Обоснование рациональных параметров плоского сбрасывателя «лишних» семян пневмовакуумного высевающего аппарата

Введение. Посев является одним из важнейших процессов, оказывающих влияние на урожайность любой сельскохозяйственной культуры. Для посева пропашных культур на отечественном рынке сельхозтехники имеется огромное количество сеялок точного высева (пропашных сеялок) [1]. При этом в России производятся в основном пропашные сеялки с пневмовакуумной системой высева [1], в которых равномерность дозирования семян обеспечивается удалением «лишних» семян сбрасывателями (отражателями).

Удалению «лишних» семян с дозирующих элементов (ячей) высевающих аппаратов пропашных сеялок посвящены исследования таких ученых, как Б.И. Журавлев, В.Ф. Семенов, А.А. Бертов, П.М. Бондаренко, В.П. Чичкин, П.А. Бондаренко, А.А. Будагов, В.В. Лукьянец, А.В. Кочемасов, из исследований которых следует, что равномерность односемянной подачи во многом зависит от конструкции сбрасывателя «лишних» семян и режимов его работы [2]. При этом из обзора сбрасывателей «лишних» семян пневмовакуумных сеялок точного высева [2] видно, что сбрасыватели большинства высевающих аппаратов имеют плоскую форму, различающуюся рабочей поверхностью выступов их хвостовиков.

Плоские сбрасыватели «лишних» семян подразделяются на узко- и широкогранные, отличающиеся толщиной рабочей поверхности их хвостовиков, эффективность работы которых влияет на качество односемянного высева [3]. Вероятность защемления семени, захваченного дозирующим элементом, при работе узкогранного сбрасывателя во много раз меньше, чем широкогранного, который, в свою очередь, более эффективно удаляет «лишние» семена от дозирующих элементов. Следовательно, для обеспечения равномерности односемянной подачи посевного материала и снижения его повреждения при защемлении между дозирующим элементом и сбрасывателем «лишних» семян необходимо объединить принципы действия узко- и широкогранных сбрасывателей [3]. Необходимо отметить, что в большинстве высевающих аппаратов современных пропашных сеялок используют широкогранные сбрасыватели «лишних» семян [3].

Объект исследования: процесс взаимодействия семени, захваченного дозирующим элементом высевающего диска, с хвостовиком сбрасывателя «лишних» семян.

Цель исследования : обоснование рациональных параметров граней хвостовика плоского сбрасывателя, с точки зрения их влияния на качество подачи семян и степень их защемления.

Задачи исследования:

• 1)    проанализировать процесс взаимодействия семени, захваченного дозирующим элементом высевающего диска, с широкогранным сбрасывателем «лишних» семян;

• 2)    на основе анализа предложить модернизацию сбрасывателя, позволяющую снизить защемление высеваемых семян;

• 3)    обосновать эффективность применения предложенного сбрасывателя «лишних» семян.

Методы, результаты и обсуждение исследований. Рассмотрим ситуацию, когда дозирующим элементом 1 высевающего диска 2 захвачено семя 3 , на которое оказывает влияние широкогранный сбрасыватель «лишних» семян 4 (рис. 1).

Рис. 1. Схема сил, оказывающих влияние на семя, захваченное ячеей, при взаимодействии с широкогранным сбрасывателем

Воспользовавшись рисунком 1, запишем условие, при котором отсутствует защемление семян между дозирующим элементом (ячеей) высевающего диска и широкогранным сбрасывателем «лишних» семян:

(N i • sin 0 + N 2 • Sin 0 ) >  (P p • cos 0 + P mp i • cOS ft + P mp 2 • cOS 0 );

(N1 + N2) • sin в > (Pnp + Pmp 1 + Pmp2) ' cos P, где N1 и N2 – нормальные реакции ячеи высевающего диска и широкогранного сбрасывателя на семя соответственно, Н;

• β    – половина угла створа защемляющей пары: дозирующий элемент и сбрасыватель «лишних» семян, рад;

• P п р – присасывающая сила, действующая на семя, Н;

P тр1 и P тр2 – сила трения семени о поверхность диска и сбрасывателя соответственно, Н.

Силы трения семени о поверхность высевающего диска и сбрасывателя «лишних» семян определяются из выражений

P _mp 1 = n 1 • f i ;                                           (3)

P mp 2 = N 2 • f 2 ,                                       (4)

где f 1 и f 2 – коэффициенты трения скольжения (движения) семян о поверхность высевающего диска и сбрасывателя соответственно.

Тогда

( N 1 + N 2 ) • tg p >  ( P np + N 1 • f 1 + N 2 • f 2 ).

Определим реакции действия сил в точках контакта семени с высевающим диском и сбрасывателем, исходя из условий равновесия:

E M a = 0;

Р пр • d g + Р тр 2 ■ ( d ceM + d g ) - N 2 ■ d ceM • sin 2 в = 0;

N ■ f ■ ( d  + d, ) - N ■ d ■ sin2 B = - P d. ;                (6)

22 сем д     2 сем              пр д

N ■ ( d   ■ sin2 e — f ■ ( d  + d)) = P ■ d ,

2сем                2сем д        пр    д , где dд и dсем – диаметр дозирующего элемента высевающего диска и захваченного семени соответственно, м.

Откуда N ₂ =

Р пр • d д

^d сем • ^{Sin2 e - f} 2 ■ ^{( d} сем ^{+ d} Д У

E M b = o;

N1 ■ dсем ■ Sin2e — Pmp 1 ■ (dсем + dД ) - Рпр ’ dсем = 0;(8)

N i ■ ( d сем ■ Sin 2 в — f . ■ ( d сем + d g )) = P^ ■ d сем ;

P ■ d

N =--------пр——--------.(9)

• 1   d сем • Sin2e — f. ■ (d сем + dg )

Подставив значения выражений (7) и (9) в выражение (5), получим

P -d -tsP              P -d.-tgB

• (         пр   сем gr        +          пр Д gK)

d сем • Sin2 e — f . ■ ( d сем + d g )   d сем ' S^ - f 2 ■ ( d сем + d g ) ’

• (P +          Pпp • d сем ■ f.          +           Pnp ■ d g ' f 2

• п ^р   d сем • Sin2 e — f . ■ ( d сем + d g ) d сем ’ S^ - f 2 ■ ( d сем + d g /

Разделив обе части уравнения (10) на Р пр и переместив все неизвестные в его левую сторону, имеем

(       dсeм • (tgP - fl )       +        dg • (tge - f2))

• ¹    d сем • Sin2 e - f ■ ( d сем + d g )   d сем • S^ - f 2 * ( d сем + d g ) ^

Принимая во внимание, что диаметр дозирующего элемента из рисунка 1 определяется следующим образом:

d g = d™ ■ cos ² ^

Тогда

(

d сем ■ (tg e - f I )

^dсем ■ sin ^{2 в - f} I ■ ^(dсем ^{+ d}сем

+

■ cos 2 ^ )

+         ^dсем • cos 2 ^e (tg P ^{- f} 2 )       ) >  . ;

^dсем • sin ^{2 в - f} 2 ■ ^(dсем ^{+ d}сем ' cos 2 ^в )     ’

(         d сем • ( tg fi - f 1 )         +

¹ d сем ■ (sin2 в - f , • (1 + cos2 в ))

+ ^d сем • c^os2 ^{e (} tg P ^{- f} 2 )     - 1) >  0

d сем • (Sin2 e — f 2 • (1 + COs2 в ))        ^,

(        tg ^ — f       +    ^{COS2 e} ^ ⁽ tg P — ^f 2 )    _ 1) >  0

sin2 в — f 1 • (1 + cos2 в )  sin2 в - f 2 • (1 + cos2 ^ )

Обозначив выражение (15) функцией f(β) и определив коэффициенты трения семян наиболее распространенных пропашных культур (таких, как: подсолнечник, кукуруза, свекла, соя и клещевина) по полиамиду и по стали (материалам, из которых изготовлено большинство сбрасывателей «лишних» семян и высевающих дисков отечественных высевающих аппаратов соответственно) с использованием известной методики [4] и при помощи программы MathCad 14.0 был произведен расчет значений половины угла створа защемляющей пары β, при которых f(β)>0.

Как показали расчеты, при любом реальном соотношении

dд

d сем

функция f(β)≤0, т.е. существует веро-

ятность защемления семени между высевающим диском и широкогранным сбрасывателем «лишних» семян.

С целью снижения вероятности защемления семян 3 (рис. 2, а) и обеспечения более мягкого их взаимодействия со сбрасывателем 4 предлагается изменить конструкцию широкогранного сбрасывателя «лишних» семян таким образом, чтобы угол α между его рабочей гранью и гранью, примыкающей к высевающему диску 2 (см. рис. 2, а) в начале выступа №1 (рис. 2, б), был острым [5].

Для исключения защемления семян угол α должен быть как можно меньше, однако, для предотвращения «наползания» семян на сбрасыватель начальное значение угла α должно быть больше угла трения семян по поверхности сбрасывателя. С учетом исследований фрикционных свойств семян по полиамиду, определенных по известной методике [4], предлагается принимать угол α близким к 30º.

Рис. 2. Схема сил (а), влияющих на захваченное ячеей семя при взаимодействии с модернизированным сбрасывателем (б)

Запишем условие, при котором отсутствует защемление семян между дозирующим элементом (ячеей) высевающего диска и модернизированным сбрасывателем (см. рис. 2, а):

(N1 • sin 0 + N2 • sin ft) > (Pmp 1 • cos 0 + Pmp 2 • Cos ^ + Pnp );(16)

P

(N1 + N2 ) • sin в > (Pmp 1 + Pmp2 +   пр") • COS в;(17)

COS в

P

(N 1 + N2) • tge > (Pmp 1 + Pmp2 +   пр-).

cos в

Определим реакции действия сил в точках контакта семени с высевающим диском и сбрасывателем, исходя из условий равновесия:

∑ M A = 0;

Откуда

P пр ⋅ ^d ₂ ^д + Р тр 2 ⋅ d д ⋅ cos β - N 2 ⋅ d д ⋅ cos(90 - β ) = 0;

N 2 ⋅ f 2 ⋅ d д ⋅ cos β - N 2 ⋅ d д ⋅ sin β = P пр ⋅ ^d ₂ ^д ;

N ₂ ⋅ d_д ( f ₂ ⋅ cos β - sin β ) = P_пр ⋅ ^d ₂ ^д .

² 2 ⋅ ( f ₂ ⋅ cos β - sin β ) ^.

∑ M B = 0;

N 1 ⋅ d д ⋅ sin β - Р тр 1 ⋅ d д ⋅ cos β - P пр ⋅ ^d ₂ ^д = 0;

N ₁ ⋅ d_д (sin β - f ₁ ⋅ cos β ) = P_пр ⋅ ^d ₂ ^д ;

P

N ₁ =             пр           .

2 ⋅ (sin β - f ₁ ⋅ cos β )

Подставив значения выражений (20) и (22) в выражение (18), получим

PP

(            ^пр          +            ^пр          ) ⋅ tg β >

2 ⋅ (sin β - f ₁ ⋅ cos β )  2 ⋅ ( f ₂ ⋅ cos β - sin β )

P

( пр + cos β

P пр ⋅ f 1

2 ⋅ (sin β - f ₁ ⋅ cos β )

p • л

₊         ^P пр ^f 2         _).

2 ⋅ ( f ₂ ⋅ cos β - sin β )

Разделив обе части уравнения (21) на Рпр и переместив все неизвестные в его левую сторону, имеем tgβ- f1       +      tgβ- f2      )>

2 ⋅ (sinβ- f1 ⋅ cosβ)  2 ⋅ (f2 ⋅cosβ-sinβ)cos

Или

₍       tg β - f 1       +       tg β - f 2       - 1 ₎ > _0.

• 2    ⋅ (sinβ- f1 ⋅ cosβ)  2 ⋅ ( f2 ⋅ cosβ-sinβ) cosβ

Обозначив выражение (25) функцией f(β) и воспользовавшись исследованиями коэффициентов трения скольжения (движения) семян пропашных культур по стали и полиамиду (материалам, из которых выполнены высевающий диск и сбрасыватель «лишних» семян), при помощи программы MathCad 14.0 был произведен расчет значений половины угла створа защемляющей пары: дозирующий элемент и сбрасыватель «лишних» семян, при которых f(β)>0.

Из рисунка 2 диаметр дозирующего элемента определяется по следующей формуле:

d д = d сем • sin P .

С учетом выражения (26), условие f(β)>0 выполняется при значениях 1,8≤ β ≤3,14 рад, то есть вероятность защемления семени между ячеей высевающего диска и сбрасывателем «лишних» семян отсутствует при условии d_д <  0,974 • d_сем .

Таким образом, предлагаемая модернизация сбрасывателя «лишних» семян позволяет исключить защемление высеваемых семян, что снижает их травматизм и уменьшает частоту сброса единичных семян от дозирующих элементов. Однако она снижает степень воздействия сбрасывателя на семена, что может привести к возрастанию частости двухсемянных (иногда и трехсемянных) подач. В связи с этим, предлагается угол α между рабочей гранью сбрасывателя и гранью, примыкающей к высевающему диску 2 (см. рис. 2, а), постепенно увеличивать от выступа №1 (рис. 2, б) в направлении вращения высевающего диска так, чтобы в средней части выступа №3 (рис. 3, в) он принимал значение 90º. При этом в результате действия выступов сбрасывателем №1 и 2 на семя 3 (см. рис. 3), оно предварительно «выкатывается» из дозирующего элемента 1 , за счет чего впоследствии исключается дальнейшее его 3 защемление между дозирующей ячеей 1 диска 2 и сбрасывателем «лишних» семян 4 (см. рис. 3) [5].

Рис. 3. «Выталкивание» захваченного ячеей семени выступами модернизированного сбрасывателя «лишних» семян

Экспериментальные исследования, проведенные в научно-исследовательской лаборатории на кафедре «Механизация растениеводства» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград, Ростовской области), показали, что модернизированный сбрасыватель «лишних» семян при частоте вращения высевающего диска 45 об/мин, что соответствует скорости движения сеялки 2–2,5 м/с, при норме высева семян 5 шт/м обеспечивал подачу семян с коэффициентом вариации 24,63 % (для кукурузы) и 14,40 % (для подсолнечника), а широкогранный сбрасыватель – с коэффициентом вариации подачи 31,81 и 18,59 % соответственно [3,6], т.е. усовершенствованная конструкция сбрасывателя снижает неравномерность высева семян пропашных культур в среднем в 1,22 раза.

Выводы

В процессе высева пропашных культур пневмовакуумным аппаратом семя, захваченное дозирующим элементом высевающего диска, при взаимодействии с широкогранным сбрасывателем «лишних» семян подвергается защемлению, что снижает качество работы аппарата в целом. С целью снижения вероятности защемления семян и обеспечения более мягкого их взаимодействия со сбрасывателем предлагается изменить конструкцию широкогранного сбрасывателя «лишних» семян таким образом, чтобы угол α между его рабочей гранью и гранью, примыкающей к высевающему диску в начале выступа, был острым (близким к 300). Это практически исключит вероятность защемления семени между ячеей высевающего диска и сбрасывателем «лишних» семян, что снижает их травматизм и уменьшает частоту сброса единичных семян от дозирующих элементов. В дальнейшем угол α необходимо плавно увеличивать от первого выступа в направлении вращения высевающего диска так, чтобы в центральной части среднего выступа он принимал значение близкое к 90º.

Модернизация сбрасывателя позволяет повысить равномерность подачи семян пропашных культур пневмовакуумным аппаратом в среднем в 1,22 раза.