CC BY
40Проектирование сеялки к лесопосадочному лункообразователю
А. В.Родионов1 Петрозаводский государственный университет
АННОТАЦИЯ
Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию основных технологических параметров сменного высевающего приспособления к лесопосадочному лункообразователю типа Л-2У конструкции ПетрГУ. Представлены результаты сравнительных испытаний качества работы разработанного высевающего приспособления к лункообразователю типа Л-2У и покровосдирателя дискового ПДН-1А, позволяющие рекомендовать это приспособление к использованию.
Ключевые слова: высевающее приспособление, лун-кообразователь, технологические параметры.
SUMMARY
The results of theoretical and experimental researches on substantiation of basic technological parameters of the changeable seeding unit to the forest-planting holemaker L-2U designed by PetrSU are represented. The results of work of designed changeable seeding unit to the hole-maker L-2U in compare with disk trencher PDN-1A are also presented. These results permit using the changeable seeding unit.
Keywords: seeding unit, holemaker, technological parameters.
На нераскорчеванных вырубках с сильнокаменистыми или щебенистыми почвами в таежной зоне качественную посадку саженцев и сеянцев обеспечить крайне сложно и очень трудоемко по причинам, связанным с образованием посадочных мест в почве. В условиях Республики Карелия это вырубки из-под хвойных и смешанных типов леса с черничным покровом [1, 2].
Основными способами искусственного лесовосста-новления на таких площадях в Республике Карелия в настоящее время являются ручная посадка сеянцев сосны или ели под меч Колесова в полосы, подготовленные дисковыми покровосдирателями (типа ПДН-1А). Основным недостатком покровосдирателей являются частые поломки дисков при неизбежных встречах с камнями. При наработке на отказ менее 1-2 рабочих смен покровосдиратель, как средство механизации лесохозяйственных работ, становится неэффективным [2, 3].
В Петрозаводском государственном университете (ПетрГУ) разработаны лесопосадочные лункообразо-ватели динамического действия Л-2У. Применение лункообразователей типа Л-2У с динамическими рабочими органами конструкции ПетрГУ решает проблему посадки леса при создании лесных культур на вырубках с каменистыми почвами без корчевки пней. Однако на щебенистых почвах и при каменистости свыше 65 % (по вероятности встречи с препятствиями) подготовить необходимое количество посадочных мест на единице площади (порядка 4000 шт./га) затруднительно [3].
Для расширения технологических возможностей лесопосадочного динамического лункообразователя типа Л-2У разработано сменное приспособление Л-2УС для посева леса и содействия естественному возобновлению путем поверхностной обработки почвы (рис. 1). Для посева используются высевающие аппараты лабиринтного типа от ПДН-1А (ПДН-2), а для обработки почвы - лыжи Л-2У [4, 5].
Монтаж секции высевающего приспособления на рычаг лункообразователь Л-2У представлен на рисунке 2. Семенной барабан крепится на одном валу с опорно-приводным колесом на подпружиненном рычаге Л-2У, вместо рабочего органа для образования лунок. Глубина борозды задается положением рыхлителя по отношению к опорной поверхности лыжи. Размеры частей приспособления, их взаимное расположение и кинематика должны обеспечить работу в соответствии с агротехническими требованиями к посеву лесных семян [1].
При обосновании технологических параметров высевающего приспособления к лункообразователю необходимо решить следующие задачи [5]:
1. Обеспечить скорость вращения семенного барабана в пределах, не создающих помех для свободного пересыпания семян внутри его.
2. Определить соотношение диаметра опорно-приводного колеса и количества дозаторов на барабане для реального диапазона шага посева.
3. Установить связь между параметрами высевающего приспособления, площадью и расположением пятна рассеивания семян (рис. 3, 4).
Принимая во внимание, что скорость агрегата выбирается по условиям работы, а радиус семенного барабана известен, определяем величину радиуса опорно-приводного колеса по формуле:
R >
v2 • (1 -£)2 • R6
(1)
k • g
1 Автор - доцент кафедры механизации сельскохозяйственного производства;
научный консультант - д. т. н., проф. А. М. Цыпук © Родионов А. В., 2008
где Я - радиус опорно-приводного колеса,
м; уа - скорость движения агрегата при посеве,
м/с; £ - коэффициент проскальзывания опорно-
приводного колеса по почве;
Я б - радиус семенного барабана,
м; к - показатель кинематического режима семенного
барабана;
g - ускорение свободного падения, м/с2.
Рис. 1. Высевающее приспособление Л-2УС, установленное на рычаги лункообразователя Л-2У
Рис. 2. Расположение сборочных единиц приспособления Л-2УС
Рис. 3. Схема для расчета места падения семян
Минимальное значение радиуса опорно-приводного колеса выбирается по условию преодоления препятствий на вырубке по данным [6].
Определение количества дозаторов г на семенном барабане высевающего приспособления производится по известной формуле [7]:
2п-Я
(2)
где Б - заданный шаг строчно-луночного посева, м.
Значение г должно быть округлено до целого числа, что достигается корректировкой величины радиуса опорно-приводного колеса. В реальных условиях вырубок величина шага Б может произвольно изменяться в некоторых пределах, в зависимости от проскальзывания опорно-приводного колеса.
Длина А и ширина В площади пятна рассеивания семян определяется так (см. рис. 3 и 4):
А = I + 2-ШВ = } + 2-Ш(3) Ш = + 4-т2 - х2 + 4-т-п-х + п2 &с, (4)
(Ь1 -Яб •со8«1)-Н1
— —
(( - Яб •С08«1 )2
I = Ь - Ь1; Ь = Ь2 + Ь3;
Ь1 = (Уа -V)-г + Яб-^а;
2- п-Я- (а2 -а1) " 360-(1 -е) ; а = а +
а- 360 2-п-Яб
Н1 = Я - Яб ^та; Н2 = Я - Яб-,та2
-б-уа-(1-е)- со?,а
г = --Я-+••• ^
§
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
^ ••• +
(Я
— -V •(1-е)-со,а, Я 1
§
2 Н1
(11)
Я Я
V,*,, = Я-V.-(1 -е); V, =-б-Vа-(1 -е)-яла, (12)
Я
где] - ширина окна дозатора, м; у- угол рассеивания семян, град.; д и г - абсциссы концов дуги П1 К1 (П1 - точка отрыва семени от барабана);
Ь - расстояние между точками О и К2 (на рис. 3 не показано), м;
Ь1 - расстояние от проекции центра барабана на опорную поверхность (точка О) в момент сброса первого семени до точки К1 контакта этого семени с опорной поверхностью, м;
Ь2 - расстояние от проекции центра барабана на поверхность до точки К2 в момент сброса последнего семени;
т
''окр- С0а1
п
"¿а - "¿окр- 8та
Ь
я
г
Ьъ - величина горизонтального перемещения центра барабана за время поворота его от угла а1 до а2; Н1 - высота точки сброса первого семени, м; Н2 - высота точки сброса последнего семени, м; уок„ - окружная скорость семенного барабана, м/с; vв, уг - соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие окружной скорости семенного барабана, м/с;
Vг - вертикальная скорость семян в конце падения, м/с;
а1, а2 - углы, соответствующие крайним точкам сброса семян из барабана (отсчитываются от горизонтали), град.;
г - время перемещения семени до поверхности почвы, с.
Рис. 5. Зависимость площадь рассеивания семян от радиуса приводного колеса и скорости агрегата
Величина Ь2 определяется по формуле для расчета Ь1, в которую вместо а1 и Н1 подставляют соответственно а2 и Н2.
Установлено [5], что площадь рассеивания семян представляет собой эллипс, площадь которого определяется по общеизвестной формуле:
F„ =
п-A ■ B 4 .
(13)
Для определения размещения площади пятна рассеивания семян относительно частей высевающего приспособления, принимаем, что геометрический центр этой площади приходится на середину отрезка К1-К2 (см. рис. 3). Положение центра барабана относительно точки К1 определяется с учетом того, что из положения О барабан переместится за время г на некоторое расстояние, которое легко определяется. Отсюда расстояние I от центра барабана до центра площади рассеивания (центра эллипса) будет:
l
1 = Li - ■ t +
(14)
Погрешность данной методики не превышает половины длины отрезка I, что для высевающего приспособления к Л-2УС составляет ± 0,015 м.
На рис. 5 представлены результаты расчетов по формулам (3...12) для следующих исходных данных: Я = 0,3.. .0,5 м; va = 0,28. 1,39 м/с; е = 0,18; Я б = 0,085 м; а1 = 37,30; у = 4,50; размеры высевающего окна в дозаторе - 0,01 х 0,01 м.
Площадь питания семян р определяется так [7]:
F
F =-
К-4
(15)
где к в - коэффициент всхожести семян (0,45.0,69); % - норма высева семян в лунку, шт. (20.70 шт.).
При расчете ширины реборды опорно-приводного колеса необходимо учитывать, что она может препятствовать рассеву семян (см. рис. 6).
Рис. 6. Расчетная схема к определению ширины реборды опорно-приводного колеса: 1 - опорно-приводное колесо высевающего приспособления; 2 - семенной барабан; 3 - усеченный конус рассева семян; Б - диаметр опорно-приводного колеса, м; Бб - внутренний диаметр семенного барабана, м; е - толщина стенки опорно-приводного колеса, м; q - зазор между опорно-приводным колесом и семенным барабаном, м; - ширина семенного барабана, м; - расстояние от левой стенки семенного барабана до середины высевающего окна, м; Ь„ - ширина реборды, м; хЬ„ - расстояние от левой стенки диска колеса до правого края реборды, м
Необходимая ширина реборды Ь„ жесткого опорно-приводного колеса (см. рис. 6) определяется из известной формулы [8] для расчета глубины погружения жесткого колеса в почву:
L =
Q
2-[8 см ] R2 - ( R - h)2
(16)
где Q - вес, приходящийся на опорно-приводное колесо, Н;
[<5 см ] - допускаемое сопротивление почвы смятию, Па (60.2000 кПа [7]);
h - глубина погружения колеса в почву, м, при расчетах ширины реборды рекомендуется принимать h < 1 см.
Ширина реборды Ьр жесткого опорно-приводного колеса должна удовлетворять следующему ограничению:
Ь тб + д + e -0,5-B . 0 < x < 1; (17) р" x '
0,5-Ьо <iWб < (Шб -0,5-Ьо); Я > Яб, (18)
где Ь0 - ширина высевающего окна, м.
Конкретные величины д; е; iWб и хЬр для подстановки в выражения (17, 18) назначаются конструктором в процессе проектирования приспособления.
Для проверки качества работы предлагаемого высевающего приспособления Л-2УС к динамическому лункообразователю Л-2У и разработанных теоретических положений (3...12) были проведены сравнительные испытания опытного образца высевающего приспособления и покровосдирателя дискового ПДН-1А [5]. В качестве объектов исследований использовались: трактор МТЗ-82 в агрегате с динамическим лункообразователем Л-2У, оснащенным опытным образцом высевающего приспособления Л-2УС; трактор Т-40АМ в агрегате с покровосдирателем дисковым ПДН-1А.
В процессе испытаний установлено, что качество посева семян высевающим приспособлением Л-2УС не уступает эталонному качеству, обеспечиваемому высевающим приспособлением к дисковому покро-восдирателю ПДН-1А. Агрегаты в режиме посева работали устойчиво, качество борозды хорошее, качество заделки семян хорошее. Таким образом, приспособление Л-2УС можно рекомендовать для посева лесных семян. Установлено, что в процессе рассева каждой порции лесных семян приспособлением Л-2УС формируется область длиной 6 см и шириной 4 см в которую высевается 70.75 % семян высеваемой дозы. Форма области - эллипс, длинная ось которого ориентирована по ходу движения (рис. 7).
Рис. 7. Рассев семян приспособлением Л-2УС (размер каждой клетки - 2 х 2 см)
Математическое моделирование по методике (3.12) показало, что длина области рассева семян должна составлять 6 см, а ширина - 4,4 см. Разница в величинах экспериментальных и теоретических данных не
превысила 10,0 %, что подтверждает достоверность предложенной теоретической модели рассеивания семян высевающим приспособлением типа Л-2УС. Для практического применения рекомендуется следующий алгоритм проектирования сменного высевающего приспособления:
1. Назначается радиус опорно-приводного колеса по условиям преодоления препятствий (пней, камней) на вырубках по рекомендациям [6];
2. Рассчитывается необходимое количество дозаторов семенного барабана известного радиуса для заданного шага посева по формуле (2);
3. Выполняется расчет параметров рассеивающего приспособления и площади рассеивания семян по формулам (3.18);
4. Выполняется расчет деталей и узлов сменного приспособления на прочность по известным методикам [9] с учетом нагрузок, возникающих при контакте опорно-приводного колеса с препятствиями (пни, камни) на вырубках [6].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соколов А. И. Лесовосстановление на вырубках Северо-Запада России / А. И. Соколов. Петрозаводск. 2001. 215 с.
2. Родионов А. В. Рекомендации по восстановлению леса на вырубках с использованием лунко-образователя Л-2У / А. В. Родионов, А. И. Соколов, В. А. Харитонов и др. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2006. 52 с.
3. Цыпук А. М. Применение лункообразователя Л-2У в лесовосстановлении / А. М. Цыпук, А. В. Родионов, А. Э. Эгипти // Лесное хозяйство. 2006. № 1. С. 42-43.
4. Пат. на полезную модель 50750, МПКА01 С 7/08. Сменное высевающее приспособление / А. В. Родионов; заявитель и патентообладатель ПетрГУ. - № 2005108442/22; заявл. 28.03.2005; опубл. 27.01.2006. Бюл. № 03. 2 с.
5. Родионов, А. В. Обоснование технологических параметров высевающего приспособления к динамическому лункообразователю / А. В. Родионов, А. М. Цыпук; Петрозав. гос. ун-т. - Петрозаводск, 2007. 29 с. Деп. в ВИНИТИ 27.12.2007, № 1251-В2007.
6. Родионов, А. В. Рубка и восстановление леса на основе ресурсосберегающей технологии / А. В. Родионов. М.: Флинта. Наука, 2006. 276 с.
7. Цыпук А. М. Лесохозяйственные машины и их применение: Учеб. пособие: В 3 ч. / А. М. Цыпук. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 1999. Ч. 1-3.
8. Зима И. М. Механизация лесохозяйственных работ / И. М. Зима, Т. Т. Малюгин. М.: Лесная промышленность, 1976. 416 с.
9. Беляев, Н. М. Сопротивление материалов / Н. М. Беляев. М.: Наука, 1976. 608 с.
