Исследование процесса подачи семян пропашных культур вакуумным аппаратом точного высева

                                                        ISSN Print 2658-4123

Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License .

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License .

The Study of the Process of Supplying Seeds of Row Crops Using a Vacuum Seed-Placing Unit

A. Yu. Nesmiyan aH, K. P. Dubina 1, A. F. Butenko 1,A. P. Zhigailova 1, S. A. Voinash 2, A. A. Orekhovskaya 2

a Azov-Black Sea Engineering Institute,

Introduction. The performance of precision seeders depends on many factors, including the functionality of their dosing systems, the modernization of which is possible only on the basis of patterns, which allows forecasting the indicators of single seed placing into a furrow.

Aim of the Study. The study is aimed at analyzing the influence of the diameter of the suction holes of seed-placing units and the rarefaction created in them on the characteristics of placing seeds of the main row crops.

Materials and Methods. The results of the study were obtained based on a series of experiments on sowing corn and sunflower seeds using an MS-8 seeder, the operation principle of which can be considered typical for vacuum seed-placing units.

Results. There have been obtained empirical dependences of the particular features of zero and group placing seeds of such row crops as corn and sunflower on the area of the suction holes and the rarefaction in the vacuum chamber.

Discussion and Conclusion. The quantitative estimates obtained may differ for seeds of the same crop, but having different technological properties. The general factor is that the frequency of missing seeds is proportional to the suction force magnitude in the working plane of the metering element, regardless of its area. At the same time, the probability of double seed placing depends on the area of the metering ports with a constant suction force, a decrease in their diameter leads to a decrease in the frequency of double seed placing. The data obtained allow considering joint variations in the magnitude of the rarefaction in the vacuum chamber and the diameter of the suction holes as effective tools for improving the seed placing quality.

Введение. В современной России парк посевных машин¹ [1–3] марочно превосходит парк сеялок, используемых в советский и постсоветский периоды, однако существенно уступает ему количественно. Это привело к возрастанию нагрузки на одну сеялку, в том числе и при посеве пропашных культур. Практически повсеместно годовая загрузка посевных машин существенно превосходит рекомендуемые значения² [4–6], а в отдельных хозяйствах при посеве пропашных культур загрузка доходит до 300–500 га на машину (при примерном нормативном значении около 200 га). В свою очередь, это приводит к необходимости увеличения скоростей движения посевных агрегатов³, к необходимости повышения их функциональных возможностей, дальнейшему конструктивному совершенствованию [7–9], поскольку сроки посева при благоприятном соотношении температуры почвы и её влажности – важный фактор повышения эффективности технологий [10–12].

Обзор литературы. Производительность сеялок точного высева зависит от многих факторов, один из основных – функциональные возможности дозирующих систем (высевающих аппаратов), модификация или модернизация которых возможна только на основе достоверно установленных закономерностей, позволяющих проследить зависимость качественных показателей функционирования высевающих аппаратов от их параметров и режимов работы.

Сотрудниками научных или образовательных организаций и специалистами предприятий сельхозмашиностроения ведется постоянная работа, направленная на совершенствование конструкции высевающих аппаратов: широко применяются аппараты с закрытой подвижной вакуумной камерой [13; 14], изменяются конструкции сбрасывателей и (или) ворошителей семян [15–17]; внедряются оригинальные дозирующие элементы [18–20], разрабатываются аппараты для высева семян с экзотическими физико-механическими свойствами [21–23] и аппараты, работающие на новых принципах дозирования4 [24–26], расширяется применение в конструкции дозирующих систем посевных машин элементов цифровизации и автоматизации [27–29] и т. д.

В отечественном агропроме наиболее широкое применение получили пропашные сеялки с вакуумными системами дозирования, поэтому целью представленного исследования является анализ влияния диаметра присасывающих отверстий аппаратов точного высева и создаваемого в них разрежения на характеристики подачи семян таких пропашных культур, как кукуруза и подсолнечник, массово возделываемых не только в России, но и во всем мире5 [30–32].

При работе большинства аппаратов точного высева (рис.1) можно выделить ряд характерных этапов [2]:

• 1.    Истечение семян из бункера через питающую горловину в семенную камеру;

• 2.    Захват одного семени или их группы дозирующими элементами, в подавляющем большинстве случаев круглыми присасывающими отверстиями, выполненными в высевающем диске, и последующий вынос из семенной камеры;

• 3.    Удаление «лишних» семян (всех, кроме основных), присосавшихся к дозирующим элементам;

• 4.    Транспортировка оставшихся у дозирующих элементов семян при вращении высевающего диска в зону сброса;

• 5.    Сброс семян в сошниковое пространство (в борозду).

Все этапы (за исключением четвертого) достаточно важны и ощутимо влияют на распределение семян пропашных культур в рядках посева, тем не менее многие исследователи концентрируются именно на втором этапе (захват и вынос семян) как определяющем условия реализации последующих этапов.

В вакуумных высевающих аппаратах (ВВА) этот этап (процесс) реализуется за счет совместного действия сил присасывания и трения высевающего диска о захваченное семя у зоны присасывающих отверстий [33–35].

Интерпретация данных, полученных в предыдущих исследованиях [33–35], однозначно указывает на то, что показатели подачи семян ВВА зависят от соотношения (λ) группы сил, способствующих захвату семян (условно – полезных сил P _пол ), и группы сил R , противодействующих этому процессу. В упрощенном виде:

. Р _пол       , ^ ( 0,25 k _ПР d² H + Г h • A • g • tg ₽ )

A = или К =                              ,

P                     R где Pпол – величина равнодействующей условно полезных сил, Н; R – величина равнодействующей сил, препятствующих выносу семени из общего массива, Н; µ – коэффициент, характеризующий фрикционные свойства взаимодействующей пары «семя – кромка присасывающего отверстия»; kпр – эмпирический коэффициент, учитывающий «потери» воздуха на просасывание в зазоры между семенем и кромкой присасывающего отверстия; d и H – соответственно диаметр (м) присасывающего отверстия и величина создаваемого в нем разрежения, Па; γ – насыпная плотность слоя семян, кг/м3; h – высота слоя семян в семенной камере над захватываемым семенем, м; A – площадь Миделева сечения семени, м2; g – ускорение свободного падения, м/с2; β – угол укладки семян в семенной камере, град.

Если коэффициент λ меньше единицы (λ < 1), то семя захватываться не будет. Соответственно, вероятность пропуска, в предположении нормального распределения величин [39] варьирования «полезной» и «вредной» сил, может быть определена исходя из зависимости:

Po=£ min

1   ,-MA

=- e '  dK

. P пол min                                                                       пол max здесь Xmin —        , Ap 0,5(emax + ^min), C T ( Anax -Anin /’ Anax —        , где

R max                                  6                          R min

λmin, λmax и λcp – соответственно минимальное, максимальное и среднее расчетные значения соотношения условно «полезных» сил и сил сопротивления (зависят от варьирования физико-механических свойств высеваемых семян, отдельных параметров и режимов работы ВВА); σ – расчетное значение среднеквадратиче- ского отклонения величины ε.

Если λ ≥ 1, то возможны два характерных исхода – присасывающим отверстием будет захвачено одно семя или группа семян (два и более). Первый обеспечивается в том случае, если коэффициент λ незначительно превышает единицу или равен ей, второй - при X » 1 [38; 39]. При этом размерные характеристики семян, их насыпная плотность, угол передачи силы давления вышележащих семян и многие другие факторы при работе ВВА можно считать неуправляемыми, а часть нефиксируемы-ми. По большому счету можно утверждать, что на практике обеспечение примерно необходимого соотношения сил λ достигается за счет подбора значений диаметра круглых дозирующих элементов ( d , м) и разрежения ( Н , кПа) в них. На основе сочетания экспериментальных исследований и практического опыта были подобраны рациональные величины двух этих факторов. Так, например, при высеве семян кукурузы рекомендуются величины d _кук = 4 – 5 мм и Н _кук = 4,0 – 4,5 кПа, а при высеве подсолнечника – d _подс = 2,5 – 3 мм и Н _подс = 4,0 – 4,5 кПа. Такие значения исследуемых факторов обеспечивают практически гарантированный захват семян, но при этом приводят к формированию большого количества групповых подач, наличие которых также отрицательно сказывается на дальнейшем развитии проросших из семян растений, а значит и на урожайности (правда в менее выраженной степени, чем наличие «пропусков»). Для устранения избыточных семян от присасывающих отверстий в конструкции практически всех современных ВВА применяют сбрасыватели «лишних» семян (далее – сбрасыватель), как правило со ступенчатой или пилообразной рабочей поверхностью [2; 15; 35].

Сбрасыватель – довольно простое конструктивно, но сложное в эксплуатации устройство, рациональное положение которого устанавливается «на глаз» и на режимах, не соответствующих рабочим, что делает функционирование высевающего аппарата в определенном диапазоне слабо предсказуемым [2; 15; 35]. Отдельные опыты показали, что «облегчить» работу сбрасывателя можно за счет снижения количества групповых подач семян ещё на этапе их захвата присасывающими отверстиями. Гипотетически можно добиться почти полного отсутствия групповых подач за счет уменьшения площади круглых дозирующих элементов, минимального уровня пропусков и создания необходимой величины разрежения. Однако подбор рационального сочетания диаметра присасывающих отверстий и разрежения возможен только на основе знания зависимостей влияния этих факторов на формирование подачи семян.

Материалы и методы. Исследование проводилось экспериментальным путем при высеве ВВА сеялки МС-8 [34], получившей широкое распространение на юге Российской Федерации, семян кукурузы и подсолнечника (рис. 1). Рассматриваемый ВВА содержит оригинальный штампо-сварной корпус 1 , в котором посредством подшипникового узла установлен приводной вал 2 , на котором фиксируются высевающий диск 3 и ворошитель семян 4 . Для исключения трения высевающего диска 3 о корпус 1 между ними располагается полиамидная прокладка 5 . С другой стороны к высевающему диску 3 примыкает крышка 6 с семенной камерой 7 , также выполненной из полиамида. В крышке 6 размещается сбрасыватель «лишних» семян 8 с регулировочным механизмом 9 . Крышка 6 фиксируется у корпуса 1 , в котором изготовлена вакуумная камера 10 , связанная с пневмосистемой сеялки разъемными соединениями 11 .

Р и с. 1. Исследуемый вакуумный высевающий аппарат

F i g. 1. Vacuum seed-placing unit under study

Источник: составлено авторами статьи.

Source: compiled by the authors.

Такой высевающий аппарат отличается оригинальной штампо-сварной конструкцией, однако функционально его можно считать классическим, поскольку принцип его действия характерен для большинства ВВА, используемых как в нашей стране, так и в европейских странах.

Исследуемый высевающий аппарат не эксплуатировался в полевых условиях, наработка в лабораторных условиях составляет около 69 часов, что позволяет говорить о низкой степени изношенности его основных узлов.

Исследование проводилось в лабораторных условиях [34], при этом высевающий аппарат 1 с бункером 2 (рис. 2) закреплялся на стационарной станине.

Привод ведущего вала осуществлялся через трансмиссию 3 от регулируемого электродвигателя 4 . Наличие автотрансформатора 6 позволяло устанавливать необходимую частоту вращения высевающего диска. Разрежение в ВВА 1 создавалось пневмоустановкой (эксгаустером) 7 , а его величина регулировалась положением дроссельной заслонки 8 .

Некоторые размерные и массовые характеристики посевного материала, используемого в иссле до вании, представлены в таблице 1, в которой приняты следующие обозначения: X – среднее значение параметра; σ _X – среднеквадратическое отклонение параметра; а _X – ошибка наблюдений (абсолютное значение).

Technologies, machinery and equipment                                                      393

а)

b)

Р и с. 2. Установка для исследования аппаратов точного высева:

• а) схема установки; b) внешний вид стенда; 1 – ВВА; 2 – бункер; 3 – цепные передачи;

4 –двигатель постоянного тока; 5 – источник электроэнергии;

6 – автотрансформатор (ЛАТР); 7 – генератор разрежения эжекторного типа; 8 – дроссель

F i g. 2. Installation for studying precision seeding devices:

• a) installation diagram; b) appearance of the stand; 1 – VVA; 2 – bunker; 3 – chain drives;

4 – DC motor; 5 – source of electricity; 6 – autotransformer (LATR);

7 – ejector-type vacuum generator; 8 – throttle

Источник: составлено авторами статьи по результатам исследования [34].

Source: compiled by the authors based on the results of the study [34].

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Некоторые размерно-массовые характеристики посевного материала

Some size and mass characteristics of seed material

Гибрид / Сорт Hybrid / Variety	Показатель / Index	X	σX	аX
Подсолнечник	Длина, мм / Length, mm	10,0	0,7	0,05
Пионер / Sunflower Pioneer	Ширина, мм / Width, mm	5,6	0,5	0,03
	Толщин, мм / Thickness, mm	3,3	0,5	0,03
	Масса 1 000 семян, г / Mass of 1 000 seeds, g	58,9	–	–
Кукуруза	Длина, мм / Length, mm	11,6	0,7	0,03
Зерноградский 282 МВ / Corn	Ширина, мм / Width, mm	8,8	0,8	0,03
Zernogradskiy 282 MV	Толщина, мм / Thickness, mm	5,6	0,7	0,03
	Масса 1 000 семян, г / Mass of 1 000 seeds, g	253,6	–	–

Условия проведения эксперимента представлены в таблице 2. В целом при высеве каждой культуры было проведено 15 опытов, каждый из них в трехкратной повторности. В каждой повторности анализировалась подача семян тремястами присасывающими отверстиями. Частота вращения высевающего диска составляла около 0,7 об/сек.

Т а б л и ц а 2 T a b l e 2 Условия реализации эксперимента Conditions for the experiment
Подсолнечник / Sunflower						Кукуруза / Corn
d , мм / mm	Разрежение, Н , кПа / Vacuum, Н , kPa					d , мм / mm	Разрежение, Н , кПа / Vacuum, Н , kPa
Варианты / Variants	1	2	3	4	5	Варианты / Variants	1	2	3	4	5
2,0                                                 2,5 2,3       4,0    6,0    8,0    10,0   12,0       3,0       5,0    6,5    8,0    9,5    11,0 2,6                                                 3,5

При проведении эксперимента сбрасыватель «лишних» семян демонтировался из конструкции аппарата, что позволило оценить характеристики реализации этапа «захват и вынос семян».

Результаты исследования. На рисунке 3 представлены результаты экспериментального исследования влияния рассматриваемых факторов на характеристики подачи семян подсолнечника.

Анализ данных рисунка позволяет сделать вывод, что зависимости изменения частости нулевых подач от разрежения в вакуумной камере аппарата сеялки МС-8 носят квадратичный характер, а зависимости изменения частости двойных подач с высокой точностью (более 96 %) могут быть описаны линейными уравнениями.

Суммарное решение регрессионных уравнений, представленных на рисунке 4, позволило выявить обобщенные зависимости частостей нулевых (1) и двойных (2) подач семян от двух факторов, определяющих силу присасывания, – диаметра присасывающих отверстий ( d , мм) и разрежения ( Н , кПа):

p _0подс = (0,532 H ²– 11,292 H + 60,586) / d ⁶, (1)

p _2подс = 0,01 (0,24 ∙ d ³∙ H – 1,51 d ) 10^-2. (2)

На рисунке 4 представлены соответствующие зависимости, полученные экспериментальным ( p _0Э и p _2Э ) и расчетным ( p _0р и p _2р ) путями, которые позволяют предположить достаточно высокую их сходимость.

4         5         6         7         8         9         10        11        12

Разрежение (Н, кПа) / Discharge (Н, kPa)

Р и с. 3. Характеристики работы ВВА МС-8 при подаче семян подсолнечника

F i g. 3. Characteristics of operation of VVA MS-8 when placing sunflower seeds

Источник: здесь и далее рисунки составлены авторами статьи по результатам лабораторных экспериментов.

Source: in what follows the diagrams compiled by the authors based on the results of the laboratory tests.

а)                                         b)

Р и с. 4. Расчетные и экспериментальные зависимости частостей образования нулевых (а) и двойных (b) подач семян подсолнечника от разрежения в вакуумной камере при различных значениях диаметров присасывающих отверстий

F i g. 4. Calculated and experimental frequency dependences formation of zero (a) and double (b) placing of sunflower seeds from the rarefaction in the vacuum chamber at various values of suction holes diameters

Проверка сходимости полученных при высеве подсолнечника результатов, проведенная с использованием критерия Пирсона, показала, что данные, сформированные расчетным путем (с использованием выражений (1 ‒ 2)), соответствуют экспериментальным с достоверностью 93–94 %. При расчетах частоту образования нулевых и двойных подач выражали в процентах. Полученные значения достоверности одновременно говорят и о возможности практического применения зависимостей (1 ‒ 2), и о необходимости дальнейших экспериментальных исследований, направленных на снижение влияния на получаемый результат погрешности измерений и случайных факторов.

Результаты экспериментального исследования влияния рассматриваемых факторов на качество дозирования семян кукурузы даны на рисунке 5.

5         6         7         8         9         10        11

Разрежение (H , кПа) / Discharge (Н, kPa)

Р и с. 5. Характеристики работы ВВА МС-8 при подаче семян подсолнечника

F i g. 5. Characteristics of operation of VVA MS-8 when feeding sunflower seeds

Из представленных данных видно, что при высеве кукурузы зависимости изменения частости нулевых подач от разрежения в вакуумной камере аппарата сеялки МС-8, так же как и при высеве подсолнечника, носят квадратичный характер, а зависимости изменения частости двойных подач – линейный.

Суммарное решение полученных при аппроксимации данных (рис. 5) регрессионных уравнений позволило выявить соответствующие обобщенные зависимости частостей нулевых (3) и двойных (4) подач семян кукурузы:

p0кук= (2,76H 2 – 63,046H +364,038) / d 6,(3)

P2кук = (0,074 d 3H – 1,7d) 10-2.(4)

Technologies, machinery and equipment397

На рисунке 6 представлены зависимости, характеризующие влияние разрежения в вакуумной камере на подачу семян кукурузы при различных размерах присасывающих отверстий, полученные экспериментальным (р 0Э и p _2Э ) и расчетным (р 0р и р _2р ) путями, позволяющие предполагать достаточно высокую сходимость используемых методов. Проверка, проведенная с использованием критерия Пирсона, показала, что расчетный метод позволяет прогнозировать количество групповых подач семян кукурузы классическим высевающим диском (без дополнительных периферийных ворошителей) с достоверностью близкой к единице (0,99). Достоверность сходимости кривых, представленных на рисунке 6а, составила около 80 %. Можно сделать вывод, что выражение (3), адекватно описывающее качественные характеристики частостей образования пропусков при дозировании семян кукурузы, нуждается в количественном уточнении на основе серии дополнительных экспериментов.

Разрежение (Н, кПа) / Discharge (Н, kPa) Разрежение (Н, кПа) / Discharge (Н, kPa) а)                                             b)

Р и с. 6. Расчетные и экспериментальные зависимости частостей образования нулевых (а) и двойных (b) подач семян кукурузы от разрежения в вакуумной камере при различных значениях диаметров присасывающих отверстий

F i g. 6. Calculated and experimental frequency dependences formation of zero (a) and double (b) feeds of corn seeds from the pressure drop in the vacuum chamber at various values of suction holes diameters

Совместный анализ данных рисунков 3–6 и зависимостей (1 ‒ 4) позволяет предположить, что вероятность образования нулевых подач пропорциональна величине силы присасывания. Так, при высеве подсолнечника примерно одинаковая частость нулевых подач (около 0,05 %) обеспечивалась при примерном значении присасывающей силы Р пр = 30 ± 2 мН, при высеве кукурузы независимо от диаметра присасывающих отверстий - Р _пр = 52 ± 4 мН.

Вероятность образования двойных подач определяется не только значением силы присасывания. В опытах, при высеве обеих рассматриваемых культур, 398 Технологии, машины и оборудование при уменьшении размеров круглых дозирующих элементов для образования двойных подач (анализировались уровни частостей двойных подач р2 ≈ 0,15 для подсолнечника и р2 ≈ 0,10 для кукурузы) требовалось большее значение силы присасывания (рис. 7)

Диаметр (d, мм) / Diameter (d, mm)

Р и с. 7. Зависимости влияния диаметра присасывающих отверстий на величину «необходимой» силы присасывания при высеве подсолнечника (при р ₂≈ 0,10) и кукурузы (при р ₂≈ 0,15)

F I g. 7. Dependencies of the influence of diameter suction holes on the magnitude of “necessary” suction force when sowing sunflower (at р ₂≈ 0.10) and corn (at р ₂≈ 0.15)

Причем из данных рисунка 7 видно, что интенсивность изменения «необходимой» силы присасывания в обоих случаях составляет примерно около 10 мН/мм, что позволяет охарактеризовать изменение диаметра присасывающих отверстий как достаточно перспективный способ борьбы с двойными подачами семян.

Обсуждение и заключение. Проведенное исследование позволило установить, что зависимости изменения частости нулевых подач от разрежения в вакуумной камере аппарата с гладким высевающим диском (типа МС-8) носят квадратичный характер, а зависимости изменения частости двойных подач с высокой точностью (более 96 %) могут быть описаны линейными уравнениями. При этом были получены частные зависимости частостей нулевых и двойных подач семян для подсолнечника и кукурузы от двух факторов, определяющих силу присасывания – диаметра присасывающих отверстий ( d , мм) и разрежения ( Н , кПа):

p _0подс = (0,53 H ² – 11,29 H + 60,57) / d ⁶;

p _2подс = 0,01 (0,24 d ³ H –1,51 d ) 10^-2;

p _0кук = (2,76 H ² – 63,05 H + 364,04) / d ⁶;

p _2кук = (0,074 d ³ H –1,7 d ) 10^-2.

Проверка сходимости полученных результатов, проведенная с использованием критерия Пирсона, показала, что данные, сформированные расчетным путем, соответствуют экспериментальным с достоверностью 80–99 %. Совместный анализ экспериментальных и расчетных зависимостей позволяет предположить, что вероятность образования нулевых подач пропорциональна величине силы присасывания. Так, при высеве подсолнечника примерно одинаковая частость нулевых подач (около 0,05 %) обеспечивалась при примерном значении присасывающей силы 30 ± 2 мН, а при высеве кукурузы независимо от диаметра присасывающих отверстий – 52 ± 4 мН. В то же время вероятность образования двойных подач не определяется только значением силы присасывания, в опытах при уменьшении размеров присасывающих отверстий для образования групповых подач «требовалось» увеличение силы присасывания. Причем интенсивность изменения «необходимой» силы присасывания в обоих случаях составляет примерно около 10 мН/мм, что позволяет охарактеризовать изменение диаметра присасывающих отверстий как достаточно перспективный способ борьбы с двойными подачами семян. Полученные количественные оценки носят, несомненно, частный характер. Они характерны для семян конкретных сортов (гибридов) культур, использованных в эксперименте, и для семян с другими физико-механическими свойствами будут, скорее всего, другими.

Тем не менее проведенное исследование позволяет сделать ряд обобщающих выводов, характеризующих работу аппарата с гладким вертикально расположенным высевающим диском: зависимости изменения частоты нулевых подач от разрежения в вакуумной камере носят квадратичный характер; зависимости изменения частости двойных подач от разрежения в вакуумной камере носят линейный характер; вероятность образования нулевых подач пропорциональна величине силы присасывания, формируемой в рабочей плоскости дозирующего элемента независимо от его площади; вероятность образования двойных подач зависит от силы присасывания, но при меньших размерах присасывающих отверстий групповые подачи могут формироваться только при росте значений силы присасывания.