Оптимизация параметров и режимов работы дискового высевающего аппарата по критерию равномерности высева

Животноводство является одной из стратегических отраслей АПК России в осуществлении Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013–2020 гг., а также Доктрины продовольственной безопасности. Наиболее сложным и трудоемким направлением животноводства является скотоводство. В последние годы, благодаря государственной поддержке данной отрасли, численность крупного рогатого скота постепенно увеличивается. В связи с этим возникает необходимость производства высококачественных кормов, удовлетворяющих основным потребностям высокопродуктивных животных. Определяющее значение в обеспечении оптимального рациона кормления животных имеют многолетние травы. Они являются универсальным сырьем для приготовления кормов для различных групп животных.

Правильная система организации кормопроизводства предусматривает обязательное наличие посевов семенников трав, агротехника возделывания которых накладывает жесткие требо- вания к размещению растений на площади питания1. Установлено, что наиболее эффективным способом посева семенников мелкосеменных культур (люцерна, клевер) является широкорядный, а именно пунктирно-гнездовой, способствующий успешному плодоношению. В таких посевах создаются благоприятные для развития растений условия освещения, опыления, температурного, воздушного и водного режимов, что в итоге влияет на качество и количество будущего урожая2 [1].

Обзор литературы

Для реализации вышеупомянутого способа используют, как правило, сеялки точного высева с вертикальнодисковыми высевающими аппаратами, отличающиеся простотой конструкции и высокой надежностью. К тому же точка схода семян с дозатора максимально приближена к поверхности почвы, что благоприятно сказывается на равномерности распределения семян в борозде [2].

Многочисленные исследования в области совершенствования посевных машин указывают на то, что именно вертикально-дисковые высевающие аппараты имеют резерв повышения точности дозирования семян при высеве мелкосеменных культур [3–4].

При проектировании аппаратов точного высева необходимо учитывать следующие условия:

– использование данных аппаратов целесообразно при окружной скорости

MORDOVIA UNIVERSITY BULLETIN высевающего диска не выше 0,22 м/с, т. к. с увеличением данного показателя резко возрастает травмированность семян и ухудшается заполняемость ячеек [2; 5];

• - оптимальная скорость посева семенников мелкосеменных культур должна находиться в интервале от 1,4 до 2,1 м/с, т. к. в данном диапазоне скоростей наблюдается максимально равномерное распределение семян в борозде^3–4.

Материалы и методы

С учетом вышеизложенных условий в ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет» разработан экспериментальный вертикально-дисковый высевающий аппарат для посева мелкосеменных культур (рис. 1) [6–9]. Процесс функционирования вертикально-дискового высевающего аппарата находится в сложной зависимости от множества факторов, каждый из которых оказывает влияние на качественные показатели его работы. На основании поисковых исследований было отобрано несколько факторов, оказывающих наибольшее влияние на равномерность дозирования семян ( х ₁ – окружная скорость диска; х ₂ – скорость МТА; х ₃ – глубина ячеек; х 4 - диаметр ячеек; х 5 - количество ячеек на высевающем диске); остальными малозначимыми факторами можно было пренебречь⁵. Обозначим натуральные значения факторов V _д , V _а , h _я , d и n , которым соответствуют кодовые х ” х 2 , х 3 , х ₄ , х 5 .

Р и с. 1. Экспериментальный вертикально-дисковый высевающий аппарат:

1 – высевающий диск; 2 – ячейки; 3 – зубчатка; 4 – планка; 5 – корпус; 6 – отражатель;

• 7    – вставка

F i g. 1. Experimental vertical disk sowing device: 1 – sowing disk; 2 – cell; 3 – gear; 4 – plank;

• 5    – hull; 6 – seeds regulator; 7 – insertion

Уровни варьирования факторов вы-     Для описания процесса высева мел- браны на основании предварительных косеменных культур используем дроб-исследований и представлены в табл. 1. но-факторный эксперимент6. В каче-

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Интервалы и уровни варьирования факторов / Intervals and the variation levels of the factors

Независимые факторы (переменные) / Independent factors (variables) Уровни варьирования / Variation levels В кодированном виде / Coded views В натуральном виде / Natural views –1 0 +1 х1 Vд, м/с / Vд, m/s 0,12 0,185 0,25 х2 Vа, км/ч / Vа, km/h 3,4 5,45 7,5 х3 hя, мм / hя, mm 1 1,5 2 х 4 dя, мм / dя, mm 2,5 3,75 5 х5 nя, шт / nя, pc 60 70 80 стве параметров оптимизации примем равномерность количества семян в одном гнезде и равномерность среднего расстояния между соседними гнездами.

В табл. 2 представлен план эксперимента N = 2 ^{k –1} и подсчитаны значения параметров оптимизации.

Исследования опытного образца высевающего устройства проводились на экспериментальном стенде кафедры мобильных энергетических средств и сельскохозяйственных машин имени профессора А. И. Лещанкина Института механики и энергетики. Данный стенд представляет собой почвенный канал

с подвижным модулем и контрольно-измерительным оборудованием7. Рабочие элементы экспериментального стенда учитывали особенности испытания рабочих органов сельскохозяйственных машин8 [10–12], что позволило провести эксперименты на достаточно высоком уровне.

Результаты исследования

После проведения опытов и обработки экспериментальных данных были получены математические модели технологического процесса высева семян мелкосеменных культур опытным образцом вертикально-дискового высевающего ап-

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

План дробно-факторного эксперимента /

Plan of fractional-factor experiment

Номер опыта / Number of experiment Независимые факторы / Independent factors Значения параметров оптимизации / Optimization parameter values х1 х2 х3 х4 х5 ν(N) ν(l) 1 –1 1 –1 –1 –1 9,3 9,2 2 1 1 1 –1 –1 15,1 4,7 3 –1 1 –1 1 1 13,9 13,8 4 1 1 –1 –1 1 6,5 9,2 5 1 1 1 1 1 2,0 14,6 6 1 1 –1 1 –1 13,7 7,0 7 1 –1 –1 –1 –1 2,8 4,4 8 –1 –1 –1 –1 1 14,8 6,3 9 –1 –1 1 1 1 7,9 3,8 10 1 –1 –1 1 1 2,8 3,9 11 –1 –1 –1 1 –1 4,4 16,4 12 –1 1 1 –1 1 2,8 6,2 13 1 –1 1 1 –1 1,8 4,2 14 –1 –1 1 –1 –1 4,1 5,0 15 1 –1 1 1 1 4,3 13,2 16 –1 1 1 1 –1 2,7 2,5 парата в зависимости от его конструктивных и кинематических параметров:

v(N) = 10,8+3,7 х j - 5,7 х 3 + 2,7 х ₄ +

+ 4,4 х ₅ - 2,5 х 1 х ₂ - 3 х 1 х 3 + 3,9 х 1 х ₄ +

+3,8 х 2 х 3 - 3,5 х 2 х ₄ - 5 х 2 х ₅ - 5,5 х 3 х ₄ -

- 5,3 х 3 х ₅ + х ₄ х ₅ ; (1)

v(l)=7,8 + 0,63 х 2 - х ₃ + 1,1 х ₅ +

+ 2,5 х ₁ х ₃ - 0,73 х ₁ х ₄ + 1,47 х ₁ х ₅ + + 1,45 х 2 х ₅ - х ₃ х ₄ + 1,57 х ₃ х ₅ . (2)

Результаты экспериментов были обработаны с использованием программного комплекса Pareto9–10. На основе многокритериальной оптимизации были получены параметры и режимы работы, оптимальные для экспериментального высевающего аппарата. Опытные данные приведены в закодированном виде в табл. 3.

Из анализа уравнений регрессии (1–2), а также данных табл. 3 следует, что глубина и диаметр ячеек ( х ₃ , х ₄ ) стремятся к максимальным значениям, что благоприятно влияет на параметры оптимизации. Количество ячеек на высевающем диске ( х ₅ ) также стремится к максимуму, что дополнительно подтверждено результатами ряда опытов по определению влияния числа ячеек на травмированность семян [13].

Влияние окружной скорости высевающего диска и скорости машинно-тракторного агрегата (МТА) на равномерность высева представлено на рис. 2–3.

Анализируя результаты исследования (рис. 2–3), приходим к выводу, что кинематические режимы работы экспериментального высевающего аппарата оказывают максимальное влияние на равномерность высева семян вдоль

Т а б л и ц а 3

T a b l e 3

Оптимальные значения параметров экспериментального аппарата / Optimal values of experimental apparatus parameters

Окружная скорость диска, х1 / Peripheral speed of the disk, х1	Скорость МТА, х2 / Sowing speed, х2	Глубина ячеек, х3 / Depth of cells, х3	Диаметр ячеек, х4 / Diameter of the cell, х4	Количество ячеек на диске, х5 / Number of cells on disk, х5
0,93	0,84	0,95	0,83	0,68
0,80	0,93	0,83	0,97	0,91
0,83	0,74	0,91	0,73	1,00
0,59	0,82	0,89	1,00	0,95
0,91	1,00	0,73	0,91	0,94
0,75	0,59	0,94	0,90	0,74
0,84	0,64	1,00	0,85	0,50
1,00	0,74	0,79	0,84	0,83
0,64	0,50	0,98	0,82	0,79
0,98	0,98	1,00	0,63	0,72
0,77	0,62	0,90	0,79	0,89
0,68	0,91	0,95	0,78	0,93
0,96	0,58	0,96	0,71	0,62
0,78	0,97	0,93	0,87	0,77

⁹ Подиновский В. В., Ногин В. Д. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач. М. : Наука, 1989. 192 с.

¹⁰ Акимов А. П., Константинов Ю. В. Оптимизация параметров и режимов функционирова ния дисков почвообрабатывающих машин и орудий . Чебоксары, 2017. 136 с.

Р и с. 2. Влияние окружной скорости диска и скорости МТА на равномерность высева семян вдоль рядка

F i g. 2. The influence of disc peripheral velocity and speed movement of the seed drill for uniform seed sowing along the row

Р и с. 3. Влияние окружной скорости диска и скорости МТА на равномерность числа семян в одном гнезде

F i g. 3. The influence of the circumferential speed of the disc and the speed of the seeder on the uniformity of the number of seeds in one nest рядка, и минимальное – на равномерность числа семян в одном гнезде.

Обсуждение и заключения

В результате исследования параметров и режимов работы экспериментального высевающего аппарата сеялки для пунктирно-гнездового посева семенни-

ков мелкосеменных культур установлены ее оптимальные параметры: диаметр ячейки – 5 мм; глубина ячейки – 2 мм; число ячеек на диске – 80 шт; окружная скорость диска находится в диапазоне от 0,127 до 0,192 м/с, а скорость агрегата составляет не более 2 м/с.

Поступила 01.02.2018; принята к публикации 10.04.2018; опубликована онлайн 20.09.2018

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.