CC BY
41
УДК 631.331.022
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАБОТЫ КАТУШЕЧНОГО ВЫСЕВАЮЩЕГО АППАРАТА С УВЕЛИЧЕННЫМ ОБЪЕМОМ ЖЕЛОБКОВ
В. Н. Кувайцев, канд. техн. наук, доцент; Н. П. Ларюшин, доктор техн. наук, профессор; А. В. Шуков, канд. техн. наук, доцент; Р. Р. Девликамов, аспирант
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, т. (8412) 628 517, e-mail: rinatdev@gmail. com
Проведены исследования по повышению качества посева семян зерновых культур путем разработки и обоснования оптимальных параметров высевающего аппарата сеялки.
Приведено описание катушечного высевающего аппарата зерновой сеялки с увеличенным объемом желобков катушки для посева семян зерновых культур. Описан технологический процесс его работы, представлены теоретические исследования и получены аналитические зависимости для определения оптимальных значений конструктивных и режимных параметров, обеспечивающих равномерное распределение семян зерновых культур по площади рассева.
Ключевые слова: сеялка, высевающий аппарат катушечного типа, распределение семян, катушка с увеличенным объемом желобков.
Введение.
В настоящее время для посева зерновых культур используют сеялки типа СЗ-3,6А, СЗ-5,4, АУП-18, СКП-2,1, СС-6 «Baster», Amazone Д9/40, ССВ-3,5 и др. [1]. Для высева зерновых культур в основном применяют высевающие аппараты катушечного типа, которые имеют пульсирующую подачу семян при высеве, в результате чего наблюдается неравномерное распределение семян по площади рассева и, как следствие, снижение урожайности.
Примером высевающего аппарата катушечного типа является высевающий аппарат, разработанный Ю. А. Моргуновым [2]. К недостаткам высевающего аппарата можно отнести травмирование семян за счет резкого колебательного движения заслонки с фартуком при разрушении свода, а также неравномерное распределение семян по площади рассева по причине неустойчивого по толщине и объему активного слоя семян при работе высевающей катушки, так как заслонка с фартуком не исключает образование активного слоя, а всего лишь является поверхностью, по которой перемещается уже сформированный катушкой поток семян, включающий семена активного слоя и семена, вынесенные желобками катушки. Все это ведет к неравномерному распределению семян по площади рассева и снижению урожайности сельскохозяйственных культур.
Для высева семян разных фракций И. И. Зайцевым [3] предложен высевающий аппарат, содержащий корпус с верхним и
нижним порогами, установленную в нем катушку с муфтой и клапан. К недостаткам данного высевающего аппарата можно отнести неравномерное распределение семян по площади рассева, так как нижний порог, расположенный ниже кромки сброса семян клапана на выходе из высевающего аппарата, не исключает образование активного слоя семян при высеве катушкой. При этом данный высевающий аппарат сложен в изготовлении и эксплуатации и имеет низкую надежность. Все это ведет к снижению урожайности сельскохозяйственных культур.
Конструкция высевающего аппарата А. В. Ликкея [4] позволяет производить регулировку величины открытия высевного окна для мелких и крупных семян. Однако недостатками данного высевающего аппарата является также пульсирующе-порционный высев семян катушкой, при этом резко снижается равномерность распределения семян по площади рассева, усложняется установка малых норм высева.
Для равномерного высева семян зерновых культур используют высевающий аппарат [5], состоящий из набора катушек, разделенных шайбами, и эластичной ленты. Данный высевающий аппарат травмирует семенной материал, сложен в изготовлении и эксплуатации и имеет низкую надежность.
Анализируя работу высевающих аппаратов катушечного типа, можно заключить, что все они имеют активный слой семян между катушкой и клапаном, при этом
толщина активного слоя непостоянная и зависит от сил внутреннего трения между семенами, окружной скорости ребер катушки, вида семян, поэтому высев семян катушкой пульсирующе-порционный, при этом резко снижается равномерность распределения семян по площади рассева, усложняется установка малых норм высева. Все это ведет к снижению урожайности сельскохозяйственных культур.
Результаты исследований посева зерновых культур представлены в работах [6-11].
С целью повышения равномерности распределения семян по площади рассева нами предлагается высевающий аппарат зерновой сеялки, предусматривающий принудительное перемещение объема семян в семяпровод, равного объему семян, находящихся только в желобках катушки, без активного слоя, присущего всем существующим катушечным высевающим аппаратам.
Как известно, активный слой семян при работе катушки неустойчивый по толщине и объему [12], что отрицательно сказывается на качестве посева и урожайности.
В Пензенской ГСХА разработан высевающий аппарат катушечного типа с увеличенным объемом желобков (заявка № 2013135048/13(052507).
Высевающий аппарат включает корпус 1 (рис. 1), катушку 2, клапан 3, опоры 4, донце 5 со скосом 6, формирователь-направитель 7, щетку 8 с ворсом 9. Катушка 2 выполнена в виде цилиндра с желобками на его поверхности, имеющими увеличенный объем Уж, и изготовлена из износостойкой пластмассы, обладающей антифрикционными свойствами. На клапан 3 с помощью опор 4 жестко установлено донце 5, имеющее полированную внутреннюю поверхность и выполненное в виде части боковой поверхности цилиндра с осью симметрии, совпадающей с осью симметрии катушки 2. Донце 5 имеет переднюю А и заднюю Б кромки. При этом передняя кромка А донца расположена в третьем квадранте параллельно оси симметрии катушки 2 и отклонена по ходу вращения катушки 2 на угол а, равный 40...45 градусам, вниз от горизонтальной плоскости симметрии катушки 2. Задняя кромка Б донца 5 выполнена со скосом 6 для сброса семян и расположена в четвертом квадранте, при этом радиус ИД внутренней полированной поверхности донца 5 больше радиуса катушки 2. Задняя кромка Б донца отклонена по ходу вращения катушки 2 на угол в, равный 54.58 градусам, вправо от вертикальной плоско-
Нива Поволжья № 2 (31) 2014 59
сти симметрии катушки 2. К передней кромке А донца примыкает формирователь-направитель 7, жестко установленный в корпусе 1 высевающего аппарата, который выполнен в виде части боковой поверхности цилиндра с осью симметрии, совпадающей с осью симметрии катушки 2, и имеет полированную внутреннюю поверхность. Свободная верхняя часть формирователя-направителя 7 расположена во втором квадранте параллельно оси симметрии катушки 2 и отклонена по ходу вращения катушки 2 на угол ф, равный 47...53 градусам, влево от вертикальной плоскости симметрии катушки 2. Радиус внутренней полированной поверхности формиро-вателя-направителя 7 равен радиусу ИД внутренней полированной поверхности донца. Зазоры между катушкой 2, донцем 5 и формирователем-направителем 7 равны и при этом меньше средней минимальной толщины семян сельскохозяйственных культур. К свободной верхней части фор-мирователя-направителя 7 крепится щетка 8, при этом ворс 9 щетки 8 расположен на окружности с радиусом ИВ, меньшим радиуса катушки 2.
Катушечный высевающий аппарат работает следующим образом.
При работе высевающего аппарата семена западают в желобки катушки 2 (рис. 1), выполненной с увеличенным объемом желобков УЖ. Семена, запавшие в желобки катушки 2, подаются к формирователю-направителю 7, жестко установленному в корпусе 1. Для лучшего заполнения желобков семенами свободная верхняя часть формирователя-направителя 7, отклонена по ходу вращения катушки 2 на угол ф, равный 47.53 градусам. С целью исключения травмирования семян на входе в свободную верхнюю часть формирователя-направителя 7 желобки с семенами катушки 2 встречаются со щеткой 8. При этом ворс 9 щетки 8 скользит по поверхности катушки 2 и счищает с нее лишние семена, обеспечивая одинаковый объем семян в желобках и предотвращая попадание семян в зазор между ребрами катушки и внутренней полированной поверхностью формирователя-направителя 7. Далее семена в желобках катушки 2 входят в зону формирователя-направителя 7, где исключается образование неустойчивого по толщине и объему активного слоя семян, так как семена при вращении катушки находятся только в желобках и ограничиваются внутренней полированной поверхностью формирователя-направителя 7. В зоне формирователя-направителя 7 семена не
просыпаются и не травмируются, так как радиус РФ внутренней полированной поверхности формирователя-направителя 7 больше радиуса РК катушки 2. После формирования потока семян в формировате-ле-направителе 7 семена в желобках катушки 2 направляются в зону донца 5, где при вращении катушки 2 с семенами в желобках также исключается образование активного слоя семян, так как семена находятся только в желобках катушки 2 и ограничены внутренней полированной поверхностью донца 5. При этом в зоне донца 5 семена также не просыпаются и не травмируются, так как радиус Ид внутренней полированной поверхности донца 5 больше радиуса катушки 2. Для предотвращения преждевременного высыпания семян из высевающего аппарата и равномерного распределения их по площади рассева задняя кромка Б донца 5 выполнена со скосом 6 для сброса семян. В конце донца 5 сформированный в желобках катушки 2 поток семян, с заданными параметрами и в соответствии с агротехническими требованиями и при этом без активного слоя семян, сходит с задней кромки Б донца 5 равномерным, плавным, без пульсации потоком.
Для освобождения семенного ящика от семян клапан 3 с донцем 5 отклоняется от катушки 2, при этом образуется проходное отверстие для истечения семян между катушкой 2 и донцем 5.
Таким образом, исключение образования неустойчивого по толщине и объему активного слоя семян при работе высевающего аппарата обеспечивает равномерное распределение семян по площади рассева, строгое выполнение установленной нормы высева семян. Все это улучшает качество посева, что приводит к повышению урожайности и снижению себестоимости продукции.
Результаты исследований.
Так как данный высевающий аппарат при посеве применен впервые, то задачей теоретических исследований явилось изучение технологического процесса его работы [13-17].
Для нормальной работы высевающего аппарата необходимы следующие условия:
- семена должны полностью заполнять ячейки катушки;
- семена не должны попадать в зазор между ребром катушки и формирователем-направителем, чтобы исключить их травмирование.
Рассмотрим движение семени на ребре катушки при встрече его с ворсом щетки [18].
Семя, находящееся на ребре катушки 2, движется по горизонтальному участку, совпадающему с осью х.
На семя, принятое условно за шар с центром С0 (рис. 2), действует вес семени О и горизонтальная сила Р (сила сопротивления ворса щетки 2), приложенная к оси семени. Так как семя совершает несвободное движение, то, прежде всего, освободимся от связи (горизонтальной поверхности), заменив ее действие нормальной реакцией N относительно поверхности ребра катушки и силой трения Ртр, направленной в сторону, противоположную движению семени.
Направим ось х по горизонтали в сторону движения семени, а ось у - вертикально вверх.
Составим дифференциальные уравнения движения семени под действием внешних сил Р, Ы, Ртр и О (рис. 2), считая момент силы Ртр положительным, направление которого совпадает с направлением вращения семени:
т.хс = Р-^, т-ус = N-О,
•1с ■ е=Ртр ■Г,
(1)
где т - масса семени, кг;
г - радиус инерции семени, м; е - угловое ускорение семени, рад/с2; - момент инерции семени, кг м2.
Так как семя катится без скольжения, то мгновенный центр скоростей находится в точке соприкосновения семени с ребром катушки, в т. М, отсюда
X =К =га , ХХс =г■ е, (2)
где vс - мгновенный центр скоростей, м/с; а - угловая скорость семени, рад/с. Так как ус =г=сот1, то ус =0 , следовательно
N-0=0, а N=О. (3)
Условно обозначим радиус инерции семени относительно оси семени г , нахо-
с '
дим момент инерции семени
Jc =тг] N=0. (4)
Подставляем уравнения (2) и (4) в дифференциальные уравнения (1) движения семени, получим
тге=Р-Ртр , Ш] ■ е= Ртр ■Г. (5)
Приравняем правые части уравнений (5):
(Р-Ртр ) г]=РтР 'Л откуда найдем Ртр =Р
2 -2 > г +гС
зная, что Ртр</ N, где / - коэффициент трения.
На основании уравнения (3) имеем
Ртр </О.
(6)
Решая эти полученные уравнения совместно, найдем:
Р
2 -2 г 2 +г
</О,
(7)
2
2
Нива Поволжья № 2 (31) 2014 61
2 -2 г +г
или Р</-О—^.
(8)
Уравнение (8) устанавливает предельное значение горизонтальной силы Р, приложенной к центру семени, под действием которой семя может катиться без скольжения, при этом не попадая в ячейку катушки.
Рассмотрим условия западания семени в желобок катушки. При вращении катушки семя с ребра катушки скатывается в желобок катушки, при этом идет заполнение желобков катушки. Для описания процесса заполнения желобков катушки воспользуемся принципом Германа-Эйлера-Далам-бера, нам необходимо определить силы инерции точек семени. Для этого найдем угловую скорость а и угловое ускорение е центра С0 семени при горизонтальном положении отрезка ОС1 на траектории его движения (рис. 3).
Найдем сначала угловую скорость семени ыс в момент, когда отрезок ОС на траектории движения семени составляет с осью г угол р. Воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии механической системы в форме уравнения
Т-Т0=^Л?, (9)
где Т - кинетическая энергия семени в конечном положении, Дж;
Т0 - кинетическая энергия семени в начальном положении, Дж;
^ АЕ, - сумма работ всех внешних сил,
действующих на семя, Дж.
Так как движение семени началось из состояния покоя, то Т0 =0.
Кинетическую энергию Т вращающегося семени определим по формуле
Т=1J„ с2
(10)
где Jx - момент инерции семени относи-
2
тельно оси вращения х, кг м ;
Момент инерции семени Jx относительно оси вращения х найдем из выраже-
3
..... —г
2 2
Подставим значение Jx в формулу (10),
получим
т т 2 Ш'Г 2 3 2
ния 3 х =3 х +т-г =--+т-г =-т-г .
„ 3 2 2 3 О 22 Т =—та -г =-со -г .
4 4 я
(11)
Работу силы тяжести АО определим по формуле
АО =О-Н=О-г{1-сор\ (12)
где Н - величина вертикального перемещения семени.
Подставим уравнения 11 и 12 в уравнение (9), получим:
3 О
-—со2-г2 =О-г(\-сор), отсюда
о
(13)
После преобразования уравнение (13) примет вид
а=2Л|3г (1-с°р)..
(14)
Продифференцируем по времени выражение (14):
с
„ da 4 g . dm угловую скорость семени а и угловое ус-2а-=--sinm-. (15) с
dt 3 r dt корение семени sc:
da dm — g -=s и ——=a , получим зна- „ т 1б „
"3 r
Так как —=s и —=а , попучим зна- а =2 Ig s =—g (17)
dt dt ac =Ч3„ ■ sc= . . (17)
чение углового ускорения семени
Выводы. В результате теоретических
s=da =2 g исследований были получены аналитиче-
¿>— — 'Ы11Ш . ( IU)
dt 3 r ские зависимости для определения опти-
п мальных значений конструктивных и ре-
После подстановки q>=—; cosm=0, жимных параметров высевающего аппарата, обеспечивающего равномерное рас-sinm=l в уравнения (14) и (16) определим пределение семян зерновых культур по
площади рассева.
Литература
1. Ларюшин, Н. П. Современные посевные машины: учебное пособие / Н. П. Ларюшин. -Пенза: РИО ПГСХА, 2007. - 100 с.
2. Авторское свидетельство СССР № 1277918, А01С 7/12, Бюл. № 47 от 23.12.1986 г.
3. Авторское свидетельство СССР № 1575987, А01С 7/12, Бюл. № 25 от 07.07.1990 г.
4. Авторское свидетельство СССР № 743616, А01С 7/12, Бюл. № 24 от 30.06.1980 г.
5. United States Patent US006581535B2, А01С 7/00.
6. Кленин, Н. И. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины / Н. И. Кленин, В. А. Сакун.
- М.: Колос, 1980. - 135 с.
7. Посевные машины: Теория, конструкция, расчет: монография / Н. П. Ларюшин, А. В. Мач-нев, В. В. Шумаев и др. - М.: Росинформагротех, 2010. - 292 с.
8. Ларюшин, Н. П. Теоретические и экспериментальные исследования процесса посева семян зерновых культур комбинированным сошником сеялки-культиватора: Теория, конструкция, расчет: монография / Н. П Ларюшин, А. В. Мачнев, В. В. Шумаев. - Пенза: РИО ПГСХА, 2012. -125 с.
9. Ларюшин, Н. П. Высевающий аппарат для зерновой сеялки / Н. П. Ларюшин, А. В. Шуков // Образование, наука, практика: инновационный аспект: мат-лы Междунар. НПК, посвящ. памяти проф. А. Ф. Блинохватова. - Пенза: РИО ПГСХА, 2008. - С. 206-207.
10. Ларюшин, Н. П. Результаты лабораторных исследований аппарата для высева семян мелкосеменных культур / Н. П. Ларюшин, В. Н. Кувайцев, И. В. Бычков // Нива Поволжья. - 2013.
- № 2(27). - С.88-93.
11. Ларюшин, Н. П. Некоторые результаты лабораторно-полевых исследований катушечно-винтового высевающего аппарата / Н. П. Ларюшин, А. В. Шуков // Нива Поволжья. - 2009. -№ 2(11). - С.52-58.
12. Ларюшин, Н. П. Результаты лабораторных исследований вариатора привода высевающих аппаратов / Н. П. Ларюшин, В. Н. Кувайцев, А. В. Шуков // Нива Поволжья. - 2013. - № 1(26).
- С.55-60.
13. Абакумов, Р. В. Методика проведения лабораторных исследований по выбору конструкции высевающего аппарата / Р. В. Абакумов, Р. Р. Девликамов, А. В. Шуков // Инновационные идеи молодых исследователей для АПК России: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Том III. - Пенза: РИО ПГСХА, 2013. - С. 52-54.
14. Ларюшин, Н. П. Теоретическое исследование рабочего процесса барабанной картофеле-сортировки / Н. П. Ларюшин, О. Н. Кухарев, В. С. Бочкарев // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. - № 3. - С. 19-25.
15. Ларюшин, Н. П. Экспериментальная свекловичная сеялка с подпружиненным выталкивателем семян / Н. П. Ларюшин, О. Н. Кухарев, И. Н. Сёмов // Тракторы и сельхозмашины. - 2009. -№ 8. - С. 5-8.
16. Ларюшин, Н. П. Обоснование ориентирования высадков при посадке сахарной свеклы / Н. П. Ларюшин, О. Н. Кухарев // Техника в сельском хозяйстве. - 2007. - № 5. - С. 6-9.
17. 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.
18. Павловский, М. А. Теоретическая механика / М. А. Павловский, Т. В. Путята. - Киев: Вища школа, 1985. - 478 с.
Нива Поволжья № 2 (31) 2014 63
UDK 631.331.022
THEORETICAL STUDY OF THE TECHNOLOGICAL PROCESS OF OPERATION OF REEL SOWING
MACHINE WITH INCREASED SIZE OF FILLETS
V. N. Kuvaitsev, candidate of technical sciences, assistant professor; N. P. Larushin, doctor of technical sciences, professor; A. V. Shukov, candidate of technical sciences, assistant professor;
R. R. Devlikamov, post graduate
FSBEE HPT « Penza SAA», Russia, t. (8412) 628 517, e-mail: rinatdev@gmail. com
The article deals with the examining the ways to increase quality of sowing seeds of grain crops by means of developing and substantiation of optimal parameters of the sowing unit of the planter. The description of reel sowing machine with the increased size of reels fillets for planting grain crops is given in the article.
The technological process of its operation is described in the article. The theoretical research is shown and analytical dependence for determining optimal values of constructive and regime parameters which provide uniform seeds distribution at sowing area are obtained.
Key words: sowing machine, sowing unit of the reel type, seeds distribution, a reel with increased size of fillets.
References:
1. Larushin, N. P. Modern sowing machines: textbook / N. P. Larushin. - Penza: EPD, PSAA, 2007. -100 p.
2. USSR author certificate № 1277918, AS 7/12, bul. № 47, 23.12.1986
3. USSR author certificate № 1575987, AS 7/12, bul. № 25 from 07.07.1990,
4. USSR author certificate № 743616, AS 7/12, bul. № 24 from 30.06.1980,
5. United States Patent US006581535B2, А01С 7/00.
6. Klenin, N. I. Agricultural, and melioration machines / N. I. Klenin, V. A. Sakun. - M: Kolos -, 1980. 135 p.
7. Sowing machinery: Theory, design, calculation: monograph / H. P. Larushin, A.V. Machnev, V.V. Shumayev et.al. - Rosinformagrotech, 2010. - 292 p.
8. Larushin, N. P. Theoretical and experimental research of the process of planting seeds of grain crops with combined opener of seeder-cultivator: Theory, design, calculation: monograph / H. P Larushin, A. V. Machnev, V.V. Shumayev. - Penza: EPD, PSAA, 2012. - 125 p.
9. Larushin, N. P. Sowing unit for grain drills / N. P. Larushin, A.V. Shukov // Education, science and practice: innovative aspect: materials of the international SPC in the memory of Professor A. F. Bli-nokhvatov. - Penza: EPD, PSAA, 2008. - P. 206-207.
10. Larushin, N. P. The results of laboratory testing machines for sowing fine-seed crops / N. P. Larushin, V. N. Kuvaitsev, I.V. Bychkov // Niva Povolzhya. - 2013. - № 2(27). - P.88-93.
11. Larushin, N. P. Some of the results of laboratory and field studies of the reel helical seed distributor / N. P. Larushin, A.V. Shukov // Niva Povolzhya. - 2009. - № 2(11). - P.52-58.
12. Larushin, N. P. Laboratory testing results of the variator drive in sowing machines / N. P. Larushin, V. N. Kuvaitsev, A.V. Shukov // Niva Povolzhya. - 2013. - № 1(26). - P.55-60.
13. Abakumov, R.V.Methods of carrying out the laboratory research on selection of the design of the seed distributor / R. V. Abakumov, R. R. Devlikamov, A.V. Shukov // Innovative ideas of young researchers for agrarian and industrial complex of Russia: materials of All-Russian scientific-practical conference of students, postgraduates and young scientists. Volume III. - Penza: EPD, PSAA, 2013. -P. 52-54.
14. Larushin, N. P. Theoretical study of working process of the drum potato planter / N. P. Larushin, O. N. Kukharev, V. S. Bochkarev // Izvestiya of Samara state agricultural academy. - 2012. -№ 3. - P. 19-25.
15. Larushin, N. P. Experimental beet planter with spring-loaded ejector of seeds / N. P. Larushin, O. N. Kukharev, I. N. Syomov // Tractors and agricultural machinery. - 2009. - № 8. - P. 5-8.
16. Larushin, N.P. Substantiation of planting orientation during sugar beet planting / N.P. Larushin, O.N. Kukharev // Tekhnika v selskom khozyaistve. - 2007. - № 5. - P. 6-9.
17. Nurullin, E.G. Analysis and essesment of rationing devices of modern sowing complexes / E.G. Nurullin, I.Z. Islamov, I.M. Salakhov // Vestnik of Kazan SAU. - 2009. -№ 2(12). - P. 53-55.
18. Pavlovsky, M.A. Theoretical mechanics / M.A. Pavlovsky, T.V. Putyata. - Kiev: Visha shkola, 1985. - 478 p.
