Совершенствование дозирования семян вакуумным аппаратом точного высева на примере кукурузы

Введение. В современном сельскохозяйственном производстве применяется широкое разнообразие способов посева сельскохозяйственных культур и технических средств для их реализации [1–4]. Тем не менее, в силу специфики технологий возделывания пропашных культур, необходимости точного и примерно равномерного распределения их семян в рядках, для посева таких культур применяют специальные сеялки, важнейшим узлом которых являются высевающие аппараты [5–8]. При большом разнообразии конструкций высевающих аппаратов в нашей стране доминирующее распространение получил их вакуумный тип [9, 10], позволивший в своё время при простоте конструкции обеспечить достаточно устойчивую поштучную или групповую подачу семян в борозду. Тем не менее, с учетом повышения рабочих скоростей машинно-тракторных агрегатов, ужесточения требований к качеству реализации технологических операций актуальной является задача разработки более производительных высевающих аппаратов нового типа или совершенствования конструкции применяемых аппаратов. В связи с этим целью представленного исследования является оптимизация конструкции вакуумного аппарата точного высева, реализуемая на примере подачи семян кукурузы, позволяющая не только обеспечить их устойчивое дозирование, но и способствующая упрощению эксплуатации посевной машины.

Материалы и методы исследования. В аппаратах точного высева, работающих с использованием разрежения, дозирование и подача семян осуществляется присасывающими отверстиями (ячейками, дозирующими элементами и др.) в процессе вращения плоского, вертикально установленного на горизонтальном валу высевающего диска. При этом традиционно считается, что характеристики подачи семян зависят от значений создаваемой силы присасывания, которая пропорциональна площади самого присасывающего отверстия и создавае- мого пневмосистемой сеялки разрежения в плоскости высевающего диска [10, 11]. В сложившейся практике диаметры присасывающих отверстий принимают максимальными (при соблюдении условия отсутствия заклинивания в них семян). Это позволяет обеспечить минимальный уровень пропусков, хотя и приводит к захвату большого количества условно лишних семян. Для удаления от присасывающих отверстий «лишних» семян в конструкцию высевающего аппарата было введено дополнительное приспособление – сбрасыватель или отсекатель «лишних» семян, конструкция и принцип действия которого довольно просты, но настройки проводятся исключительно визуально и крайне трудоемки, из-за чего на практике ими зачастую пренебрегают, снижая функциональный потенциал высевающих аппаратов. Более того, как показал ряд исследований, при увеличении рабочих скоростей сбрасыватель начинает удалять от присасывающих отверстий и основные семена, провоцируя образование пропусков даже при своём рациональном настроечном положении [10, 12].

В то же время результаты отдельных исследований позволяют выдвинуть гипотезу, что вероятность образования групповых подач (при заданном минимуме пропусков) можно снизить за счет уменьшения размера присасывающих отверстий и одновременного увеличения глубины разрежения в вакуумной камере аппарата, так, чтобы значение силы присасывания оставалось неизменным [12]. Например, при высеве кукурузы частость образования двойников менее 5% без применения отсекателя «лишних» семян может быть получена при значении диаметров присасывающих отверстий, близких к двум миллиметрам. Однако при этом, чтобы избежать образования пропусков, нужно создать разрежение более 40 кПа, что нереализуемо в рамках конструкций современных посевных машин [12]. В связи с этим необходимо совершенствование конструкции аппаратов точного высева, обеспечивающее рост захватываю- щей способности круглых дозирующих элементов. Одним из наиболее простых способов, не требующих модернизации конструкции корпуса высевающего аппарата, является использование эффекта пневмоворошения семян. Для реализации этого способа активации захвата семян в Азово-Черноморском инженерном институте ФГБОУ ВО Донской ГАУ была разработана схема высевающего аппарата (рисунок 1), который отличается от серийных аппаратов ступенчатым вырезом в прокладке вакуумной камеры (рисунок 2), наличием изготовленных в теле высевающего диска дополнительных отверстий [13, 14] и отсутствием сбрасывателя «лишних» семян.

При работе высевающего аппарата предложенной конструкции [14] семена, под действием разрежения, создаваемого в вакуумной камере 3, захватываются присасывающими отверстиями 7 и дополнительными отверстиями 8 высевающего диска 6 из камеры 2. Причем парное воздействие отверстий 7 и 8 на семенной материал способствует возникновению эффекта пневмоворошения, за счет которого облегчается

1 – основание; 2 – камера подачи семян; 3 – вакуумная камера; 4 – вал горизонтальный;

5 – ворошитель (активатор) семян; 6 – высевающий диск; 7 – присасывающие отверстия;

8 – дополнительные отверстия; 9 – прокладка; 10 – пружина Рисунок 1 – Схема усовершенствованного высевающего аппарата 1 – bottom; 2 – seed supply chamber; 3 – vacuum chamber; 4 – horizontal shaft; 5 – seed agitator (activator); 6 – sowing disc;

7 – suction holes; 8 – additional holes; 9 – gasket; 10 – spring Figure 1 – Diagram of an improved seed-placing device

захват и вынос единичного семени. Дополнительной активации процесса их захвата способствует воздействие ворошителя 5. При вращении высевающего диска 6 за счет ступенчатой формы фигурного выреза в прокладке 9 семена, вынесенные из камеры 2 дополнительными отверстиями 8, падают обратно, поскольку выходят из зоны расширения выреза в прокладке 10, сообщающегося с вакуумной камерой 3.

В соответствии с данными [13, 14] радиус окружности расположения дополнительных отверстий принимается меньше радиуса окружности расположения присасывающих отверстий на величину, превышающую среднюю длину высеваемых семян (в нашем случае Δ R ≈12,0 мм), с целью исключения захватов семян одновременно двумя отверстиями, а также для предотвращения просасывания воздуха через дополнительные отверстия при их выходе за зону ступенчатого выреза прокладки вакуумной камеры. С этой же целью дополнительные отверстия в тангенциальном направлении располагались между присасывающими (рисунок 1).

Рисунок 2 – Серийная ( а ) и модернизированная ( б ) прокладки высевающих аппаратов Figure 2 – Serial ( a ) and modernized ( b ) gaskets of the seed-placing device

а а

б b

Исследователями, сформулировавшими концепцию применения пневмоворошителя семян [13], была доказана общая эффективность его применения, но при этом практически не обоснованы рациональные параметры дополнительных элементов, вводимых в конструкцию аппарата. Более того, эффект пневмоворошения рассматривался ими только как инструмент, позволяющий избавиться от пропусков при высоких посевных скоростях в рамках серийной конструкции высевающего аппарата (при наличии сбрасывателя «лишних» семян).

Представленное исследование направлено на оптимизацию параметров и режимов работы вакуумного высевающего аппарата без сбрасывателя «лишних» семян, но с эффектом пневмоворошения при высеве семян кукурузы сорта Зерноградский 282 МВ, для которых характерны следующие размерные характеристики: средняя длина – 11,6 мм (σ≈0,7 мм); средняя ширина – 8,8 мм (σ≈0,8 мм) и средняя толщина – 5,6 мм (σ≈0,7 мм).

Исследование проводилось экспериментально на универсальном стенде (рисунок 3) в лабораторных условиях [15] при высеве семян кукурузы аппаратом точного высева сеялки МС, производимой ОАО «Миллеровосельмаш» [16], который, несмотря на определенную оригинальность конструкции, можно считать классическим по принципу действия.

1 – аппарат точного высева; 2 – бункер для семян; 3 – комплект цепных передач; 4 – электромотор;

5 – источник электроэнергии; 6 – трансформатор тока; 7 – эксгаустер; 8 – регулировочная заслонка Рисунок 3 – Схема применяемого в исследовании лабораторного стенда

1 – seed-placing device; 2 – seed hopper; 3 – set of chain drives; 4 – electric motor; 5 – power source; 6 – current transformer;

7 – exhauster; 8 – control valve

Figure 3 – Diagram of the laboratory stand used in the study

Таблица 1 – Перечень исследуемых факторов и уровни их варьирования Table 1 – List of studied factors and levels of their variation

Наименование фактора Factor	Кодированное обозначение Coded designation	Интервалы изменения значений Value change range	Значение уровней варьируемых факторов Significance of the levels of variable factors
			min	med	max
			-1	0	+1
Диаметр основных отверстий, d 00 , мм Diameter of main holes, dmh , mm	x 1	0,5	2,5	3,0	3,5
Диаметр дополнительных отверстий, dg0 , мм Diameter of additional holes, d an , mm	x 2	0,5	2,5	3,0	3,5
Разрежение, Н , кПа Vaccum, Н , кPа	x 3	2,5	3,0	5,5	8,0

Исследование проводилось с использованием методик факторного эксперимента. Исходя из анализа сложившейся теории работы вакуумных высевающих аппаратов [10–13], а также с учетом поставленных задач нами в качестве переменных факторов были выбраны: диаметр присасывающих (основных) отверстий (d00), диаметр дополнительных отверстий (гідо) и величина разрежения в вакуумной камере (Н) (таблица 1). В качестве параметра оптимизации принята единичная подача семян присасывающими отверстиями.

В экспериментах частота вращения высевающего диска принималась равной 0,7 с-1, что примерно соответствует рабочей скорости сеялки 9–10 км/ч.

Комплект высевающих дисков с различными сочетаниями диаметров основных и дополнительных отверстий, использованный в эксперименте, представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Комплект высевающих дисков с дополнительными присасывающими отверстиями Figure 4 – Set of seeding discs with additional suction holes

План реализации факторного эксперимента отображен в таблице 2.

Результаты исследования и их обсуждение. Количественная оценка подач семян проводилась визуально на основе анализа видеозаписей работы высевающего аппарата в замедленном режиме. Анализ результатов экспериментального исследования, проведенный с укук=0,873+0,062х1+0,106х3-0,1х1х3-0,038х22-0,158х32.

использованием критерия Стьюдента, позволил вычленить значимые коэффициенты регрессии и построить соответствующее уравнение (1) в кодированном виде, однородность дисперсий и адекватность которого были подтверждены, соответственно, критериями Кохрена и Фишера при уровне точности 95%.

Таблица 2 – План реализации экспериментов при высеве кукурузы Table 2 – Plan for implementing experiments when sowing corn

Номер опыта Number of experience	Уровни переменных факторов Levels of variable factors			Номер опыта Number of experience	Уровни переменных факторов Levels of variable factors
	d oo , мм	d go , мм	Н , кПа		d oo , мм	d go , мм	Н , кПа
1	3,0±0,05	3,0±0,05	5,5±0,1	9	2,5±0,05	3,0±0,05	3,0±0,1
2	3,5±0,05	2,5±0,05	5,5±0,1	10	3,0±0,05	3,0±0,05	5,5±0,1
3	2,5±0,05	3,5±0,05	5,5±0,1	11	3,0±0,05	3,5±0,05	8,0±0,1
4	2,5±0,05	2,5±0,05	5,5±0,1	12	3,0±0,05	3,5±0,05	3,0±0,1
5	3,5±0,05	3,5±0,05	5,5±0,1	13	3,0±0,05	2,5±0,05	8,0±0,1
6	3,5±0,05	3,0±0,05	8,0±0,1	14	3,0±0,05	2,5±0,05	3,0±0,1
7	3,5±0,05	3,0±0,05	3,0±0,1	15	3,0±0,05	3,0±0,05	5,5±0,1
8	2,5±0,05	3,0±0,05	8,0±0,1

б – при d оо =3,0 мм ( х 1 =0); b – at d mh =3,0 mm ( х 1 =0)

а – при Н =5,5 кПа ( х 3 =0);

а – at Н =5,5 кPа ( х 3 =0)

б – при d до =3,0 мм ( х 2 =0); b – at d ah =3,0 mm ( х 2 =0)

Рисунок 5 – Сечения изолиний ( а ) зависимости частости единичной подачи семян кукурузы и соответствующие поверхности ( б ) от величины создаваемого разрежения ( Н ), диаметра основных ( d оо ) и дополнительных ( d до ) отверстий высевающего аппарата при фиксированных значениях отдельных факторов

Figure 5 – Sections of isolines ( a ) depending on the frequency of a single supply of corn seeds and the corresponding surfaces ( b ) on the value of the created vacuum (H), the diameter of both main ( d mh ) and additional ( d ah dо) holes of the seed-placing device at fixed values of individual factors

На рисунке 5 изображены сечения изолиний ( а ) регрессионного уравнения (1) и соответствующих поверхностей ( б ) при фиксированных значениях одного из трех рассматриваемых факторов.

Анализ уравнения (1) и данных рисунка позволяет констатировать, что:

– в рассматриваемых диапазонах изменения переменных факторов на качество работы аппарата точного высева (характеризуемое частотой или частостью единичных подач семян) наибольшее значение оказывает создаваемое в пневмосистеме разрежение ( Н ( х 3 )). Его увеличение (при высеве кукурузы) до 5,5–6,0 кПа ведет к росту числа единичных подач, а дальнейшее – к снижению, очевидно, за счет увеличения частоты образования групповых (в основном – двойных) подач;

– первый из рассматриваемых факторов (х1) – диаметр основных присасывающих отверстий (dоо) – значим. При рассмотренных уровнях его варьирования увеличение диаметра этих отверстий обеспечивает постоянное возрастание качества работы аппарата, что говорит о желательности реализации дополнительного исследования при значениях dоо, превышающих 3,5 мм;

– в исследуемых диапазонах при высеве кукурузы такой фактор, как диаметр дополнительных присасывающих отверстий ( d до ( х 2 )) и различные его сочетания (кроме квадратичного), оказались незначимыми. Тем не менее анализ рисунков 5 а и б позволяет рекомендовать при высеве кукурузы принимать этот параметр равным 3,0 мм;

– наибольшее значение параметра оптимизации, соответственно наилучшее качество работы аппарата, соответствующее действующим агротребованиям ( р 1 ≥93%), обеспечивалось при максимальном значении фактора х 1 ( d оо =3,5 мм) и рабочем разрежении Н в плоскости присасывающих отверстий, близком к 5,5 кПа. Результаты опыта позволяют предположить возможность дальнейшего повышения частоты образования единичных подач при d оо >3,5 мм;

– применение пневмоворошения позволяет существенно повысить захватывающую способность основных присасывающих отверстий. Так, в соответствии с [12] при диаметре присасывающих отверстий 3,5 мм приемлемое число нулевых подач серийным высевающим аппаратом обеспечивается при разрежении в вакуумной камере более 9 кПа, модернизированным – около 5,5 кПа. При этом частота образования двойных подач серийным аппаратом (в семенной камере) составила более 20%, а в модернизированном – около 5%, что подтверждает эффективность уменьшения диаметра присасывающих отверстий для снижения числа групповых подач.

Выводы. В целом проведенное исследование подтвердило как эффективность применения пневмоворошения для повышения захватывающей способности присасывающих отверстий, так и возможность уменьшения диаметра присасывающих отверстий как способ уменьшения количества групповых (двойных, тройных и т.д.) подач семян. Это, в свою очередь, позволяет наметить направление совершенствования конструкции аппаратов точного высева, подразумевающее исключение из их конструкции сбрасывателя «лишних» семян. В заданных режимах проведения эксперимента лучшее качество работы аппарата, соответствующее действующим агротребованиям ( р 1 ≥93%), обеспечивалось при максимальном значении фактора х 1 ( d оо =3,5 мм) и рабочем разрежении ( Н ) в плоскости присасывающих отверстий, близком к 5,5 кПа. Полученные результаты позволяют предположить возможность дальнейшего совершенствования процесса дозирования семян кукурузы без применения сбрасывателя «лишних» семян при d оо >3,5 мм, что говорит о необходимости проведения дополнительных исследований в данном направлении.