Проектирование сеялки к лесопосадочному лункообразователю

На нераскорчеванных вырубках с сильнокаменистыми или щебенистыми почвами в таежной зоне качественную посадку саженцев и сеянцев обеспечить крайне сложно и очень трудоемко по причинам, связанным с образованием посадочных мест в почве. В условиях Республики Карелия это вырубки из-под хвойных и смешанных типов леса с черничным покровом [1, 2].

Основными способами искусственного лесовосстановления на таких площадях в Республике Карелия в настоящее время являются ручная посадка сеянцев сосны или ели под меч Колесова в полосы, подготовленные дисковыми покровосдирателями (типа ПДН-1А). Основным недостатком покровосдирателей являются частые поломки дисков при неизбежных встречах с камнями. При наработке на отказ менее 1–2 рабочих смен покровосдиратель, как средство механизации лесохозяйственных работ, становится неэффективным [2, 3].

В Петрозаводском государственном университете (ПетрГУ) разработаны лесопосадочные лункообразо-ватели динамического действия Л-2У. Применение лункообразователей типа Л-2У с динамическими рабочими органами конструкции ПетрГУ решает проблему посадки леса при создании лесных культур на вырубках с каменистыми почвами без корчевки пней. Однако на щебенистых почвах и при каменистости свыше 65 % (по вероятности встречи с препятствиями) подготовить необходимое количество посадочных мест на единице площади (порядка 4000 шт./га) затруднительно [3].

Для расширения технологических возможностей лесопосадочного динамического лункообразователя типа Л-2У разработано сменное приспособление Л-2УС для посева леса и содействия естественному возобновлению путем поверхностной обработки почвы (рис. 1). Для посева используются высевающие аппараты лабиринтного типа от ПДН-1А (ПДН-2), а для обработки почвы – лыжи Л-2У [4, 5].

Монтаж секции высевающего приспособления на рычаг лункообразователь Л-2У представлен на рисунке 2. Семенной барабан крепится на одном валу с опорно-приводным колесом на подпружиненном рычаге Л-2У, вместо рабочего органа для образования лунок. Глубина борозды задается положением рыхлителя по отношению к опорной поверхности лыжи. Размеры частей приспособления, их взаимное расположение и кинематика должны обеспечить работу в соответствии с агротехническими требованиями к посеву лесных семян [1].

При обосновании технологических параметров высевающего приспособления к лункообразователю необходимо решить следующие задачи [5]:

• 1.    Обеспечить скорость вращения семенного барабана в пределах, не создающих помех для свободного пересыпания семян внутри его.

• 2.    Определить соотношение диаметра опорноприводного колеса и количества дозаторов на барабане для реального диапазона шага посева.

• 3.    Установить связь между параметрами высевающего приспособления, площадью и расположением пятна рассеивания семян (рис. 3, 4).

Принимая во внимание, что скорость агрегата выбирается по условиям работы, а радиус семенного барабана известен, определяем величину радиуса опорноприводного колеса по формуле:

v_а ² ⋅ (1 - ε )² ⋅ R_б                       (1)

k⋅g ,

где R – радиус опорно-приводного колеса, м; v_a – скорость движения агрегата при посеве, м/с; ε – коэффициент проскальзывания опорноприводного колеса по почве;

R б – радиус семенного барабана,

м; k – показатель кинематического режима семенного барабана;

g – ускорение свободного падения, м/с².

Рис. 1. Высевающее приспособление Л-2УС, установленное на рычаги лункообразователя Л-2У

Рис. 4. Схема для расчета траектории полета семян

Рис. 2. Расположение сборочных единиц приспособления Л-2УС

Длина A и ширина B площади пятна рассеивания семян определяется так (см. рис. 3 и 4):

A = l + 2 • W • tg y ; B = j + 2 • W • tg ^ ;     ⁽³⁾

W =

z j 71 + 4 • m2 • x2 + 4 • m • n • x + n2 dx;

q

- n • ( L 1 - R₆ • cos a j- H ₁

( L 1 - R₆ • cos a 1 ) ²     ’

v • cos « 1

n =--~--- :—;

va ^- vop • sin « 1

Рис. 3. Схема для расчета места падения семян

l = L - L i ; L = L 2 + L 3 ;                     (7)

^L 1 = ⁽ v a - v r У t ^{+ R}6 • ^C0S « < ;                  ⁽⁸⁾

_   2 • n-R • ( a - a )             a • 360

L, =-------- , x ; a = a +--------;

³       360 • ( i - e )         ^{2    1} 2 • П- R ₆

H 1 = R - R₆ • sin a 1 ; H ₂ = R - R₆ • sin a ₂;    ⁽¹⁰⁾

• V a • ^{(1 - e} ) • ^{C0S a} 1 t = - R -------------+---->

g

Минимальное значение радиуса опорно-приводного колеса выбирается по условию преодоления препятствий на вырубке по данным [6].

Определение количества дозаторов z на семенном барабане высевающего приспособления производится по известной формуле [7]:

^ l +

V • (1 - e ) • cos a 1

g

2 • H,

+-----1

g

z =

2 n R

(1 — e ) • 5 ’

где S – заданный шаг строчно-луночного посева, м.

Значение z должно быть округлено до целого числа, что достигается корректировкой величины радиуса опорно-приводного колеса. В реальных условиях вырубок величина шага S может произвольно изменяться в некоторых пределах, в зависимости от проскальзывания опорно-приводного колеса.

^voKP = R T • ^va ' (! - e ); v r = R T • v a • ^{(1 - e} ) • ^{sin a} 1 ,    ⁽¹²⁾

RR где j – ширина окна дозатора, м;

у - угол рассеивания семян, град.;

q и z – абсциссы концов дуги U ₁ K ₁ ( U ₁ – точка отрыва семени от барабана);

L – расстояние между точками О и К ₂ (на рис. 3 не показано), м;

L ₁ – расстояние от проекции центра барабана на опорную поверхность (точка О ) в момент сброса первого семени до точки К ₁ контакта этого семени с опорной поверхностью, м;

L ₂ – расстояние от проекции центра барабана на поверхность до точки К ₂ в момент сброса последнего семени;

L ₃ – величина горизонтального перемещения центра барабана за время поворота его от угла α 1 до α 2 ;

H ₁ – высота точки сброса первого семени, м;

H ₂ – высота точки сброса последнего семени, м;

v_окр – окружная скорость семенного барабана, м/с;

v_в , v_г – соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие окружной скорости семенного барабана, м/с;

v_t – вертикальная скорость семян в конце падения, м/с;

α ₁, α ₂ – углы, соответствующие крайним точкам сброса семян из барабана (отсчитываются от горизонтали), град.;

t – время перемещения семени до поверхности почвы, с.

Рис. 5. Зависимость площадь рассеивания семян от радиуса приводного колеса и скорости агрегата

Величина L ₂ определяется по формуле для расчета L ₁, в которую вместо α ₁ и Н ₁ подставляют соответственно α ₂ и Н ₂.

Установлено [5], что площадь рассеивания семян представляет собой эллипс, площадь которого определяется по общеизвестной формуле:

π ⋅ A ⋅ B (13)

F п 4 .

Для определения размещения площади пятна рассеивания семян относительно частей высевающего приспособления, принимаем, что геометрический центр этой площади приходится на середину отрезка К ₁– К ₂ (см. рис. 3). Положение центра барабана относительно точки К ₁ определяется с учетом того, что из положения О барабан переместится за время t на некоторое расстояние, которое легко определяется. Отсюда расстояние I от центра барабана до центра площади рассеивания (центра эллипса) будет:

I = L - v ⋅ t + ^l . ⁽¹⁴⁾ 1 a 2

Погрешность данной методики не превышает половины длины отрезка l , что для высевающего приспособления к Л-2УС составляет ± 0,015 м.

На рис. 5 представлены результаты расчетов по формулам (3…12) для следующих исходных данных: R = 0,3…0,5 м; v a = 0,28…1,39 м/с; ^ε = 0,18; R б = 0,085 м; α ₁ = 37,3⁰; ψ = 4,5⁰; размеры высевающего окна в дозаторе – 0,01 × 0,01 м.

Площадь питания семян F _с определяется так [7]:

F ₌ F п                     (15)

с kв ⋅ξ, где k в – коэффициент всхожести семян (0,45…0,69);

ξ – норма высева семян в лунку, шт. (20…70 шт.).

При расчете ширины реборды опорно-приводного колеса необходимо учитывать, что она может препятствовать рассеву семян (см. рис. 6).

Рис. 6. Расчетная схема к определению ширины реборды опорно-приводного колеса:

1 – опорно-приводное колесо высевающего приспособления; 2 – семенной барабан; 3 – усеченный конус рассева семян; D – диаметр опорно-приводного колеса, м; D_б – внутренний диаметр семенного барабана, м; e – толщина стенки опорно-приводного колеса, м; q – зазор между опорно-приводным колесом и семенным барабаном, м; W_б – ширина семенного барабана, м; iW б – расстояние от левой стенки семенного барабана до середины высевающего окна, м; L_p – ширина реборды, м; хL_p – расстояние от левой стенки диска колеса до правого края реборды, м

Необходимая ширина реборды L_p жесткого опорноприводного колеса (см. рис. 6) определяется из известной формулы [8] для расчета глубины погружения жесткого колеса в почву:

L р

Q

2 ⋅ [ δ СМ ] ⋅V R ² - ( R - h )^{2 ,}

где Q – вес, приходящийся на опорно-приводное колесо, Н;

[ δ _СМ ] – допускаемое сопротивление почвы смятию, Па (60…2000 кПа [7]);

h – глубина погружения колеса в почву, м, при расчетах ширины реборды рекомендуется принимать h <  1 см.

Ширина реборды L_p жесткого опорно-приводного колеса должна удовлетворять следующему ограничению:

iW + q + e - 0,5 ■ B , 0 < x < 1;(17)

р <          x’

0,5 ■ Lo < iW6 < (W6 -0,5 ■ Lo); R > R6, где Lo – ширина высевающего окна, м.

Конкретные величины q ; e ; iW_б и хL_p для подстановки в выражения (17, 18) назначаются конструктором в процессе проектирования приспособления.

Для проверки качества работы предлагаемого высевающего приспособления Л-2УС к динамическому лункообразователю Л-2У и разработанных теоретических положений (3…12) были проведены сравнительные испытания опытного образца высевающего приспособления и покровосдирателя дискового ПДН-1А [5]. В качестве объектов исследований использовались: трактор МТЗ-82 в агрегате с динамическим лункообразователем Л-2У, оснащенным опытным образцом высевающего приспособления Л-2УС; трактор Т-40АМ в агрегате с покровосдирателем дисковым ПДН-1А.

В процессе испытаний установлено, что качество посева семян высевающим приспособлением Л-2УС не уступает эталонному качеству, обеспечиваемому высевающим приспособлением к дисковому покро-восдирателю ПДН-1А. Агрегаты в режиме посева работали устойчиво, качество борозды хорошее, качество заделки семян хорошее. Таким образом, приспособление Л-2УС можно рекомендовать для посева лесных семян. Установлено, что в процессе рассева каждой порции лесных семян приспособлением Л-2УС формируется область длиной 6 см и шириной 4 см в которую высевается 70…75 % семян высеваемой дозы. Форма области – эллипс, длинная ось которого ориентирована по ходу движения (рис. 7).

Рис. 7. Рассев семян приспособлением Л-2УС (размер каждой клетки – 2 × 2 см)

превысила 10,0 %, что подтверждает достоверность предложенной теоретической модели рассеивания семян высевающим приспособлением типа Л-2УС. Для практического применения рекомендуется следующий алгоритм проектирования сменного высевающего приспособления:

• 1.    Назначается радиус опорно-приводного колеса по условиям преодоления препятствий (пней, камней) на вырубках по рекомендациям [6];

• 2.    Рассчитывается необходимое количество дозаторов семенного барабана известного радиуса для заданного шага посева по формуле (2);

• 3.    Выполняется расчет параметров рассеивающего приспособления и площади рассеивания семян по формулам (3…18);

• 4.    Выполняется расчет деталей и узлов сменного приспособления на прочность по известным методикам [9] с учетом нагрузок, возникающих при контакте опорно-приводного колеса с препятствиями (пни, камни) на вырубках [6].