Влияние диаметра присасывающих отверстий аппарата точного высева на характеристики подачи семян кукурузы и подсолнечника

Важной составляющей производимой сельскохозяйственной продукции как в стране, так и во всем мире являются пропашные культуры, к которым относят подсолнечник, бахчевые, кукурузу, сахарную свеклу и др.1. Благодаря высокому уровню рентабельности и новым направлениям реализации объемы производства возрастают2 [1; 2]. Например, с начала XXI века площади, занятые сахарной свеклой и подсолнечником в РФ, выросли приблизительно в полтора раза, а кукурузой на зерно – больше чем в 3 раза. Посевные площади основных пропашных культур на данном этапе возросли практически на 2,4 млн га. На их долю в общей структуре российских посевных площадей, с учетом варьирования по годам, приходится 21–25 %, из которых около 40 % заняты подсолнечником и около 20 % кукурузой. В отдельных случаях их популярность среди сельхозпроизводителей настолько велика, что уровень производства (например, подсолнечника) сдерживали законодательно3.

Пропашные культуры отличаются высокой требовательностью к условиям возделывания, в том числе и по агроклиматическим условиям [3]. В связи с потребностью в высоком уровне инсоляции пропашные культуры неравномерно распределены по сельскохозяйственным зонам РФ. Можно отметить шесть регионов страны (Ростовская область, Краснодарский край, Воронежская область, Оренбургская область, Волгоградская область и Ставропольский край), в которых сосредоточено почти 50 % посевов подсолнечника и почти 60 % посевов кукурузы на зерно4. Для большинства из этих регионов характерны засушливые условия, которые накладывают специфические ограничения на показатели реализации большинства технологических операций, в том числе и на такую базовую операцию, как посев.

Посев пропашных культур, особенно в засушливых условиях, должен проводиться в сжатые сроки, соответствующие оптимальному состоянию почвы по влажности и температуре на глубине заделки семян [4–7]. Так, в советские годы нормативная загрузка пропашной (кукурузной) сеялки составляла около 60 ч, что для восьмирядковой сеялки соответствовало примерно 200 га посевов5. В настоящее время в условиях определенной недостаточности технического оснащения части аграрных предприятий годовая нагрузка на сельскохозяйственные машины существенно возросла. Как показывает практика, в отдельных хозяйствах годовая загрузка пропашных сеялок доходит до 500 га и более. Решая проблему затягивания сроков посева, производители пытаются реализовывать эту операцию на повышенных рабочих скоростях агрегатов, что на классических сеялках приводит к снижению качества посева как по показателю распределения семян по площади поверхности поля, так и по глубине заделки6 [8; 9]. Таким образом, исследование рабочих процессов элементов пропашных сеялок, оптимизация их конструкции, повышение производительности и (или) качества реализации процессов является актуальной задачей, решение которой будет иметь значение для растениеводческой отрасли сельскохозяйственного производства [10–13].

Цель статьи – формирование предложений по оптимизации конструкции вакуумных аппаратов пропашных сеялок на основе анализа закономерностей процесса дозирования семян подсолнечника и кукурузы присасывающими отверстиями их высевающих дисков.

Обзор литературы

Одним из важнейших узлов пропашных сеялок является высевающий аппарат7 [14–16], обеспечивающий поштучное дозирование семян и примерно равномерную подачу их в борозду, подготовленную сошником. По типу высевающих аппаратов сеялки делятся на механические [17] и пневматические (вакуумные и избыточного давле-ния)8 [18–20]. Аппараты избыточного давления наибольшее распространение получили на американском континенте,

Том 33, № 1. 2023

хотя в настоящее время и в нашей стране ведутся работы по их массовому внедрению в практику на предприятиях отечественного сельхозмашиностроения [21–24]. В европейских и азиатских странах, в том числе и в Российской Федерации, производители отдают предпочтение вакуумным машинам, к которым относятся почти 80 % марок используемых в России пропашных сеялок9.

Основным рабочим элементом вакуумных аппаратов является высевающий диск с выполненными в нем присасывающими отверстиями (в подавляющем большинстве случаев круглой формы), диаметр которых на 30–50 % меньше усредненного приведенного значения диаметра высеваемых семян¹⁰ [25–27]. С одной стороны диска расположен слой посевного материала, с другой создается разрежение, обуславливающее возникновение силы присасывания P _пр (рис. 1), которая формирует условно полезную силу трения P _трд диска о семя, компенсирующую условно вредную равнодействующую R сил сопротивления, противодействующих выносу семени, и позволяющую удержать его у присасывающего отверстия при вращении высевающего диска [26; 27].

С целью оптимизации соотношения этих сил как отечественными, так и зарубежными исследователями были предложены различные варианты модификации или модернизации высевающих аппаратов: использование выступов или ниппелей, нанесение напылений на высевающий диск, применение дополнительных активаторов семян [28]; применение дозирующих элементов некруглой формы или переменной во времени площади [14; 16]; снижение потерь вакуума просасыванием за счет применения «закрытых» (барабанных) вакуумных камер; расположение дозирующих элементов на подвижных «язычках», позволяющих менять их радиальное расположение при захвате и при сбросе семян в борозду и др. [28].

С учетом ряда допущений условие выноса семени из общего массива в устоявшейся теории высевающих аппаратов описывается неравенством (рис. 1)

p^ >  R - P _nB , (1)

где Р _трд – сила трения высевающего диска о семя, Н; R – равнодействующая действующих на семя сил сопротивления, Н; Р пв – сила подпора семени со стороны ворошителя через слой семян, Н.

Равнодействующая сил сопротивления R включает силу трения прилежащего слоя семян о выносимое семя, лобовое сопротивление вышележащего слоя семян, центробежную силу, силу тяжести, силу инерции и т. д. [26; 27].

Р и с. 1. Схема сил, действующих на семя при его захвате присасывающими отверстиями: Р трд – сила трения высевающего диска о семя, Н; R – равнодействующая сил сопротивления, действующих на семя, Н; Р пв – сила подпора семени через слой семян со стороны ворошителя, Н;

P пр – сила присасывания, Н; N – нормальная реакция, действующая на семя со стороны высевающего диска, Н; P трд х , P пв х , R х – проекции соответствующих сил на ось Х ; ω – угловая скорость высевающего диска, с^–1

F i g. 1. Scheme of forces acting on the seed when it is captured by suction holes:

Р трд – friction force of the sowing disc on the seed, N; R – resultant of the resistance forces acting on the seed, N; Р пв – force of seed support through the layer of seeds from the agitator, N;

P пр – suction force, N; N – normal reaction acting on the seed from the sowing disc, N;

P трд х , P пв х , R х – projections of the corresponding forces on the axis Х ; ω – sowing disc angular speed, s^–1

Сила присасывания Р _пр складывается из двух составляющих: аэродинамической силы потока воздуха и контактной силы. Однако при ряде упрощений и использовании эмпирических коэффициентов она может рассматриваться только как контактная, ее величина с достаточно большой долей точности определяется из выражения

P _np = 0,25 k rn d ² H , (2)

где k – эмпирический коэффициент про-сасывания воздуха (может варьироваться в достаточно широких пределах – от 0,5 до 1,0), при примерных расчетах примем k = 0,75 ; d – диаметр присасывающего отверстия, м; H – величина разрежения в плоскости рабочей части присасывающего отверстия (условно в вакуумной камере), Па¹¹.

С учетом изложенного условие выноса семени из общего слоя семян может быть представлено в виде a '-h>4 R - ?-I dH> fi^ ' (3)

где f – коэффициент трения семян о поверхность высевающего диска.

Очевидно, что характеристики работы вакуумного высевающего аппарата находятся в зависимости от диаметра присасывающих отверстий (квадратично) и величины разрежения в вакуумной камере. На практике задаются такими значениями этих параметров, чтобы обеспечить гарантированный захват семени присасывающим отверстием. При этом, как правило, удается избежать нулевых подач, однако появляется большое количество групповых подач

(одним присасывающим отверстием захватывается более одного семени), а их присутствие также отрицательно воздействует на требования к дальнейшему росту и развитию растений12 [26].

Для устранения групповых подач в конструкции вакуумных высевающих аппаратов предусмотрен сбрасыватель «лишних» семян. На подавляющем большинстве современных устройств такого типа установлены плоские, ступенчатые (пилообразные) сбрасыватели ( 4 на рисунке 2) отдавливающего действия. Под их действием группа семян смещается к оси вращения высевающего диска, и те из них, которые были зафиксированы у присасывающего отверстия наихудшим образом, падают обратно в семенную камеру¹³ [26].

Р и с. 2. Схема вакуумного высевающего аппарата14: 1 – семенная (заборная) камера; 2 – высевающий диск; 3 – сводоразрушитель;

4 – сбрасыватель «лишних» семян;

5 – сбрасыватель-направитель;

6 – ворошитель семян

F i g. 2. Scheme of a vacuum seeding mechanism:

1 – seeds chamber; 2 – sowing disk;

3 – vault destroyer; 4 – “extra” seed remover;

5 – agitator of seeds; 6 – dropping-guiding device

Сложность использования сбрасывателей «лишних» семян вытекает из их трудоемкой настройки, которая проводится вручную, и на режимах, не соответствующих реальным режимам работы сеялки. Зачастую на практике она вообще не проводится или проводится формально, что не позволяет реализовать в полной мере функциональный потенциал пропашных сеялок ни по равномерности распределения семян по площади поля, ни по норме высева, ни по производительности.

Материалы и методы

Ранее (3) было установлено, что показатели работы вакуумного высевающего аппарата напрямую зависят от величины произведения d2H. При этом гипотетически можно предположить, что даже при d2H = const параметры средней подачи семян присасывающими отверстиями могут существенно меняться при изменении соотношения значений d и H. Теоретически можно подобрать такое их соотношение, при котором количество пропусков и групповых подач семян не будет превышать допуск агротребований.

Проверка этого предположения проводилась экспериментальным путем на универсальном стенде в лабораторных условиях при высеве семян двух наиболее популярных пропашных культур: подсолнечника (гибрид Лакомка) и кукурузы (сорт Зерноградский 282 МВ) – с использованием оригинального вакуумного высевающего аппарата сеялки типа МС (ОАО «Миллеровосельмаш», г. Миллерово Ростовской области)15 [29]. Техническое состояние высевающего аппарата удовлетворительное, срок наработки в лабораторных условиях около 70 ч, в полевых условиях не эксплуатировался.

Экспериментальное исследование было направлено на оценку показателей работы вакуумного высевающего аппарата при постоянном значении силы присасывания, но при разных размерах присасывающих отверстий.

Схема лабораторного стенда для исследования высевающих аппаратов точного высева изображена на рисунке 3.

a)                                      b)

Р и с. 3. Стенд для исследования высевающего аппарата: а) схема лабораторного стенда; b) внешний вид стенда; 1 – исследуемый высевающий аппарат; 2 – бункер; 3 – цепные передачи;

4 – электродвигатель постоянного тока; 5 – источник питания; 6 – автотрансформатор;

7 – генератор разрежения; 8 – дроссель

F i g. 3. Stand for the study of the seeding mechanism: a) scheme of the laboratory stand; b) appearance of the stand; 1 – the studied seeding mechanism; 2 – bunker; 3 – chain drives;

4 – DC motor; 5 – power supply; 6 – autotransformer; 7 – rarefaction generator; 8 – throttle

KTSJ

При проведении экспериментов привод высевающих аппаратов осуществлялся через набор цепных передач 3 от электродвигателя постоянного тока 4 . При этом частота вращения высевающего диска устанавливалась при помощи автотрансформатора 6 (рис. 3a). Разрежение создавалось стационарным эксгаустером 7 , необходимый уровень разрежения в вакуумной камере высевающего аппарата задавался и поддерживался дроссельной заслонкой 8 . Величина разрежения контролировалась вакуумметром непосредственно в зоне вакуумной камеры, что позволяло не учитывать значение возможных потерь разрежения в пневмосистеме.

При высеве семян подсолнечника рекомендуется использовать диаметр присасывающих отверстий 3 ∙ 10^–3 м, а при высеве кукурузы 5 ∙ 10^–3 м. Соответствующие значения разрежения в вакуумной камере 4 000 и 4 500 Па¹⁶. Таким образом, при k = 0,75 значение присасывающей силы при высеве подсолнечника P _прп ≈ 0,021 Н, а при высеве

Том 33, № 1. 2023

кукурузы P _прк ≈ 0,066 Н. Исходя из этого, при проведе^. н^. ии экспериментального исследования выбирались следующие значения диаметров присасывающих отверстий и разрежения в вакуумной камере (табл. 1).

Все эксперименты проводились в пятикратных повторностях, в каждом из которых наблюдаемое количество присасывающих отверстий имело значение 300 шт. Частота вращения высевающего диска 40 об/мин выбиралась, исходя из предполагаемой скорости движения посевного агрегата около 3,2 м/с (около 11,5 км/ч) и норме высева около 4,2 шт./м (при 20 присасывающих отверстиях на диске). Во время реализации опытов сбрасыватель «лишних» семян демонтировался.

Проведение эксперимента при меньших значениях диаметров присасывающих отверстий, а соответственно, и больших значениях разрежения в вакуумной камере не проводились в связи с техническими возможностями используемого лабораторного стенда.

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Значения диаметров присасывающих отверстий и разрежения в вакуумной камере при проведении экспериментального исследования

Values of the diameters of the suction holes and the rarefaction in the vacuum chamber during the experimental study

При высеве подсолнечника / When seeding sunflower				При высеве кукурузы / When seeding corn
d , мм / d , mm	Н , кПа / Н , kPa	k	P пр , Н / P пр , N	d , мм / d , mm	Н , кПа / Н , kPa	k	P пр , Н / P пр , N
1,5	16,0			3,0	12,5
2,0	9,0			3,5	9,2
2,5	5,8			4,0	7,0
3,0	4,0	0,75	0,021	4,5	5,5	0,75	0,066
3,5	2,9			5,0	4,5
4,0	2,3			5,5	3,7
–	–	–	–	6,0	3,1

16 Там же.

Исследование в области больших значений диаметров присасывающих отверстий не проводилось, так как при этом наблюдается западание и заклинивание семян в присасывающих отверстиях.

Основные размерные характеристики используемых в эксперименте семян подсолнечника и кукурузы представлены в таблице 2.

В таблице 2 приняты следующие условные обозначения: М _min – минимальный размер семян, мм; М – средний размер семян, мм; М _max – максимальный размер семян, мм; σ – среднеквадратическое отклонение размеров семян, мм; V – коэффициент вариации распределения размеров семян, %; m – ошибка среднего размера семян, мм; Р – показатель точности наблюдений, %.

Поисковые эксперименты показали, что при заданных силах присасывания высевающий аппарат обеспечивает подачу семян практически без пропусков. Таким образом, качество его работы можно было оценивать только по одному критерию. Исходя из содержания гипотезы исследования, в качестве параметра оптимизации принималось количество групповых подач.

При проведении эксперимента движущиеся присасывающие отверстия фиксировались на видеокамеру, после чего количество групповых подач семян подсолнечника и кукурузы подсчитывалось визуально при замедленном воспроизведении записи.

Результаты исследования

По результатам экспериментального исследования и показателям их статистической оценки сформирована таблица 3, в которой приняты следующие обозначения: n _гср – среднее по повторам количество групповых подач семян присасывающими отверстиями, шт.; σ _{n г} – среднеквадратическое отклонение количества групповых подач семян присасывающими отверстиями; m _{n г} (шт.) и m _{o n г} (%) – соответственно абсолютная и относительная ошибки опыта.

Из данных таблицы 2 видно, что экспериментальное исследование было проведено с достаточно высокой точностью – практически на всех этапах относительная ошибка опыта не превысила 5 %. При этом для анализа наибольший интерес представляет показатель частости групповых подач р _г , который определяется как отношения количества наблюдаемых в опыте групповых подач к общему количеству подач. В графическом виде зависимости частостей групповых подач семян подсолнечника и кукурузы от диаметра присасывающих отверстий представлены на рисунке 4.

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Основные размерные характеристики семян, используемых в эксперименте Main dimensional characteristics of the seeds used in the experiment

Гибрид / Сорт / Hybrid / Variety	Пионер (Подсолнечник) / Pioneer (Sunflower)			Зерноградский 282 МВ (Кукуруза) / Zernogradskiy 282 MV (Corn)
Показатель / Index	Длина / Length	Ширина / Width	Толщина / Thickness	Длина / Length	Ширина / Width	Толщина / Thickness
М min, мм / М min, mm	6,90	3,70	2,00	9,10	6,81	3,50
М , мм / М , mm	10,00	5,60	3,30	11,62	8,82	5,56
М max, мм / М max, mm	11,70	7,00	5,10	14,13	11,06	7,54
σ , мм / σ , mm	0,73	0,54	0,50	0,73	0,76	0,67
V , %	7,30	9,60	15,20	6,28	8,62	12,04
m , мм / m , mm	0,05	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03
Р , %	0,46	0,61	0,94	0,28	0,38	0,54

Т а б л и ц а 3

T a b l e 3

Показатели подачи семян присасывающими отверстиями вакуумного высевающего аппарата Indicators of seed feeding by suction holes of a vacuum seeding mechanism

Кукуруза / Corn        Подсолнечник / Sunflower        d , mm

Культура / Culture	d , мм / d , mm	Н , кПа / Н , kPa	n гср, шт. / n гср, pcs	σn г, шт. / σn г, pcs	mn г, шт. / mn г, pcs	m , % / o n г m o n г , %
	1,5	16,0	57,2	5,3	2,4	4,2
	2,0	9,0	80,0	3,4	1,5	1,9
Подсолнечник /	2,5	5,8	103,6	9,6	4,3	4,2
Sunflower	3,0	4,0	115,4	9,3	4,2	3,7
	3,5	2,9	123,4	17,0	7,7	6,2
	4,0	2,3	129,8	7,3	3,3	2,6
	3,5	9,2	63,0	2,1	1,0	1,5
	4,0	7,0	92,8	9,7	4,4	4,8
Кукуруза /	4,5	5,5	95,8	7,1	3,2	3,4
Corn	5,0	4,5	98,0	4,4	2,0	2,0
	5,5	3,7	96,2	5,8	2,6	2,7
	6,0	3,1	104,4	10,1	4,6	4,4

Р и с. 4. Зависимости частостей групповых подач семян подсолнечника и кукурузы от диаметра присасывающих отверстий

F i g. 4. Dependences of the frequencies of group feeding of sunflower and corn seeds on the diameter of the suction holes

В работе были предприняты попытки аппроксимации полученных зависимостей с использованием линейного, логарифмического, полиномиальных (второй и третей степени) и степенного законов, результаты представлены в таблице 4.

Т а б л и ц а 4

T a b l e 4

Результаты аппроксимации зависимостей частостей групповых подач семян подсолнечника и кукурузы от диаметра присасывающих отверстий

Results of approximation of the dependences of the frequencies of group feeding of sunflower and corn seeds on the diameter of the suction holes

Культура / Culture	Закон аппроксимации / Law of Approximation	Уравнение аппроксимации / Approximation Equation	Достоверность аппроксимации / Approximation Confidence
	Линейный / Linear	р гп = 0,096 d + 0,074	0,93
г § У О 8 =	Логарифмический / Logarithmic	р гп = 0,253ln( d ) + 0,096	0,98
	Полиномиальный (2 ст.) / Polynomial (2 degree)	р гп = -0,034 d 2 + 0,285 d - 0,161	1,00
	Полиномиальный (3 ст.) / Polynomial (3 degree)	р гп = 0,003 d 3 – 0,059 d 2 + 0,349 d – 0,212	1,00
	Степенной / Power	р гп = 0,1458 d 0,8396	0,95
	Линейный / Linear	р гк = 0,049 d + 0,072	0,78
ей 8 о ^и	Логарифмический / Logarithmic	р гк = 0,218 ln( d ) – 0,032	0,83
	Полиномиальный (2 ст.) / Polynomial (2 degree)	р „ = -0,021 ^2 + 0,238 d - 0,333	0,89
	Полиномиальный (3 ст.) / Polynomial (3 degree)	р „ = 0,004 d 3 - 0,079 d 2+ 0,492 d - 0,691	0,89
	Степенной / Power	р гк = 0,0845 d 0,822	0,81

Обсуждение и заключение

Из данных, указанных в таблице 4, можно увидеть, что наибольшая фактичность описания зависимостей была как для подсолнечника, так и для кукурузы получена при применении полиномиальных законов. Причем в обоих случаях применение квадратного полинома обеспечивает практически такую же достоверность, как и кубического, поэтому логично использовать полиномы меньшей степени. Решение соответствующих уравнений позволяет предположить, что частота групповых подач семян менее 5 % может быть обеспечена при диаметре присасывающих отверстий около 0,8 мм при высеве семян подсолнечника и около 1,9 мм при высеве кукурузы. При этом значения разрежений в вакуумной камере должны составлять 31–56 кПа, что практически на порядок превосходит традиционные показатели работы пневмосистем вакуумных пропашных сеялок. Из чего можно заключить, что при совершенствовании конструкции высевающих аппаратов вакуумных пропашных сеялок, за счет уменьшения диаметра присасывающих отверстий, необходимо параллельно внедрять модернизации, направленные на повышение их захватывающей способности.

В целом исследование, проведенное с использованием вакуумного высевающего аппарата сеялки МС-8, позволяет заключить, что при заданных параметрах и режимах работы высевающего аппарата зависимость образования групповых подач семян подсолнечника от диаметра присасывающих отверстий (при расчетном значении силы присасывания около 0,021 Н) может быть с достаточно высокой точностью описана полиномом второй степени ргп = –0,034d2 + 0,285d – 0,161, а при высеве кукурузы – полиномом ргк = –0,021d2 + 0,238d – 0,333 (при расчетном значении силы присасывания около 0,066 Н). Решение полученных уравнений позволяет предположить, что частота групповых подач семян менее 5 % будет обеспечиваться при диаметре присасывающих отверстий до 0,8 мм для подсолнечника и до 1,9 мм для кукурузы.

Том 33, № 1. 2023

Но нужно учитывать, что для достижения рациональных величин силы присасывания значения разрежений в вакуумной камере должны будут составлять 31–56 кПа, что существенно превосходит предельные показатели работы пневмосистем существующих вакуумных сеялок. Таким образом, модернизация высевающих аппаратов вакуумных пропашных сеялок, ориентированная на уменьшение диаметров присасывающих отверстий, должна одновременно быть направлена на повышение их захватывающей способности.

Поступила 04.10.2022; одобрена после рецензирования 20.11.2022; принята к публикации 17.01.2023

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Submitted 04.10.2022; revised 20.11.2022; accepted 17.01.2023

About the authors: