Анализ влияния зазора в вибрационном высевающем аппарате на процесс высева семян кунжута

Введение. Кунжут (Sesamum indicum L.) считается одной из важнейших масличных культур в мире, которая имеет высокий уровень содержания масла (50–60%) и белка (18–25%) [1]. В последние годы во всем мире растет спрос как на его семена, так и на кунжутное масло. Это привело к тому, что многие страны стали производить кунжут и экспортировать его, поскольку он является одним из основных источников иностранной валюты для многих стран, особенно в Африке и Азии. Посевная площадь кунжута в этих странах увеличилась с 8,22 млн га в 2010 году до 12,82 млн га в 2019 году. При увеличении площадей мировое производство кунжута также выросло с 4,32 млн тонн в 2010 году до 6,55 млн тонн в 2019 году (FAOSTAT, 2019) [2].

Традиционный способ посева кунжута, такой как ручная посадка, все еще распространен во многих странах. Он считается одним из наиболее значимых сдерживающих факторов, ограничивающих увеличение посевных площадей и увеличения объёмов его производства [3].

Точный высев является наиболее предпочтительным методом по сравнению с другими методами, позволяющим размещать семена с заданными агротребованиями расстояниями между рядками и расстояниями в рядках, что в свою очередь ведёт к увеличению урожайности за счет снижения конкуренции за свет, воду и питательные вещества между растениями [4]. Высокоточный посев семян представляет собой передовую технологическую инновацию в современных агротехнологических системах благодаря своей способности экономить семена и равномерно распределять их [5].

Высевающие аппараты делятся в основном на два основных типа: пневматические и механические дозаторы. Свойства некоторых типов семян, такие как масса, низкая прочность на сдвиг, хорошая сферическая форма и высокое содержание масла ограничивают использование механических высевающих аппаратов из- за сложностей регулировки нормы высева с высокой точностью, при этом использование данного типа аппаратов повреждает семена, отделённые при этом кусочки семян забивают ячейку дозатора семян [6]. Для работы пневматических высевающих аппаратов требуется создание разницы воздушного давления, что требует дополнительно установки вентилятора. При этом при высеве также возникают проблемы, связанные с забиванием маленьких отверстий кусочками семян и засаливание при высеве семян с высоким содержанием масла. Но несмотря на перечисленные недостатки выпускается огромное разнообразие пневматических высевающих аппаратов точного высева [7]. Однако до сих пор отсутствуют исследования, связанные с технологией посева кунжута, а также высевающим аппаратом для него.

Целью исследований в работе является оценка и исследование влияния зазора выходного отверстия семян в вибрационном высевающем аппарате при лабораторных испытаниях на высеве семян кунжута. Для этого производилось сравнение результатов моделирования влияния параметров отверстия на процесс выхода семян через отверстие методом дискретных элементов (DEM) на основе программного пакета EDEM (EDEM_3.0 analysis) с результатами экспериментального моделирования для поиска оптимального сочетания параметров различных условий работы.

Методика исследований. Вибрационный высевающий аппарат имеет значительные преимущества по сравнению с традиционной механической и пневматической технологией дозирования семян, поскольку он упрощает техническое обслуживание за счет исключения таких элементов, как приводные цепи, валы и звездочки, присутствующие в механической системе дозирования семян. На работу вибрационного высевающего аппарата также не влияет проскальзывание приводного колеса, особенно при высоких скоростях работы, приводящее к неравномерности распределения семян. Он также не включает вакуумную систему для посева семян, как в пневматическом высевающем аппарате, что позволяет экономить мощность. Кроме того, это не приводит к забиванию семенного диска при посеве мелких семян, таких как семена кунжута.

Конструкция вибрационного высевающего аппарата представлена на рисунке 1. Устрой- ство дозирования более подробно было описано ранее [8]. В процессе дозирования семена под действием силы тяжести перемещаются из бункера семян в корпус дозатора семян. Далее под действием колебательного движения семенной пластины, приводимой в движение шаговым двигателем, семена проходят сквозь отверстия и попадают в семяпровод.

1 – бункер семян; 2 – колебательная семенная пластина; 3 – шаговый двигатель; 4 – корпус высевающей камеры с отверстиями для выхода семян; 5 – корпус дозирующего устройства; 6 – кожух подачи семян; 7 – семяпроводы;

8 – спиральная пружина

Рисунок 1 – Устройство вибрационного высевающего аппарата

Перед началом моделирования с целью определения оптимального зазора выхода семян кунжута из вибрационного высевающего аппарата были проведены предварительные испытания с использованием лабораторного стенда, позволившие выявить наиболее значимые параметры работы. В результате предварительных испытаний было установлено, что на выход семян наиболее влияют: зазор ( cl ), время открытия ( t ) и угол колебания ( α ), представленные на рисунке 2. Имитационное моделирование с использованием программного комплекса EDEM и лабораторные эксперименты вибрационного высевающего аппарата проводились при различных значениях времени открытия и угла колебаний. На основании результатов первоначального моделирования и лабораторных экспериментов были определены значения параметров устойчивой работы: время открытия, угол колебаний и время простоя, которые составили: 25 мс, 20° и 60 мс соответственно. Рассмотрим данные параметры, влияющие на процесс вибровысева более подробно.

Кунжутное семя обладает низкой прочностью на сдвиг, легким весом и небольшими размерами. Во время работы вибрационного высевающего аппарата некоторые семена кунжута были разрезаны колебательной пластиной при попадании в отверстие, не успевая пройти через него. При этом расход кунжута из колеблющегося дозатора семян был неравномерным, так как в первоначальных экспериментах не учитывалось значение зазора (cl). В результате исследования для преодоления этих проблем был определён диапазон значений зазора (от 10 до 30 мм) для последующей оценки влияния его на расход семян кунжута из вибрационного высевающего аппарата. Необходимый зазор (в мм) представляет собой вертикальное расстояние между верхним краем выходного отверстия для семян и верхним краем колеблющейся семенной пластины на ее максимальной высоте вверху перед началом движения вниз, показанное на рисунке 2.

Время открытия ( t ) – это время, за которое колеблющаяся семенная пластина перемещается сверху вниз в определенное положение на основе значения угла колебания ( α ), таким образом, оно связано с колебательным движением колеблющейся семенной пластины

(рисунок 2). Время открытия влияет на скорость потока кунжута, поскольку оно дает одним семенам достаточно времени, чтобы успеть переместиться и выйти из отверстия, при этом количество семян, прошедших через отверстие, должно соответствовать необходимой норме высева. Время открытия контролируется регулированием колебательного движения семенной пластины, приводимой в движение с помощью электродвигателя. В данном исследовании время открытия (25 мс) определялось по результатам предварительных лабораторных экспериментов и имитационного моделирования для изучения влияния зазора на оптимизацию расхода кунжута из вибрационного высевающе- го аппарата.

Угол колебаний (α) – это угол, на который поворачивается колеблющаяся пластина при движении её края сверху вниз в течение заданного времени открытия (t) (рисунок 2), и он соответствует углу движения колеблющейся семенной пластины, когда она движется сверху вниз с помощью шагового двигателя и в противоположном направлении с помощью спиральной пружины. Величина угла колебания влияет на те же самые скорости потока из колеблющегося дозирующего устройства, так как чем больше значение угла колебания, тем больше скорость потока семян. В данном исследовании угол колебания (20º) был определен на основе результатов как предварительного моделирования, так и лабораторных экспериментов по оценке оптимального зазора.

Время холостого хода – это время, когда крутящий момент от двигателя не передаётся на пластину и её перемещение осуществляется для возврата снизу вверх за счёт спиральной пружины. Время простоя – время, когда колеблющаяся семенная пластина находится в верхнем положении, прежде чем она начнет двигаться вниз перед каждым колебательным движением. Когда колеблющаяся семенная пластина находится в верхнем положении во время простоя, она полностью закрывает выходные отверстия для семян, за исключением зазора (рисунок 2), таким образом, что семена кунжута не выпадают из выходных отверстий семян. Поэтому в ходе данного исследования время простоя было зафиксировано на уровне 60 мс, так как это минимальное время, необходимое семенам кунжута для оседания на верхней поверхности колеблющейся семенной пластины после воздействия спиральной пружины на колеблющуюся семенную пластину при движении снизу вверх.

a                                              б

Рисунок 2 – Моделирование расхода кунжута из колеблющегося дозирующего устройства при рабочих параметрах (зазор, время открытия и угол колебания) с использованием EDEM: двумерный эскиз колеблющейся семенной пластины ( а ) и выходного отверстия семени ( б )

Система управления работой вибрационным высевающим аппаратом разработана для оптимизации и контроля расхода кунжута и улучшения равномерности распределения семян с помощью вибрационной системы дозирования семян. Основными компонентами системы управления колебательным дозатором се- мян, как показано на рисунке 3, были шаговый двигатель и его модуль драйвера, клавиатура ввода с жидкокристаллическим экраном, программатор устройства, микроконтроллер и источник питания. Микроконтроллер (ATmega 162AU) был выбран для приема входных данных после обработки через программатор устройства (AVRISP mkII) для подачи соответствующих импульсов на модуль драйвера двигателя. В данном исследовании для приведения в движение колеблющейся высевающей пла- стины использовался шаговый двигатель рость шагового двигателя.

1 – микроконтроллер; 2 – ЖК-экран; 3 – клавиатура ввода; 4 – программатор устройства; 5 – источник питания;

6 – шаговый драйвер; 7 – шаговый двигатель; 8 – вибрационный высевающий аппарат Рисунок 3 – Схема системы управления вибрационным высевающим аппаратом

Зазор и положение колеблющейся семенной пластины влияют на расход семян кунжута из вибрационного высевающего аппарата. При моделировании методом дискретных элементов (DEM) были использованы различные значения зазора (рисунок 4) с целью определения их влияния на процесс. На основе схемы и параметров, представленных на рисунке 4, компью-

(23Н2А0618) с крутящим моментом 3 Нм и максимальным током 4,0 А, основанный на описанных выше параметрах. Модуль драйвера позволял изменять направление вращения и ско- терное моделирование и регрессионный анализ были объединены для поиска оптимальных параметров вибрационного высевающего аппарата для достижения оптимальных параметров высева. Каждый опыт в лабораторных условиях при различных параметрах зазора повторялся по пять раз и моделировался с использованием программного обеспечения EDEM.

а – зазор 10 мм                       б – зазор 0 мм                        в – зазор 30 мм

Рисунок 4 – Схема зазоров ( cl ) вибрационного высевающего аппарата в процессе моделирования

Модель имитационного моделирования вибрационного высевающего аппарата методом дискретных элементов. Метод дискретных элементов, DEM, разработанный Cundall и Strack (1979) [9], позволяет моделировать поток частиц, рассматривая движение каждой отдельной частицы в потоке при граничных условиях. В данном исследовании моделирование DEM проводилось с использованием программного продукта EDEM (EDEM_3.0 analysis), который позволяет создавать частицы из набора сферических моделей. Геометрическая модель вибрационного высевающего аппарата была со- здана в САПР и импортирована в EDEM. Моделирование процесса работы вибрационного высевающего аппарата семян проводилось с использованием модели контакта Герца-Миндли-на, наиболее часто используемой для моделирования такого рода взаимодействия и перемещения частиц с использованием EDEM [10– 11]. Входные параметры, используемые при имитационном моделировании, приведены в таблице 1. Проведен анализ имитационного моделирования влияния зазора на процесс функционирования вибрационного высевающего аппарата.

Таблица 1 – Исходные данные, используемые для моделирования [8]

Материал	Характеристика	Значение
Кунжут	Плотность, кг/м-3	850
	Коэффициент Пуассона	0,05
	Модуль сдвига, Па	1,107
Сталь	Плотность, кг/м-3	7800
	Коэффициент Пуассона	0,303
	Модуль сдвига, Па	7,93·1010
Кунжут – кунжут	Коэффициент восстановления	0,20
	Коэффициент статического трения	0,35
	Коэффициент трения качения	0,1
Кунжут – сталь	Коэффициент восстановления	0,28
	Коэффициент статического трения	0,52
	Коэффициент трения качения	0,15

При моделировании использовались данные физико-механических свойств кунжута сорта «Солнечный», который наиболее распространён в России. Физико-механические свойства данного сорта приведены в таблице 2. До настоящего времени не было проведено никаких предыдущих исследований для валидации и моделирования семян кунжута с использованием моделирования в EDEM, за исключением исследования, проведенного в работе [8].

В данном исследовании модель семян кунжута была предварительно смоделирована в программном обеспечении Fusion 360 и состояла из 28 перекрывающихся сфер размерами от 0,5 до 0,9 мм в диаметре. Средние геометрические размеры семени при этом имели длину 3,1 мм и ширину 2 мм. Были зарегистрированы координаты центров сфер, и эти данные затем были импортированы в модуль частиц EDEM, как показано на рисунке 5. Время моделирования составило 3 секунды, а процесс моделирования показан на рисунке 6. В качестве варьируемого параметра использовался зазор в вибрационном высевающем аппарате (рисунок 4).

Таблица 2 – Физические свойства семян кунжута

Физические свойства	Среднее значение	Стандартное отклонение
Длина (L), мм	3,2	0,202
Ширина (W), мм	1,9	0,145
Толщина (T), мм	0,9	0,095
Насыпная плотность, кг/м-3	630
Масса тысячи семян, г	27
Угол трения покоя, град. – внутренний угол	38,4
Угол трения покоя, град. – внешний угол	45,3

d 1 =0,9	d 2 =0,8	d 3 =0,7	d 4 =0,65	Размеры в мм
d 5 =0,6	d 6 =0,55	d 7 =0,5	W 5 =2	L 5 =3,1

Рисунок 5 – Имитационные модели семян кунжута: 2D структурная модель ( а ); 3D графическая модель ( б )

а

б

Рисунок 6 – Моделирование процесса дозирования семян вибрационным высевающим аппаратом

Лабораторные эксперименты были проведены в «Лаборатории сельскохозяйственных машин» Донского государственного технического университета (рисунок 7). Для экспериментов угол колебаний и время открытия задавали с помощью системы управления. Зазор регулировался вручную на дозирующем устройстве. При различных значениях зазоров были проведены 9 экспериментов с пятью повторностями опытов.

Рисунок 7 – Лабораторный стенд вибрационного высевающего аппарата

Для наблюдения за процессом выхода частиц из отверстия использовалась цифровая камера с возможностью замедленной съёмки. Впоследствии производились раскадровка видео и анализ процесса с использованием компьютера.

Результаты исследований и их обсуждение. Результаты лабораторных экспериментов и имитационного моделирования представлены на рисунке 8. По результатам моде- лирования были построены зависимости выхода семян кунжута из отверстий вибрационного высевающего аппарата при экспериментальных исследованиях и проведённых расчётах методом дискретного элементного моделирования. Наиболее подходящими аппроксимирующими кривыми для описания полученных данных являются экспоненциальные, так как имеют наибольшую величину достоверности аппроксимации.

Рисунок 8 – Результаты экспериментов и имитационного моделирования

Адекватность полученной модели была проверена по F-критерию Фишера F T (2,22). F P <  F T (0,07<2,22), следовательно, полученная дискретно-элементная модель с принятым уровнем статистической значимости адекватна экспериментальным данным.

Выводы. В результате проведённых исследований были выявлены факторы работы, существенно влияющие на процесс высева семян вибрационным высевающим аппаратом, такие как: зазор, время открытия, угол колебания, время холостого хода и простоя. Разработанная система управления этими факторами и лабораторный стенд позволили провести лабораторные испытания работы вибрационного высевающего аппарата и получить новую экспериментальную зависимость влияния зазора на норму высева семян. Созданная мульти-сферная модель семени кунжута, состоящая из 28 перекрывающихся сфер, твердотельная модель вибрационного высевающего аппарата, а также данные о параметрах времени открытия, холостого хода и простоя позволили провести имитационное моделирование и получить новую теоретическую зависимость влияния зазора на норму высева семян. Проведённая проверка показала адекватность полученных новых зависимостей. Полученные зависимости позволяют определить необходимый расход семян при работе вибрационного высевающего аппарата и соотнести его с агротребованиями к норме высева и рабочими скоростями сеялки.