CC BY
2УДК 631.511
Габаев А. Х. Gabaev A. H.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫСЕВА СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР ПОСЕВНОЙ СЕКЦИЕЙ СЕЯЛКИ
THEORETICAL STUDY OF THE PROCESS OF SOWING SEEDS OF GRAIN CROPS BY
SOWING SECTION OF THE SEEDER
В настоящее время отечественными и зарубежными машиностроителями предлагаются различные модификации сеялочных агрегатов, которые в той или иной мере отвечают требованиям посева. Однако, высокая стоимость большинства из них и низкая платежеспособность сельхозтоваропроизводителей сдерживают их внедрение и распространение. Поэтому в настоящее время, да и в ближайшем будущем, наибольшее распространение получили рядовые дисковые сеялки, которыми высеваются практически все культуры сплошного посева.
Как показал анализ состояния сеялочных агрегатов, в ряде хозяйств диски высевающих сошников настолько изношены, что их диаметр составляет всего 29-30 см и даже меньше, при заводском выпуске 35 см. При таком диаметре дисков сеялка по своим техническим возможностям не может заделывать семена на заданную глубину [4].
Все это приводит к снижению полевой всхожести семян, изреженности посевов, или, чтобы не допустить этого, к перерасходу дорогостоящего семенного материала. Посев на малых скоростях и невозможность сеять во влажную почву или после выпавших даже небольших осадков, сдерживает темпы посевной кампании и затрудняет проведение этого важного агро-приема в оптимальные сроки, что также отрицательно влияет на продуктивность посевов.
Проведение обязательной предпосевной культивации при посеве двухдисковыми сошниками требует предварительной отвальной вспашки, что затрудняет внедрение почвозащитных, вла-го- и энергосберегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур.
На основе проведенного анализа определены факторы, позволяющие выявить основные закономерности движения и падения семян, величины скорости семян, необходимые для решения проблемы выбора основных конструктивных параметров высевающего аппарата, семяпровода, распределителя семян, разбрасывателя формы и размеров бороздок, образуемых посевной машиной.
Currently, domestic and foreign machine builders offer various modifications of sowing units, which in one way or another meet the requirements of sowing. However, the high cost of most of them and the low solvency of agricultural producers constrain their implementation and distribution. Therefore, at present, and in the near future, the most common are ordinary disc seeders, which are sown almost all crops of continuous sowing.
As shown by the analysis of the state of sowing units, in a number of farms the discs of sowing coulters are so worn out that their diameter is only 29-30 cm and even less, with the factory production of 35 smith such a diameter of the discs, the seeder, according to its technical capabilities, can not close the seeds to a given depth [4].
All this leads to a decrease in field germination of seeds, sparseness of crops, or, to prevent this, to overspend of expensive seed material. Sowing at low speeds and the inability to sow in moist soil or after even small precipitation, constrains the pace of the sowing campaign and makes it difficult to carry out this important agro-reception in the optimal time, which also adversely affects the productivity of crops.
Carrying out mandatory pre-sowing cultivation when sowing with double-disc coulters requires preliminary plowing, which complicates the introduction of soil-protective, moisture-and energy-saving technologies of cultivation of agricultural crops.
Based on the analysis of factors allowing to identify the main patterns of movement and the fall of the seed, the velocity of the seeds needed to solve the problem of choosing major design parameters of the seeding system, seed tube, seed spreader, manure spreader, and the shape and size of the grooves formed by the sowing machine.
Ключевые слова: сеялка, высевающий аппа- Key words: seeder, sowing apparatus, Coulter,
рат, сошник, борозда, почва. furrow, soil.
Габаев Алий Халисович -
кандидат технических наук, ст. преподаватель кафедры «Механизация сельского хозяйства» ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ Тел.: 8 928 704 35 19 Е-mail: Alii_gabaev@bk.ru
Gabaev Alij Halisovich -
Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of Department of «Mechanization of Agriculture» FSBEI HE Kabardino-Balkarian SAU Tel.: 8 928 704 35 19 E-mail : Alii_gabaev@bk.ru.
Введение. Получение максимальной урожайности при минимальных затратах на возделывание культуры является главной задачей размещения семян по полю. Размещение семян по площади поля можно характеризовать размерами и формой площади питания растений. Оба эти фактора определяются расстоянием между рядками (междурядьем) и расстоянием между семенами в рядке. Междурядье зависит от способа посева, а расстояние между семенами в рядке является функцией количества семян, высеваемых на единице площади поля [1].
Важным вопросом является повышение равномерности высева семян по глубине их заделки во влажную почву. Эта задача решена нами посредством разработки заделывающего рабочего органа посевной машины (патенты РФ № 2511237; № 2631465) [2].
Следует отметить, что методика расчета количества и равномерности высева семян катушечным высевающим аппаратом известна. Необходимым условием для высококачественного посева является правильная установка высевающих аппаратов машины, при которой каждый аппарат высевает одинаковое количество семян. Работа данного высевающего аппарата на общем фоне процесса высева семян достаточно глубоко изучена и не влияет на дальнейшее формирование потока семян. Однако, начиная с момента выброса семян катушкой, характер падения семян в ячейку семяпровода, движения семян в семяпроводе, а также скорость поступления семян на конусный рассекатель полностью влияет на закономерность распределения семян и скатывания их на дно сформированных сошником бороздок. Поэтому выявление этих факторов имеет существенное значение при конструировании и создании нового высевающего аппарата.
Ход исследования. При рассмотрении процесса движения зерна важно знать основные факторы, влияющие на изменение характера движения семян, начиная с семенного ящика вплоть до скатывания их по стенкам бороздки на её дно и защемления (заделки) в почву.
Определение этих факторов позволяет выявить основные закономерности движения и падения семян, величину скорости семян, необходимые для решения проблемы выбора основных конструктивных параметров высевающего аппарата, семяпровода, распределителя семян, разбрасывателя и формы и размеров бороздок, образуемых посевной машиной
[4].
В выбранной нами конструктивной схеме сеялки высев семян из семенного ящика осуществляется катушечным высевающим аппаратом, который достаточно изучен и обеспечивает удовлетворительное качество и равномерность высева семян. Однако для исследования конструкции разбрасывателя следует рассмотреть характер и потенциал высева семян и по ходу исследования найти необходимые конструктивные решения с параметрами новой посевной машины.
Результаты исследования. Выбрасывать сыпучий материал можно непрерывной струей или прерывисто, то есть большими или малыми порциями или отдельными зернами. Наибольшее распространение получил выбранный нами катушечный высевающий аппарат со сдвигаемой катушкой. ГОСТом предусмотрен выпуск нескольких видов (размеров) аппаратов для высева семян зерновых и мелких семян трав. Вращающаяся желобчатая катушка захватывает и выбрасывает из аппарата не только семена, находящиеся в желобках, но также семена, лежащие вблизи, увлекая их за счет сил трения (рис. 1).
Рисунок 1 - Схема рабочего процесса высева семян
Увлекаемый катушкой слой семян называют активным слоем: по форме он близок к дугообразной ленте в сечении. Объем семян Уо, выбрасываемых высевающим аппаратом за один оборот катушки, называют рабочим объемом катушки. Он равен:
V = гж + Ут
(1)
где:
Vж - объем семян, выбрасываемых их желобков за один оборот катушки, который принимаем равным объему рабочей части желобков, м 3;
Vaкm - объем семян, прошедших через активный слой за один оборот катушки, м 3.
Для данной катушки скорость Vж может быть найдена вычислением или экспериментально:
vж = М р,
(2)
где:
/ - площадь поперечного сечения желоб-
ка, м2;
г - число желобков; £ - длина рабочей части катушки, м.
Рабочий объем может быть найден экспериментально:
V. = ^
пу
(3)
где:
О - вес семян, выброшенных аппаратом,
Н;
п - число оборотов катушки, за которое выброшено данное количество семян; у - объемный вес семян, Н/м3. Если предположить, что семена в активном слое двигаются со скоростью, равной окружной скорости катушки Vкam, то
или
где:
V™ = к - к.
V = ' С £
к акт ''нСу*-р-
(4)
(5)
ён - наружный диаметр катушки, м;
Су - условная толщина активного слоя, м.
В действительности только семена, соприкасающиеся с рифами катушки, могут иметь скорость Vкam. Скорость семян, расположенных вне желобков, по мере удаления от катушки, уменьшается и доходит до нуля в сантиметровом слое. Действительная толщина активного слоя семян С0 , больше условной Су.
Установим связь между С0 и Су. Объем семян, прошедших через активный слой за одну секунду Vaс, равен:
(6)
V = С V = С £ V
ас у кат р р ср '
где:
Vcр - средняя скорость семян в действи-
тельном активном слое, м/с. Отсюда имеем:
С V
Су _ У ср
С
(7)
Предположим, что скорость семян Vx в активном слое изменяется по параболическому закону и можно записать:
X
V = V (1--)т,
х кат V
С Л
(8)
где:
Х - расстояние от наружной поверхности катушки до точки слоя, для которой находится скорость Vx, м.
При Х=0, Vx = Vкam, а при Х= Со, Vx = 0.
Среднюю скорость семян находим, интегрируя Vx в пределах от Х=0 до Х=С0:
V™ =
Г х V
| (1 -—)mdx = . (9) С т +1
С0 х=0 С0 т + 1
Отсюда ср_ 1
^ т +1
а так как
С V С 1
= —, то =- или Со=Су (т+1).
С0 ^т С0 т + 1
Согласно экспериментальным данным, для пшеницы и ячменя т=2,6; для овса т=2,5; проса т=1,3.
х
На семя, западающее в желоб катушки, действует давление вышележащих слоев и сила выталкивания семян катушки. Влияние этих сил на падение семян в ячейку можно учесть увеличением силы О семян на коэффициент С>1. Если семя имеет симметричную форму, а сопротивлением воздуха можно пренебречь, то движение центра тяжести семени можно рассматривать как свободное падение тела весом СО с начальной скоростью ис (рис. 2).
где:
X
Рисунок 2 - Положение семян относительно ячейки семяпровода
Для характеристики перемещения семян по осям Х и Ъ имеем следующие уравнения:
7 =
Хх = исг, 9,8-С-г2
2
(10) (11)
где:
I - время падения, с.
Попадание семян в жёлоб катушки будет обеспечено в том случае, когда центр тяжести семян окажется ниже или на уровне поверхности дна семенной коробки высевающего аппарата, что возможно при условии
7 >
а 2 :
(12)
где:
а - толщина семени, м. Подставляя (12) в (11), получим:
г >
V
а
9.8С
(13)
При движении посевной машины за время X центр зева семяпровода пройдет путь Я, равный
£ = иг, (14)
и - скорость движения посевной машины,
м/с.
Семя попадет в семяпровод при условии: X > £ - Ь + 8 + 0,5. (15)
С учетом этого имеем:
Ь -0,5-8
и > и +-
г
(16)
где:
ив - скорость выбрасывания зерна из высевающего аппарата, м/с.
Решая данное неравенство, получим:
Ь - 0,5 -8
и в > ис +-
а
9М
(17)
Область применения результатов. Для
слаженной работы высевающего аппарата при посеве необходимо, чтобы привод аппарата осуществлялся от ходовых колес, что имеет место в отечественных посевных машинах.
Из неравенства (17) следует, что для попадания семян через семяпровод в делительную головку сошникового диска необходимо, чтобы линейная скорость движения центра зева семяпровода была меньше, чем скорость движения семян. Скорость движения семян в семяпроводе можно принять для проведения дальнейших расчетов равной скорости выбрасывания зерна катушечным высевающим аппаратом.
В дальнейшем движение семян в семяпроводе определяется закономерностями свободного падения тела. Однако, на движение семян оказывает влияние их аэродинамические свойства, трение и удары семян о стенку семяпровода, а также конструкция и размеры семяпровода. Учесть влияние этих факторов очень сложно. Поэтому в практических расчетах можно принять движение зерна как свободное падение, а влияние указанных факторов учесть некоторым коэффициентом величина которого определяется экспериментально.
Исходя из этого, получим дифференциальное уравнение движения зерна вниз от высевающего аппарата в виде:
м= о.
ж2
Интегрируя выражение (18), получим:
dz _ â*+с,
(19)
где:
С - постоянная интегрирования, равная вертикальной составляющей результирующей скорости выбрасывания зерна высевающим аппаратом.
Интегрируя выражение (19), получим:
*
Z = — + Ut. 2 6
(20)
Если приравнять Z длине Нс семяпровода, получим время движения зерна в семяпроводе
t =
-Uв±VU6+ 2Hcg
(21)
g
А если подставить значение U6 в формуле (21), получим:
Г Л
Uc +
L -1 -5 2
a
t =
9.8^
+ .
VuВ+2 Hc*
(22)
я
Вывод. Полученные теоретические зависимости позволяют совершенствовать как отечественные, так и зарубежные машины и могут быть использованы при создании новых поколений посевных машин.
Литература
1. Габаев А.Х., Нам А.К. Математическая модель и программа расчета процесса распределения семян на дне борозды при посеве семян сеялками с дисковыми бороздообра-зующими рабочими органами // Известия Международной академии аграрного образования. 2016. №31. С. 16-21.
2. Каскулов М.Х., Габаев А.Х., Апа-жевА.К., Атмурзаев И.А., Гаев Ш.М., Те-шев А.Ш., Мишхожев В.Х. Патент №2511237 Российская Федерация, МПК7 А01С7/00. Устройство для посева семян зерновых культур; заявитель и патентообладатель: Федеральное государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия имени В.М. Кокова». №2012153090/13; заявл. 07.12.2012; опубл. 10.04.2014. Бюл. №10. 6 с.
3. Каскулов М.Х., Габаев А.Х. Патент №2631465 Российская Федерация, МПК7 А01С7/00. Устройство для посева семян зерновых культур в условиях повышенной влажности почвы рядовым и узкорядным способами; заявитель и патентообладатель: Федеральное государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет имени В.М. Кокова». №2016148797, заявл. 12.12.2016; опубл. 22.09.2017. Бюл. №27.
4. Мисиров М.Х., Габаев А.Х. Деформации почвы при обработке двухгранным клином // Материалы межвузовской науч. -практ. конф. студентов и молодых ученых. Нальчик, 2009. С. 131-134.
References
1. Gabaev A.Kh., Nam A.K. Matemati-cheskaya model i programma rascheta protsessa raspredeleniya semyan na dne borozdy pri po-seve semyan seyalkami s diskovymi borozdoo-brazuyuschimi rabochimi organami // Izvestiya Mezhdunarodnoj akademii agrarnogo obrazova-niya. 2016. №31. S. 16-21.
2. Kaskulov M.Kh., Gabaev A.Kh., Apaz-hev A.K., Atmurzaev I.A., Gaev Sh.M., Te-shev A.Sh., Mishkhozhev V.Kh. Patent №2511237 Rossijskaya Federatsiya, MPK7 A01S7/00. Ustrojstvo dlya poseva semyan zer-novykh kultur; zayavitel i patentoobladatel: Fe-deralnoe gosudarstvennoe obrazovatelnoe uch-rezhdenie Vysshego professionalnogo obrazo-vaniya «Kabardino-Balkarskaya gosudarstven-naya selskokhozyajstvennaya akademiya imeni V.M. Kokova». №2012153090/13; zayavl. 07.12.2012; opubl. 10.04.2014. Byul. №10. 6 s.
3. Kaskulov M.Kh., Gabaev A.Kh. Patent №2631465 Rossijskaya Federatsiya, MPK7 A01S7/00. Ustrojstvo dlya poseva semyan zer-novykh kultur v usloviyakh povyshennoj vlazh-nosti pochvy ryadovym i uzkoryadnym sposo-bami; zayavitel i patentoobladatel: Federalnoe gosudarstvennoe obrazovatelnoe uchrezhdenie Vysshego professionalnogo obrazovaniya «Ka-bardino-Balkarskij gosudarstvennyj agrarnyj universitet imeni V.M. Kokova». №2016148797, zayavl. 12.12.2016; opubl. 22.09.2017. Byul. №27.
4. Misirov M.Kh., Gabaev A.Kh. Deformat-sii pochvy pri obrabotke dvukhgrannym klinom // Materialy mezhvuzovskoj nauch.-prakt. konf. studentov i molodykh uchenykh. Nalchik, 2009. S. 131-134.
