Экспериментальное исследование процесса дозирования семян аппаратом с нагнетаемым потоком воздуха

Введение. Кукуруза – весьма ценная сельскохозяйственная культура для экономики страны. Значимость культуры в том, что её возделывание позволяет одновременно решить две важнейших стратегических задачи – пополнение продуктовых ресурсов и кормовых для сельскохозяйственных животных и птицы. Потенциал России в производстве кукурузы реализован не полностью, во многих регионах страны урожайность невысока. Одним из путей увеличения производства кукурузы является качественный посев. Посев считается основополагающим технологическим процессом в растениеводстве, влияющим на качество и количество получаемой продукции. Совершенствование процесса посева семян кукурузы возможно на основе экспериментальных исследований. Закономерность, полученная в результате исследования, позволит определять необходимые параметры и режимы работы аппарата с нагнетаемым потоком воздуха для качественного дозирования семян кукурузы [1–10].

В Азово-Черноморском инженерном институте ФГБОУ ВО Донской ГАУ разработан высевающий аппарат с нагнетаемым потоком воздуха [8], который используется на сеялке пунктирного высева СПВ-870 (изготовитель ООО «НИПВФ «Тензор-Т»). Была поставлена задача по определению рациональных параметров и режимов для качественной работы аппарата с нагнетаемым потоком воздуха при высеве семян кукурузы.

Методика исследования. Научные задачи по выявлению зависимости подачи семян кукурузы аппаратом с нагнетаемым потоком воздуха от наиболее значимых факторов (диаметра воздушного отверстия в дозирующей единице диска, давления воздуха в аппарате, частоты вращения диска аппарата) и определению его оптимальных параметров и режимов работы решались с использованием методов математической статистики и планирования эксперимента.

При проведении исследования аппарата с нагнетаемым потоком воздуха в лабораторных условиях использовалось оборудование: прибор для определения частоты вращения ИМД-Ц, а также контроллер Arduino Uno R3 с датчиком холла А3144 2022 года выпуска, напоромер ДНМП-100-М1 2022 года выпуска (класс точности 2,5), камера для видеосъёмки GoPro Hero 4.

На рисунке 1 представлена функциональная схема стенда для исследования процесса дозирования семян кукурузы аппаратом с нагнетаемым потоком воздуха. В состав стенда наряду с указанным выше оборудованием также входят: механизм привода аппарата, нагнетательно-пневматическая установка, исследуемый аппарат, установленный на раме стенда, персональный компьютер.

Рисунок 1 – Функциональная схема стенда для исследования процесса дозирования

Figure 1 – Functional diagram of the stand for the study of the dosing process

Стенд работает следующим образом: двигатели постоянного тока 3 и 5 подключаются к источнику питания 1. Функционирование аппарата 8 с нагнетаемым потоком воздуха (частота вращения диска и давление воздуха в аппарате) задается при помощи регуляторов 2 и 4. Для определения частоты вращения высевающего диска ис- пользуется индуктивный датчик 9 прибора ИМД-Ц, который устанавливается на валу аппарата 8 и соединен с прибором. Давление воздуха в аппарате создается вентилятором 6, а фиксируется напоромером 7. Камера 10, установленная внутри аппарата, производит съемку дозирующих элементов высевающего диска и семян, находящихся в них. Данные собираются на ПК 11, 12 для        Фото стенда с исследуемым аппара- дальнейшей обработки.                      том представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 – Стенд для исследования аппарата с нагнетаемым потоком воздуха

Figure 2 – Stand for the study of a dispenser with air forced flow

Экспериментальные исследования аппарата проведены на специально разработанном стенде, позволяющем фиксировать работу дозирующих единиц высевающего диска.

Для экспериментального исследования аппарата использовались семена гибрида кукурузы Зерноградский 282 МВ, который по размерным характеристикам соответствует средним значениям для сортов и гибридов данной культуры.

Пробными экспериментами установлено, что преобладающее влияние на процесс дозирования оказывают частота вращения высевающего диска n (c^-1), диаметральный размер выходного отверстия дозирующего элемента диска d (мм) и давление воздуха в камере аппарата р (кПа). Опыты проводились с трехкратной повторностью по 500 подач дозирующими единицами в каждой повторности. В результате проведения одного опыта были зарегистрированы 1500

подач. Такое количество регистраций позволило получить высокую точность результатов (относительная ошибка средней подачи семян от 0,12 до 2,4%).

Работа дозирующего элемента высевающего аппарата с нагнетаемым потоком воздуха оценивается следующими показателями: a 0 – частость неподачи семян, a 1 – частость односемянной подачи, a 2 – частость подачи двух семян. Для качественной работы аппарата необходим высокий процент a 1 . Качество дозирования семян аппаратом оценивалось при помощи следующих числовых характеристик: М – средняя подача семян дозирующим элементом, σ – среднее квадратическое отклонение средней подачи, V – коэффициент вариации средней подачи.

Результаты исследования и их обсуждение. Условия проведения экспериментального исследования и полученные результаты представлены в таблице.

Условия проведения и результаты многофакторного эксперимента

Conditions and results of a multifactoral experiment

№ опыта Trial №	Факторы Factors			Частости подачи семян дозирующими единицами, % Frequency of single seeds feeding, %			Числовые характеристики Numerical characteristics
	X 1	X 2	X 3
	d, мм	n, с-1	p, кПа	a 0	a 1	a 2	M, шт.	СТ, шт.	V, %
1	4,5	0,8	4	0	98,47	1,53	1,015	0,122	12,1
2	4,5	0,8	2,4	2,47	97,07	0,47	0,98	0,169	17,2
3	4,5	0,4	4	0	97,3	2,67	1,027	0,161	15,7
4	4,5	0,4	2,4	0	98,7	1,93	1,019	0,137	13,4
5	3,5	0,8	4	10,8	88,9	0,3	0,895	0,316	35,4
6	3,5	0,8	2,4	28,1	71,8	0,1	0,719	0,449	62,7
7	3,5	0,4	4	0,1	98,6	1,3	1,012	0,12	11,9
8	3,5	0,4	2,4	1,5	97,7	0,8	0,994	0,148	14,9

С использованием общепринятого ме-   татов, сформирована математическая мо- тода планирования и обработки экспери-   дель в кодированном виде:

мента проведен анализ полученных резуль-

Y = 0,9366 + 0,0408X1 – 0,0427X2 + 0,0214X3 + 0,0431X1X2 – 0,0198X1X3 – 0,0214X2X3. (1)

Данное уравнение регрессии дает возможность определить зависимость между критерием оптимизации процесса (качественная работа аппарата) – частостью односемянной подачи Y и исследуемыми факторами (диаметром выходных отверстий X 1 , скоростью вращения высевающего диска X 2 и величиной избыточного давления, создаваемого внутри аппарата X 3 ).

Однородность ряда дисперсий эксперимента проводилась при помощи критерия Кохрена. Получено его расчетное значение G^расч = 0,367, а его табличное значение, при уровне значимости α = 0,05, числе опытов n = 8 и числе степеней свободы f i = 2 равно G T^a₀⁶5_;2;8 = 0,516 .

В результате получаем, что G^расч< G ^та _, ^б ₅ ^л _;2;8 , следовательно, ряд дисперсий однороден.

Критерием Стьюдента оценена значимость коэффициентов уравнения. Все они значимы.

Гипотеза об адекватности модели проверена при помощи критерия Фишера.

Табличное значение критерия Фишера при уровне значимости α = 0,05 равно F^табл= 4,5, а расчетное значение равно F^расч = 0,00008.

В связи с тем, что Ғ^расч < Ғ^табл, модель может считаться адекватной.

С использованием синтезированной математической модели определены уравнения сечений поверхности отклика в кодированном и в натуральном виде.

Уравнения сечений поверхности отклика в кодированном виде:

Y = 0,9366 - 0,0427X. + 0,0214X3 + 0,0214X2X3.(2)

(при Х 1 = 0).

Y = 0,9366 + 0,0408Хү + 0,0214X3 - 0,0198ХҮХ3.(3)

(при Х 2 = 0).

Y = 0,9366 + 0,0408Х - 0,0427X2 + 0,0198Х,Х2.(4)

(при Х 3 = 0).

Уравнения поверхности отклика в натуральном виде:

а = 0,9696 - 0,1085n - 0,0100p + 0,0006np.(5)

( при d = 4,0 мм ) .

а = 0,8601 + 0,0111d - 0,0277p - 0,0096dp .(6)

( при n = 0,6 с ^{- 1}) .

а = 0,9563 + 0,0111d - 0,3048n + 0,0495dn.(7)

( при p = 3,2 кПа) .

Графики односемянной подачи дозируемыми единицами диска показаны на рисунках 3, 4, 5.

На сечениях поверхности отклика (рисунки 3, 4, 5) изображены графики с различным процентным отношением односемянной подачи дозирующими единицами.

Частота вращения высевающего диска, n c-1

Disk rotational speed, n c-1

Рисунок 3 – Графики односемянной подачи кукурузы дозирующими единицами при избыточном давлении внутри аппарата p = 3,2 кПа (Х 3 = 0)

Figure 3 – Graphs of single-seed corn supply through seed cells under excess pressure inside the dispense r = 3,2 kPa (Х 3 = 0)

Избыточное давление, р кПа

Excess pressure, р кPа

Рисунок 4 – Графики односемянной подачи кукурузы дозирующими единицами при частоте вращения высевающего диска аппарата n = 0,6 с^-1 (Х 2 = 0)

Figure 4 – Graphs of single-seed corn supply through seed cells at the rotational speed of the sowing disc of the dispenser n = 0,6 с^-1 (Х 2 = 0)

Рисунок 5 – Графики односемянной подачи кукурузы дозирующими единицами при диаметре отверстий для выхода воздуха d = 4,0 мм (Х 1 = 0)

Figure 5 – Graphs of single-seed corn supply through seed cells with a diameter of the air opening d = 4,0 mm (Х 1 = 0)

Анализируя графики изолиний равного отклика, утверждаем:

– при увеличении параметра d с величины 3,5 мм до величины 4,5 мм односемянная подача дозирующими единицами увеличивается;

• –    с возрастанием параметра p в интервале от 2,4 кПа до 4,0 кПа односемянная подача увеличивается;

• –    с повышением параметра n в пределах от 0,4 с^-1 до 0,8 с^-1 односемянная подача снижается;

• –    в исследуемых границах эксперимента самое значимое влияние на односемянную подачу кукурузы показал фактор n , а менее значимое фактор p ;

• –    с пропорциональным увеличением факторов n и d до границы нулевого уровня ( n = 0,6 c^-1; d = 4,0 мм) односемянная подача уменьшается, а за границами нулевого уровня возрастает;

• –    с пропорциональным увеличением факторов n и p односемянная подача уменьшается;

• –    с пропорциональным увеличением факторов d и p односемянная подача дозирующими единицами возрастает.

Выводы. Для практического применения результатов экспериментального исследования главный интерес представляет область, находящаяся за изолинией а 1 = 0,95, так как при этом доля пропусков и двойных подач будет равна 5%. Полученные в результате исследования данные позволяют подобрать необходимые рациональные параметры работы высевающего аппарата с нагнетаемым потоком воздуха для получения качественной его работы. Полученные графики необходимо использовать для выбора параметров и режимов работы аппарата с нагнетаемым потоком воздуха в зависимости от решаемых производственных задач при высеве кукурузы.

Основываясь на проведенном исследовании, утверждаем, что для односемянной подачи гибрида кукурузы Зерноградский 282 МВ в интервале 95–98% необходимо давление в пределах 2,4–4,0 кПа, частота – 0,4–0,68 c-1, диаметр отверстий для воздуха – 3,8–4,5 мм. При изменении физикомеханических свойств семян кукурузы необходимо корректировать интервалы варьирования величин.