DOI 10.12737/21793 УДК 631.331
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЧЕСКОГО ЯЧЕИСТО-ДИСКОВОГО ВЫСЕВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОСЕВА АМАРАНТА МЕТЕЛЬЧАТОГО
Артамонов Евгений Иванович, канд. техн. наук, доцент кафедры «Технический сервис», ФГБОУ ВО Самарская ГСХА».
446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная, 2.
E-mail: artamonov.evgenij.ivanovich@mail.ru.
Котов Дмитрий Николаевич, канд. техн. наук, доцент кафедры «Механика и инженерная графика» ФГБОУ ВО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия».
446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная, 2.
E-mail: kotov dn@ssaa.ru
Артамонова Ольга Александровна, ст. преподаватель кафедры «Механика и инженерная графика», ФГБОУ ВО Самарская ГСХА».
446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная, 2.
E-mail: art.olja @mail.ru.
Ключевые слова: амарант, высев, устройство, диск.
Цель исследования - повышение равномерности высева семян амаранта метельчатого ячеисто-дисковым высевающим устройством. Одним из условий, позволяющих обеспечить достижение высокой планируемой урожайности амаранта, является его точный посев с заданным межсеменным интервалом. Равномерное распределение семян и растений необходимо в связи с высокими требованиями к зоне питания. Анализ существующей агропракти-ки и конструкций современных высевающих устройств для мелкосемянных культур показывает, что они не позволяют полностью выполнить агротребования по точности распределения семян в рядке при посеве амаранта с вариацией межсеменных интервалов (10-15%) и малой нормой высева (0,3-0,5 кг/га), ввиду особо малых размеров семян и особенностей их физико-механических свойств. В связи с этим, была разработана конструктивно-технологическая схема ячеисто-дискового высевающего устройства, позволяющего проводить посев семян амаранта с малыми нормами высева и высокой продольной равномерностью распределения семян в рядке. Новизна конструкции ячеисто-дискового высевающего устройства подтверждена патентами Российской Федерации на изобретение и полезную модель №61981, №2347349 соответственно. Проведено теоретическое обоснование основных конструктивных и режимных параметров механического ячеисто-дискового высевающего устройства для посева амаранта, в частности аналитическим путем, определены: параметры ячейки высевающего диска, а также скорость движения семян относительно ячеистого высевающего диска. В результате теоретических исследований были обоснованы геометрические параметры ячейки: максимальный диаметр ячейки 0тахя = 1,42 мм, максимальная глубина ячейки Нтахя = 1,62 мм, а также условия западения семян амаранта в ячейку высевающего диска, а именно критическая скорость семени икрс = 0,074 м/с и критическая частота вращения высевающего диска nf < 17 мин-1, при которой будет обеспечиваться западение семян амаранта в ячейку высевающего диска.
Одним из условий, позволяющих обеспечить достижение высокой планируемой урожайности амаранта, является его точный посев с заданным межсеменным интервалом. Равномерное распределение семян и растений необходимо в связи с высокими требованиями к зоне питания [1]. Анализ существующей аг-ропрактики и конструкций современных высевающих устройств для посева мелкосемянных культур показывает, что они не позволяют полностью выполнить агротребования по норме высева и точности распределения семян в рядке при посеве амаранта, ввиду особо малых размеров семян и особенностей их физико-механических свойств [2, 3, 4, 5].
Цель исследований - повышение равномерности высева семян амаранта метельчатого ячеисто-дисковым высевающим устройством.
Задача исследований - теоретически обосновать основные конструктивные и режимные параметры ячеисто-дискового высевающего устройства.
Материалы и методы исследований. Для решения поставленной задачи авторами на кафедре «Технический сервис» ФГБОУ ВО Самарской ГСХА было разработано ячеисто-дисковое высевающее устройство [6, 7].
Результаты исследований. Разработанное высевающее устройство (рис. 1) состоит из следующих элементов: корпус 1, ячеистый диск 2, корпус отражателя семян 3, корпус семяпровода 4, бункер 5, ячейка 6, выталкиватель семян 7, сошник 8, отражатель 9, уплотняющее кольцо 10, механизм поджатия отражателя 11.
Высевающее устройство работает следующим образом. Семена амаранта засыпаются в бункер 5 (рис. 1), под действием сил гравитации они заполняют полость в корпусе семяпровода 4 до ячеистого диска 2 и корпуса отражателя семян 3. При вращении ячеистого диска 2 ячейки 6, выполненные на периферической поверхности диска в один ряд, проходят под слоем семян и заполняются. Семена, не попавшие в ячейки, но двигающиеся в активном слое, отражаются отражателем семян 9 в полость корпуса семяпровода 4. Ячеистый диск 2 гарантированно транспортирует семена, запавшие в ячейки 6, без повреждений и выпадения. Семена удерживаются уплотняющим кольцом 10 до встречи с выталкивателем семян 7, который сбрасывает
1 - корпус; 2 - ячеистый диск; 3 - корпус отражателя семян; 4 - корпус семяпровода; 5 - бункер; 6 - ячейка; 7 - выталкиватель семян;
8 - сошник; 9 - отражатель; 10 - уплотняющее кольцо; 11 - механизм поджатия отражателя
Для теоретического обоснования основных конструктивных и режимных параметров механического ячеисто-дискового высевающего устройства для посева амаранта метельчатого необходимо рассмотреть ряд технологических процессов, в частности процесс заполнения ячеек высевающего диска семенами амаранта метельчатого, а также процесс взаимодействия нижнего слоя семян с движущимся вертикальным высевающим диском, которые напрямую влияют на равномерность высева.
Качественные показатели посева, полученные устройствами пунктирного высева, зависят от условий заполнения ячеек семенами и от процента травмирования их при контакте с движущимися элементами конструкций в работе устройства. Показатели напрямую зависят от размерных параметров и положения ячеек, пути движения ячейки высевающего диска под лежащими выше слоями семян в бункере и относительной скорости движения активного слоя семенного материала по поверхности с ячейками диска [8].
Вероятность заполнения ячейки зависит от ее линейных размеров, но в таком случае не гарантировано, что в ячейке высевающего диска окажется более 1-го семени. Расчет конструктивных параметров ячейки высевающего диска должен учитывать, что в ней должно размещаться самое крупное семечко и не должно укладываться 2 семени с самым минимальным размером [8].
Семя амаранта имеет почти круглую форму, поэтому поверхности ячейки (рис. 2) должны быть выполнены в виде, близком к форме семени таким образом, чтобы при его извлечении выталкивателем семян, силы трения о стенки ячейки были сведены к минимуму. Размеры ячейки должны быть рассчитаны таким образом, чтобы выполнялось условие: западает одно наибольшее семя и не умещаются два самых маленьких [8].
Условие расчета диаметра ячейки высевающего диска:
2<"n > Da = + 2к, (1)
J min ч ,
где d с - минимальный диаметр семени фракции, мм;
dстах - максимальный диаметр семени фракции, мм;
Dя - диаметр ячейки высевающего диска, мм;
К - зазор между семенем и внутренней поверхностью ячейки, к1 = 0,1...0,2 мм [8].
><N1
к, 4
N
1 У/ Щ (\ /л ь УА^ У "
о.
Рис. 2. Размеры ячейки под семя амаранта в ячеистом высевающем диске
(2)
Для определения глубины ячейки Ня необходимо соблюдать условие:
>Ня = И™ + к2 + кзат,
где ктт - минимальная высота семени фракции, мм;
И™* - максимальная высота семени фракции, мм; Ня - глубина ячейки, мм;
к2 - зазор между семенем и образующей поверхностью высевающего диска, к2 =0,1...0,2 мм;
Изат = 0,5Бя • - глубина ячейки, определяемая углом заточки сверла р, мм.
Относительная скорость перемещения семян по поверхности высевающего диска с ячейками определяет вероятность заполнения ячеек в диске и их травмирование быстро двигающимися конструктивными элементами.
Западание семени в круглую ячейку происходит при скорости семени Ус относительно ячейки меньшей критического значения, определяемого по схеме процесса (рис. 3).
Рис. 3. Схема западания семени при его свободном падении в ячейку
Для случая, когда центр семени амаранта совпадает с центром круглой ячейки критическая скорость семени Ускр определяется по выражению В. П. Горячкина:
Вя - 0,5 •
Vкр <■
с
&
(3)
где Бя - диаметр ячейки, м;
диаметр семени, м;
& - ускорение свободного падения, м/с2.
Согласно условию заполнения круглой ячейки (рис. 3) путь, пройденный семенем при движении по
хорде:
X = Л/2С Вя - с1,2 ,
хор \ С я с
Тогда критическая относительная скорость семени при движении по хорде:
схор
(Л12С Л - а2 - 0,5С )
\\/ с я с ? с '
Сс
(5)
Полученные теоретические зависимости (1), (3) и (4) позволяют определить значение критической скорости движения нижнего слоя семян амаранта относительно вертикального ячеистого высевающего диска, при меньших значениях которой происходит западание семени в круглую ячейку ячеистого высевающего диска.
Для определения скорости движения семян амаранта относительно вертикального ячеистого высевающего диска, выделим в массе семян единичный объем ¡V массой т, находящийся в контакте с поверхностью высевающего диска (рис. 4) и составим дифференциальное уравнение его движения.
При движении выделенного единичного объема по поверхности вращающегося высевающего диска на выделенный единичный объем будут действовать следующие силы (рис. 4):
- сила тяжести вышележащих слоев семян - Ре;
- сила трения семян о поверхность обода диска - ;
- сила трения вышележащих слоев семян - Ъ;
центробежная сила инерции - Ъ
цб
Рис. 4. Схема сил, действующих на выделенный единичный объем семян амаранта
Учитывая силы трения слоев семян, лежащих выше, а также силы вертикального давления массы семян и центробежной силы инерции, уравнение запишется в виде
шф = Е1 + Рв ■ Бгпф1 - Ъ2, (7)
где ф1 - угловое перемещение выделенного единичного объема в абсолютном движении, град.; - сила трения семян о поверхность обода диска, Н; Ре - сила вертикального давления семян на диск, Н; Ъ2 - сила трения вышележащих слоев семян, Н.
Сила тяжести вышележащих слоев семян определяется по формуле
Р = а ■ (8)
где ае - среднее вертикальное давление семян на диск, Па;
£ - площадь выделенного единичного объема семян, м2.
Сила трения семян о поверхность диска определяется по формуле
Ъ = ¡1 ■ ^ (9)
где /1 - коэффициент трения семени о диск;
V
Ni - нормальная реакция со стороны диска на выделенный единичный объем семян, Н.
N! = P • Со? j - F46 = s в ■ S ■ Cos j - m ■ Rd ■ (2, (10)
где Rd - радиус высевающего диска, м.
Сила трения вышележащих слоев семян на выделенный единичный объем семян определяется по формуле
F = fm ■ N2, (11)
где fm - коэффициент внутреннего трения семян;
N2 - нормальная реакция со стороны выделенного единичного объема семян на вышележащие слои семян, Н.
N2 = P■ Cos (l = s; ■ S ■ Cos (pl, (12)
где sle - среднее вертикальное давление вышележащих семян на выделенный единичный объем семян, Па.
Среднее вертикальное давление семенного материала, находящегося в бункере, определяется по выражению
Р ■ &/1 „-ah ,
-(1 - е ^),
(13)
где р - насыпная плотность семенного материала, кг/м3; к - высота слоя семян, м.
X ■ ( ■ Ь
. ^ ¿вы
a = -
S
где X - коэффициент бокового давления; Ь - периметр загрузочного отверстия, м; £ - площадь загрузочного отверстия, м2.
Существенная разница между шириной вертикального высевающего диска и высотой емкости для семенного материала позволяет рассматривать его как пространство с двумя параллельными стенками, заполненное сыпучим материалом.
При таком заполнении площадь горизонтального сечения сыпучего тела на единицу длины стенки составляет 5 = В, где В - ширина полосы вертикального диска, а периметр на единице длины Ь = 2 ■ В.
Подставляя эти значения в выражение (13), получаем
2Х ■ /„
a = -
b
О ■ g ■ Ь - 2Xf'L h = 1 g b (1 - е b ).
2 ■ X ■ f
T J Bh
После подстановки выражений (9), (11) и (13) в уравнение (7) получим:
2X ■ f
OXf (1 - е'^)S ■ Cos j - mR j'2) + (1 - е")S x
2X ■ f Bh 2X ■ f Bh
О ■ g ■ b - 2X'f" h
X Sin j - fh (1 - е b ) S ■ Cos p„
2X ■ f Bh
где h1 - высота семян над выделенным единичным объемом семян, м.
Преобразуем это выражение, заменив массу выделенного единичного объема семян: m = О ■ dV = О ■ dh ■ S = О ■ (h - h1) ■ S
получим
2X ■ f.h
m p" = f(-
- 2f
P" + (2 - g ^ Ь(1 - е Ь
)
2X ■ fm (h - K) ■ Rd
-2fh Л
f1 fв'
(1 - е b )
(1 - е
_ 2f
Cos p1 + Sin p1
(14)
(15)
cu
и
b
)
Обозначим
А = / - /
(1 - е * )
Ш,
(1 - е * )
Решением уравнения (15) будет выражение вида:
т 12 = е- 2 л*
2 X ■ /,,
С +
ё ■ *(1 - е
)
X ■ I, ( к - к,) ■ Я д
| е2 (А ■ Соз * , + Бт т,)
(16)
(17)
где С - произвольная постоянная.
Интегрируя уравнение (17), получим:
- 2х■/,, к
т 12 = Се -2 /Л +-ё ^ *(1 - е *-[(А + 2 /, )Б1п т, + (2 А ■ /, - 1)Соз т, ]
^ / (к - к,) ■ Яд(1 + 4/12^ ^ ^ V Л ^ ^
Н
При £ = 0; =0; т", = АгсБт-, где н - ширина загрузочного бункера, м.
(18)
2Я
д
С = - ё ■ *(1 - е-У ) ■е 'л [(А + 2 /, )Б/и т+ (2 А ■ /, - 1)Соз т," ]
/ (к - к,) ■ Яд (1 + 4/12^ ^ V А ^ 4>г}
Тогда
2 X ■ /,,
т '2 = ё ■ * (1 - е Г1 _
(1 + 4 /,2 ) [(А + 2/ )(&« т 1 - Бт т" )+ (2 А ■ /, - 1)(Соз т 1 - Соз т" )]
Х/н ( к - к') ■ Я д (1 +.
_ 2Х ■ /,,
Абсолютная скорость выделенного единичного объема семян определяется по выражению
1
V* = т'Я = Яд
у (Н-/!1) "я (1 + х)[(А + 2/'т, -БПт,)+ (2А■ /1 - 1)(Созт, -Созт")].
(19)
(20)
(21)
Абсолютное движение выделенного единичного объема суммируется из относительного движения его вдоль высевающего диска V г и переносного движения высевающего диска ге:
V* = V-V, = о ■ Я -уг . (22)
Следовательно, относительная скорость движения выделенного слоя семян V г по высевающему диску, которая должна быть меньше или равна критической скорости западения семян в ячейку VКр , определяемой по формуле (5), равна:
V* * V, = Я,
Од -
- 2/ и
% (к-к,)Я (1 + 4/2)[(А + 2/'^т, -Ятт") + (2А/, - 1)(Созт1 -Созт")]
(23)
Из приведенного уравнения видно, что на относительную скорость V г влияют угловая скорость вращения высевающего диска ад, величина радиуса ячеистого высевающего диска Яд, ширина обода высевающего диска Ь, а также физико-механические свойства семян (коэффициенты трения о диск /, и внутреннего трения /,).
Подставляя в уравнение (23) различные значения конструктивных и режимных параметров ячеисто-дискового высевающего устройства (од, Яд ,*,), можно получить зависимости изменения относительной скорости движения слоя семян, находящегося во взаимодействии с ячеистым высевающим диском, в любой его точке.
По результатам расчетов, выполненных по уравнению (23), были построены графические зависимости относительной скорости движения выделенного слоя семян V г и критической скорости семени Ускр от частоты вращения высевающего диска п (рис. 5).
и
*
относительная скорость Уг
критическая скорость Укр
Рис. 5. Графические зависимости относительной скорости движения выделенного слоя семян V г от частоты вращения
высевающего диска п
Заключение. Обоснованы геометрические параметры ячейки: максимальный диаметр ячейки Б Япах = 1,42 мм, максимальная глубина ячейки: я^ = 1,62 мм, а также условия западения семян амаранта
в ячейку высевающего диска, а именно: критическая скорость семени Ускр = 0,074 м/с и критическая частота вращения высевающего диска пкр < 17 мин-1, при которых будет обеспечиваться западание в ячейку высевающего диска семян амаранта, имеющих следующие размерные характеристики йсшт = 0,81 мм, й^ = 1,12 мм [9].
Библиографический список
1. Крючин, Н. П. Разработка пневматического высевающего аппарата сеялки для посева амаранта малыми нормами / Н. П. Крючин, Н. В. Бурлака // Известия Самарской ГСХА. - 2015. - №3. - С. 38-41.
2. Казарин, В. Ф. Амарант - высокопластичная культура // Агро-Информ. - 2012. - №7. - С. 18-20.
3. Казарина, А. В. Особенности агротехнологии возделывания амаранта в Самарском Заволжье // Известия Самарской ГСХА. - 2015. - №4. - С. 7-11.
4. Бурлака, Н. В. Анализ высевающих аппаратов для посева мелкосемянных культур и их классификация // Современные технологии, средства механизации и техническое обслуживание АПК : сб. науч. тр. Поволжской межвузовской конф. - Самара, 2011. - С. 30-31.
5. Глуховцев, В. В. Практикум по основам научных исследований в агрономии / В. В. Глуховцев, В. Г. Кириченко, С. Н. Зудилин. - М. : Колос, 2006. - 248 с.
6. Пат. 61981 РФ, МПК А01С 7/04. Высевающее устройство / Артамонов Е. И. - № 2006139918/22 ; заявл. 10.11.06 ; опубл. 27.03.07, Бюл. №9. - 2 с.
7. Пат. 2347349 РФ, МПК А01С 7/04. Высевающее устройство / Артамонов Е. И., Гниломедов В. П. -№ 2006139884/12 ; заявл. 10.11.06 ; опубл. 27.02.09, Бюл. №6. - 4 с.
8. Кухарев, О. Н. Теоретические основы ориентации // Нива Поволжья. - 2007. - №2. - С. 27-31.
9. Артамонов, Е. И. Повышение качества посева семян амаранта метельчатого совершенствованием технических средств и технологического процесса : дис. ... кан. техн. наук / Артамонов Евгений Иванович. - Пенза, 2013. - 178 с.