Щелевой пневматический высевающий аппарат избыточного давления

Введение. В тяжелых экономических условиях предприятия АПК России вынуждены решать множество задач различной направленности для сохранения рентабельности производства. В непредсказуемых, резко меняющихся условиях рынка, для достижения максимальной экономической эффективности затрачиваемых ресурсов, от сельскохозяйственных товаропроизводителей требуется гибкость и адаптивность к изменяющейся обстановке. Один из путей повышения рентабельности производства в растениеводстве - это более рациональное использование ограниченных земельных ресурсов путем совершенствования процессов высева семян сельскохозяйственных культур на основе планирования и программирования количественных и качественных характеристик урожая.

Получение запланированного валового урожая необходимого качества возможно только при условии оптимизации использования имеющихся природных ресурсов, которые, по утверждению современных исследований [1], могут резко меняться даже на территории одного поля. Это условие ставит перед сельскохозяйственными производителями задачу дифференцирования подходов к возделыванию сельскохозяйственных культур в зависимости от сложившихся природно-климатических условий на каждом конкретном участке поля.

Посев является ключевой операцией в технологии возделывания сельскохозяйственных культур, так как именно на этой стадии формируется густота стояния растений, которая влияет на обеспеченность растений жизненно важными факторами (площадь питания, освещенность, водноминеральная обеспеченность и др.). Наиболее значимым фактором, позволяющим управлять количественными и качественными характеристиками урожая и не требующим дополнительных затрат, является площадь питания растений.

При применении машинного высева получаемая площадь питания растений далека от рациональных значений по нескольким причинам. Основная причина заключается в выполнении задачи равномерного распределения семян по площади поля на заданной глубине. Данная задача усредняет условия произрастания растений и игнорирует тот факт, что в силу неоднородности рельефа, свойств почвы, наличия лесополос, распределения запасов влаги, условия развития растений на разных участках поля разнятся, что ведет к изменению количества и качества продукции, собираемой даже с одного поля. Еще одной причиной является завышенная норма высева, компенсирующая уменьшение количества растений из-за полевой всхожести семян. В результате этой поправки мы уменьшаем площадь питания для каждого растения, тем самым формируем дефицит влаги, освещенности и минеральных веществ для каждого растения, что неизбежно приводит к уменьшению количества продукции и ухудшению ее качества. Также причиной является применение сеялок с установкой нормы высева при помощи механической коробки передач. Аграрии вынуждены устанавливать норму высева ступенчато, наиболее близкую к оптимальной, что также является фактором снижения рациональности площади питания. Поэтому для обеспечения рациональной площадью питания каждого растения в зависимости от исходных условий произрастания необходима посевная машина, у которой высевающие аппараты позволяли бы качественно проводить дозирование семян и имели малую инерционность при изменении нормы высева в процессе проведения посева, при этом управлялись электроникой и были универсальны для семян пропашных культур.

Для решения поставленной задачи была сформулирована цель исследования -совершенствование процесса высева семян пропашных культур путем разработки функциональной схемы и конструкции принципиально нового высевающего аппарата, обеспечивающего поштучную подачу семян по сигналу электронного блока управления и позволяющего формировать оптимальную площадь питания для каждого растения на полях с дифференцированными природно-климатическими условиями.

Методика исследования. Аналитические исследования технологий посева семян пропашных культур, конструкций пневматических высевающих аппаратов точного высева и научных работ по исследованию процесса дозирования семян пневматическими высевающими аппаратами точного высева позволили разработать функциональную схему и конструкцию щелевого пневматического аппарата избыточного давления.

Результаты исследования и их обсуждение. На рисунке 1 представлена функциональная схема щелевого пневматического высевающего аппарата избыточного давления [2, 3, 4].

Рисунок 1 - Функциональная схема щелевого пневматического высевающего аппарата избыточного давления

Щелевой пневматический высевающий аппарат избыточного давления включает в себя корпус 1, подающий диск 2, содержащий рабочую кромку 3, закрепленный на валу электродвигателя 4 таким образом, что между корпусом 1 и подающим диском 2 образуется выпускная щель 5. Семенная камера 6 сообщается с окружающей средой выпускной щелью 5, а с герметичным бункером 7 - впускным окном 8. Через сопло избыточного давления 9 в семенную камеру 6 подается воздух. На плоской поверхности корпуса 1, со стороны, примыкающей к подающему диску 2, крепится патрубок семяпровода 10, сечение которого имеет форму прямоугольника со сторонами больше полутора максимального размера семян. В верхней части корпуса 1, со стороны, примыкающей к подающему диску 2, установлен дозирующий диск 11, вращающийся электродвигателем 12 под управлением блока управления 13.

Щелевой пневматический высевающий аппарат избыточного давления функционирует следующим образом: из бункера

7 семена самотеком, через отверстие 8, поступают в камеру 6, куда также через отверстие 9 поступает воздух избыточного давления, в результате через щель 5, образованную подающим диском 2 и корпусом аппарата 1, формируется воздушный поток, который захватывает семена в слое и прижимает их к рабочей кромке подающего диска 3. В результате вращения подающего диска 2, с помощью электродвигателя 4, вдоль щели 5, у дозирующего диска 11 образуется устойчивый ряд семян, подготовленных к подаче в семяпровод 10. Процесс дозирования осуществляется путем подачи сигнала на электродвигатель 12 от блока управления 13, в итоге дозирующий диск 11 выталкивает первое семя из ряда, которое поступает в семяпровод 10 и транспортируется к сошнику. Таким образом, реализована функция управляемого высева.

На рисунке 2 представлена блок-схема процесса дозирования семян щелевым пневматическим высевающим аппаратом избыточного давления.

Рисунок 2 - Блок-схема процесса дозирования семян щелевым пневматическим высевающим аппаратом избыточного давления

Процесс дозирования семян щелевым пневматическим высевающим аппаратом избыточного давления включает следующие компоненты:

• 1.    Движение семян самотеком из бункера в семенную камеру щелевого пневматического высевающего аппарата избыточного давления.

• 2.    Движение семени, находящегося у щели высевающего аппарата в слое семян. Происходит в результате захвата подающим диском аппарата семени, находящегося у щели аппарата в слое семян. Реализуется двумя вариантами: первый - поштучное движение семян, второй - движение группы (несколько последовательно расположенных в ряд) семян.

• 3.    Движение семени, находящегося у щели высевающего аппарата на поверхности слоя семян. Происходит в результате подачи семени, находящегося в слое семян у щели аппарата, подающим диском к поверхности слоя семян. Происходит при штучном движении и при движении группы семян.

• 4.    Транспортировка семени вдоль щели высевающего аппарата. Происходит после выноса семени из слоя семян.

• 5.    Транспортировка семени по семяпроводу избыточного давления в борозду, подготовленную сошником. Происходит после подачи семени дозирующим диском высевающего аппарата в семяпровод.

В результате рассмотрения процесса дозирования семян щелевым пневматическим высевающим аппаратом избыточного давления можно сделать выводы:

• 1.    Для обеспечения заданной нормы высева семян необходимо, чтобы время на захват семени подающим диском аппарата и подготовку его к дозированию, было меньше времени подачи семян в семяпровод дозирующим диском.

• 2.    Процессы движения семян из бункера в семенную камеру высевающего ап

• 3.    Процессы движения семени вдоль щели в высевающем аппарате изучены недостаточно.

парата и движение семян в семяпроводе исследованы в достаточной мере [5-9].

На семя (рисунок 3), находящееся у щели высевающего аппарата, действуют: сила тяжести mg, сила горизонтального давления вышележащего слоя Р_п, сила реакции опоры подающего диска и корпуса высевающего аппарата N. При создании в корпусе высевающего аппарата избыточного давления воздуха Р, через щель начинает поступать воздушный поток, прижимающий семя к поверхностям подающего диска и корпуса аппарата аэродинамической силой Р_а.

При вращении подающего диска, между подающим диском и семенем, контактирующим с ним, возникает фрикционная сила F_ti, а также сила трения семени о корпус аппарата F_t2 и силы трения семени о слой семян Ғу. Если сила Ғц больше суммы сил, противодействующих ей, то происходит захват семени подающим диском и семя получает ускорение, пропорциональное результирующей силе F_r, и ускоряется, пока не достигнет линейной скорости подающего диска.

В момент достижения семенем поверхности слоя семян на него начинает действовать поперечная аэродинамическая сила Р_р, возникающая в результате разности коэффициентов местного сопротивления потоку воздуха, проходящего через щель и слой семян.

После выноса семени из слоя семян происходит его транспортировка вдоль щели к дозирующему диску.

В результате проведенного исследования определено необходимое давление воздуха для обеспечения работы щелевого пневматического высевающего аппарата избыточного давления:

2mdy

h i)/gS tan² Р^к_ү -к₂ -2£₃)

• _п--nmg(k^ cos 8 - sin f)

Г _____________ 2 + ^₂ tan/? ______________ ____________

Sc(k_pl + k_p2 (n - 1))(^ cos a - k₂ sin a) - S (k_pl -k_p2)

где п - количество семян в ряде, шт. ;

Р - давление воздуха в корпусе высевающего аппарата, Па;

т - масса семени, кг;

d_y - условный диаметр шаровой частицы, м;

t - время выноса семени из слоя, с;

у - плотность слоя семян, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

Һ - глубина слоя семян, м;

• 5 - площадь проекции семени на плоскость, перпендикулярную направлению движения потока воздуха, м²;

Р - угол укладки семян в слое, град;

ki - коэффициент трения семени о подающий диск;

к2 - коэффициент трения семени о корпус высевающего аппарата;

кз - коэффициент трения семени о слой семян;

е - угол между линией действия силы mg и осью z в плоскости yoz, град;

с - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления семени;

kpi - коэффициент сопротивления потоку воздуха, проходящему выше семени;

к_Р2 - коэффициент сопротивления потоку воздуха, проходящему ниже семени.

Рисунок 3 - Схема сил, действующих на семя у щели высевающего аппарата избыточного давления

Заключение. Внедрение данного щелевого пневматического высевающего аппарата избыточного давления позволит расширить функциональные возможности и универсальность посевных машин, а также оптимизировать площадь питания растений в зависимости от природноклиматических условий. Позволит шире внедрять технологии координатного земледелия в сельскохозяйственное производство нашей страны.