Щелевой пневматический высевающий аппарат избыточного давления

УДК 631.331.54

ЩЕЛЕВОЙ ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ВЫСЕВАЮЩИЙ АППАРАТ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ

© 2017 г. П.Л. Яценко, В.И. Хижняк

Получение запланированного валового урожая необходимого качества возможно только при условии оптимизации использования имеющихся природных ресурсов, которые, по утверждению современных исследований, 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. При применении машинного высева получаемая площадь питания растений далека от рациональных значений. Исходя из изложенного выше материала, была поставлена задача 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. Поставленная задача решалась аналитическими исследованиями технологий посева семян пропашных культур, конструкций пневматических высевающих аппаратов точного высева и научных работ по исследованию процесса дозирования семян пневматическими высевающими аппаратами точного высева. В результате исследования была разработана функциональная схема и конструкция щелевого пневматического высевающего аппарата избыточного давления, обеспечивающая поштучную подачу семян по сигналу электронного блока управления. Изучен процесс дозирования семян щелевым пневматическим высевающим аппаратом избыточного давления. Результаты исследований применяются при разработке пневматических высевающих аппаратов и технологий возделывания пропашных культур. 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 природно-климатических условий, позволит шире внедрять технологии координатного земледелия в сельскохозяйственном производстве нашей страны.

Ключевые слова: точное земледелие, координатный высев, пропашные культуры, программирование урожая, высевающий аппарат, точный высев, поштучное дозирование, щелевой высевающий аппарат, дозирование семян, электронный блок управления.

Planned gross yield of the required quality can be achieved only by optimizing the use of available natural resources, which, according to modern researches, can vary abruptly even within a single field. This condition poses the problem for agricultural producers of the differenting approaches of cultivation of agricultural crops, depending on the prevailing natural climatic conditions in each specific area of the field. Seeding is a key operation in crop cultivation technology, as at this stage plant standing density is forming, which affects the availability of life-important factors for plants. At application of the machine seeding the resulting area of plant nutrition is far from rational values. Basing on the above material there has been formulated the task to develop a functional sceme and construction of fundamentally new seeding system, providing piece-flow of seeds on a signal of the electronic control unit and allowing to create an optimal nutrition area for each plant, on fields with differentiated climatic conditions. This task was solved by analytical researching technologies of seeding row crops, constructions of the pneumatic sowing machines of precision drilling and scientific works on studying seed dosing process by pneumatic sowing machines of precision drilling. The study resulted in design of functional sceme and construction of slit pneumatic sowing apparatus of overpressure, providing piece-flow of seeds on a signal of the electronic control unit. The seed dosing process by slit pneumatic sowing apparatus of overpressure was studied. The research results are used at the development of pneumatic sowing machines and technologies of cultivating row crops. Implementation of this slit pneumatic sowing device of overpressure allows to expand the functionality and universatility of sowing machines, as well as to optimize the area of plant nutrition, depending on climatic conditions and broader introduce the technology of coordinate agriculture in agricultural farming of our country.

Keywords, precision agriculture, coordinate seeding, row crops, programming of harvest, sowing machine, precision seeding, piece-flow dosing, slit seeding machine, seed dosing, electronic control unit.

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-климати-ческих 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, водно-минеральная 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 бун-

кера в семенную камеру высевающего аппарата и движение семян в семяпроводе исследованы в достаточной мере [5-9].

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

На семя (рисунок 3), находящееся у щели высевающего аппарата, действуют: сила тяжести mg, сила горизонтального давления вышележащего слоя Рп, 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 Ра.

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

В момент достижения семенем поверхности слоя семян на него начинает действовать поперечная аэродинамическая сила Рр, 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:

2тё„

Р =

1=\_

2 + к 21ап в

- nmg

£с

, Па,

2

где п - количество семян в ряде, шт.; Р - давление воздуха в корпусе высевающего аппарата, Па; т - масса семени, кг;

ёу - условный диаметр шаровой частицы, м; I - время выноса семени из слоя, с; у - плотность слоя семян, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; к - глубина слоя семян, м; £ - площадь проекции семени на плоскость, перпендикулярную направлению движения потока воздуха, м2; в - угол укладки семян в слое, град; к1 - коэффициент трения семени о подающий диск;

к2 - коэффициент трения семени о корпус

высевающего аппарата; к3 - коэффициент трения семени о слой семян;

е - угол между линией действия силы mg и

осью 2 в плоскости ув2, град; с - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления семени; кр1 - коэффициент сопротивления потоку воздуха, проходящему выше семени; кр2 - 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 природно-климатических условий. Позволит шире внедрять технологии координатного земледелия в сельскохозяйственное производство нашей страны.

Литература

1. Рельефная структура агроланд-шафта, ее влияние на агрохимические показатели почвы, урожайность яровой пшеницы и эффективность удобрений / И.Ф. Медведев, Д.И. Губарев, А.А. Бочков, К.А. Азаров // Вестник Саратовского госагро-университета им. Н.И. Вавилова. - 2013. -№ 9. - С. 20-25.

2. Пат. 2533907 Российская Федерация, МПК А01С 7/04 (2006.01). Импульсный пневматический высевающий аппарат / Лобачевский П.Я., Яценко П.Л., Хиж-няк В.И., Несмиян А.Ю.; патентообладатель ФГБОУ ВПО АЧГАА. -№ 2013126395/13; заявл. 07.06.2013; опубл. 27.11.2014, Бюл. № 33.

3. Пат. 2533906 Российская Федерация, МПК А01С 7/04 (2006.01). Пневматический высевающий аппарат / Лобачев-ский П.Я., Яценко П.Л., Хижняк В.И., Несмиян А.Ю., Барамыков В.И.; патентообладатель ФГБОУ ВПО АЧГАА. -№ 2013125184/13; заявл. 30.05.2013; опубл. 27.11.2014, Бюл. № 33.

4. Пат. 113629 Российская Федерация, МПК А01С 7/04 (2006.01). Пневматический высевающий аппарат / Таранов М.А., Лобачевский П.Я., Хижняк В.И., Несмиян А.Ю., Яценко П.Л., Авраменко Ф.В.; патентообладатель ФГБОУ ВПО АЧГАА. - № 2010136797/13, заявл. 02.09.2010; опубл. 27.02.2012, Бюл. № 6.

5. Шаповалов, Д.Е. Теоретическое обоснование режимов работы гасителя воздушного потока в пневмосемяпроводе сеялки избыточного давления / Д.Е. Шаповалов // Техника и оборудование для села. -2014. - № 11. - С. 12-15.

6. Popescu, A. Research regarding oil seeds crops development in Romania in the EU context / A. Popescu // Economics of Ag-ricul-ture. - 2012. - № 1. - P. 129.

7. Roberts, E.H. Viability of seeds / E.H. Roberts. - London, Chapman and Hall Ltd, 1972. - 416 p.

8. Vilde, A. Impact of soil moisture and composition on its properties and energy consumption of tillage / A. Vilde // International Scientific Conference «Motor Vehicle, Logistics, Alternative Fuels». Proceedings, April 24, 2003, Jelgava, Latvia,

2003. - P. 137-141.

9. Vilde, A. The impact of soil physical and mechanical properties on draft resistance of ploughs / A. Vilde, A. Rucins // TEKA Commission of Motorization and Power Industry in Agriculture. - Vol. IV. - Polish Academy of Sciences Branch in Lublin. Lublin, Poland,

2004. - P. 243-248.

References

1. Medvedev I.F., Gubarev D.I., Bochkov A. A., Azarov K.A. Rel'efnaja struktura agrolandshafta, ee vlijanie na agro-himicheskie pokazateli pochvy, urozhajnost' jarovoj pshenicy i jeffektivnost' udobrenij [Relief structure of agricultural landscape and its effect on agrochemical soil parameters, yield of spring wheat and fertilizer efficiency], Vestnik Saratovskogo gosagrouniversiteta im. N.I. Vavilova, 2013, No. 9, pp. 20-25.

2. Lobachevskij P.Ja., Jacenko P.L., Hizhnjak V.I., Nesmijan A.Ju. Patent 2533907 RU. Impul'snyj pnevmaticheskij vysevajushhij apparat [Impulse pneumatic seeding machine], patentoobladatel' FGBOU VPO AChGAA, No. 2013126395/13, zajavl. 07.06.2013, opubl. 27.11.2014, Bjul. No. 33.

3. Lobachevskij P.Ja., Jacenko P.L., Hizhnjak V.I., Nesmijan A.Ju., Baramykov V.I. Patent 2533906 RU. Pnevmaticheskij vysevajushhij apparat [Pneumatic seeding machine], patentoobladatel' FGBOU VPO AChGAA, No. 2013125184/13, zajavl. 30.05.2013, opubl. 27.11.2014, Bjul. No. 33.

4. Taranov M.A., Lobachevskij P.Ja., Hizhnjak V.I., Nesmijan A.Ju., Jacenko P.L., Avramenko F.V. Patent 113629 RU.

Pnevmaticheskij vysevajushhij apparat [Pneumatic seeding machine], patentoobladatel' FGBOU VPO AChGAA, No. 2010136797/13, zajavl. 02.09.2010, opubl. 27.02.2012, Bjul. No. 6.

5. Shapovalov D.E. Teoreticheskoe obo-snovanie rezhimov raboty gasitelja vozdush-nogo potoka v pnevmosemjaprovode sejalki iz-bytochnogo davlenija [Theoretical substantiation of operating modes of airflow damper in the pneumatic vas deferens of sower of overpressure], Tehnika i oborudovanie dlja sela, 2014, No. 11, pp. 12-15.

6. Popescu A. Research regarding oil seeds crops development in Romania in the EU context, Economics of Agriculture, 2012, No. 1, p. 129.

7. Roberts E.H. Viability of seeds, London, Chapman and Hall Ltd, 1972, 416 p.

8. Vilde A. Impact of soil moisture and composition on its properties and energy consumption of tillage, International Scientific Conference «Motor Vehicle, Logistics, Alternative Fuels» Proceedings, April 24, 2003, Jel-gava, Latvia, 2003, pp. 137-141.

9. Vilde A., Rucins A. The impact of soil physical and mechanical properties on draft resistance of ploughs, TEKA Commission of Motorization and Power Industry in Agriculture, Volume IV, Polish Academy of Sciences Branch in Lublin, Lublin, Poland, 2004, pp. 243-248.

Сведения об авторах

Яценко Петр Леонидович - соискатель ученой степени кандидата технических наук, Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: +7-906-428-69-66. E-mail: yatsenko12988@mail.ru.

Хижняк Владимир Иванович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологии и средства механизации агропромышленного комплекса», директор Центра инжиниринга и трансфера, Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8 (863-59) 43-7-77.

Information about the authors

Yatsenko Pyotr Leonidovich - competitor of scientific degree of Candidate of Technical Sciences, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: + 7-906-428-69-66. E-mail: yatsenko12988@mail.ru.

Khizhnyak Vladimir Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technologies and tools of mechanization of agro-industrial complex department, director of Engineering and Transfer Center, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8 (863-59) 43-7-77.