Исследование щелевого аппарата точного высева с цифровым управлением подачи семян

Введение. Кукуруза по площади посева занимает третье место в мире после пшеницы и риса, а по сбору зерна – первое. Тенденция увеличения площадей и валовых сборов кукурузы наблюдается в России последние 25 лет. Так, посевные площади с 2001 года на текущий момент выросли в четыре раза, несмотря на наступление более засушливых погодных условий и сложной экономической обстановки в мире. Поэтому необходимо разрабатывать новые [1–3] и совершенствовать существующие средства механизации [4–6] возделывания кукурузы. На валовой сбор сельскохо- зяйственных культур основополагающее влияние оказывает качественный посев [7–9]. Улучшить качество посева и повысить производительность могут посевные машины с щелевыми дозаторами, использующие избыточное давление воздуха [10, 11]. Данные дозаторы обладают такими преимуществами, как высокая производительность, качество и надежность выполнения технологического процесса, надежность конструкции, возможность электронного управления процессом. В Российской Федерации щелевые дозаторы недостаточно изучены и не выпускаются промышленностью. В Азо- во-Черноморском инженерном институте разработаны конструкции щелевого дозатора поштучного высева семян пропашных культур с электрическим приводом и специальный стенд для проведения экспериментального исследования (патенты на изобретения RU 2533907 C1, RU 2533906 C1, RU 113629 C1).

Задачи проведенного исследования:

– выявить зависимости подачи семян щелевым пневматическим аппаратом избыточного давления при дозировании семян кукурузы от основных факторов, влияющих на процесс дозирования;

– определить оптимальные параметры и режимы работы щелевого пневматического аппарата избыточного давления.

Материалы и методы исследования. Научная задача решалась методами математической статистики и планирования эксперимента.

В исследованиях щелевого пневматического аппарата избыточного давления в лабораторных условиях использовалось оборудование: стенд для исследования щелевого пневматического аппарата избыточного давления; экспериментальный щелевой пневматический аппарат избыточного давления с прозрачной стенкой; U-образный манометр; микрометрическая головка; комплект экспериментальных подающих дисков; фотоаппарат Canon D550.

На рисунке 1 изображена принципиальная схема стенда для исследования щелевого пневматического аппарата избыточного давления.

• 1    – станина; 2 – щелевой пневматический аппарат избыточного давления; 3 – электронный блок питания механизма привода подающего диска высевающего аппарата; 4 – двигатель постоянного тока нагнетательной установки; 5 – электронный блок питания нагнетательной установки;

• 6    – двигатель постоянного тока эксгаустера; 7 – эксгаустер; 8 – фотооптический сенсор семян;

• 9    – аналого-цифровой преобразователь; 10 – персональный компьютер; 11 – микрометрическая головка; 12 – U-образный манометр

Рисунок 1 – Принципиальная схема стенда для исследования щелевого пневматического аппарата избыточного давления

• 1    – frame; 2 – slotted pneumatic overpressure machine; 3 – electronic power supply unit of the feed disk drive mechanism of the seeding unit; 4 – DC motor of the pumping unit; 5 – electronic power supply unit of the pumping unit; 6 – DC motor of the exhauster; 7 – exhauster; 8 – photo-optical seed sensor;

9 – analog-to-digital converter; 10 – personal computer; 11 – micrometer head;

• 12    – U-shaped pressure gauge

Figure 1 – Schematic diagram of the test stand for studying the slotted pneumatic overpressure machine

Стенд состоит из следующих частей: станины 1 для закрепления щелевого пневматического аппарата избыточного давления 2; механизма привода подающего диска высевающего аппарата 2, состоящего из электронного блока питания 3 и двигателя постоянного тока 4; нагнетательной установки, состоящей из электронного блока питания 5, двигателя постоянного тока 6, эксгаустера 7; фотооптического сенсора семян 8 для регистрации подачи семян аппаратом 2; аналого-цифрового преобразователя 9 для преобразования сигнала от фотооптического сенсора семян 8 в дискретный код; персонального компьютера 10 для обработки данных; U-образного манометра 12 для регистрации давления в семенной камере аппарата 2; микрометрической головки 11 для регистрации размера щели между подающим диском и корпусом щелевого пневматического аппарата избыточного давления 2.

Стенд для исследования щелевого пневматического аппарата избыточного давления работает следующим образом.

При включении электронного блока питания 3 устанавливается режим рабо- ты двигателя постоянного тока 4, соответствующий необходимой частоте вращения подающего диска исследуемого аппарата 2. При включении электронного блока питания 5 устанавливается режим работы двигателя постоянного тока 6, соответствующий частоте вращения лопастей эксгаустера 7, для нагнетания необходимого давления в семенную камеру исследуемого аппарата 2.

Фотооптический сенсор семян 8 фиксирует количество поданных семян щелевым пневматическим аппаратом избыточного давления 2. Сигнал, поступающий с фотооптического сенсора семян 8, преобразуется аналого-цифровым преобразователем 9 в дискретный код и подается в персональный компьютер 10, где происходит запись полученных данных в файл.

Одновременно регистрируется давление в семенной камере экспериментального аппарата U-образным манометром 12 и ширина щели между подающим диском и корпусом экспериментального аппарата микрометрической головки 11 (рисунок 2).

Рисунок 2 – Щелевой пневматический аппарат избыточного давления с установленной микрометрической головкой для измерения ширины щели между подающим диском и корпусом, установленный на стенде

Figure 2 – Slotted pneumatic overpressure machine with a micrometer head installed for measuring the width of the slot between the feeding disk and the body installed on a stand

Коэффициент трения семян о подающий диск изменяется путем замены материала рабочей кромки подающего диска щелевого пневматического аппарата избыточного давления.

Фотооптический сенсор семян (рисунок 3) включает в себя корпус 1, свето-

диоды 2 (5020-20W), фотодиоды 3 (ФД-265 ТУЗ-1148-84), двухжильный экранированный кабель 4, блок питания фотодиодов 5 с возможностью регулировки напряжения 3–14 v.

1 – корпус; 2 – светодиоды; 3 – фотодиоды; 4 – экранированный кабель;

5 – блок питания фотодиодов

Рисунок 3 – Принципиальная схема фотооптического сенсора семян

1 – casing; 2 – LEDs; 3 – photodiodes; 4 – shielded cable;

5 – photodiode power supply

Figure 3 – Schematic diagram of the photooptical seed sensor

Рисунок 4 – Экспериментальные результаты, зафиксированные при помощи программы LGraph2 Figure 4 – Experimental results recorded using LGraph2 program

Для повышения точности регистрации поданных семян корпус 1 имеет прорези шириной не более 1 мм по двум противоположным сторонам. С одной стороны зафиксированы светодиоды 2, с другой фотодиоды 3. С целью минимизации шумов фотодиоды 3 соединены с АЦП 4 экранированным двухжильным кабелем 5, светодиоды 2 соединены с блоком питания 6.

Запись полученных данных в файл осуществляется программой LGraph2 (рисунок 4), дальнейшая обработка этих записей позволяет регистрировать время подачи каждого семени с точностью до 0,001 секунды.

Повторность проведенных опытов трехкратная. В каждой повторности регистрируется 300 подач. Точность опытов, относительная ошибка средней подачи семян варьируется от 1 до 3%.

Результаты исследования и их обсуждение. Для экспериментального исследования среднего времени выноса семени из слоя щелевым пневматическим аппаратом избыточного давления был проведен полный факторный эксперимент (ПФЭ) типа 2³ [12–14]. Матрица планирования эксперимента представлена в таблице 1. Опыты проведены по матрице [15, 16] в последовательности, имеющей случайный характер, т. е. опыты рандомизированы. Пользуясь таблицей случайных чисел, была принята следующая последовательность опытов: 5.2, 3.2, 4.1, 4.3, 8.1, 5.3, 7.2, 1.3, 2.1, 6.2, 2.3, 3.1, 8.2, 1.2, 7.1, 3.3, 5.1, 6.1, 8.3, 1.1, 6.3, 4.2, 2.2, 4.2.

Таблица 1 – Матрица планирования ПФЭ 23

Table 1 – Planning matrix of the CFE 23

№ опыта № experience	X 0	X 1	X 2	X 3	X 1 X 2	X 1 X 3	X 2 X 3	X 1 X 2 X 3	Y
1	+1	+1	+1	+1	+1	+1	+1	+1	Y 1
2	+1	+1	+1	-1	+1	-1	-1	-1	Y 2
3	+1	+1	-1	+1	-1	+1	-1	-1	Y 3
4	+1	+1	-1	-1	-1	-1	+1	+1	Y 4
5	+1	-1	+1	+1	-1	-1	+1	-1	Y 5
6	+1	-1	+1	-1	-1	+1	-1	+1	Y 6
7	+1	-1	-1	+1	+1	-1	-1	+1	Y 7
8	+1	-1	-1	-1	+1	+1	+1	-1	Y 8

План проведения опытов и основные результаты ПФЭ 2³ по исследованию интервала среднего времени выноса семени из слоя ( t ср , с ) представлены в таблице 2.

Проверка однородности ряда дисперсий эксперимента проведена с использованием критерия Кохрена.

Расчетное значение этого критерия равно Gрасч = 0,404, а его табличное значение, при уровне значимости α = 0,05, числе степеней свободы f1 = 2 и числе опытов n = 8, равно Gт0а,0б5л;2;8 = 0,516.

Таким образом, G^расч< G ₀ ^та _,0 ^б ₅ ^л _;2;8 , ряд дисперсий однороден.

Пользуясь матрицей планирования полного трехфакторного эксперимента (таблица 2), была проведена обработка данных известным методом, и составлено уравнение регрессии интервала среднего времени выноса семени из слоя в кодированном виде:

Y = 0,285 - 0,115X 1 - 0,138X 2 + 1,75 x 10 ^-3 X ₃ - 0,078X 1 X 2 - 0,013X 1 X ₃ + +0,049X 2 X ₃ - 0,025X 1 X 2 X 3 .                                  (1)

Используя табличное значение критерия Стьюдента ( t -критерия), при уровне значимости α = 0,05 и числа степеней свободы f 2 = 16, { ₀ ^та ₀ ^б ₅ ^л ₁₆ = 2,12, рассчитаем доверительный интервал коэффициентов регрессии Δ b = 0,021.

Коэффициенты уравнения регрессии, абсолютная величина которых меньше доверительного интервала Δb, следует признать статистически незначимыми и исключить из уравнения регрессии, поскольку их значения не могут считаться достоверными.

В результате преобразования уравнение регрессии примет вид:

Г = 0,285 - 0,115X 1 - 0,138X 2 - 0,078X 1 X 2 + 0,049X 2 X ₃ - 0,025X 1 X 2 X 3 .   (2)

Таблица 2 – План проведения опытов и основные результаты ПФЭ 2³ по исследованию интервала среднего времени выноса семени из слоя t ср , с

Table 2 – Experimental plan and main results of CFE 23

for studying the average time interval of seed removal from the layer t ср , с

Обозначения Indications	Факторы Factors			Критерий отклика Response to criterion
				Повторности Sequences			Среднее значение Average value
	Х 1	Х 2	Х 3	Y 1	Y 2	Y 3	Y
	P, кПа	k	Sщ, мм	t ср , c	t ср , c	t ср , c	t ср , c
Основной уровень	1,5	0,625	1,4
Basic level
Интервал варьирования	0,5	0,075	0,6
Variation interval
Верхний уровень	2	0,700	2
Upper level
Нижний уровень	1	0,550	0,8
Lower level
План опытов Plan of trials
1	+	+	+	0,103	0,105	0,159	0,122
2	+	+	–	0,1	0,098	0,09	0,096
3	+	–	+	0,2	0,176	0,208	0,195
4	+	–	–	0,292	0,263	0,241	0,265
5	–	+	+	0,343	0,238	0,238	0,273
6	–	+	–	0,116	0,081	0,09	0,096
7	–	–	+	0,616	0,547	0,506	0,556
8	–	–	–	0,761	0,607	0,658	0,675

Это уравнение регрессии устанавливает зависимость между параметром оптимизации – интервалом среднего временим выноса семени из слоя Y и следующими факторами: избыточным давлением воздуха в семенной камере высевающего аппарата X 1 , коэффициентом трения семени о подающий диск X 2 , шириной щели между подающим диском и корпусом аппарата X 3 .

Экспериментальные и расчетные значения функции поверхности отклика ПФЭ 23 по исследованию интервала среднего времени выноса семени из слоя (tср, с) представлены в таблице 3.

Гипотезу об адекватности модели проверим критерием Фишера. Дисперсия адекватности опыта равна D а = 1,961·10^–3, а дисперсия воспроизводимости опыта равна D y = 1,908·10^–3. Критерий Фишера находим как отношение дисперсий F^расч = 1,028. Табличное значение критерия Фишера при уровне значимости α = 0,05, числе степеней свободы f 1 = 2 и f 2 = 16 равно F ₀ ^т _, ^а ₀ ^б ₅ ^л _;2;16 = 3,63. Поскольку F^расч < F ₀ ^та _,0 ^б ₅ ^л _;2;16 , то модель может считаться адекватной .

Таблица 3 – Экспериментальные и расчетные значения функции отклика ПФЭ 2³ по исследованию интервала среднего времени выноса семени из слоя t ср , с Table 3 – Experimental and calculated values of the response function of CFE 2³ for the study of the interval of average time of seed removal from the layer t avr , s

№ опыта № experience	План опытов Plan of experiences			Yэксп, t ср , с	Yрас, t ср , с	ΔY t ср , с
	P, Па	k1	Sщ, мм
1	+	+	+	0,122	0,135	-0,013
2	+	+	–	0,096	0,083	0,013
3	+	–	+	0,195	0,208	-0,013
4	+	–	–	0,265	0,252	0,014
5	–	+	+	0,273	0,260	0,013
6	–	+	–	0,096	0,108	-0,012
7	–	–	+	0,557	0,544	0,013
8	–	–	–	0,676	0,689	-0,013

Двумерные сечения поверхности отклика интервала среднего времени выноса семени из слоя (t ср , с) на верхнем уровне.

Используя адекватную эмпирическую модель среднего интервала времени выноса семени из слоя (2), геометрической интерпретацией которой является поверхность отклика, были составлены в кодированном и в натуральном виде уравнения сечений поверхности отклика на верхнем уровне.

Кривые (изолинии) равного отклика интервала среднего времени выноса семени из слоя представлены на рисунке 5. Каждому из сечений поверхности отклика соответствует кривая (изолиния) со своим интервалом среднего времени выноса семени из слоя.

Коэффициент трения семени о подающий диск, k

Избыточное давление в семенной камере Р, Па

Overpressure in the seed chamber Р, Pa

а а

800      1000     1200     1400     1600     1800     2000     2200

Избыточное давление в семенной камере Р, Па Overpressure in the seed chamber Р, Pa

б b

0,52   0,54   0,56   0,58   0,60   0,62   0,64   0,66   0,68   0,70   0,72

Коэффициент трения семени о подающий диск, k Coefficient of friction of seed on feeding disk, k

в с а – при X3 = 1, (Sщ = 2 мм); б – при X2 = 1 (k = 0,7); в – при X1 = 1 (P = 2 кПа) Рисунок 5 – Двумерные сечения поверхностей отклика, интервала среднего времени выноса семени из слоя a – at X3 = 1, (Ss = 2 mm); b – at X2 = 1 (k = 0.7); c – at X1 = 1 (P = 2 kPa) Figure 5 – Two-dimensional sections of response surfaces, interval of average time of seed removal from the layer

Анализ уравнений и кривых (изолиний) равного отклика интервала среднего времени выноса семени из слоя позволяет констатировать следующее:

– при увеличении избыточного давления в семенной камере высевающего аппарата P (от 1 кПа до 2 кПа) интервал среднего времени выноса семян из слоя ( t ср , с) уменьшается;

– при увеличении коэффициента трения семени о подающий диск аппарата k (от 0,55 до 0,7) значение интервала среднего времени выноса семян ( t ср , с ) из слоя уменьшается;

– на рисунке 5 в видим процесс выноса семян из слоя в двух различных режимах: первый, режим движения группы семян вдоль щели, при котором увеличение ширины щели между подающим дис- ком и корпусом аппарата Sщ, (от 0,8 мм до 2 мм), при коэффициенте трения семени о подающий диск kв в пределах 0,55–0,6, приводит к уменьшению интервала среднего времени выноса семян из слоя (tср, с), режим одиночного движения семени вдоль щели, при котором увеличение ширины щели между подающим диском и корпусом аппарата Sщ (от 0,8 мм до 2 мм), при коэффициенте трения семени о подающий диск k в пределах 0,65–0,7, приводит к увеличению интервала среднего времени выноса семян из слоя (tср, с);

– из трех факторов (P, k, S) в исследуемых пределах наибольшее влияние на интервал среднего времени выноса семени из слоя (tср, с) оказывают коэффициент трения семени о подающий диск k и избыточное давление P, а действие фактора ширины щели между подающим диском и корпусом аппарата Sщ выражено слабо.

Выводы. Полученную регрессионную модель можно использовать для выбора параметров и режимов работы щелевого пневматического аппарата избыточного давления в зависимости от необходимой нормы высева семян кукурузы.

При варьировании избыточного давления в семенной камере высевающего аппарата P (от 0,8 кПа до 2,2 кПа), коэффициента трения семени о подающий диск аппарата k (от 0,52 до 0,72) и ширины щели между подающим диском и корпусом аппарата S щ (от 0,6 мм до 2,2 мм) интервал среднего времени выноса семян из слоя t ср изменяется в пределах от 0,03 с до 0,35 с, что позволяет подавать за одну секунду от 2,9 шт. до 33,3 шт. семян. Так, при ширине щели 0,6 мм (рисунок 5 б ) и избыточном давлении 1,9 кПа интервал среднего времени выноса семени из слоя составил 0,03 с, следовательно, за 1 с подается аппаратом 33,3 семени, что при норме высева 10 семян на 1 м рядка позволит посевной машине развить рабочую скорость 3,33 м/с≈12 км/ч.

Внедрение щелевого пневматического аппарата избыточного давления позволит расширить функциональные возможности операции высева, так как появляется возможность координатного размещения семян по поверхности поля. Это дает стимул для развития точного земледелия в России, внедрения цифровых технологий и систем точного позиционирования в проведение сельскохозяйственных операций, исследований в области оптимизации площади питания культур, исследований в области оценки качества почв и условий развития растений, внедрения инструментов статистического анализа и планирования эффективности растениеводства.