Assessment of the influence of the adjustment parameters of the slot seeding unit on the probability of seed cramping



如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅或者付费存取

详细

BACKGROUND: One of the promising areas for improving seeding machines is the introduction into production of overpressure devices, the use of which not only improves the quality of operation of seeders at significant operating speeds, but also expands their functionality, including through universalization. Rational parameters and operating modes of sowing devices largely depend on the technological properties of the seed. So, for example, it is obvious that the probability of seeds being pinched by the sowing disk of a universal slot-type device of excess pressure de-pends on the ratio of their thickness and the radial size of the dosing slot (which can be varied within a certain range). Thus, determining the dimensional characteristics of agricultural crop seeds is an urgent task, the solution of which will help to increase the efficiency of the settings of sowing devices of sowing machines.

AIMS: assessment of the influence of the size of the radial gap between the housing and the seeding disk of a universal slotted excess pressure apparatus on the probability of seed jamming.

MATERIALS AND METHODS: The study was carried out on the example of spring barley seeds of the Vakula variety, harvested in 2022. At the first stage, using an electronic caliper, the sizes of seeds were determined with an accuracy of 0.01 mm (sample - 300 pieces), after which their main statistical characteristics were calculated. At the second stage, a method was proposed for determining the probability of seed pinching between the body of the apparatus and the working edge of the sowing disk using previously obtained data, assuming a normal distribution of seed thickness values.

RESULTS: It was found that in the case under consideration, the radial size of the dosing slit of about 1.9 mm can be considered rational.

CONCLUSIONS: The proposed method can be applied to seeds of other varieties of various crops.

全文:

Обоснование

Земледелие – одно из наиболее значимых, с точки зрения выживания человечества, направлений деятельности. Его эволюция закономерно связана с развитием посевной сельскохозяйственной техники.

Технология посева зависит от нормы высева, климатических условий, требований к распределению семян по площади поля и рациональной глубины заделки семян [1].

Важным узлом посевных машин (сеялок) являются их дозирующие системы. На сегодняшний день в Российской Федерации наибольшее распространение получили две конструкции: катушечные (желобчатые) высевающие аппараты и вакуумные аппараты точного высева [2-3].

Катушечные аппараты используются для дозирования и подачи в семяпровод семян сплошного сева, т.е. культур, высеваемых большими дозами (3-6 млн. штук на гектар) с использованием рядового, полосового или безрядкового способа распределения их по площади поля. Конструкция высевающих аппаратов таких комплексов представляют сложную дозирующую пневмораспределяющую систему [4-6].

Вакуумные высевающие аппараты применяются для дозирования семян пропашных культур в конструкции пунктирных сеялок, позволяющих реализовывать широкорядный, пунктирный, гнездовой, квадратно-гнездовой и ленточный способы посева [7-8].

Иногда в конструкциях сеялок (как пропашных, так и сплошного сева) применяются вибрационные аппараты. Однако они не получили широкого распространения [9-10].

В последнее время появились исследования, позволяющие предположить перспективность аппаратов избыточного давления экстрабарического типа [11]. Применение таких аппаратов не только повышает качество работы сеялок при значительных скоростях эксплуатации, но и расширяет их функциональные возможности за счет универсализации, так как одним аппаратом можно дозировать семена зерновых, бобовых и технических культур.

Исследователями предложены различные варианты щелевых высевающих аппаратов: с горизонтальным [12-13] или вертикальным [14] расположением приводных валов.

Вместе с тем, одним из значимых аспектов при посеве является качество посевного материала. В связи с этим, вопросы травмирования семян сохраняют свою актуальность не зависимо от типа посевного аппарата [15-17]. В аппаратах экстрабарического типа массовый высев осуществляется через питающую щель между корпусом аппарата и высевающим диском, где возможно защемление и травмирование семян [18].

Цель

Целью исследования являлось определение рационального значения размера питающей щели в посевном аппарате избыточного давления, позволяющее избежать защемления и травмирования семян сельскохозяйственных культур сплошного сева.

Методы

Учеными Хижняк В.И. и Яценко П.Л. представлена конструкция щелевого высевающего аппарата избыточного давления, обеспечивающая возможность бесступенчатого изменения нормы высева семян с различными физико-механическими свойствами от 20-30 тыс. до 10 млн. шт./га [19-20].

Этот щелевой аппарат экстрабарического типа (Рисунок 1) содержит остов 1, дисковый рабочий элемент 2 с фрикционной накладкой 3, установленный на валу шагового электродвигателя 4. Диск 3 расположен относительно остова 1 так, что между ним и кромками остова формируется питающая щель 5, через которую внутренняя рабочая полость 6 аппарата сообщается с атмосферой. Бункер для семян 7 связан с рабочей полостью аппарата окном 8 и оснащен герметично прилегающей крышкой, исключающей потери воздуха в этом направлении. На остове 1 смонтировано сопло подачи воздуха 9, а внутри остова – заборное сопло 10, связанное с пневмосемяпроводом. В заборной части сопло 10 имеет квадратное сечение, и одна его грань примыкает к рабочей поверхности дискового элемента 2. Над заборным соплом 10, в верхней части остова 1 размещен инициирующий диск 11, управляемый блоком 13 из кабины трактора.

Рассмотрим подробнее его принцип действия. Семена через окно 8 из бункера 7 попадают в рабочую полость 6 аппарата, где за счет подачи воздуха через сопло 9, создается его избыточное давление порядка 2-10·кПа. Выходящий в атмосферу через питающую щель 5 воздух обеспечивает прижатие семян к фрикционной накладке 3 дискового рабочего органа 2. За счет силы трения семена вовлекаются в движение вместе с рабочим органом 2 и подаются к инициирующему диску 11. Поскольку питающая щель 5 в зоне расположения заборного сопла 10 открыта, семена не отрываются от неё при вращении дискового рабочего элемента 2. Таким образом, на протяжении зоны питающей щели 5 формируется их устойчивый односемянный ряд. В соответствии с данными о скорости движения агрегата и заданной норме высева семян в блоке 13 формируются управляющие сигналы, запускающие в работу шаговый электродвигатель 12. При срабатывании электродвигателя 12 инициирующий диск 11 отделяет из сформированного ряда верхнее семя, которое захватывается выходящим из сопла 10 потоком воздуха и через пневмосемяпровод падает в борозду.

Применение цифрового щелевого высевающего аппарата позволяет реализовать управляемый высев и обеспечить бесступенчатую регулировку норм высева семян в достаточно широком диапазоне. Кроме того, из конструкции сеялки исключается большая часть элементов механической трансмиссии, упрощается настройка сеялки на высев заданной нормы семян соответствующей культуры (регулировку можно осуществлять из кабины трактора) и снижается вероятность появления пропусков и групповых подач в рядках посева.

Настройка параметров высевающего аппарата в значительной степени зависит от физико-механических свойств дозируемых семян [21]. Регулировка радиального размера питающей щели определяется величиной толщины семян. Рациональное их соотношение обеспечивает качество работы посевного аппарата [22]. В связи с этим, определение размерных характеристик семян сельскохозяйственных культур будет способствовать дальнейшему конструктивному развитию и оптимизации параметров посевных машин.

Исследования проводились на примере семян ярового ячменя сорта Вакула Одесского селекционно-генетического института, включенного в государственный реестр селекционных достижений Российской Федерации в 2007 году и до сих пор остающегося одним из наиболее урожайных сортов ячменя юга России [23]. Измеряемые семена (элита) были произведены в южной сельскохозяйственной зоне Ростовской области (г. Зерноград) в 2022 году.

Для некалиброванных семян их размеры (длина, ширина и толщина) могут изменяться в достаточно широком диапазоне. Поскольку, в питающей щели могут защемляться семена, размер которых не превышает её радиальный размер, то вероятность защемления  семян можно записать в виде [24]

,                              (1)

где  – размер питающей щели, представляющий радиальное расстояние между кромкой остова аппарата и образующей поверхностью дискового рабочего элемента, мм; , ,  – минимальное, среднее и текущее значения исследуемого размера семян ячменя, мм;  − среднеквадратическое отклонение величины х.

Кривая вероятности  подчиняется нормальному закону распределения и является симметричной относительно линии . При аргументе, стремящемся к бесконечности , функция вероятности  асимптотически приближается к оси абсцисс . В практических расчетах принято считать, что все возможные значения случайных величин лежат в диапазоне . Знание этих особенностей нормального закона распределения позволяет прогнозировать вероятность наступления того или иного события.

Для определения вероятности защемления необходимо знать статистические характеристики распределения размеров семян, определяемые экспериментально. На первом этапе эксперимента отбор проб осуществлялся методом крестообразного деления, дальнейший отбор проводился методом случайных выемок до получения выборки в триста семян.

Измерение размеров семян осуществлялось посредством электронного штангенциркуля с точностью измерений 0,01 мм. Полученные результаты заносились в массив данных и обрабатывались в статистическом редакторе XL (Рисунок 2).

Результаты

С точки зрения рассматриваемого технологического процесса из всех размеров семян наибольший интерес представляет наименьший размер – толщина семян. Для неё были определены значения некоторых основных статистических характеристик (Таблица 1).

Малые значения абсолютной и относительной ошибки измерений (менее 0,6%) подтверждают высокую достоверность полученных результатов. Симметричный колоколообразный характер кривых распределения экспериментально замеренных значений подтверждает нормальный закон распределения.

После подстановки в уравнение (1) экспериментально полученных значений ,  и  была получена зависимость вероятности защемления семян ячменя Вакула от радиального размера  выпускной (дозирующей) щели (Рисунок 3).

Анализ зависимости (Рисунок 5) позволяет сделать предположение, что при дозировании семян ячменя сорта Вакула рациональным является радиальный размер питающей щели равный 1,9 мм. При больших значениях этого настроечного параметра вероятность защемления семян элементами высевающего аппарата резко возрастает. Например, при ширине питающей щели около 2,3 мм вероятность защемления семян составляет почти 15%. При меньших значениях возникает потребность в увеличении напора избыточного воздушного потока, что приводит к увеличению нагрузки на пневмосистему сеялки и вал отбора мощности трактора.

Заключение

Экспериментально определены размерные характеристики семян ячменя сорта Вакула урожая 2022 года. Получены статистические характеристики толщины исследуемых семян: среднее значение – 2,60 мм; среднеквадратическое отклонение значений – 0,25 мм и др.

Разработана методика определения рационального значения настроечного параметра (радиального размера дозирующей щели) в зависимости от размеров (толщины) высеваемых семян. Для посева семян ячменя сорта Вакула рациональное значение радиального размера дозирующей щели составило 1,9 мм.

Разработанная методика оценки влияния радиального размера выпускной щели высевающего аппарата избыточного давления на вероятность защемления семян может быть применима к любым сельскохозяйственным культурам (их сортам и гили гибридам). 

×

作者简介

Andrey Nesmian

Don State Agrarian University

Email: nesmiyan.andrei@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3473-8081
SPIN 代码: 7736-8806

Professor

俄罗斯联邦, 21, Lenin street, Zernograd 647740

Konstantin Dubina

Don State Agrarian University

Email: longonor@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0543-9306
SPIN 代码: 2537-0575
俄罗斯联邦, 21, Lenin street, Zernograd 647740

Irina Troyanovskaya

South Ural State Agrarian University;

编辑信件的主要联系方式.
Email: tripav63@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2763-0515
SPIN 代码: 6845-7532
Scopus 作者 ID: 57170706600
Researcher ID: H-7490-2017

professor,

professor of the Department of Tractors, Agricultural Machines and Agriculture

俄罗斯联邦, 13, Gagarin street, Troitsk 457103

Sergey Voinash

Kazan Federal University

Email: sergey_voi@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5239-9883
SPIN 代码: 9532-4604
Scopus 作者 ID: 57194339935

Junior Researcher

俄罗斯联邦, 18, Kremliovskaya street, Kazan

Alexandra Orekhovskaya

Belgorod State Agrarian University

Email: orehovskaja_aa@bsaa.edu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8149-7191
SPIN 代码: 4274-8150
俄罗斯联邦, 1, Vavilova street, Mayskiy 308503

参考

  1. Nesmiyan А.Yu. Improving the technological process of sowing pumpkin seeds using a pneumatic seeder [dissertation]. Zernograd. 2003. (in Russ).
  2. Melnikov D.G. et al. Analysis of design and technological solutions of strip sowing machines. E3S Web of Conferences. 2020; 175: 05040. doi: 10.1051/e3sconf/202017505040
  3. Tsybulevsky V. et al. Selecting the Best Planter Option Based on Harrington Function. BIO Web of Conference. 2023; 71: 01041. doi: 10.1051/bioconf/20237101041
  4. Romanyuk N.N. et al. On the issue of improving the design of the distribution head of a pneumatic grain seeder. International scientific and practical conference "Modern problems and ways of developing technical service in the agro-industrial complex"; Nov 24-25; 2022. Minsk. (in Russ)
  5. Patent RUS №211107/23.05.2022 Troyanovskaya I.P. et al. Distributor head of a pneumatic grain seeder. (in Russ)
  6. Patent RUS № 222334/28.03.2023 Romanuk N.N. et al. Device for individual feeding of agricultural crop seeds. (in Russ)
  7. Khizhnyak V.I. et al. Analysis of the construction of massed seed drills. Don agrarian science bulletin. 2020; 4 (52): 42–52. (in Russ)
  8. Khizhnyak V.I. et al. Evaluation of the efficiency of row-crop seeders using vacuum and extrabaric seed metering methods. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021: 012045. doi: 10.1088/1755-1315/659/1/012045
  9. Zhang ZH. et al. Design and experiment on the air-blowing and vibrating supply seed tray for precision seeders. International Journal of Agricultural and Biological Engineering. 2022; 15 (3): 115-121. doi: 10.25165/j.ijabe.20221503.6873
  10. Vishnyakov A.S., Vishnyakov A.A. Research of the vibrating device for small seed cultures sowing. Bulletin of KSAU. 2009; 6 (33): 112-116. (in Russ)
  11. Khizhnyak V.I. et al. Theoretical research of the process of dosing seeds using an injection air flow. Don agrarian science bulletin. 2021; 4 (56): 46–54. (in Russ)
  12. Patent RUS №2340149/10.12.2008 Lobachevskij P.J. et al. Pneumatic seed-feeding apparatus. (in Russ)
  13. Patent RUS №2212778/27.08.2008 Lobachevskij P.Ja. et al. Pneumatic seeding unit. (in Russ)
  14. Patent RUS №2222134/27.01.2004 Lobachevskij P.Ja. et al. Air-operated seeding unit. (in Russ)
  15. Nurullin E.G. Experimental determination of injury of wheat seeds in a grain seed drill with a roll-type seeding device. All-Russian (National) Scientific and Practical Conference "Current Problems of Agricultural Science: Applied and Research Aspects"; February 04–05, 2021. Nalchik. (in Russ)
  16. Tsypuk A.M. et al. Damageability of pine seeds in pneumatic seeder. Current directions of scientific research in the 21st century: theory and practice. 2015; 3 (2-2): 90-93. doi: 10.12737/11039 (in Russ)
  17. Ilchenko S.A. et al. Study of the issue of injury to the seed material by the reinforcing elements of the seeding apparatus of a rowed seeder. Active ambitious intellectual youth in agriculture. 2023; 2 (15): 27-33. (in Russ)
  18. Khizhnyak V.I. et al. Experimental research of the process of dosing using a dispenser with forced air flow. Don agrarian science bulletin. 2022; 15. 3 (59): 50–60. doi: 10.55618/20756704_2022_15_3_50-60 (in Russ)
  19. Khizhnyak V.I. et al. Digital sowing device. Tractors and agricultural machinery. 2014; 8: 7–9. (in Russ)
  20. Khizhnyak V.I., Yatsenko P.L. Slotted pneumatic overpressure seeding device. Don agrarian science bulletin. 2017; 1: 88–100. (in Russ)
  21. Nesmiyan А.Yu. et al. Influence of physical and mechanical properties of row crops seeds on the quality of work of a pneumatic vacuum seeding unit. Agro XXI. 2012; 4–6: 44. (in Russ)
  22. Nikolaev V. et al. Grain Movement between the Cylinders of a Semi-Automatic Rotary Dryer During Heating. E3S Web of Conferences. 2024; 548: 06019. doi: 10.1051/e3sconf/202454806019
  23. Smolkov N.A., Frolova A.S. Spring barley grade – Vakula. VII International Student Scientific Conference "In the World of Scientific Discoveries"; March 14-15, 2023. Ulyanovsk. (in Russ)
  24. Nesmiyan A. et al. Probabilistic modeling for dynamic processes. Web of Conferences. 2020; 175: 05019. doi: 10.1051/e3sconf/202017505019

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

版权所有 © Eco-Vector,


 СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: ПИ № ФС 77 - 81900 выдано 05.10.2021.