Improvement of the technological process of sowing by stubble seeders

Full Text

Введение На рынке посевной техники существует большое многообразие посевных комплексов отечественного и зарубежного производства. Тем не менее, из всего сеялочного парка основную долю в настоящее время составляют стерневые сеялки прямого посева СЗС-2.1, СКП-2.1. По данным департамента сельского хозяйства по Курганской области, доля таких сеялок составляет более 80 % от всего парка посевных комплексов, зерновых и стерневых сеялок (рис. 1). Анализ динамики наличия посевной техники за 2015-2017 гг. показывает, что и в будущем данные сеялки будут составлять основу парка посевных машин в АПК области. Основным недостатком сеялок-культиваторов является большая ширина междурядий в пределах 22…23 см, что приводит к неравномерному распределению посевного материала по ширине засеваемой полосы и нерациональному использованию площади питания. Цель исследования Целью исследования является совершенствование технологического процесса посева стерневыми сеялками. Материалы, методы исследования и обсуждение результатов Совершенствование технологического процесса посева зерновых культур стерневыми сеялками с механическим высевом возможно путем установки на лаповые сошники распределителей семян, обеспечивающих их равномерное распределение по всей ширине сошника. Предложена схема лапового сошника. Под полой стойкой квадратного сечения установлен пассивный распределитель, каждая сторона которого состоит из двух плоскостей, установленных под разными углами (рис. 2) [1]. При посеве семена из семяпровода по стойке сошника падают вниз и, ударяясь о поверхности распределителя, отражаются от них. Ударившись о верхние грани (зона m), семена отражаются и падают на средний участок b дна борозды. Семена, которые ударяются о нижние грани (зона n), отражаются по более высокой траектории и падают на дальний участок a. На участок с падают семена, которые пролетают мимо распределителя. Такое взаимодействие с распределителем обеспечит равномерное распределение по всей ширине сошника [1-5]. Для определения влияния различных параметров на процесс распределения семян двухплоскостным распределителем составлена расчетная схема (рис. 3) и разработана математическая модель, включающая аналитические зависимости и численные методы расчета. В Mathcad разработана программа, моделирующая траекторию частицы по стойке сошника и в ограниченном подлаповом пространстве. Данная программа позволяет определять геометрические и кинематические параметры полета зерновки, отраженной от распределителя и потолочной поверхности сошника (траектория, дальность полета, направление вектора скорости при падении на землю и др.), при варьировании углов наклона двух плоскостей отражателя. В программе производится расчет параметров полета зерновки вдоль вертикальной прямой на первом этапе полета, по (баллистической) кривой после каждого отражения, а также определение параметров движения зерновки в результате удара о поверхность, которое выполняли с использованием гипотезы вязкого трения [2-5]. Расчетная схема (рис. 3) включает 5 различных этапов расчета траекторий и взаимодействий частицы от стойки семяпровода до семенного ложа с учетом влияния потолочной поверхности сошника: 1 этап - траектория движения частицы от семяпровода до отражающей поверхности (вертикальное падение); 2 этап - взаимодействия частицы с отражающей поверхностью; 3 этап - траектории движения частицы от отражающей поверхности распределителя до потолочной поверхности сошника или семенного ложа; 4 этап - взаимодействия частицы с потолочной поверхностью сошника; 5 этап - траектории движения частицы после взаимодействия с потолочной поверхностью сошника до семенного ложа. При моделировании процесса распределения семян и дальности их отскока L, представленной в виде функции L = f (H, α1, α2, m, K, λ, φ), в программу вводятся физико-механические свойства семян (K - коэффициент восстановления скорости; λ - коэффициент мгновенного трения) и геометрические параметры сошника (H - высота стойки сошника, α1, α2 - углы верхней и нижней плоскостей распределителя, φ - координаты расположения потолочной поверхности). Программа численного расчета характеристик полета частицы в Mathcad выполнена в виде блок-схемы. Результатом расчета является информация, которая выдается в виде графического изображения траекторий движения частиц и таблиц с числовыми значениями координат траектории и дальности отскока [5, 6]. Процесс распределения в правой и левой частях сошника одинаков, поэтому в расчетной схеме представлена только половина сошника. Принято допущение, что частица имеет сферическую форму и обладает физико-механическими свойствами реальной зерновки, на которую действует сила тяжести и которая падает внутри стойки сошника без взаимодействия с ее стенками и друг с другом. Верхняя и нижняя плоскости распределителя имеют равную ширину - по 1 см. Предполагается, что частицы падают по стойке сошника на плоскости распределителя на расстоянии друг от друга, равном 2 мм, поэтому на графическом изображении результатов расчета траектории частицы представлено 10 различных траекторий. Программа выдает результаты расчета в виде таблиц с числовыми значениями координат траектории частицы и в виде графического изображения траектории [5]. На рис. 4 и 5 представлены частные случаи результатов расчета траектории частицы в программе Mathcad: траектории частиц при взаимодействии с потолочной поверхностью лапы сошника (рис. 4) и без взаимодействия (рис. 5). Основное влияние на траекторию частицы, отраженной от плоскости распределителя, оказывают высота падения частицы, углы наклона плоскостей распределителя и возможное взаимодействие с потолочной поверхностью сошника. Зависимости этих факторов на дальность отскока частицы представлены на рис. 6 и 7 [2-6]. Полученные зависимости позволяют сделать вывод: при определенном сочетании величины угла отражательной поверхности и высоты падения частицы происходит взаимодействие с потолочной поверхностью сошника, что приводит к снижению дальности полета [3-5]. Графики показывают, что при увеличении углов плоскостей распределителя наблюдается рост дальности полета частицы. При достижении значений угла наклона нижней плоскости, близких к 33, а верхней плоскости - к 35 градусам, (при высоте падения h = 0,55 м) наблюдается снижение дальности полета частицы. Причиной снижения дальности полета является взаимодействие с потолочной поверхностью сошника. Для подтверждения теоретических предпосылок и определения эффективности посева лаповым сошником с двухплоскостным распределителем разработана, сконструирована и изготовлена лабораторная установка, моделирующая технологический процесс реального посева пшеницы (рис. 4). Для проведения лабораторных исследований использовали лаповые сошники стерневых сеялок-культиваторов СЗС-2.1М, СКП-2.1 и экспериментальный сошник со стойкой квадратного сечения с шириной захвата 270 мм (рис. 9). В подлаповом пространстве сошников закрепляли двухплоскостные распределители семян с различными углами наклона плоскостей. По результатам испытаний определяли по методу Е.П. Огрызкова [7] равномерность распределения семян по площади питания и ширине сошника. Лабораторная установка позволяет менять в необходимом диапазоне конструктивные и технологические параметры, позволяющие исследовать процесс посева семян лаповыми сошниками с распределительными устройствами. Исследованиями подтверждено влияние конструктивных параметров лапового сошника с двухплоскостным распределителем на равномерность распределения семян, выявленных теоретическими исследованиями. На рис. 10 представлен график зависимости распределения семян по ширине сошника сеялки СКП-2.1, оснащенным двухплоскостным распределителем. Характер кривых распределения семян для всех исследуемых сошников практически одинаков. Максимальная равномерность распределения семян по ширине сошника составляет от 75 до 83 %. Такая равномерность распределения достигается при угле наклона верхних плоскостей 45° для всех исследуемых сошников. Рациональными углами нижних плоскостей распределителя для экспериментального сошника являются углы 37…42°, для сошников сеялки СЗС-2.1 М - углы 30…35° и для сошников сеялки СКП-2.1 - углы 40…45°. Выводы 1. Разработанная математическая программа, моделирующая траекторию частицы по стойке сошника и в ограниченном подлаповом пространстве, позволяет на этапе проектирования определять влияние конструктивных параметров сошников, оснащенных пассивным двухплоскостным распределителем, на процесс распределения семян. 2. Оснащение лаповых сошников стерневых сеялок с механическим высевом семян двухплоскостными распределителями обеспечит посев с более высокими качественными показателями по равномерности, а созданные благоприятные условия для произрастания семян и развития растений обеспечат повышение продуктивности сельскохозяйственных культур.

About the authors

S. G Lopareva

Kurgan State Agricultural Academy n.a. T.S. Maltsev

Email: kshapgs@yandex.ru

Yu. N Mekshun

Kurgan State Agricultural Academy n.a. T.S. Maltsev

Email: kshapgs@yandex.ru
PhD in Engineering

A. V Fominykh

Kurgan State Agricultural Academy n.a. T.S. Maltsev

Email: kshapgs@yandex.ru
DSc in Engineering

D. V Loparev

Kurgan State Agricultural Academy n.a. T.S. Maltsev

Email: kshapgs@yandex.ru

References

Supplementary files