Рациональные параметры рабочей поверхности плоского сбрасывателя «лишних» семян пневмовакуумного высевающего аппарата

Объект и цель исследования. Из анализа дозирующих систем сеялок точного высева [1] видим, что на отечественном рынке сельхозтехники в последнее время для посева пропашных культур наиболее широ- ко представлены сеялки с пневмовакуумной системой дозирования семян, в которых равномерность подачи семян в значительной степени зависит от параметров и режимов настройки сбрасывателя (отражателя) «лишних» семян.

Объект исследования – процесс воздействия рабочей поверхности выступов сбрасывателя на семя, захваченное дозирующим элементом.

Цель исследования – выявление влияния расположения угла установки рабочей поверхности выступов сбрасывателя «лишних» семян к мгновенной траектории их движения на качество работы пневмовакуумного высевающего аппарата.

Задачи исследования:

• 1.    Проанализировать процесс воздействия рабочей поверхности выступов сбрасывателя пневмовакуумного аппарата на семя, захваченное дозирующим элементом высевающего диска.

• 2.    Определить критический угол установки рабочей поверхности выступов сбрасывателя «лишних» семян к мгновенной траектории их движения.

• 3.    Экспериментально определить влияние угла установки рабочей поверхности выступа сбрасывателя «лишних» семян к мгновенной траектории их движения на качество работы пневмовакуумного высевающего аппарата.

Методы и результаты исследований. Исследования равномерности подачи семян пропашных культур пирамидальной и усечено-пирамидальной форм [2] проводились на высевающем аппарате наиболее распространенной на юге России сеялки МС-8 (ранее известной как СПБ-8К) производства ОАО «Миллеро-восельмаш» (рис. 1).

Хвостовик 2 сбрасывателя 1 «лишних» семян рассматриваемого аппарата имеет плоскую ступенчатую рабочую поверхность, состоящую из пяти выступов [3].

Рис. 1. Пневмовакуумный высевающий аппарат сеялки МС-8

Следует отметить, что чем жестче взаимодействие сбрасывателя «лишних» семян с семенами, тем эффективнее его работа. Однако при этом могут создаться условия, когда сбрасыватель будет удалять от дозирующих элементов (ячей) все семена. На рисунке 2 (I) представлена схема сил, оказывающих влияние на семя Б при взаимодействии с рабочей поверхностью (частью) выступа 1 сбрасывателя 2 . На рисунке 2 (II) – элементарное смещение семени 1 , захваченного дозирующим элементов высевающего диска, рабочей поверхностью выступа сбрасывателя «лишних» семян.

I

Рис. 2. Схема сил, оказывающих влияние на семя при взаимодействии с рабочей частью выступа сбрасывателя (I) и смещение выступом семени (II)

Анализ схемы сил, представленной на рисунке 2, показывает, что условие эффективной работы сбрасывателя «лишних» семян можно выразить следующим неравенством:

P трд ≥ R,                                                     (1)

где P трд – сила трения семян о высевающий диск, Н;

R – равнодействующая сил сопротивления, Н.

Сила трения семян о высевающий диск определяется по формуле

^Р трд    ^Р пр f д ,                                (2)

где P пр – сила присасывания семян о высевающий диск, Н; f д – коэффициент трения движения диска о семя.

Сила присасывания семян [2]

^P пр   ^{k H}

л-d я

где к – коэффициент просасывания воздуха, к =1,00 [3];

• H – разрежение в вакуумной камере, Па;

• d я – диаметр дозирующих ячей высевающего диска, м.

Равнодействующая сил сопротивления определяется следующим образом:

R = jRX rR},(4)

где R и R – проекции равнодействующей сил сопротивления R на оси Х и У соответственно, Н.

Из рисунка 2 следует:

RX   Pтрс cos   Pин cos m g cos N sin ;(5)

RY   Pцб  Pтрс sin   Pин sin N cos m g sin(     );(6)

N  Pцб cos   Pтрд sin 2 m g sin(     ),(7)

где   P трс – сила трения сбрасывателя о семя, Н;

P ин – сила инерции семени, Н;

• ε – угол установки рабочей поверхности выступа сбрасывателя «лишних» семян к мгновенной траектории движения семян, рад;

• m – масса семени, кг;

• mg – сила тяжести семени, Н;

• γ – угол между траекторией движения семян и вертикалью, рад;

• N – нормальная реакция сбрасывателя на семя, Н;

P цб – центробежная сила, Н.

Сила трения сбрасывателя о семя

Р = N-f. трс        С с ,

где f с – коэффициент трения сбрасывателя о семя. Центробежная сила определяется по формуле

^P цб   ^{m   2 R} я ^,

где ω – частота вращения высевающего диска, рад/с;

R я – радиус расположения центров дозирующих ячей диска, м.

При определении силы инерции принимаем следующие допущения:

• >    выступ хвостовика сбрасывателя «лишних» семян работает от начала;

• >    пренебрегаем кривизной траектории движения дозирующих элементов, считая, что на элементарном участке они движутся по прямой;

• >    не учитываем скругление выступов.

Сила инерции находится из выражения

d2S

Pm  ,

ин        dt2

где dS – элементарное смещение семени рабочей поверхностью выступа сбрасывателя «лишних» семян, м;

dt – элементарное приращение времени, с.

Под отношением элементарного смещения семени выступом сбрасывателя к соответствующему приращению движения семени при его смещении понимается ускорение смещения семени вдоль выступа

d2S dt2

dx dt2

где dx – элементарное смещение семени выступом сбрасывателя «лишних» семян по оси Х, м;

dy – элементарное смещение семени выступом сбрасывателя «лишних» семян по оси У, м.

С помощью рисунка 2 (II) определим элементарные смещения семени выступом сбрасывателя «лишних» семян по осям:

dx R sin( t ) dt ,                              (12)

dy R sin( t ) tg dt ,                            (13)

где t – время преодоления семенем одного выступа, с.

Время преодоления семенем одного выступа сбрасывателя «лишних» семян определяется из выражения

S t ,

Rÿ

где S – длина выступа хвостовика сбрасывателя, м.

Продифференцировав выражения (12) и (13), получаем

dx

Rÿ     cos t , и          Rÿ     cos t tg .

dtdt

Тогда выражение (11), с учетом выражения (15), будет иметь вид

_d 2 _S dt ²

R ² sin t 1 tg ²

Определим критический угол ε кр установки рабочей поверхности выступа сбрасывателя «лишних» семян к мгновенной траектории их движения, при котором они будут полностью отсекаться сбрасывателем от дозирующих элементов на примере наиболее распространенных пропашных культур – подсолнечника и кукурузы при частоте вращения высевающего диска ω=0,12 рад/с (соответствующей скорости высева семян 10 км/ч). В соответствии с заводскими рекомендациями [4] принимаем: вакуумное разрежение H=4000 Па, диаметр дозирующих элементов d я =0,003 м (для подсолнечника) и d я =0,005 м (для кукурузы), длина выступа сбрасывателя S=0,01548 м. Воспользовавшись данными исследований физико-механических свойств семян пропашных культур [5] и выражениями (2)–(10), (16), произведем расчет сил, оказывающих влияние на семя при взаимодействии со сбрасывателем, при помощи программы MathCad 14.0. По результатам расчетов построим графики сил (рис. 3), входящих в неравенство (1).

Рис. 3. Графики силы трения о диск и зависимости равнодействующей сил сопротивления от угла £ (для подсолнечника (I) и кукурузы (II))

Из выражения (1) и графиков рисунка 3 следует, что критический угол установки рабочей поверхности выступа сбрасывателя к мгновенной траектории движения семян ε кр =0,62рад=35,52° (для подсолнечника) и ε кр =0,67рад=38,39° (для кукурузы). С учетом того, что форма исследуемых семян значительно отличается от шарообразной, эффективная работа сбрасывателя «лишних» семян пневмовакуумного высевающего аппарата будет обеспечена при условии ε<< ε кр .

Для выявления влияния угла установки рабочей поверхности выступа сбрасывателя «лишних» семян к мгновенной траектории их движения ε на качество работы пневмовакуумного высевающего аппарата пропашной сеялки МС-8 на кафедре «Механизация растениеводства» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград, Ростовская область) был проведен ряд экспериментов.

В опытах сравнивалась равномерность однозерновой подачи семян пневмовакуумными высевающими аппаратами, в которых устанавливались сбрасыватели с различным количеством выступов рабочей поверхности хвостовика, варьирующих за счет изменения их линейных и угловых размеров, при этом длина рабочей части хвостовика сбрасывателя оставалась неизменной. В первом случае (рис. 4, I) количество выступов равнялось одному, во втором – трем (рис. 4, II), в третьем – пяти (рис. 4, III), в четвертом – семи (рис. 4, IV), в пятом – девяти (рис. 4, V), в шестом – одиннадцати (рис. 4, VI). При росте количества выступов увеличивался средний угол установки рабочей поверхности выступов сбрасывателя к мгновенной траектории движения семян ε. При этом эксцентриситет рабочей поверхности опытных образцов и высота зубьев оставались постоянными и соответствовали параметрам серийного сбрасывателя (рис. 4, III).

Эксперименты проводились на некалиброванных семенах подсолнечника сорта Лакомка (пирамидальной формы) и кукурузы гибрида Зерноградский 282 МВ (усеченно-пирамидальной формы) как на наиболее распространенных пропашных культурах, районированных на юге России. Каждый опыт выполнялся при частоте вращения высевающего диска 45 об/мин (соответствующей скорости движения сеялки 2…2,5 м/с при высеве семян до 5 шт./м) в трех повторностях, число подач каждой повторности – 500 шт. При этом перед началом каждого эксперимента сбрасыватель «лишних» семян выставлялся в оптимальное положение.

Рис. 4. Сбрасыватели «лишних» семян с различным количеством пилообразных выступов

Параметры работы высевающих аппаратов выбирались в соответствии с заводскими рекомендациями [4]: диаметр дозирующих элементов (ячей) высевающего диска равен 3 мм (для подсолнечника) и 5 мм (для кукурузы), количество ячей – 20 шт., разрежение в вакуумной камере равно 4,0 кПа.

По результатам лабораторных экспериментов определялись следующие показатели:

• Р 0 , Р 1 , Р 2 – вероятности подачи дозирующим элементом высевающего диска по 0, 1 и 2 семени соответственно, %;

• М – средняя подача семян ячеями, шт.;

• σ – среднеквадратическое отклонение от средней подачи семян дозирующим элементом, шт.;

• V – коэффициент вариации подачи семян ячеями, %;

• m v – относительная ошибка коэффициента вариации по повторностям, %.

В данном случае в качестве критерия оптимизации как наиболее обобщенный показатель рассматривался коэффициент вариации подачи семян ячеями V.

Результаты исследований пневмовакуумных высевающих аппаратов с изменяемым количеством выступов сбрасывателя при высеве семян подсолнечника и кукурузы представлены в таблицах 1 и 2.

Результаты опытов при высеве подсолнечника

Таблица 1

Кол-во выступов, шт.	Средний угол ε ср , º	Показатель
		P 0 , %	P 1 , %	P 2 , %	M, шт.	σ, шт.	V, %	m v , %
1	0,00	1,8	94,6	3,6	1,02	0,232	22,75	0,70
3	1,32	1,2	95,6	3,2	1,02	0,209	20,49	0,63
5	5,23	0,8	96,1	3,1	1,02	0,196	19,22	0,60
7	12,77	1,7	97,0	1,3	1,00	0,173	17,30	0,56
9	19,95	0,5	98,3	1,2	1,01	0,130	12,87	0,40
11	20,58	1,2	96,1	2,7	1,02	0,197	19,31	0,60

Из таблицы 1 видно, что сбрасыватель «лишних» семян с 9 выступами при высеве подсолнечника (обладающий средним углом расположения рабочей грани хвостовика к мгновенной траектории движения семян ε ср = 19,95°) обеспечивает более равномерную подачу семян пневмовакуумным высевающим аппаратом, коэффициент вариации которого равен 12,87 %.

Результаты опытов при высеве кукурузы

Таблица 2

Кол-во выступов, шт.	Средний угол ε ср , º	Показатель
		P 0 , %	P 1 , %	P 2 , %	M, шт.	σ, шт.	V, %	m v , %
1	0,00	0,5	96,3	3,2	1,03	0,190	18,45	0,57
3	1,32	0,9	96,7	2,4	1,02	0,181	17,75	0,55
5	5,23	0,8	96,9	2,3	1,02	0,175	17,16	0,53
7	12,77	0,3	97,1	2,6	1,02	0,169	16,57	0,52
9	19,95	1,2	97,1	1,7	1,01	0,170	16,83	0,52
11	20,58	1,0	96,5	2,5	1,02	0,186	18,24	0,57

Из таблицы 2 следует, что сбрасыватель «лишних» семян с 7 выступами при высеве кукурузы (обладающий средним углом расположения рабочей грани хвостовика к мгновенной траектории движения семян

ε ср = 12,77°) способствует более равномерной подаче семян высевающим аппаратом, коэффициент вариации которого равен 16,57 %.

Проведя анализ фрикционных свойств рассматриваемых сортов по материалу, из которого выполнен сбрасыватель «лишних» семян высевающего аппарата сеялки МС-8 (полиамид ПА6-210/310 ОСТ 6-06-С9-83) по известной методике [5], видим, что коэффициент трения движения семян для подсолнечника составляет 0,26, а для кукурузы – 0,22. Таким образом, угол трения движения семян подсолнечника и кукурузы по полиамиду равен 14,57 и 12,40° соответственно.

Выводы. По результатам исследований прослеживается зависимость между углом установки ε рабочей поверхности выступа сбрасывателя к мгновенной траектории движения семян и физико-механическими свойствами семян. Вследствие этого для равномерности однозерновой подачи семян пропашных культур угол установки ε рабочей поверхности выступа сбрасывателя к траектории движения семян должен быть примерно равен углу трения движения семян о поверхность сбрасывателя «лишних» семян и значительно меньше критического угла ε кр установки рабочей поверхности выступа сбрасывателя «лишних» семян к мгновенной траектории их движения.