Экспериментальные исследования высевающего аппарата зерновой сеялки СУБМ-3,6

Утвержденная правительством РФ федеральная научно-техническая программа развития сельского хозяйства на 2017–2025 годы направлена на решение важных задач в рамках обеспечения стабильного роста производства сельхозпродукции. Одной из таких задач является формирование условий для развития научной, научно-технической деятельности и получения результатов, необходимых для создания технологий, продукции, товаров и оказания услуг, обеспечивающих независимость и конкурентоспособность отечественного агропромышленного комплекса [1]. В частности, в области производства зерновых и зернобобовых культур в России требуется совершенствование технологий и разработок научно-обоснованных способов их выращивания, обеспечивающих получение стабильно высоких урожаев [2–4].

Посев ‒ наиболее сложная и значимая сельскохозяйственная операция. Для получения высокой урожайности выращиваемых культур, их полноценного роста и развития необходимым условием выступает получение каждым растением нужного количества питательных веществ, тепла, света¹, а также определенной площади питания, которая зависит от заданной нормы высева [5–7], т. е. высева строго определенного количества семян на единицу поля.

В связи с этим проведение экспериментальных исследований зерновой сеялки СУБМ-3,6, а в частности одного из главных его элементов ‒ высевающего аппарата, является актуальной задачей и представляет значительный интерес.

Это обеспечивается за счет применения различных высевающих систем посевных машин и высевающих аппаратов, которые по принципу работы подразделяют на три основных типа: механические, пневматические и пневмомеханические [8; 9].

Обзор литературы

Механические высевающие аппараты получили наибольшее применение в таких посевных агрегатах, как СОН-4,2, СУБМ-3,6, СЗУ-6, СЗТ-3,6, семейства СЗ (АО «Белинсксельмаш», Рос-сия)2, Amazone (Германия)3, John Deere (США)4, Lemken (Германия)5, Берегиня (ООО «Усть-Лабинский машиностроительный завод», Россия)6, посевных комплексах AGRATOR M (ПК «Агромастер», Россия) и др. [10].

Рассмотрим конструкции механических высевающих аппаратов, применяемых в посевных агрегатах отечественного и зарубежного производства. Также обратим внимание на ряд других конструкторских изысканий, решающих поставленные задачи по равномерности посева сельскохозяйственных культур в соответствии с агротехническими требованиями.

Учеными Нижегородского НИИСХ [11] была разработана конструкция катушечного высевающего аппарата (рис. 1), достоинством которой считается облегчение установки сеялки на заданную норму высева семян и повышение равномерности распределения семян в рядке.

Р и с. 1. Катушечный высевающий аппарат:

1 ‒ корпус; 2 ‒ желобчатая катушка;

3 ‒ приводной вал; 4 ‒ пластмассовая заслонка;

5 ‒ семенной канал и семянаправитель;

6 ‒ валик

F i g. 1. Roller feed unit:

1 ‒ housing; 2 ‒ grooved roller; 3 ‒ drive shaft;

4 ‒ plastic flap; 5 ‒ seed channel and seed guide;

6 ‒ spindle

Принцип работы высевающего аппарата следующий: при движении сеялки катушка высевающего аппарата, вращаясь, захватывает семена, попавшие в семенной канал, и верхним высевом выбрасывает их в семянаправитель и далее в семяпровод, прикрепленный к корпусу высевающего аппарата. Регулирование нормы высева производится при помощи заслонки путем перемещения ее валиком и изменением частоты вращения приводного вала.

Механический высевающий аппарат, разработанный учеными Курской ГСХА имени И. И. Иванова (рис. 2), состоит из корпуса 3 и расположенных в нем бункера для семян 1, вертикального высевающего диска 2, ролика-отражателя 6, ограничителя семян 5, регулятора глубины ячейки высевающего диска 4, пружинного выталкивателя 7 [12].

Семенной материал поступает в бункер и равномерно распределяется в ячейках диска 2 . Семена с чуть большими габаритами роликом-отражателем 6 погружаются в ячейку, изгибая подпружиненную часть регулятора. В результате глубина ячейки увеличивается, а семя поступает в высевное окно, где выбрасывается пружинным выталкивателем.

Премуществом данной конструкции является снижение ускорения полета семени, что повышает качество посева семян. Недостаток проявляется в виде микротравмирования в момент схода семени с пружины происходит его.

Р и с. 2. Механический высевающий аппарат

F i g. 2. Mechanical seed-sowing device

Для осуществления точного высева семян зерновых культур в стенах Ульяновской ГСХА спроектирован спирально-винтовой высевающий аппарат (рис. 3) [13].

Использование спирально-винтового рабочего органа позволяет добиться равномерного распределения семенного материала между витками спирали в высевающем аппарате с последующим равномерным высевом их в почву [14].

Р и с. 3. Спирально-винтовой высевающий аппарат: 1 ‒ крышка; 2 ‒ загрузочный бункер; 3 ‒ дозатор; 4 ‒ фиксатор; 5 ‒ приводное устройство; 6 ‒ диск; 7 ‒ внутренняя трубка;

8 ‒ корпус; 9 ‒ семенной материал; 10 ‒ рабочий орган; 11 ‒ болтовое соединение; 12 ‒ вал;

13 ‒ гибкая трубка; 14 ‒ выходное окно

F i g. 3. Spiral-screw seed-sowing device: 1 ‒ lid; 2 ‒ loading hopper; 3 ‒ dispenser; 4 ‒ retainer; 5 ‒ drive device; 6 ‒ disc; 7 ‒ inner tube; 8 ‒ case; 9 ‒ seed material; 10 ‒ working body;

11 ‒ bolted connection; 12 ‒ shaft; 13 ‒ flexible tube; 14 ‒ exit window

Однако при функционировании такого высевающего аппарата происходит притормаживание рабочего органа и, как следствие, защемление семян между внутренней поверхностью корпуса, рабочим органом и внутренней трубкой. Это приводит к травмированию семенного материала. Кроме того, конструкция аппарата мало пригодна для точного высева семян с заданным шагом и доставки их в почву.

Помимо вышеуказанных высевающих аппаратов существует множество других технических решений, позволяющих выполнять посев семян зерновых культур, имеющих свои преимущества и недостатки [15–17]. Анализируя все многообразие конструкций, а также практические наблюдения, можно сделать вывод, что наиболее оптимальным и широкоприменимым является механический высевающий аппарат катушечного типа.

Материалы и методы

Выполненный выше анализ технических решений показывает, что устройства для посева зерновых культур оснащены разнообразными высевающими аппаратами, отличающимися по конструктивному исполнению каждого, возникает неоходимость определения параметров, характеризующих их работу, а именно производительности при посеве различных сельскохозяйственных культур [18].

Равномерность нормы высева и точная глубина заделки семян ‒ главные показатели качества работы посевных агрегатов. Указанные достоинства обеспечиваются за счет применения в их конструкциях механического высевающего аппарата катушечного типа (рис. 4). Он состоит из двух частей, каждая из которых представляет собой зубчатую поверхность. Поверхность с мелким зубом предназначена для высева мелкосемян-ных культур, поверхность с крупным зубом ‒ для посева зерновых и зернобобовых культур.

Наиболее популярным и повсеместно применимым посевным агрегатом с данным типом высевающего аппарата является универсальная блочно-модульная сеялка СУБМ-3,67.

Р и с. 4. Высевающий аппарат сеялки СУБМ-3,6

F i g. 4. Seed-sowing device of the seeder SUBM-3.6

Конструкция сеялки в общем виде (рис. 5) представляет собой гидравлическую систему 1 , раму со сницей 2 , на которой смонтирован пружинно-гидравлический механизм сошниковой группы 6 , маркеры с гидравлическим приводом 3 , зерновой и туковый высевающие аппараты с бункерами 4 , механизм привода зернового и тукового высевающих аппаратов 5 , рама 7 с опорными колесами 8 , приводное колесо 9 с механизмом привода, механизм подъема сошников 10 , механизм управления опорными колесами 11 , трубопроводы гидравлической системы сеялки 1 и опорная стойка 12 [19]⁸.

Как было отмечено выше, одной из главных характеристик работы высевающих аппаратов – их производительность. В зависимости от нее определяется норма внесения посевного материала и режимы работы аппаратов. Поэтому исследования, направленные на установление регрессионных уравнений, характеризующих

Том 33, № 3. 2023 производительность высевающего аппарата в зависимости от кинематических и конструктивных параметров его рабочих элементов, а именно частоты вращения n _к (мин^–1) и длины вылета l _к (мм) катушки, являются актуальными.

Результаты исследования

Для решения сформулированной проблемы на основе современных методов планирования эксперимента9 были разработаны экспериментальный стенд10 и методика проведения экспериментальных исследований производительности высевающего аппарата11.

Уравнением регрессии производительности катушки является полином 2-го порядка:

y = В0 + В1x1 + В2x1 + В12x1x2 + + В11x12 + В22x22, где В0, В1, В2, В12, В11 и В22 – постоянные коэффициенты уравнения регрессии; х1 и х2 – варьируемые факторы.

Частоты вращения катушки зернового высевающего аппарата лежит в интервале от 10 до 60 мин^–1. Минимальное значение интервала длины вылета катушки ‒ 2 мм, а максимальное ‒ 35 мм. Следовательно, l _к лежит в пределах от 2 до 35 мм.

Координаты центра плана: n _к = = 25 мин ^–1 и l _к = 18,5 мм.

Выбранные интервалы позволяют определить основные уровни факторов (табл. 1), для чего были использованы стандартные рекомендации ∆Х_i = = 0,3...0,45( Х max – X min ).

Р и с. 5. Общий вид сеялки СУБМ-3,6

F i g. 5. General view of the seeder SUBМ-3.6

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Уровни и интервалы варьирования факторов Levels and intervals of variation of factors

Факторы / Factors	( АХ )	( «)	Уровни факторов / Factor levels
			0	+1	–1	–1,414	+1,414
n к ( Х 1 )	10,00	15,00	25,00	35,00	15,00	10,00	40,00
1 к ( Х 2 )	10,00	16,50	18,50	28,50	8,50	2,00	35,00

Эксперименты реализовались сериями, количество которых с учетом вероятности ошибки α = 0,05 и надежности результатов не менее 90 % принималось равным m = 9.

Для получения математической модели зависимости нормы высева от частоты вращения и длины вылета катушки Agricultural engineering получены опытные данные, которые были подвергнуты проверке воспроизводимости эксперимента, значимости коэффициентов регрессии и адекватности уравнений регрессии, а также вычислению оценок коэффициентов регрессии.

Проверка гипотезы об однородности выборочных дисперсией S j :

m          _²

с 2         ¹ I                I

2, j          ^1 yjk   yJ I ’ m _ 1 k=1V )

где m – объем выборки; k – число то-ч_ек плана; y ik - результаты наблюдений; y _j – среднее арифметическое значение случайной величины.

Для проверки гипотезы об однородности оценок S_j ² дисперсий применяется критерий Кохрена:

j

G ЭМ = N , Z S i { л } i =1

где max {52} — максимальное значение N дисперсии; ^ Si {yt} - сумма дисперсий.

= 1

Расчетные значения критерия Кох-рена представлены в таблице 2.

Критическое значение G _KP для числа степеней свободы, равных 8, числа опытов – 9, при уровне значимости 0,05 составляет 0,3522, тогда для всех случаев

G ЭК < G КР .

Всю группу S_i ² можно считать оценками для одной и той же дисперсии воспроизводимости эксперимента и определить как

N sBOc {/} = N Z Si {M-

Результаты расчетов представлены в таблице 3.

Коэффициенты уравнения регрессии определялись по известным формулам.

в = — o N

kN

2 2 ² ( k ₊ 2 ) ^ y ,2Xc yy j

=1              =1 j =1

N _

B_A = ^ V X y ;

11 ji

^N i =1

N

B - CJXy .

22 ji

N i -1

N

B = Ar ! ^{c 2} [ ( ^{k +} 2 ) ^Л - ^k ] S x 2 y ⁺

N N= kNN

+c (1 - 2 )££ xjyt- 2XC ^yA i=1 i=1

C2 N_

Bn =--- V Хг-УтУ -,

• ¹²    N 2 i= 1 ¹ i y ^{2 , У}‘ ’

  где

  2 =

  
  

A = —ч ;

2 2 [ ( k + 2 ) 2 - k ]

N l-    N ’

У x j

kN

( k ₊ 2 )( N - n о )

i = 1

, N – число опытов;

k – количество факторо в ; n ₀ – число опытов в центре плана; y _i – значение функции отклика в i – ом опыте; i – номер опыта; j – номер фактора; x_ij – элементы соответствующего столбца матрицы планирования (табл. 3).

Проверка значимости коэффициентов заключалась в определении оценки дисперсий по формулам:

• ² A ^ ^ k ^{+ 2} ^ 5²_oc{y ,};

Nm      ^{вос 1Л} i ^J

• ¹i i = NCm⁵ =«! У - i;

• ¹1⁼ Nm ^ ⁵ -° ^{c ! ?} -^);

  AC ² [ ( k + 1 ) 2 - ( k - 1 ) ]

  
  

  Nm

  
  

  ^S BOC { yi } ,

  
  

где m – число параллельных опытов в точках плана.

Для каждого коэффициента подсчитывалось значение критерия t_i=|S i | /S '² { B i } , и сравнивалось с критическим t KP . Результаты проверки приведены в таблице 3, откуда следует, что все коэффициенты уравнений регрессии значимы, и математические модели имеют вид:

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Расчетные значения критерия Кохрена Calculated values of the Cochren criterion

Параметр / Parameter	Культура / Culture
	Пшеница / Wheat	Рожь / Rye	Ячмень / Barley	Овес / Oats	Просо / Millet	Вика / Vetch
max { 5 2 }	3,20	2,40	2,80	2,65	4,22	4,98
N S si { y. }	10,90	10,60	10,24	15,30	14,30	23,70
" G3K ЭК	0,29	0,23	0,27	0,17	0,29	0,21
^ BOC { y i }	1,21	1,28	1,13	1,70	1,59	2,63

– для пшеницы:

У = 85,42 + 41,08 х ₁ + 19,33 х ₂ + + 17,88 х ₁ х ₂ + 7,72 х ² ₁ + 5,62 х ² ₂ ;

– для ржи:

У = 106,22 + 51,77 х ₁ + 26,95 х ₂ + + 27,7 х ₁ х ₂ + 9,53 х ² ₁ – 4,39 х ² ₂ ;

– для ячменя:

У = 58,02 + 37,06 х ₁ + 19,84 х ₂ + + 21,28 х ₁ х ₂ + 14,14 х ² ₁ + 14,21 х ² ₂ ;

– для овса:

У = 101,82 + 27,39 х ₁ + 17,07 х ₂ + + 17,88 х ₁ х ₂ – 12,92 х ² ₁ – 17,6 х ² ₂ ;

– для проса:

У = 63,12 + 31,95 х ₁ + 21,85 х ₂ + + 19,05 х ₁ х ₂ + 3,77 х ² ₁ – 12,87 х ² ₂ ;

– для вики:

У = 85,22 + 46,02 х ₁ + 34,75 х ₂ + + 33,23 х ₁ х ₂ + 13,05 х ² ₁ – 9,6 х ² ₂ .

Адекватность проверялась с помощью критерия Фишера ( F -критерия):

1 2    _

¹ ВОС =

no (

V у ou u=1 \

n

- 1

Дисперсия S ^ { y } определялась по формуле:

^2, { у }=SRyS^, где f = N - k/-(n0-1); k - число статистически значимых коэффициентов регрессии.

F p =

⁵ АД { y 1 ^{} 5} ВОС { У , } ’

1 где S —ГТ

^ ВОС { yi ^}

³ АД димости;

– дисперсия воспроизво-

; { у i}

– дисперсия адекват-

ности.

Дисперсия по формуле:

S ВОС { ^y o ^}

определялась

^SR ^-S( y ip y i э ) , u =1

где y_ip – расчетные значения функции отклика в точках плана; y_{i Э} – экспериментальные значения;

S e -i n o: f y uo - y .

u = 1 V

Результаты вычислений приведены в таблице 4, откуда следует, что модели адекватны, так как расчетные значения F _P -критерия меньше табличного F _T .

После перехода от кодированных значений к натуральным значениям факторов математические модели могут быть представлены в следующем виде:

Т а б л и ц а 3

T a b l e 3

Проверка значимости коэффициентов регрессии зависимости нормы высева от частоты вращения и длины вылета катушки

Checking the significance of the regression coefficients of the seeding rate dependence on the rotation speed and the roller operating length

Культура / Culture	Коэффициент / Ratio	5 о о й .о й .о ей Е У S О 1 Р m о в S S •е ей О О	Значения / Values	о й ад о •Б ад -с и S GL о й S •е S о ей о С	^ 2 { bf }	t 1	t KP	Выводы / Conclusions
Пшеница / Wheat	В 0		85,42		0,027	520	ОО О\ Ох, сГ S с	t>t KP
	В 1		41,08		0,017	315		t>t KP
	В 2		19,33		0,017	148		t>t KP
	В 12		17,88		0,034	97		t>t KP
	В 11		7,72		0,019	53		t>t KP
	В 22		5,62		0,019	41		t>t KP
Рожь / Rye	В 0		106,22		0,028	634		t>t KP
	В 1		51,77		0,018	385		t>t KP
	В 2		26,95		0,018	200		t>t KP
	В 12		27,7		0,036	145		t>t KP
	В 11		9,53		0,020	67		t>t KP
	В 22		-4,39		0,020	31		t>t KP
Ячмень / Barley	В 0		58,02		0,025	366		t>t KP
	В 1		37,06		0,016	292		t>t KP
	В 2		19,84		0,016	156		t>t KP
	В 12		21,28		0,032	118		t>t KP
	В 11		14,14		0,018	105		t>t KP
	В 22		14,21		0,018	106		t>t KP
Овес / Oats	В 0		101,82		0,037	529		t>t KP
	В 1		27,39		0,024	176		t>t KP
	В 2		17,07		0,024	110		t>t KP
	В 12		17,88		0,048	81		t>t KP
	В 11		-12,92		0,027	78,6		t>t KP
	В 22		-17,6		0,027	107,1		t>t KP
Просо / Millet	В 0		63,12		0,035	337		t>t KP
	В 1		31,95		0,022	215,4		t>t KP
	В 2		21,85		0,022	147		t>t KP
	В 12		19,05		0,044	90,8		t>t KP
	В 11		3,77		0,025	36		t>t KP
	В 22		-12,87		0,025	81		t>t KP
Вика / Vetch	В 0		85,22		0,058	353		t>t KP
	В 1		46,02		0,037	75		t>t KP
	В 2		34,75		0,037	180		t>t KP
	В 12		33,23		0,074	449		t>t KP
	В 11		13,05		0,042	63		t>t KP
	В 22		-9,60		0,042	46		t>t KP
	N = 13	k = 2	n0 = 5	m = 9	A = 0,498	C = 1,625	λ = 0,81

Т а б л и ц а 4

T a b l e 4

Проверка адекватности математической модели зависимости нормы высева от частоты вращения и длины вылета катушки

Verification of the adequacy of the mathematical model of the seeding rate dependence on the rotation speed and the roller operating length

Культура / Culture	Параметры / Parameter
	V2 ° ВОС	SR	SE	f	V2 3 АД	F P	F T
Пшеница / Wheat      1,94      16,90     15,50                0,47      0,24 Рожь / Rye             2,20      20,60      17,60                 1,00       2,20 Ячмень / Barley       0,90       8,30      7,20        3         0,37      0,41       610 Овес / Oats             2,65      24,10     21,20                 0,97       0,37        , Просо / Millet          4,22      37,20     33,70                 1,17       2,76 Вика / Vetch            2,46      21,50      19,70                 0,60       0,24

– для пшеницы:

W _га = 97,2 – 3,1 n _к – 4,7 l _к + 0,18 n _к l _к + + 0,08n 2_к + 0,06 1 2_к ; к

– для ржи:

W _га = 100 – 4,75 n _к – 5 l _к + 0,28 n _к l _к + + 0,1 n 2_к + 0,04 1 2_к ;

– для ячменя:

W _га = 69,6 – 7,3 n _к – 8,52 l _к + 0,2 n _к l _к + 0,14 n \ + 0,14 1 2_к ;

– для овса:

W _га = – 56,5 + 5,9 n _к + 3,74 l _к + 0,18 n _к l _к – - 0,13 n 2_к - 0,17 1 2_к ;

– для проса:

W _га = 10,4 – 2,2 n _к + 2,19 l _к + 0,19 n _к l _к + + 0,04 n 2_к - 0,13 1 2_к ; к

– для вики:

W _га = 110 – 8 n _к + 1,25 l _к + 0,33 n _к l _к + + 0,130 n 2_к - 0,1 1 2_к.^K

На рисунках 6–11 модели изображены в факторном пространстве с осями координат W _га , n _к и l _к .

Обсуждение и заключение

Для стабильно высокой урожайности зерновых культур растениям необходимо получить достаточный объем питательных веществ, зависящий от площади питания, которая обусловлена заданной нормой высева, обеспечивающейся высевающим аппаратом.

В большинстве случаев в посевных агрегатах, например зерновой сеялки СУБМ-3,6, используются механические высевающие аппараты и в частности механический высевающий аппарат катушечного типа.

Главной характеристикой работы данного аппарата является производительность. Разработанные экспериментальный стенд и методика проведения экспериментальных исследований позволили построить математические модели зависимости производительности высевающего аппарата от частоты вращения приводного вала рабочих органов (катушек) n _к (мин^–1) и длины вылета катушек l _к (мм), в определенных областях действия частоты вращения катушки – от 10 до 60 мин^–1 и длины вылета катушки от 2 мм до 35 мм.

Полученные в результате экспериментальных исследований аналитические зависимости нормы высева от частоты вращения и длины вылета катушки позволят наиболее эффективно использовать работу высевающих зерновых катушечных аппаратов, что в свою очередь окажет влияние на выбор оптимальных режимов функционирования сеялки СУБМ-3,6.

Р и с. 6. Модель зависимости нормы высева пшеницы катушечным аппаратом от частоты вращения и длины вылета катушки

F i g. 6. Model of the dependence of the rates of seeding wheat by the roller feed unit on the rotation frequency and the roller operating length

Р и с. 7. Модель зависимости нормы высева ржи катушечным аппаратом от частоты вращения и длины вылета катушки

F i g. 7. Model of the dependence of the rates of seeding rye by the roller feed unit on the rotation frequency and the roller operating length

Р и с. 8. Модель зависимости нормы высева ячменя катушечным аппаратом от частоты вращения и длины вылета катушки

F i g. 8. Model of the dependence of the rates of seeding barley by the roller feed unit on the rotation frequency and the roller operating length

Р и с. 9. Модель зависимости нормы высева овса катушечным аппаратом от частоты вращения и длины вылета катушки

F i g. 9. Model of the dependence of the rates of seeding oat by the roller feed unit on the rotation frequency and the roller operating length

Р и с. 10. Модель зависимости нормы высева проса катушечным аппаратом от частоты вращения и длины вылета катушки

F i g. 10. Model of the dependence of the rates of seeding millet by the roller feed unit on the rotation frequency and the roller operating length

Р и с. 11. Модель зависимости нормы высева вики катушечным аппаратом от частоты вращения и длины вылета катушки

F i g. 11. Model of the dependence of the rates of seeding vetch by the roller feed unit on the rotation frequency and the roller operating length