Посевные машины с двухдисковыми сошниками имеют ряд преимуществ. Использование двухдискового сошника позволяет вести укладку семян более качественно. При этом наблюдается плотный контакт между семенами и почвой. На качество посадки значительное влияние оказывают и такие факторы, как количество семян в заданном слое, равномерное распределение семян по длине, а также распределение семян по глубине заделки [1, 2].
Применение двухдисковых сошников имеет и свои недостатки. Среди таких недостатков стоит выделить образование наклонного дна борозды, а также осыпание стенок борозды. Вследствие указанных недостатков наблюдается дополнительное раскатывание семян по дну борозды, что сказывается на понижении качества посева.
Многие предприятия, специализирующиеся на выпуске машин для посева зерновых культур и столкнувшиеся с этими недостатками, устраняют их лишь частично, при этом проблема остается неизменной и актуальной. В связи с этим следует провести исследования по разработке конструкции экспериментального сошника зерновой сеялки с направителем семян и гасителем скорости семян, выполненным в форме бороздного прикатывающего катка, в соответствии с агротехническими требованиями к посеву.
Цель исследований: разработка и обоснование конструктивно-режимных параметров сошника сеялки для посева зерновых культур.
Материалы и методы исследования
Работа включала в себя теоретические и экспериментальные исследования. В свою очередь экспериментальные исследования включали в себя следующее:
- лабораторные исследования по влиянию конструктивных характеристик сошника на показатели посева семян зерновых культур;
- определение рациональных значений конструктивных параметров экспериментального сошника;
- лабораторно-полевые исследования сеялки СЗ-5,4-0,6, оснащенной экспериментальными сошниками;
На основе общепринятых способов оценки качества выполнения технологического процесса работы сеялок (ГОСТ 31345-2007, СТО АИСТ 5.6-2010) была разработана методика проведения лабораторных и лабораторно-полевых исследований экспериментального сошника.
С целью выполнения лабораторных исследований был сконструирован и изготовлен опытно-конструкторский образец сошника. Исследования экспериментального сошника проводились на лабораторной установке (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид лабораторной установки с экспериментальным сошником: 1 – почвенный канал; 2 – бункер для семян; 3 – разработанный сошник; 4 – редуктор; 5 – преобразователь частоты векторный; 6 – мотор редуктор
Коэффициент вариации неравномерности распределения семян по длине рядка был выбран в качестве основного показателя качества посева семян зерновых культур при проведении лабораторных исследований [3–5].
Распределение семян по длине рядка, а также глубина заделки семян в свою очередь были приняты в качестве оценочных показателей качества посева зерновых культур при лабораторно-полевых исследованиях.
При проведении лабораторно-полевых исследований была использована сеялка СЗ-5,4-0,6 (рис. 2), которая оснащалась экспериментальными сошниками. Сеялка включает в себя раму, зернотуковый ящик, сошники, семяпроводы. Исследования проводились в КФХ «Антоново» Иссинского района Пензенской области в 2019–2020 гг.
Рис. 2. Общий вид сеялки СЗ-5,4-0,6 с экспериментальными сошниками
Согласно ГОСТ 28168-89, ГОСТ 28268-89 определяли влажность и твердость почвы. При этом влажность и твердость почвы определялись в день проведения опытов при глубине от 0 до 15 см. Пробы почвы берутся по диагонали участка с повторностью опытов десять раз. При определении влажности почвы был выбран термовесовой метод [6].
Были проведены экспериментальные исследования сеялки, оснащенной экспериментальными сошниками. При этом экспериментальные исследования были выполнены с использованием стандартных методик (ГОСТ 31345-2007, СТО АИСТ 5.6-2010) [7]. При помощи программ Statistica 6.0 RUS, Microsoft Office и др. на персональном компьютере проводили анализ и обработку полученных результатов исследований экспериментального сошника [8].
Результаты исследования и их обсуждение
По результатам теоретических исследований рассчитаны: расчетная схема, ударный импульс, скорость точки удара T, коэффициент восстановления при ударе, удар объекта – каток, удар объекта – материальная точка, расчетная система уравнений относительно величин, мгновенный центр скоростей P катка после удара.
Был осуществлен анализ существующих конструкций зерновых сеялок с применяемыми в них сошниками. На основании этого анализа была разработана конструктивно-технологическая схема экспериментального сошника для укладки и заделки семян зерновых культур (патент РФ на изобретение № 269262).
Разработанный сошник работает следующим образом (рис. 3). При движении сошника диски 1 нарезают борозду. При этом диски установлены под некоторым углом друг к другу на корпусе 5. Семена с удобрениями попадают в воронку 3 горловины 4 корпуса 5 сошника. По раструбу 6 семена и удобрения поступают в трубу 6. Труба, через которую поступают семена, выполнена в форме прямоугольного сечения. Из трубы 6 семена попадают под бороздной прикатывающий каток 10. Основной задачей прикатывающего катка является гашение скорости семян при ударе. После удара о прикатывающий каток семена поступают в бороздку.
Рис. 3. Схема экспериментального сошника: 1 – диск; 2 – раструб; 3 – горловина; 4 – воронка; 5 – корпус; 6 – труба; 7 – клин; 8 – пятка клина; 9 – выходное отверстие; 10 – кронштейн; 11 – шина; 12 – диск; 13 – ступица; 14 – обод; 15 – втулка; 16 – шина; 17 – стопор; 18 – кронштейн, 19 – винт; 20 – чистики; 21 – стойка
Направитель семян с рыхлителем реализованы как единое целое из трубы 6 прямоугольного сечения. Данное техническое решение создает поток семян с наименьшим отскоком их от внутренних стенок трубы. При этом образуемый поток семян становится более выровненным и равномерным, а также наблюдается минимальное травмирование семян.
Труба 6 отогнута в сторону, противоположную движению сошника. Ось симметрии трубы 6 прямоугольного сечения выполнена радиусом R = 150…160 мм. Для улучшения распределения семян с целью исключения раскатывания семян по длине борозды напротив отверстия трубы 6 установлен гаситель скорости семян. Гаситель скорости семян выполнен в форме бороздного прикатывающего катка 10. Все это способно повлиять на улучшаение качества посева зерновых культур.
В результате исследования физико-механических свойств пшеницы яровой сорта «Архат» получили следующие данные: среднее значение длины семян 6,17 мм, среднее значение толщины семян 2,70 мм, среднее значение ширины 3,29 мм. При этом угол естественного откоса семян составил 27 градусов. Масса 1000 семян составила 43 г. Сорт исследуемой пшеницы относится к первой группе сыпучести.
Для определения конструктивных параметров разрабатываемого сошника был проведен многофакторный эксперимент. В качестве критерия оптимизации был выбран коэффициент вариации неравномерности распределения семян по длине рядка.
В результате проведения отсеивающего эксперимента были определены наиболее значимые факторы: L – расстояние от вертикальной оси симметрии прикатывающего катка до плоскости выходного отверстия направителя семян, S – площадь сечения выходного отверстия трубы направителя семян, Р – усилие на бороздном прикатывающем катке.
Данные эксперимента обрабатывались при помощи программы «Statistica 6,0», с использованием модуля «Нелинейная оценка». В результате получили математическую зависимость, которая отражает связь коэффициента неравномерности распределения семян в рядке с конструктивными параметрами экспериментального сошника в закодированном и раскодированном видах.
Y = 23,43518 + 2,07138x1 – 0,94598x2 + + 1,52368x3 + 11,34285x12 + 1,32964x22 – – 5,73136x32 + 1,31752x1x2 – – 1,27138x1x3 + 0,87615x2x3, (1)
P = 37,229 – 9,0763x1 – 0,7863x2 + 0,6054x3 + + 0,0746x12 + 0,0009x22 + 0,0002x32 + + 0,0042x1x2 – 0,0132x1x3 + 0,0009x2x3. (2)
Так же при помощи программы «Statistica 6,0» с использованием экспериментальных данных были получены поверхности отклика (рис. 4).
а) б)
в)
Рис. 4. Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость равномерности распределения семян в рядке от а) L – расстояния от вертикальной оси симметрии бороздного прикатывающего катка до плоскости выходного отверстия направителя семян и S – площади сечения выходного отверстия трубы направителя семян; б) L – расстояния от вертикальной оси симметрии бороздного прикатывающего катка до плоскости выходного отверстия направителя семян и Р – усилия на бороздном прикатывающем катке; в) S – площади сечения выходного отверстия трубы направителя семян и Р – усилия на бороздном прикатывающем катке
В результате анализа графических изображений двумерных сечений (рис. 4) были получены следующие результаты. Параметр оптимизации (Р) составляет 22 %. При этом значения исследуемых факторов, которые будут положительно влиять на качество посева, семян находятся в интервалах L = 53…57 мм, S = 260…285 мм2, P = 25…29 Н.
При проведении лабораторно-полевых исследований сеялки с экспериментальными сошниками были уточнены конструктивные параметры, полученные при проведении теоретических и лабораторных испытаний (таблица).
Результаты исследований по определению оптимальных конструктивных параметров экспериментального сошника
|
Параметры экспериментального сошника |
Исследования |
||
|
теоретические |
лабораторные |
лабораторно-полевые |
|
|
Расстояние от вертикальной оси симметрии бороздного прикатывающего катка до плоскости выходного отверстия направителя семян L, мм |
56,2 |
56,7 |
56 |
|
Площадь сечения выходного отверстия трубы направителя семян S, мм2 |
300 |
301,2 |
300 |
|
Усилие на бороздном прикатывающем катке P, H |
32 |
31,7 |
31 |
Неравномерность распределения семян по длине рядка разработанным сошником была снижена на 16,5 % и составляла 22 %.. Глубина заделки семян сеялкой с экспериментальным сошником составила 46…52 мм. Глубина заделки семян для базового варианта сеялки составила 46…56 мм.
Были проведены экономические расчеты, которые показали, что использование сеялки СЗ-5,4-06 с экспериментальными сошниками даст годовую экономию с учетом стоимости прибавочной продукции до 1200,4 тыс. руб. При годовой нагрузке 120 ч годовой экономический эффект составит 1198,3 тыс. руб.
Заключение
1. При проведении анализа применяемых технических средств для посева зерновых культур была обоснована конструктивно-технологическая схема, а также конструкция сошника сеялки, предназначенного для посева семян зерновых культур (Патент РФ на изобретение № 2692622), особенностью которого является гаситель скорости семян, выполненный в форме катка.
2. По результатам теоретических исследований рассчитаны: расчетная схема, ударный импульс, скорость точки удара T, коэффициент восстановления при ударе, удар объекта – каток, удар объекта – материальная точка, расчетная система уравнений относительно величин, мгновенный центр скоростей Р катка после удара.
3. Разработан и изготовлен экспериментальный сошник для сеялки, предназначенной для посева семян зерновых культур. В результате лабораторных исследований определены основные конструктивные параметры сошника, влияющие на качественные показатели посева.
Оптимальное значение расстояния от вертикальной оси симметрии бороздного прикатывающего катка до плоскости выходного отверстия направителя семян L = 53…57 мм; сечение выходного отверстия трубы направителя семян S = 260…285 мм2; усилие на бороздном прикатывающем катке P = 25…29 Н. Параметр оптимизации (Р) соответственно будет составлять 22 %.
4. При проведении лабораторно-полевых исследований сеялки с разработанными сошниками были подтверждены теоретические расчеты и проводимые лабораторные исследования. При использовании сеялки с разработанным сошником прибавка урожая составила 13 %.
Экономические расчеты показали, что использование сеялки СЗ-5,4-06 с экспериментальными сошниками позволит получить годовую экономию до 1200,4 тыс. руб. При годовой нагрузке 120 ч годовой экономический эффект может составлять до 1198,3 тыс. руб. При этом срок окупаемости составил 0,2 года.
Работа подготовлена при поддержке Федерального государственного бюджетного учреждения «Российский фонд фундаментальных исследований» (РФФИ Договор № 19-38-90158/19).