarian University. 446442, Samara region, settlement Ust-Kinelsky, Uchebnaya street, 2. E-mail: [email protected].
S. I. Vasiliev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department «Electrification and Automation of the Agro-industrial Complex», FSBEI HE Samara State Agrarian University. 446442, Samara region, settlement Ust-Kinelsky, Uchebnaya street, 2. E-mail: [email protected]
Keywords: seeder, apparatus, coil, seeding, unevenness, optimization, steam meter.
The purpose of the research is to improve the quality of the seeding process of a peg-wheel feed. Plant breeding centers raise strict requirements to operational process of seeding quality and works are performed by nursery planters. One of main structural elements of a nursery planter that affects the qualitative and quantitative characteristics of sowing is the seed drill. The most widespread among the seeding devices were peg-wheel with grooves. However, seeding devices of this type have disadvantages, one of which is the creation of a pulsating seed duct that increases the uneven seeding, leading to a decrease in the sowing quality. Peg-wheel feeds have no this disadvantage but possess a higher even seeding quality. A new design of a peg-wheel feed has been proposed, which roller is made up of three pin disks, two laterals and one central. During operation of the roller, the lateral disks rotate ahead of the central one, which contributes to an increase of even seeding. In order to identify the optimal parameters of the seeding apparatus that affect even longitudinal seeding, studies were conducted using the method of multifunctional planning of experiment. An experimental peg-wheel feed for a pneumatic nursery planter SSNP-16 has been manufactured. Main factors affecting the quality parameters of seeding process are the following: the number of toothed rollers k = 48; 72; 96; speed ratio changer that rotates the extreme roller disks, i = 1.17; 1.55; 1.93; rotation frequency of the central part of toothed roller n = 12; 16; 20. The best criteria is uneven longitudinal seeding v, %. The optimal values of key factors were found: the number of toothed rollers k = 87, speed ratio changer that rotates the extreme disks, i = 1.77, rotation frequency of the central part of toothed roller n = 16 rpm. With these values of factors, uneven longitudinal seeding does not exceed 22.5%.
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 к;
- передаточное отношение редуктора, приводящего во вращение крайние штифтовые диски, /;
- частота вращения центральной части штифтовой катушки п.
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 V, %.
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 к = 48...96, соотношение частот вращения штифтовых дисков - / = 1,17...1,93 и частоты вращения катушки -п = 12...20 мин-1 (табл. 1).
Многофакторные опыты проводились в соответствии с симметричным некомпозиционным квази-Р-оптимальным планом Песочинского.
Таблица 1
Варьирование интервалов и уровней основных факторов_
Уровни варьирования факторов Факторы Факторы в кодированном виде
к, шт. / п, мин-1 Х1 Х2 Х3
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:
У = Ь о + + £1 <1<}<к ЪцЪ*} + <{<к ЬцХ1, (1)
где у - параметр оптимизации;
Ьо - свободный член, равный отклику при х, = 0;
Ь, - коэффициент уравнения регрессии, соответствующий /-му фактору;
Ьц - коэффициент уравнения регрессии, соответствующий взаимодействию факторов;
х - кодированное значение факторов (/ = 1, 2, 3...).
В результате реализации многофакторного эксперимента и обработки полученных данных определены значения коэффициентов регрессии выбранной математической модели (табл. 2).
Таблица 2
Коэфс ициенты регрессии представленной математической мод ели
Ьо Ь1 Ь2 Ьэ Ь12 Ь13 Ь23 Ьи Ь22 Ь33
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 ¿¡-критерию Стьюдента для 5% уровня значимости и числа степеней свободы 26 (¿кр=2,06). Определены расчетные значения критерия Стьюдента. Коэффициенты уравнения регрессии Ь13, Ь23 оказались несущественными, так как ¿расч<кр (их можно исключить без пересчета остальных). В результате уравнение регрессии:
у = 23,91 - 4,91х1 - 0,361х2 + 0,953х3 -
-1,153х1х2 + 4,069x2 + 9,493x2 - 0,844x2. (2)
После раскодировки факторов при средней частоте вращения центральной части высевающей катушки п = 16 об/мин уравнение регрессии:
V = 262,39 - 1,0 • к - 222 • / - 0,126 • к • / + 0,0071 • к2 - 65,7 • /2. (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 Ь = 1 и к = 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 (V) в зависимости от числа штифтов высевающей катушки (к) и передаточного отношения редуктора, приводящего во вращение крайние штифтовые диски (/), в виде поверхности отклика (рис. 2, а) и сечения поверхности отклика (рис. 2, б).
Найдены оптимальные значения факторов: число штифтов высевающей катушки к = 87, передаточное отношение редуктора, приводящего во вращение крайние штифтовые диски, / = 1,77, средняя частота вращения центральной части высевающей катушки п = 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.
SO 90 100
Число штифтов высевающей катушки
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%.
Библиографический список
1. Доспехов, В. А. Методика полевого опыта (с обоснованием статистической обработки результатов исследований) / 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. Ларюшин, 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 катушечно-штифтовым высевающим аппаратом / А. М. Петров, В. А. Сыркин // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2017. - № 2. - С. 36-39.
7. Сыркин, В. А. Обоснование конструкционно-технологической схемы катушечно-штифтового высевающего аппарата / В. А. Сыркин, А. М. Петров, С. А. Васильев // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2011. - № 3. - С. 44-46.
8. Сыркин, В. А. Результаты экспериментальных исследований катушечно-штифтового высевающего аппарата / В. А. Сыркин, А. М. Петров // Достижения науки агропромышленному комплексу : сб. науч. тр. -Кинель : 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 Technology. - 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. Kotov, Yu. M. Isaev, N. P. Kryuchin [et al.] // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. - 2019. - Т. 10, № 2. - С. 1507-1514.
References
1. Dospekhov, V. A. (1979). Metodika polevogo opita (s obosnovaniem statisticheskoi obrabotki rezulitatov issledovanii) [Field experiment method (with substantiation of statistical processing of research results)]. Moscow: Kolos
[in Russian].
2. Isaev, Yu. M., Semashkin, N. M., & Zlobin, V. A. (2014). Visev semian spiralino-vintovim apparatom [Seeding with a spiral-screw machine]. Mezhdunarodnii zhumal eksperimentalinogo obrazovaniia - international Journal of Experimental Education, 8-3, 75-76 [in Russian].
3. Laryushin, N. P., Shukov, A. V., & Machnev, V. A. (2012). Obosnovanie vibora konstrukcii visevayushchego apparata zernovoi seialki [Substantiation of grain seeder design]. Niva Povolzhiia - Niva Povolzhya, 2 (23), 59-65 [in Russian].
4. Laryushin, N. P., Kuvaitsev, V. N., Zagudaev, S. D., Shukov, A. V., Shumaev, V. V., & Polikanov, A. V. (2013). Rezulitati laboratornih issledovanii visevaiushchego apparata [Laboratory studies of the seeding apparatus]. Fundamentalinie issledovaniia - Fundamental research, 10-1, 140-144 [in Russian].
5. Petrov, A. M., Syrkin, V. A., Vasilyev, S. A., Petrov, M. A., & Kotov, D. N. (2013). Visevaiushchii apparat [Seeding device]. Patent 2473200 Russian Federation, №2011122286/13 [in Russian].
6. Petrov, A. M., & Syrkin, V. A. (2017). Rezulitati polevih issledovanii eksperimentalinoi selekcionnoi seialki s katushechno-shtiftovim visevaiushchim apparatom [Results of a field test of an experimental nursery planter with a peg-wheel feed]. izvestiia Samarskoi gosudarstvennoi selskokhoziaistvennoi akademii - Bulletin Samara state agricultural academy, 2, 36-39 [in Russian].
7. Syrkin, V. A. Petrov A. M., & Vasiliev S. A. (2011). Obosnovanie konstrukcionno-tekhnologicheskoi skhemi katushechno-shtiftovogo visevaiushchego apparata [Substantiation of design and process scheme of a peg-wheel feed]. izvestiia Samarskoi gosudarstvennoi selskokhoziaistvennoi akademii - Bulletin Samara state agricultural academy, 3, 44-46 [in Russian].
8. Syrkin, V. A., & Petrov, A. M. (2013). Rezulitati eksperimentalinih issledovanii katushechno-shtiftovogo visevaiushchego apparata [Results of an experimental test of a peg-wheel feed]. Achievements of science in the agro-industrial complex '13: sbornik nauchnykh trudov - collection of proceedings. (pp. 85-88). Kinel: PC Samara SAA [in Russian].
9. Isaev, Yu. M. Kryuchin N. P., Semashkin N. M., & Kryuchin A. N. (2018). Theoretical studies of movement of loose material in a dosing device. International Journal of Mechanical Engineering and Technology, 9, 5, 834-840.
10. Kotov, D. N., Isaev, Yu. M., Kryuchin, N. P., Semashkin, N. M., & Kryuchin, A. N. (2019). Determination of speed of movenment of the particle on the rotating cone with shovels. International Journal of Mechanical Engineering and Technology, 10, 2, 1507-1514.
