Пневмоворошение как фактор оптимизации подачи семян пропашных культур вакуумным высевающим аппаратом

Введение. В настоящее время сельское хозяйство Российской Федерации, по крайней мере отрасль растениеводства, находится в стадии определённого подъема, который сопровождается как ростом площади посевов, так и ростом урожайности возделываемых культур. Например, валовый сбор зернобобовых вырос с 61 млн т в 2010 году до 153,8 млн т в 2022 году [1]. В том числе выросло и производство пропашных, так, например, сбор маслосемян подсолнечника, одной из наиболее популярных российских технических культур, за этот же период увеличился в 2,9 раза, а площади посевов этой культуры возросли с 7,16 до 10,13 млн га [1]. Средняя урожайность подсолнечника в России в 2022 году составила около 18,1 ц/га [1], а в отдельных хозяйствах на юге страны доходила до 60–70 ц/га. Этот показатель зависит от многих факторов – генетического потенциала растений, почвенных и климатических характеристик территории, на которой возделывается культура, и других, в том числе – от уровней обеспеченности растений элементами питания, водой и физиологически активной солнечной энергией [2, 3]. Эти показатели в свою очередь связаны с оптимальностью размещения семян, а в последующем растений по площади поля посевными машинами [4–6], которое в значительной степени определяется качеством работы высевающих аппаратов пропашных сеялок [7–10]. На практике могут применяться дозаторы семян с различными принципами действия [11], однако есть и общие территориальные закономерности, обусловленные влиянием сложившихся агроинженерных школ. Так, например, в странах Северной и Южной Америки упор делается на использование механических высевающих аппаратов и аппаратов избыточного давления, в то же время на территории России, как и в Европе, более 80% пропашных сеялок оснащены вакуумными дозаторами семян. В связи с этим целью представленного исследования является совершенствование технологического процесса высева семян пропашных культур на примере подсолнечника, как наиболее популярной отечественной пропашной культуры, вакуумным высевающим аппаратом.

Материалы и методы исследования. Основным рабочим узлом всех современных вакуумных высевающих аппаратов (далее – ВВА или аппарат) является высевающий диск с присасывающими отверстиями [12]. С одной стороны диска в семенной камере аппарата располагается слой семян, а с другой – пневмосистемой сеялки создается разрежение. Из-за возникающей разницы давлений семена прижимаются к отверстиям, вращающимся диском выносятся в нижнюю часть ВВА, где вакуум отсекается и семя падает в сошник.

В конструкции традиционных ВВА отверстия высевающих дисков делают максимально возможного диаметра для того, чтобы обеспечить гарантированное присасывание семян. При этом в большинстве случаев им захватывается несколько семян, что отрицательно сказывается на качестве посева. Для отделения избыточных семян от присасывающих отверстий в конструкции ВВА используют специальное приспособление – сбрасыватель или отсекатель «лишних» семян, который довольно сложен в настройках [13, 14].

В то же время ряд предварительных исследований показал, что поштучная подача семян может быть обеспечена и без применения отсекателей за счет использования в конструкции высевающего диска присасывающих отверстий с существенно меньшей площадью, чем в традиционных ВВА [13, 14]. При этом вероятность образования пропусков может быть снижена до приемлемого уровня за счет применения эффекта пневмоворошения (патент на полезную модель: RU 188276 U1). Этот эффект был выявлен в Азово-Черноморском инженерном институте ФГБОУ ВО Донской ГАУ и заключается в применении ряда дополнительных активирующих отверстий, которые взаимодействуют с вакуумной камерой только в зоне, примыкающей к семенной камере (рисунок 1) [15].

d оо – диаметр основных присасывающих отверстий;

d до – диаметр дополнительных активирующих отверстий Рисунок 1 – Схема модернизированного высевающего аппарата d mh – diameter of main suction holes;

d ah – diameter of additional activating holes

Figure 1 – Diagram of the modernized sowing apparatus

Таким образом, они не участвуют в дозировании, но захваченные ими семена активируют захват других семян основными присасывающими отверстиями, выполняя роль периферийной ворошилки.

Сложность использования такого подхода заключается в необходимости определения рационального сочетания площадей основных присасывающих (ОО) и дополнительных активирующих отверстий (ДО), которые традиционно задаются через их диаметры d оо и d до (рисунок 1), а также разрежение ( Р ) в вакуумной камере.

Исследование проводилось экспериментальным путем в лабораторных условиях с использованием специализированного стенда (патент на изобретение: RU 2356210 C1) в два этапа при высеве семян сорта Пионер классическим ВВА сеялки МС-8.

При проведении исследования частота вращения диска устанавливалась примерно равной 42 об/мин, что аналогично рабочей скорости посевного агрегата около 9–10 км/ч при норме высева около 4 шт./м. Сбрасыватель «лишних» семян из корпуса аппарата демонтировался. Работа ВВА фиксировалась на цифровую камеру, а затем в замедленном воспроизведении определялось количество нулевых, единичных и групповых подач семян подсолнечника. Каждое сочетание факторов исследовалось в трехкратной повторности, в каждой из которых рассматривалась подача семян 400 присасывающими отверстиями.

На первом этапе был проведен факторный эксперимент [16, 17, 18] по исследованию совместного влияния ОО, ДО и разрежения в вакуумной камере на показатели качества работы ВВА, которое традиционно оценивалось через частоту штучных подач семян ( р 1 ).

Таблица 1 – Задаваемые уровни исследуемых факторов Table 1 – Specific levels of the studied factors

Наименование фактора Name of the factor	Уровни факторов Levels of factors
	min (-1)	med (0)	max (+1)
Диаметр присасывающих отверстий ( x 1 ), d 00 , мм Diameter of suction holes ( x 1 ), d mh , mm	1,5	2,0	2,5
Диаметр активирующих отверстий ( x 2 ), d go , мм Diameter of activating holes ( X 2 ), d ah , mm	1,5	2,0	2,5
Разрежение ( x 3 ), Р , Па Depression ( x 3 ), Р , Pa	3000	5000	7000

а а а – экспериментальные высевающие диски; б – прокладка вакуумной камеры Рисунок 2 – Элементы усовершенствованного вакуумного высевающего аппарата a – experimental seeding discs; b – vacuum chamber gasket Figure 2 – Elements of improved vacuum seeding devices

б b

Задаваемые уровни исследуемых факторов, принятые на основании ряда предварительных экспериментов, приведены в таблице 1 [13, 14, 16].

На втором этапе исследования диаметр активирующих отверстий имел фиксированное значение 2 мм, принятое на основании результатов его первого этапа. Диаметр основных отверстий варьировался в диапазоне от 1,8 до 2,6 мм с шагом 0,2 мм, при этом применение каждого из пяти дисков проводилось при величинах разрежения в вакуумной камере 4500, у=0,82+0,014х1+0,011х2+0,095х3-0,048х1х2-0,115х1х3- 0,121х12-0,061х22-0,154х32,

5500 и 6500 Па. В целом второй этап носил уточняющий характер по отношению к первому.

Результаты исследования и их обсуждение. Анализ результатов, полученных при реализации факторного эксперимента с использованием известных методик [16, 17, 18] (при заданном уровне достоверности 95%) позволил получить регрессионное уравнение (1), описывающее особенности формирования единичных подач семян подсолнечника в заданных диапазонах варьирования рассматриваемых факторов.

Изолинии сечений поверхности, описываемой уравнением (1), представлены на рисунке 3.

d до, мм

а – при Р = 5000 Па; б – при d оо = 2,0 мм; в – при d до = 2,0 мм Рисунок 3 – Сечения области процесса, описываемого уравнением (1), при средних уровнях исследуемых факторов a – at P = 5000 Pa; b – at d mh = 2,0 mm; c – at d ah = 2,0 mm

Figure 3 – Cross sections of the process area described by equation (1), at average levels of the factors under study

Из данных, представленных на рисунке 3, видно, что наиболее высокая частость возникновения штучных подач семян подсолнечника достигается при диаметре активирующих отверстий около 2 мм, присасывающих отверстий – от 1,8 до 2,3 мм и при величине разрежения от 4700 до 6500 Па. Представленные изолинии не позволяют сделать более конкретный вывод о рациональных параметрах и режимах работы аппарата при высеве исследуемых семян под- солнечника, т.к. максимальное достигнутое значение частости их штучных подач составило около 0,8, при допустимом в соответствии с агротребованиями минимуме 0,93. Именно этим обусловлена необходимость проведения второго этапа исследования в определенной области варьирования факторов, обеспечивающих отклик параметра оптимизации, близкий к оптимуму, результаты которого представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Частоты нулевых ( р 0 , %), штучных ( р 1 , %) и групповых ( р г , %) подач семян подсолнечника при различном сочетании значений исследуемых переменных факторов

Table 2 – Frequencies of zero ( р 0 , %), single ( р 1 , %) and group ( р г , %) feeds of sunflower seeds with different combinations of values of the studied variable factors

Разрежение, Па Depression, Pа	Диаметр основных присасывающих отверстий, мм Diameter of main suction holes, mm
	1,8			2			2,2			2,4
	р 0	р 1	р г	р 0	р 1	р г	р 0	р 1	р г	р 0	р 1	р г
4500	1,2	94,7	4,1	1,3	86,8	11,9	1,5	79,6	18,9	2	78,2	19,8
5500	0,6	91,9	7,5	0,8	84,8	14,4	1	79,1	19,9	1,5	74	24,5
6500	0	88, 7	11,3	0,5	81,9	17,6	0	78,2	21,8	0,5	71, 7	27,8

Анализ таблицы 2 показал следующее:

– применение пневмоворошащих элементов с описанными параметрами позволяет обеспечить существенное повышение захватывающей способности присасывающих отверстий. Так, при всех их рассмотренных диаметрах обеспечивался технологически приемлемый уровень пропусков (менее 2%). Это при том, что диаметр самих присасывающих отверстий был на 13–40% меньше, чем у традиционно применяемых при высеве мелкосемянного подсолнечника высевающих дисков;

– усовершенствованный аппарат продемонстрировал хорошее качество работы при разрежении около 4,5 кПа (традиционно рекомендуемое – 3,5–4,5 кПа), что говорит о возможности его дальнейшей эксплуатации без модернизации пневмосистемы сеялки. Более того, с учетом того, что площадь основных присасывающих отверстий уменьшилась в два раза (при d оо = 2,0 мм), а дополнительные отверстия за зоной семенной камеры перекрыты, нагрузка на пневмосистему сеялки окажется ниже, чем при использовании серийных вакуумных высевающих аппаратов;

– повышение захватывающей способности присасывающих отверстий привело к сохранению достаточно большого количества двой- ных подач семян даже при малых диаметрах присасывающих отверстий;

– рациональными (позволяющими исключить применение сбрасывателя «лишних» семян) при высеве семян подсолнечника с заданными размерно-массовыми характеристиками являются: диаметр основных присасывающих отверстий d оо =1,8 мм; диаметр дополнительных присасывающих отверстий d до =2,0 мм; разрежение в вакуумной камере Н =4500 Па. При таких параметрах обеспечивается частота единичных подач семян подсолнечника около 94% и их средняя подача присасывающим отверстием – около 1,03.

Выводы. По результатам проведенного исследования к использованию предложен ВВА в котором используется высевающий диск с активирующими и основными присасывающими отверстиями, а также прокладка вакуумной камеры, изготовленная из листового пластика, с фигурным вырезом в зоне, примыкающей к семенной камере. При высеве семян подсолнечника рекомендуется принимать диаметр основных присасывающих отверстий – 1,8 мм; диаметр активирующих отверстий – 2,0 мм и разрежение в системе около 4500 Па, что позволяет обеспечить предусмотренное агротребованиями качество работы высевающего аппарата (р0≤2%, рг≤5%) без использования сбрасывате- ля «лишних» семян. По сравнению с серийными, традиционными ВВА разработка позволяет упростить конструкцию аппарата, снизить себестоимость его производства за счет исключения сбрасывателя и механизмов его регулировки, упрощения требований к изготовлению корпуса по плоскостности и параллельности в зоне его прежнего расположения; существенно упростить эксплуатацию сеялки, снизить трудоемкость подготовки высевающего аппарата фактически до нуля (ранее это была одна из наиболее трудоемких и, при этом, наименее точных настроек посевной машины); обеспечить возможность увеличения производительности посевного агрегата за счет потенциального возрастания рабочей скорости, т.к. в опыте поддерживался режим работы аппарата, соответствующий рабочей скорости сеялки около 10 км/ч.