Обоснования параметров распределительного устройства сошника для полосового посева зерновых культур

Основное внимание при возделывании сельскохозяйственных культур уделяется задачам анализа технологических процессов с целью выявления влияния различных факторов на выполнения агротехнических требований, повышения производительности и экономической эффективности отдельных процессов [1-3]. Одним из основных требований агротехники к посеву зерновых является равномерное распределение семян по площади поля [4–6]. Этому требованию в наилучшей степени отвечает сплошной (безрядковый) способ посева.

В основном при безрядковом посеве зерновых культур используются сошники, выполненные в виде стрельчатой культиваторной лапы, с разными типами разбрасывателей семян. Из них наиболее перспективными оказались разбрасыватели, использующие энергию падения семян. Разброс происходит после удара семян об отражатель [7–10]. Как показали испытания лап-сошников с такими разбрасывателями, ширина засеваемой ими полосы не превышает 11–14 см, так как траектория отраженных семян не вписывается в подсошниковое пространство, и они подвергаются вторичным ударам о стенки сошника, которые сокращают дальность их разброса [11–13]. А ширина разброса семян одним сошником ограничивает величину расстояния между осями соседних сошников. Поэтому сеялки, оборудованные такими сошниками, при высокой (около 25 %) влажности почвы в поверхностном слое, а также при наличии почвенных глыб и особенно при значительной ее засоренности корневищными остатками не могут работать, так как при этом происходит сгруживание почвы перед сошниками [14-16].

Цель исследования – повышение эффективности посева сошниками, выполненные ми в виде культиваторной лапы с разбрасывателем семян.

Материалы и методы исследования

Чтобы увеличить ширину полосы и улучшить равномерность разброса семян одним сошником, необходимо направление движения падающих семян изменять не ударом, а плавно, с помощью криволинейной поверхности разбрасывателя, по которой семена будут скользить. При этом форма разбрасывателя должна быть поверхностью с криволинейной образующей, по сравнению с наклонной прямолинейной поверхностью, обеспечивает снижение скорости семян на сходе с разбрасывателя тем самым способствует веерообразному разбрасыванию семян по площади.

Кроме того, форма криволинейной образующей разбрасывателя данного типа должна обеспечивать одинаковую скорость семян при сходе с разбрасывателя, что дает равномерное распределение семян внутри засеваемой полосы, по краям и ее постоянную ширину. При этом скорость семян, падающих на разбрасыватель, должна равняться скорости движения семян по кривой до самого схода с кривой, т. е.

V = V o = const,                                        (1)

где v - скорость зерна в произвольной точке кривой; V o - скорость зерна до падения на кривую.

Чтобы обосновать параметры распределительного устройства, принимаем, что:

• 1)    скорость падающих семян в самую верхнюю и самую нижнюю точки кривой одинакова благодаря малой величине этого расстояния по отношению к другим линейным размерам, характеризующим падение семян;

• 2)    вектор скорости падающего зерна совпадает с направлением вектора скорости скользящего зерна для каждой точки кривой. Эту предпосылку мы делаем на том основании, что максимальный угол между данными векторами не превышает 15 - 20°, что дает до 5 % погрешности.

Результаты исследования и их обсуждение

Чтобы обосновать параметры распределительного устройства, рассмотрим движение материальной частицы (зерна) в декартовой прямоугольной системе координат хОу (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема сил, возникающих при взаимодействии зерновки с поверхностью разбрасывателя

Составим дифференциальные уравнения движения зерна под действием силы веса, пренебрегая сопротивлением воздуха dv            .        ,

• m = m q sinα – ƒ N;

  
  

N = m q cosa + m —, p где m - масса зерна; q - ускорение силы тяжести; ƒ - коэффициент трения зерна о поверхность разбрасывателя; ρ - радиус кривизны образующей; N - нормальная реакция.

Практически на сошнике распределительное устройство может быть выглядеть следующим образом (рис. 2):

Рисунок 2 – Сошник сеялки СЗС-2,1: 1 - разбрасыватель семян; 2 - лаповый сошник;

/3- угол наклона образующей; h - высота установки отражателя семян от дна борозды

При этом проблема заключается в обосновании конструкции разбрасывателя и ее рациональном размещении в подсошниковом пространстве сошника. Поэтому, чтобы конструктивно разместить разбрасыватель в полости сошника, необходимо заменить образующую кривую с учетом расположения в ее нижнем конце кривой с меньшим радиусом кривизны, начиная с точки А (рис. 3).

Рисунок 3 – Схема разбрасывателя семян

Для этого воспользуемся уравнением окружности y2 = (x - R)2 = R2, гдe R - радиус окружности.

Тогда зерновка от точки А будет скользить по кривой со скоростью V o , а после точки А - по окружности с уменьшающейся скоростью. Так как высота подсошникового пространства ограничена, при сходе с точки В разбрасывателя скорость зерновки должна быть направлена горизонтально. Кроме того, она будет несколько меньше по сравнению с начальной скоростью V о . Вычислим скорость зерна в точке В разбрасывателя. Составим дифференциальные уравнения движения зерна на участке АВ. Они имеют следующий вид

• p = R = const,

тогда

— = q sina — f q cosa - f —.

dt                           R

С учетом (4) запишем dv      dy          v2        dy 2

'■-  ' --f q - f -rJ1 + U)

Определив dy из (3), подставив в (5), получим

/

V — + dx Jr2(x-R)2

1/2 = - g ^x-R

⁰      $^R^2-(x-R)² ’

Решая (6), получим

/ 2 = ^ [ ³ f( ^x - Ю - (1 - 2f ² )^R ² - (х-R ² ) + c е~^{2 Гагс51п}^

.

Постоянную интегрирования С определим при x=R(1-cose) и V=/0.

Угол р зависит от размеров подсошникового пространства. При высоте лапы сошника 35—40 мм, р = 20°—25°.

После определения постоянной интегрирования (7) запишем

V 2 = [/<2 + ^ (³f^c°sp + slnP - 2f ² P)] e " ²⁽ " ^в ) + ^ [(1 - 2f ² )^2Rx-x ² \ - 3f(x - R)

Скорость вылета зерна V в при сходе с разбрасывателя в зависимости от радиуса окружности R определим при х = R:

V в = ^a + bR ,

где

a = v 2 e² f ⁽ 2 ^) , b = 7^1 [1-2 f ² + e ^2/( 2 ^-^) (sin р + 3cos р - 2f ² sin P)]R.

Из выражения 9 следует, что между скоростью вылета зерна с разбрасывателя V в и радиусом R имеется параболическая зависимость (рис. 3). Потеря скорости на участке АВ характеризуется коэффициентом Ц пот

// пот = 1- - = 1 - /4 + 4. (10)

V o \V2 V 2

Из выражения 10 и рисунка 3 следует, что с увеличением радиуса R коэффициент потери скорости т/ пот уменьшается. Но увеличение радиуса R ограничено размерами подсошникового пространства. Поэтому размер R ограничивается в пределах 25 - 30 мм, а потеря скорости скользящего по разбрасывателю зерна не превышает 30 % (рис. 4).

Рисунок 4 – Зависимость скорости зерна при сходе с разбрасывателя V в от радиуса направляющей разбрасывателя R

Из рисунка 4 видно, что с увеличением радиуса R коэффициент потери скорости // пот уменьшается. Но увеличение радиуса R ограничено размерами подсошникового пространства. Поэтому размер R ограничивается в пределах 25 - 30 мм, а потеря скорости скользящего по разбрасывателю зерна не превышает 30 % (рис. 5).

Радиус направляющей разбрасывателя R, мм

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента потери скорости Ц пот от радиуса направляющей разбрасывателя R

Равномерность размещения семян по ширине полосы, засеваемой одним сошником, улучшается, если семена, поступающие на переднюю часть разбрасывателя по ходу сошника, будут распределяться по его краям. Получается это при перекрытии верхней передней части разбрасывателя с помощью направителя семян, поставленного под углом к падающему потоку семян. Наиболее равномерно размещаются семена при направляющей в виде сегмента с углом 15–20° к вертикали, переходящий к низу в криволинейную поверхность.

Заключение

Взаимосвязь между скоростью вылета зерна с разбрасывателя V в и радиусом R имеет параболическую зависимость (рис. 3). Потеря скорости на участке АВ характеризуется коэффициентом Т пот . С увеличением радиуса R коэффициент потери скорости Т пот уменьшается. Но увеличение радиуса R ограничено размерами подсошникового пространства. Поэтому размер R ограничивается в пределах 25 - 30 мм, а потеря скорости скользящего по разбрасывателю зерна не превышает 30 % Наиболее равномерно размещаются семена при направляющей в виде сегмента с углом 15 - 20° к вертикали, переходящий книзу в криволинейную поверхность, что обеспечивает распределение семян по площади при ширине полосы 15 см почти по закону равномерной плотности.