Параметры и режимы работы гидравлической мини-сеялки мелкосемянных овощных культур

Введение . В области выращивания сельскохозяйственных растений с использованием воды и суспензий обозначена тенденция развития гидропосева газонной травы. Направление менее изучено для посева мелких проклюнувшихся и пророщенных семян овощей, поскольку специализируется на семенах арбуза, тыквы, огурцов и табака. Отсутствуют исследования для гидропосева семян моркови, петрушки, укропа, салата, томатов и сельдерея. Таким образом, актуальными являются теоретические изыскания, направленные на обоснование способа и технических решений посева мелкосеменных культур в условиях открытого и закрытого грунта. Проблема заключается в отсутствии конструктивно-технологической схемы резервуара для формирования посевной смеси мелкосемянных культур, конструктивно-режимных показателей гидравлической мини-сеялки рядкового посева для повышения его эффективности.

Цель исследования . Оптимизация параметров и режимов работы гидравлической мини-сеялки рядкового посева.

Материалы и методы . Выполнялись теоретические исследования процесса гомогенизации посевной смеси, потребной мощности при работе резервуара для формирования посевной смеси. Лабораторные исследования проводились в Кубанском государственном аграрном университете, полевые – в личных подсобных хозяйствах Крымского района Краснодарского края.

Результаты исследования . Получены выражения, описывающие зависимость величины средней окружной скорости потока посевной смеси, а также мощности при работе резервуара для ее формирования при различных сочетаниях конструктивных и режимных параметров. Представлена аналитическая зависимость, описывающая величину концентрации семян в несущей среде в заданный момент времени на фиксированной точке высоты резервуара.

Обсуждение и заключение . Оптимальные параметры и режимы работы универсальной гидросеялки по шагу посева: частота вращения мешалки – 92 мин^–1; величина открытия крана – 47 %; скорость сеялки – 3,1 м/с при шаге посева 20,5 мм; по коэффициенту вариации шага посева: частота вращения мешалки – 87 мин^–1; величина открытия крана – 56 %; скорость сеялки – 2,7 м/с при вариации шага посева 15 %. Перспективным и заслуживающим дальнейшего развития направлением является использование суспензий для гидропосева овощных культур.

Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License .

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License .

Parameters and Modes of a Hydraulic Mini Seeder Operation for Small-Seeded Vegetable Crops

Е. V. Truflyak , I. S. Skorobogachenko, V. I. Konovalov

Kuban State Agrarian University (Krasnodar, Russian Federation) ■ ■ trufliak@mail.ru

Introduction . In the area of sowing with water and suspensions, there has been observed the trend of the development of hydroseeding lawn grass. The direction is less studied for sowing small seeds (germinated and sprouted) of vegetables. Existing works are mainly aimed at substinating the sowing of germinated seeds of watermelons, pumpkins, cucumbers and tobacco. At the same time, there are no studies for hydroseeding of carrot, parsley, dill, lettuce, tomatoes and celery seeds. Thus, theoretical research aimed at substantiating the method and technical solutions for sowing small-seeded crops in open and closed ground conditions are relevant. The problem is the lack of constructive-technological scheme of the tank for formation of sowing mixture of small-seeded crops, design and mode parameters of hydraulic mini seeder for sowing in drills to increase the efficiency of sowing.

Aim of the Study . The study is aimed at optimizing parameters and modes for operation of a hydraulic mini seeder for sowing in drills.

Materials and Methods. Theoretical studies of the process of homogenization of the seed mixture, power consumption during the operation of the reservoir for the formation of the seed mixture were carried out. Laboratory studies were carried out in Kuban State Agrarian University, field studies in private farms of Krymsky district of Krasnodar Krai.

Results. There have been jbtained the expressions describing the dependence of the value of the average circumferential velocity of the seed mixture flow and the power during the operation of the reservoir for the formation of seed mixture for various combinations of design and operating parameters. The analytical dependence describing the value of seed concentration in the carrier medium at a specified moment of time at a fixed point of the tank height is presented.

Discussion and Conclusion. Optimal parameters and modes for the operation of a universal hydroseeder for a seeding step are: agitator rotation frequency ‒ 92 min^–1; crane opening value – 47%; seeder speed – 3.1 m/s at seeding step 20.5 mm; for seeding step variation coefficient: agitator rotation frequency ‒ 87 min^–1; crane opening value – 56%; seeder speed – 2.7 m/s at seeding step variation 15%. The use of suspensions for hydroseeding vegetable crops is promising and should be developed.

Введение. На территории России более 20 видов овощных культур имеют массовое распространение. Площади, отведенные под посев и сбор урожая овощных культур, в хозяйствах всех категорий за последние 5 лет показывают стабильный Agricultural engineering 245

^J ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ Том 34, № 2. 2024 рост. Отрасль закрытого грунта в стране стремится к полному импортозамещению. По данным Росстата, уровень самообеспечения в 2021 г. достиг 71,7 %.

Для посева газонной травы в последнее время используется гидравлический способ, заключающийся в перемешивании в емкости семян, воды, геля, красителя, удобрений и их дальнейшем равномерном распределении через шланг на почву.

Способ использования воды и суспензий для посева мелких семян овощей является менее изученным. Обеспечение урожайности овощных культур закладывается на этапе качественного посева, но в настоящий момент отсутствуют универсальные сеялки для гидравлического посева мелкосемянных овощных культур (проклюнувшихся и пророщенных) с использованием в качестве перемешивающего и транспортирующего компонента воду.

Актуальными являются вопросы теоретического и экспериментального исследования способа гидравлического посева и технических решений для его осуществления в условиях открытого и закрытого грунта. Необходимо обосновать параметры и режимы работы универсальной гидравлической мини-сеялки мелкосемянных овощных культур.

Проблемой является отсутствие конструктивно-технологической схемы резервуара для формирования посевной смеси мелкосемянных культур, конструктивно-режимных показателей гидравлической мини-сеялки рядкового посева для повышения эффективности данного процесса.

Целью настоящей работы является оптимизация параметров и режимов работы гидравлической мини-сеялки рядкового посева.

Обзор литературы. Термином «гидропосев» в настоящее время обозначается способ посева травы для газонов и склонов. При таком методе применяется смесь, в которую входят семена, мульчирующий материал, краситель и другие элементы (рис. 1)¹.

Наиболее распространенными являются гидросеялки водометного типа перемешивания, центробежный насос которых прокачивает пульпу в режиме рециркуляции (рис. 2) [1].

Гидросеялки универсального типа имеют в баке валы с лопастями для подготовки эмульсий, что обеспечивает равномерное распределение компонентов по объему и поддерживает их в гомогенном состоянии до опустошения бака [2].

Рассмотрим технологические решения для гидропосеве мелкосемянных культур. Гидросеялка СТР-2 (рис. 3), в которой взвешенное состояние семян обеспечивается механической и пневматической мешалками, предназначена для осуществления посева в теплицах [3–6].

На рисунке 4 представлена разбросная сеялка СПТ-2, агрегатируемая с трактором Т-16.

Р и с. 1. Фото гидропосева газонной травы

F i g. 1. Photo of hydroseeding lawn grass

Источник изображений:

Image source:

Типы установок / Types of installations

Гидросидер / Hydrocider

Р и с. 2. Типы гидросеялок

F i g. 2. Types of hydroseeders

С целью обеспечения равномерного расхода рабочей жидкости с семенами предложено посевное устройство с сосудом Мариотта, предназначенное для посева при постоянном давлении (рис. 5). Также разработана гидросеялка с пневматическим способом перемешивания (рис. 6).

Agricultural engineering 247

Учеными Волгоградского государственного аграрного университета предложена сеялка для посева пророщенных семян на основе сеялки СУПН-8 (рис. 7, 8) [7; 8].

Р и с. 3. Рядковая сеялка СТР-2

F i g. 3. Row seeder STR-2

Р и с. 4. Разбросная сеялка СПТ-2

F i g. 4. Spreading seeder SPT-2

Источник изображений: Image source:

Р и с. 5. Схема сеялки           Р и с. 6. Схема для гидравлического посева семян

F i g. 5. Seeder diagram                F i g. 6. Diagram for hydraulic seed sowing

Источник изображений: Image source:

Р и с. 7. Общий вид сеялки

F i g. 7. General view of the planter

Р и с. 8. Посев пророщенных овощных культур F i g. 8. Sowing germinated vegetable crops

Источник изображений: Iimage source:

Гидравлическая сеялка [9] снабжена механической мешалкой с П-образными перемешивающими элементами для равномерного распределения семян в воде при небольшой частоте вращения.

В работах Е. В. Труфляка и соавторов изучен гидравлический посев овощных культур с электроактивированной водой [10; 11].

Анализ исследований по теме показал, что существующие машины не предназначены для посева семян овощных культур, так как не обеспечивают равномерное перемешивание их с водой. В случае посева пророщенных семян они могут их травмировать. В настоящей работе предлагается схема уникальной гидросеялки, которая позволяет высевать различные овощные культуры с проклюнувшимися ростками. Разработанная гидросеялка может использоваться и в теплицах.

В предлагаемой нами сеялке для мелкосемянных овощных культур в высевающем аппарате использована мешалка, предназначенная для смешивания семян с водой, поддержания однородности и равномерного перемещения в семяпровод.

С целью рассмотрения вопроса степени технической проработки результатов интеллектуальной деятельности в области гидропосева проведен патентный анализ (табл. 1) по сайту Федерального института промышленной собственности2, а также реестру патентов и изобретений3.

На основании обзора патентов и авторских свидетельств в области конструкций сеялок для гидравлического посева выявлен ряд недостатков: отсутствие возможности рядкового посева различных мелкосемянных овощных культур; сложность конструкций, имеющих дополнительные пневматические устройства; неравномерное перемешивание семян; неравномерный высев мелкосемянных овощных культур в ряды; повреждение предварительно пророщенных семян и ростков, налипание их на детали.

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Рассмотрим зарубежные работы в данном направлении.

В своем исследовании П. Бансал освещает вопрос разработки и производства высевающего аппарата, основанного на гидравлическом принципе таких семян, как рис, арахис, горох, кукуруза и др. [19].

Исследование пневматического оборудования для высева мелких семян в стаканчики представлено в работе В. Пастухова и соавторов [20].

Разработан комплект гидроструйного устройства для автоматического управления тремя операциями: сбрасыванием, подачей семян и контролем струи семян [21].

Влияние гидропосева на урожайность трав и эффективность использования воды на искусственных почвенных склонах лесных дорог рассмотрено в статье А. Парсаху и коллег [22].

Существующие гидросеялки не обеспечивают равномерного перемешивания семян овощных культур с водой. В случае посева пророщенных семян они могут травмировать их. В настоящей работе предлагается универсальная гидросеялка, которая позволяет высевать различные овощные культуры с проклюнувшимися ростками.

Материалы и методы. Экспериментальная установка гидросеялки автоматизированной с электрическим приводом мешалки и заслонки представлена на рисунке 9.

а)                                                      б)

Р и с. 9. Гидросеялка автоматизированная с электрическим приводом мешалки и заслонки: а) вид спереди; б) общий вид; 1 – АКБ; 2 – моторедуктор для привода мешалки;

3 – двигатель для привода колес; 4 – электропривод заслонки; 5 – кнопки включения привода колес, мешалки, электроцилиндра; 6 – пульт дистанционного управления.

Автор фотографий Е. В. Труфляк, 2023 г.

F i g. 9. Automated hydroseeder with electric drive of agitator and flap:

a) front view; b) general view; 1 – battery; 2 – geared motor for agitator drive;

3 – motor for wheel drive; 4 – electric drive of flap;

5 – buttons for wheel drive, agitator, electric cylinder; 6 – remote control unit. The photos are made by E.V. Truflyak, 2023

В конструкции сеялки для устранения зависимости «уровень заполнения – скорость вылива» применялась конструкция сосуда Мариотта (рис. 10). Для увеличения равномерности распределения семян и предотвращения образования воронки Agricultural engineering                                                                        251

использовались отражающие перегородки, которые служат для организации потока жидкости путем снижения окружной составляющей потока и увеличения осевой и радиальной составляющих.

а)                                                        б)

Рис. 10. Бункер, выполненный с использованием принципа сосуда Мариотта: а) бункер в сборе с трубкой; б) трубка.

Автор фотографий Е. В. Труфляк, 2023 г.

Fig. 10. Bunker made using the principle of Marriottʼs vessel: a) hopper assembled with a tube; b) tube. The photos are made by E.V. Truflyak, 2023

Полевые эксперименты выполнялись с использованием семян 10 овощных культур: моркови, укропа, салата листового, петрушки, редиса, лука, капусты белокачанной, томата, капусты цветной, огурцов.

Исследования проводились в Крымском районе на участке размером 10 на 15 м (рис. 11). Ширина междурядий – 25 см. Осуществлялся посев по 2 ряда каждым способом: гидропосев предварительно замоченных на 10 ч в воде семян; гидропосев предварительно незамоченных семян (семена заранее смешивались в бункере с водой); ручной посев.

Р и с. 11. Фото всходов овощных культур. Автор фотографии Е. В. Труфляк, 2023 г.

F i g. 11. Photo of vegetable crops sprouting. The photos are made by E.V. Truflyak, 2023

Результаты исследования. Рассмотрим общий расход посевной смеси с учетом исследований В. А. Архипова, А. С. Усанина и др. (рис. 12)⁴:

Q ем

0,056 • 10-4npaMQ(5V11д + 9RJC + 1)

P сем tдСУ где Qсм – расход посевной смеси, м3/с; nр – количество одновременно засеваемых рядков, шт.; aм – величина междурядья, м; Q – норма высева, кг/га; Vс – скорость движения сеялки, км/ч; tд – время движения сеялки, с; Rотв – радиус выпускного отверстия, м; СV – объемная доля семян в смеси; ρсем – плотность семян, г/м3.

Разработанная конструктивно-технологическая схема резервуара для формирования посевной смеси мелкосемянных культур (рис. 13) предусматривает работу в двух режимах. В первом режиме в резервуар заливается жидкая среда и засыпаются семена, затем включается привод мешалки и в резервуаре создается гомогенная концентрация смеси семян и жидкой среды. Во втором режиме начинается рабочий ход сеялки, одновременно с которым открывается дозирующее устройство и производится высев семян. Таким образом, в первом режиме работы необходимо определить параметры действия перемешивающего устройства для создания гомогенно-концентрированной смеси.

Наиболее часто в полуэмпирических гипотезах турбулентного движения макромасштабное распределение концентраций твердых частиц в потоке рассматривается как результат двух одновременно протекающих процессов – конвективного переноса в направлении течения осредненного потока смеси и турбулентной диффузии. Интенсивность турбулентного переноса твердых частиц в жидкой среде определяется коэффициентом диффузии D_Т , который характеризуется величиной его составляющих по осям, называемым локальными значениями коэффициента турбулентной диффузии D Tx , D Ty , D Tz . При этом выражение для макромасштабного переноса твердых частиц в несущей среде, с учетом составляющих направления течения и турбулентной диффузии, имеет вид:

a a

— + v

a t

x

a a

— + v

a x

y

a a

— + v?

a y     z

a a ^a( D Tx % ) ^a( D Ty a A » ^{a (} D T I» — a z a x a y a z

= 0,

где с - концентрация; t - момент времени, с; D Tx , D Ty , D T_z - локальные значения коэффициентов турбулентной диффузии в направлении осей x , y , z , м²/с; V_x , V_y , V_z – составляющие скорости осредненного потока смеси в направлении осей x , y , z , м/с.

На рисунке 14 показана схема диффузионно-циркуляционной модели резервуара для формирования посевной смеси мелкосемянных культур.

Р и с. 12. Зависимости «расход посевной – конструктивно-режимные параметры сеялки» при n _р = 1; a _м = 0,5 м; R _отв = 0,02 м; ρ _сем = 120 кг/м³

F i g. 12. Dependencies «seed rate – design and mode parameters of the seeder» at n _р = 1; a _м = 0.5 m; R _отв = 0.02 m; ρ _сем = 120 kg/m³

Источник: составлено авторами.

Source: Compiled by the authors.

Р и с. 13. Конструктивно-технологическая схема резервуара для формирования посевной смеси мелкосемянных культур

F i g. 13. Structural-technological scheme of the tank for the formation of seed mixture of small-seeded crops

Источник: составлено авторами. Source: Compiled by the authors.

а)                                                      б)

Р и с. 14. Схема диффузионно-циркуляционной модели резервуара для формирования посевной смеси мелкосемянных культур: а) вид сбоку; б) вид сверху

F i g. 14. Schematic diagram of diffusion-circulation model of the reservoir for formation of a seed mixture of small-seeded crops sowing mixture of small-seeded crops: a) side view; b) top view

Источник: составлено авторами. Source: Compiled by the authors.

Зависимость крутящего момента от радиуса резервуара, оборотов мешалки и плотности смеси имеет криволинейный вид, при этом наибольшее влияние оказывает радиус резервуара, а наименьшее – плотность смеси (рис. 15).

При увеличении радиуса резервуара R _рез с 0,1 до 0,6 м крутящий момент М _кр возрастает практически в 7 800 раз, а при увеличении плотности ρ _см смеси с 800 до 1800 кг/м³ момент М _кр возрастает в 2,3 раза. Перечисленные элементы такое же влияние оказывают на величину средней окружной скорости. Поскольку в посевных машинах радиус резервуара заложен конструктивно и в процессе эксплуатации не изменяется, то наиболее целесообразно в качестве регулировочного параметра использовать обороты мешалки. Изменение плотности посевной смеси путем увеличения концентрации семян или использования в качестве несущей среды жидкости с большей плотностью будет приводить к незначительному росту крутящего момента, а также момента сопротивления, что не будет оказывать существенного влияния на процесс гомогенизации посевной смеси.

Мощность, необходимая для перемешивания посевной смеси, представлена следующим образом:

^N = ® меш

MSAAmSlQL+W^^                  _ x                               (14,046-1018 Hрез +55-1055 RJ2

73,3-10 3 AA (1,3-1015 R; 3 216,8-1033 H2+3,4-1036 HBe3A2+828,1-1030 A)                  ’ pto                        pto                    pto

(14,046 - 10¹⁸ H _pto + 55 - 10⁵⁵ R _{p to} )²

где ωмеш – угловая скорость мешалки, рад/с; ρсм – плотность смеси, кг/м3; Rрез – радиус резервуара, м; Hрез – величина заполнения резервуара, м;

A2 = 7186,808 • 10-6 Hp2e3 - 221,718 • 1Q-12 Re3 - 62,269 • 1Q-6 Rpe3Hpe3;A3 “ Рсм®меш Rpез’ A4 = Hрез - Rpез’ A “ 3 Hрез - Rpез’ A6 = Rpe3Hрез.

Р и с. 15. График зависимости крутящего момента мешалки и общего момента сопротивления резервуара для формирования посевной смеси мелкосемянных культур при Н _о.п. = ⅔ Н _рез, Н _рез = 3 R _рез, μ = 1,002·10^-3Па·с

F i g. 15. Graph of dependence of agitator torque and total torque of the tank resistance for the formation of the seed mixture of small-seeded crops at Н _о.п. = ⅔ Н _рез, Н _рез = 3 R _рез, μ = 1.002·10^-3Па·с

Источник: составлено авторами.

Source: Compiled by the authors.

Концентрацию семян в несущей среде в заданный момент времени на фиксированной точке высоты резервуара запишем как:

c (h, t) =

ni сем

S Л пот         эф

n