Ensuring the operating modes of the seeding apparatus specialized equipment

Full Text

Введение

В настоящее время в системах точного земледелия повышаются требования к соблюдению заданной нормы высева, как одного из условий программируемого урожая. Технология точного высева семян имеет особое значение при производстве пропашных культур с применением широкого спектра пневматических сеялок как отечественного, так и иностранного производства (СУПН-8А, СКПП-12, СПК-8, СПКА-1 «Тана», УПС-12, УПС-8, СТВ-107/2 «АиСТ», MaterMacc, Gaspardo, Optima и др.) [1−3]. В данных сеялках применяется высевающий аппарат пневматического принципа действия. Совершенствование конструкций высевающих аппаратов сеялок точного высева направлено на дальнейшее повышение точности отбора семян, универсальности (возможности высева семян, различающихся физико-механическими свойствами). Разработка новых машинных технологий для возделывания сельскохозяйственных культур осуществляется по результатам испытаний сеялок и их высевающих аппаратов, приобретающим в настоящее время особую значимость.

Процесс пунктирного высева семян пропашных культур содержит цепь случайных событий, при которых конечный результат распределения семян будет иметь неизбежные отклонения от расчетных значений. Для того чтобы уменьшить эти отклонения и разместить семена вдоль рядка по возможности более точно, необходимо систематизировать факторы, действующие на каждом этапе процесса, и отыскать возможности управления ими, то есть изменить их случайный характер на предсказуемый и полезный для четкости процесса высева [4]. Возможность такого предсказания базируется на качественных показателях выбора семян для посева и их распределения в рядок контролируемыми режимами работы высевающего аппарата и системой обеспечения точной регистрации семян.

Семена для посева предлагают различные фирмы, и по причине технологического процесса воздушной сепарации семян на фракции по удельному весу качественный и количественный отбор семян для посева может отличаться [5]. Например, показателями калибровки семян подсолнечника являются масса 1000 г семян, составляющая в исходной фракции 74,3 г; во второй фракции – 77,4 г; в третьей фракции – 71,58 г. Эти фракции повышают всхожесть семян на 5 %. В то же время на урожайность подсолнечника влияет распределение семян в рядок высевающим аппаратом (ВА), которое при скорости движения сеялки 9 км/ч (2,5 м/с) должно обеспечиваться с промежутком времени 0,133 с между дозированием семян в рядок. Незначительное отличие в размерно-массовых характеристиках семян, начальных скоростях отделения от отверстий высевающего диска, скоростях их витания и ориентации учесть практически невозможно, что является их случайным отклонением от нормы распределения в рядок.

Поэтому производителям растениеводческой продукции непросто определиться с выбором семян для посева. Каждое исследование случайных явлений, выполненное методами теории вероятностей, прямо или косвенно опирается на экспериментальные данные и систему наблюдений. Известные методы, средства контроля и оценки качества высева семян высевающими аппаратами точного высева не в полной мере соответствуют современным требованиям точного земледелия в части достоверности определения показателей технологического процесса высевающих аппаратов, включают дорогостоящие датчики и аппаратуру с ограниченными возможностями по регистрации семян, имеющих различную массу, неправильную форму (с переменной площадью проекции). До настоящего времени исследования были направлены на совершенствование конструкций высевающих аппаратов при оценке распределения семян в рядок с применением липкой ленты и ячей для сбора семян [4]. Такие исследования по причине трудоемкости работ ограничены количеством экспериментальных данных; в связи с этим результаты наблюдений и их обработка всегда содержат больший или меньший элемент случайности [6]. Однако, чтобы добиться желаемой надежности и точности измерений, вероятности получения тех же результатов при повторении опыта, необходимо иметь специальное современное измерительное оборудование для точного контроля режимов работы высевающего аппарата.

Цель исследований

Обоснование рационального технологического процесса распределения семян пропашных культур в рядок пневматическим высевающим аппаратом.

Для достижения поставленной цели предусматривалось выполнение следующих задач:

– разработка специализированного стендового оборудования;

– определение показателей качества распределения семян в рядок и рациональных режимов работы высевающего аппарата.

Материалы и методы

Для реализации поставленной цели применялось специализированное оборудование в составе испытательного стенда, позволяющее обеспечивать работу высевающего аппарата пневматического принципа действия, создавать разрежение и контролировать его при удержании семян пропашных культур на отверстиях высевающего диска. Регистрация высеваемых семян датчиком обеспечивалась при их пневмотранспорте в пневматическом устройстве и обязательном условии единичного нахождения в приемной трубке, позволяющем программой на компьютере получать электрические импульсы от датчика числа семян с промежутками времени между ними для обработки и получения информационных сведений о распределении качественных семян в рядок технологическими режимами высевающего аппарата [7].

Специализированное оборудование для определения параметров высевающих аппаратов сеялок точного высева представлено на рис. 1.

 

Рис. 1. Общий вид специализированного оборудования для определения характеристик высевающих аппаратов пропашных сеялок точного высева: а) вид спереди – слева; б) вид спереди – справа

 

На рис. 1 обозначено: 1 – корпус стенда; 2 – электродвигатель 220 В с редуктором для вращения высевающего диска высевающего аппарата и коробом для хранения провода электропитания, закрепленные на кронштейне; 3 – высевающий аппарат сеялки фирмы MaterMacc (мод. 3XL); 4 – цепная передача; 5 – пневматическое устройство; 6 – датчик регистрации семян; 7 – тягомер мембранный, показывающий Тм МП–100–М1; 8 – кронштейн для установки высевающего аппарата на специализированном оборудовании; 9 – электрический щит монтажный с панелью; 10 и 11 – колеса (задние и передние соответственно) для передвижения специализированного оборудования; 12 – бункер для засыпки семян; 13 – пневмошланги.

При испытании высевающих аппаратов важным является обеспечение плавного и равномерного вращения высевающего диска для захвата и удержания семян вакуумом на отверстиях высевающего диска. Для обеспечения такого условия был выбран асинхронный трехфазный двигатель с редуктором, общий вид которого приведен на рис. 2.

 

Рис. 2. Общий вид асинхронного трехфазного двигателя с редуктором: а) вид справа; б) вид слева

 

Работа асинхронного трехфазного двигателя с редуктором обеспечивается преобразователем частоты (рис. 3).

 

Рис. 3. Преобразователь частоты

 

Характеристика преобразователя частоты: входное напряжение – 220 В, частота – 50/60 Гц; выходное напряжение – 0−220 В; сила тока – 7 А.

Разработанное специализированное оборудование предназначено для обеспечения режимов работы высевающего аппарата, работы пневматических систем для присасывания вакуумом семян к отверстиям высевающего диска, а также пневматического транспорта высеваемых семян для контактного взаимодействия с поверхностью датчика и единичного счета с последующим их сбором в специальный инерционный сборник. Вакуум перед высевающим диском и пневмотранспорт семян обеспечиваются вакуумными насосами с регуляторами разрежения.

Для получения графической зависимости оборотов высевающего диска от заданной частоты преобразователя напряжения использовался тахометр класса точности 1,0.

График зависимости оборотов высевающего диска от заданной частоты преобразователя напряжения приведен на рис. 4.

 

Рис. 4. График зависимости оборотов высевающего диска от частоты преобразователя напряжения

 

В соответствии с «Методикой определения характеристик высевающих аппаратов сеялок точного высева с применением разработанного специализированного оборудования» регистрируемые датчиком семена передавались электрическими импульсами на компьютер и регистрировались специализированной программой «Audacity» для записи аудио, которая способна сохранять полученные данные в формате *.WAV. Для анализа полученных данных была применена программа «PTC Mathcad Prime» по представлению классовых распределений семян в графическом виде.

Теоретическим обоснованием возможности экспериментального определения вероятностных характеристик является закон больших чисел [8]. Нормальное распределение графически выражается в виде кривой колоколообразного типа [9]. Кривая нормального распределения симметрична относительно ординаты точки (среднее арифметическое значение $\overline{X}$ величин х):

$x_i=\overline{X}$ (1)

где х_i – переменная случайная величина; $\overline{X}$ – среднее арифметическое значение величин х.

Положение кривой относительно начала координат и ее форма определяются двумя параметрами: $\overline{X}$ и σ (среднее квадратичное отклонение случайной величины х от $\overline{X}$) [9]. С изменением $\overline{X}$ форма кривой не изменяется, но изменяется ее положение относительно начала координат. С изменением σ положение кривой не изменяется, но изменяется ее форма. С уменьшением σ кривая становится более вытянутой, а ветви ее сближаются; с увеличением σ, наоборот, кривая становится более плоской формы, а ветви ее раздвигаются шире. Результаты отдельных измерений имеют достаточно большой разброс относительно среднего арифметического, а разброс отдельных средних арифметических значительно меньше. Он уменьшается по мере увеличения числа измерений [9].

Таким образом, при технологических режимах работы высевающего аппарата лучшие показатели семян и их распределение в рядке в опытах характеризуются при сближении ветвей кривой к теоретически заданной норме их высева. Оценку среднего квадратичного отклонения регистрируемых датчиком семян от заданной нормы их высева (принимаемой средним арифметическим значением $\overline{X}$) при случайном их распределении в рядок высевающим аппаратом возможно определять из выражения [9]:

${\sigma }_{\overline{X}}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\sum _{i=1}^n{(x_i-\overline{X})}^2}$ (2)

где n – число случайных величин (число регистрируемых семян).

Величина ${\sigma }_{\overline{X}}$ характеризует разброс отдельных результатов измерения относительно среднего арифметического значения $\overline{X}$. Минимальное значение величины ${\sigma }_{\overline{X}}$ определяет рациональное распределение в рядок качественных семян в технологическом процессе их высева высевающим аппаратом.

Результаты и обсуждение

Полученные данные с различными промежутками времени между регистрируемыми семенами в формате *.WAV программой «PTC Mathcad Prime» представлялись классовыми распределениями семян в графическом виде (рис. 5), например, числом промежутков между двумя, следующими один за другим, семенами подсолнечника в классовых диапазонах при их распределении в рядок при норме высева 3 шт./пог. м для условной скорости движения сеялки 9 км/ч.

 

Рис. 5. Число промежутков между двумя, следующими одно за другим, семенами подсолнечника в классовых диапазонах

 

Опытные значения расстояний между семенами, количественные и средние значения семян (в шт.), с расстояниями между ними в опытах, а также разброс отдельных результатов измерения относительно среднего арифметического значения приведены в таблице. Точечная оценка среднеквадратичного отклонения расстояний ${\sigma }_{\overline{X}}$ в опытах (в м) (${\sigma }_{\overline{X}}$  = 20,31; ${\sigma }_{\overline{X}}$ = 19,9; ${\sigma }_{\overline{X}}$ = 20,74) свидетельствует о перспективности применения метода и специализированного оборудования [10] для получения информационных сведений о рациональных режимах работы ВА в составе сеялок точного высева.

 

Таблица

Расстояния между семенами, количественные и средние значения семян с расстояниями между ними в опытах, а также разброс результатов измерения относительно среднего арифметического значения

Table. Distances between seeds, quantitative and average values of seeds with distances between them in experiments, as well as the scatter of measurement results relative to the arithmetic mean

№ опыта	Расстояния между семенами, см											Сумма
	28	29	30	31	32	33	34	35	36	37	38
	Число семян, шт., с расстояниями между семенами в опытах
1	2	10	21	102	145	163	126	52	25	9	2	657
2	0	7	24	91	143	153	122	82	17	8	0	647
3	2	7	34	79	141	170	133	69	13	4	0	652
Средние число семян nср, шт., с расстояниями между семенами в опытах
nср.	1,33	8	26,3	90,7	143	162	127	67,7	15	7	0,7	648,8
Частота pi, соответствующая данному разряду
р1	0,003	0,01522	0,03226	0,1553	0,221	0,2481	0,192	0,0791	0,0381	0,0014	0,003	1
р2	0	0,011	0,0371	0,1407	0,221	0,2365	0,1886	0,1267	0,0263	0,0124	0	1
р3	0,0031	0,0107	0,0521	0,1212	0,2163	0,2607	0,204	0,1058	0,02	0,0061	0,0031	1
	Суммарные расстояния в классовых промежутках, м											Сумма	${\sigma }_{\overline{X}}$
1оп l, м	0,56	2,9	6,3	31,62	46,4	53,79	42,84	18,2	9	3,33	0,76	215,7	20,31
2оп l, м	0,28	2,03	7,2	29,14	45,76	50,49	41,48	28,7	6,12	2,96	0,38	214,54	19,9
3оп l, м	0,56	2,03	10,2	24,49	45,12	56,1	45,22	24,15	4,68	3,33	0,38	216,26	20,7
Σl, м	1,4	7,176	23,7	85,25	137,28	160,38	129,54	71,05	19,8	9,62	1,656	646,852	–
Среднее	0,47	2,392	7,9	28,42	45,76	53,76	43,18	23,683	6,6	3,207	0,552	–	–
${\sigma }_{\overline{X}}$	0,465	0,721	2,888	3,62	0,64	4,02	2,68	7,45	3,11	0,368	0,32	–	–

 

Выводы

1. Проведенными исследованиями установлено, что с применением специализированного оборудования, пневматического транспортирования семян и единичной их регистрации экспериментально показана возможность применения закона больших чисел для исследования перспективной технологии распределения качественных семян в рядок высевающим аппаратом.
2. Качественные показатели семян для посева и их классовое распределение в рядок рациональными режимами работы высевающего аппарата, оцениваемые специализированным оборудованием при применении закона больших чисел, являются основой научных исследований по прогнозированию урожайности пропашных культур.

About the authors

I. M. Kireev

Novokubansk Affiliate of Rosinformagrotekh (KubNIITiM)

Email: zinakoval@mail.ru

Dsc in Engineering

Russian Federation, Novokubansk

Z. M. Koval'

Novokubansk Affiliate of Rosinformagrotekh (KubNIITiM)

Author for correspondence.
Email: zinakoval@mail.ru

PhD in Engineering

Russian Federation, Novokubansk

F. A. Zimin

Novokubansk Affiliate of Rosinformagrotekh (KubNIITiM)

Email: zinakoval@mail.ru
Russian Federation, Novokubansk

References

Supplementary files