Повышение эффективности функционирования высевающих систем зерновых сеялок посредством создания устройств контроля качества их работы

Посев — технологическая операция возделывания сельскохозяйственных культур, предназначенная для заданного размещения семян по площади поля на заданную глубину их заделки в почву — с учетом обеспечения растениям агротехнически обоснованной площади питания.

Для большинства сельскохозяйственных культур необходимое условие высокой урожайности — обеспечение дружных всходов. Поэтому значительный интерес представляют комплексные исследования по обоснованию качественных и количественных параметров процесса высева, обуславливающих оптимальную всхожесть семян и дальнейшее стабильное развитие растений в различных почвенно-климатических зонах.

Отечественными и зарубежными исследованиями установлено, что посев с одновременным локальным внесением полной дозы гранулированных минеральных удобрений (с почвенной прослойкой) повышает урожайность сельскохозяйственных культур на почвах, бедных питательными веществами, в среднем на 10%. Такой способ посева позволяет сократить потери питательных веществ, повысить их ассимиляцию растениями, эффективно воздействовать на плодородие почвы благодаря рациональному размещению удобрений в корнеобитаемом слое, а также способствует улучшению водно-воздушных свойств почвы.

Посев в основном осуществляется тракторными зерновыми и комбинированными сеялками. Внедрение в сельскохозяйственное производство скоростных тракторов обеспечивает повышение скорости посевных агрегатов, что означает не только повышение производительности труда, но и повышение урожайности зерновых культур за счет возможности проведения посевных работ в оптимальные агротехнические сроки.

Качество работы высевающих систем зерновых сеялок оценивают по равномерному распределению семян по площади поля, с учетом обеспечения растениям агротехнически обоснованной площади питания, и по равномерности глубины заделки семян. Скорость движения посевного агрегата в сочетании с физико-механическими свойствами почвы определяет степень проскальзывания колес сеялки, которая может изменяться в широких пределах. Кроме того, скорость движения сеялки, а, следовательно, частота вращения высевающих аппаратов влияют на количественные характеристики высева. Исследования показывают, что с увеличением скорости движения от 5,4 до 13 км/ч норма высева катушечными аппаратами возрастает на 5%, дисковыми аппаратами точного высева снижается на 15,8.61,3%, пневматическими аппаратами точного высева уменьшается на 61,2%.

Поперечные и продольные наклоны сеялок обуславливают изменение нормы высева до 10%. Разница между нормой высева, устанавливаемой в лабораторных условиях, и фактическим высевом в поле достигает 4. .6% [1].

Изменчивость физико-механических свойств посевного материала отражается также на качестве работы высевающих систем. Наблюдается их забивание, что приводит к нарушениям распределения семян по площади поля.

Если сроки проведения посевных работ могут быть сокращены за счет повышения рабочих скоростей и ширины захвата посевных машин, то улучшение качества посева, даже при самой хорошей конструкции высевающих систем и заделывающих рабочих органов, имеет пределы совершенствования, связанные с разбросом конструктивных параметров сеялок, физико-механических и биологических свойств семян и трудностью их учета в структуре посевных агрегатов.

Применение средств контроля высева в составе посевного агрегата позволяет учесть многообразие физических характеристик семян и адаптировать рабочие органы посевной машины на оптимальное выполнение технологических операций, оперативно обнаруживать различные нарушения технологического процесса высева.

В работах ведущих ученых Лурье А. Б., Ксеневича И. П., Еникеева В. Г. Бородина И.Ф., Бузенкова Г. М., Иофинова С. А., Хорошенкова В. К., Шаповалова В. Д., Викторова А. И., Черникова В. Г., Тамирова М. А. и других, посвященных исследованиям технологических процессов высева и созданию средств контроля функционирования мобильных агрегатов, изучены основные факторы, влияющие на количественные и качественные показатели технологических процессов, реализуемых ими в реальных условиях работы, которые можно распространить и на посевные агрегаты.

Развитие средств контроля, устанавливаемых на мобильных агрегатах, идет в направлении расширения функциональных возможностей электронных систем, связанных с применением бортовых микропроцессорных устройств, использования современных средств отображения, включая алфавитно-цифровые и графические дисплеи. Такие приборы широко используются на машинно-тракторных агрегатах фирм «Case», «John Deer» (CIIIA), Agro (ФРГ), «Blanhot» (Франция), «Bosch» (Германия).

Отечественный электронный рынок насыщен продукцией иностранных компаний, что позволяет использовать в разработках практически любые модели микро-ЭВМ и микроконтроллеры.

Сравнительный анализ используемых устройств контроля для машинно-тракторных агрегатов различных зарубежных фирм производящих сельскохозяйственную технику, с отечественными разработками аналогичных средств показывает, что развитие электронных средств контроля функционирования машинно-тракторных агрегатов идет также в направлении совместимости электронных устройств различных агрегатов.

Основным критерием практической ценности разработок средств контроля, является их экономическая эффективность, измеряемая сокращением сроков окупаемости посевных машин, снижением эксплуатационных расходов и повышением прибыльности от эксплуатации машин.

Исследования рабочих процессов, осуществляемых посредством высевающих систем посевных агрегатов [2, 3] показывают, что колебания их технологических показателей (продольной и поперечной равномерности распределения семян в борозде, глубины заделки семян) в большинстве случаев согласованы с агротехническими допусками и находятся в зонах этих допусков с вероятностями 60−80%. Однако из-за непостоянства средних уровней возмущающих воздействий (скорости движения, продольных и поперечных уклонов поверхности поля, твердости и влажности почвы на разных участках поля) и нестационарности технических параметров машин (таких, как износ рабочих органов и изменение массы машины) настроечные значения технологических параметров могут значительно отличаться от фактических средних. Это приводит к ухудшению качества работы высевающих систем посевных машин и, в конечном счете, отрицательно сказывается на урожайности сельскохозяйственных культур.

Резервом повышения эффективности функционирования высевающих систем зерновых сеялок является применение устройств контроля качества высева в составе посевного агрегата, позволяющих осуществить поднастрой-ку высевающей системы при выполнении технологической операции посева. Использование средств контроля позволяет учесть многообразие физических характеристик семян, а также адаптировать рабочие органы посевной машины на оптимальное выполнение технологических операций и оперативно обнаруживать различные нарушения технологического процесса высева.

На основе проведенных исследований об оценке экономической эффективности применения средств контроля на сеялках и их опытной эксплуатации можно сделать вывод, что, не изменяя структуры колебаний агротехнических параметров посева, а лишь обеспечивая устойчивость их средних настроечных режимов, можно добиться экономии, эквивалентной эффекту от увеличения скорости движения агрегата на посеве в 1,5 раза. [2, 4].

Эксплуатация посевных агрегатов показывает, что капиталовложения в устройства контроля высева оправдываются, если не превышают 15% от стоимости агрегата.

Наличие большого парка зерновых сеялок с механическими высевающими аппаратами и сохраняющаяся тенденция их использования в ближайшем будущем [4,5,7,8] делает актуальным применение комплексных средств контроля высева в их составе. Это позволит добиться улучшения качества посева и обеспечить их конкурентоспособность.

В главе 1 рассматривается состояние проблемы, анализируются конструкции высевающих систем зерновых сеялок, а также структура посевных агрегатов. Приводится обзор устройств контроля высева в России и за рубежом за последние годы, рассматриваются конструктивные, технологические и технико-экономические предпосылки создания устройства контроля качества работы высевающих систем сеялок семейства С3−3,6, обосновывается выбор объекта контроля, формулируются цели и задачи исследований.

В главе 2 проведены теоретические исследования технологического процесса высева семян от формирования потока семян высевающей катушкой до заделки семян в почву и разработаны соответствующие модели.

В главе 3 приведены лабораторные и экспериментальные исследования процесса высева для проверки теоретических результатов, изложенных во второй главе.

В главе 4 изложены результаты теоретических исследований принципов построения устройства контроля качества работы высевающих систем зерновых сеялок. Разработаны алгоритм контроля качества высева, алгоритм работы устройства, а также структура и основные элементы устройства. Исследованы устойчивость и критерии оценки результатов экспериментальных исследований.

В главе 5 приводятся результаты полевых исследований посевного агрегата с установленным на нем разработанным устройством контроля качества работы высевающих систем зерновых сеялок.

На защиту автором выносится:

— математическая модель дозирующей системы;

— математическая модель процесса движения частиц по семяпроводу;

— алгоритм контроля качества высева;

— алгоритм работы устройства;

— структура и основные элементы построения устройства контроля качества работы высевающих систем зерновых сеялок.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. На основе разработанной математической модели процесса движения частиц по семяпроводу, формулы (2.10), (2.11), (2.12), (2.22), (2.23), (2.24), (2.25), получены: функция распределения частиц по поперечному сечению семяпровода и функция распределения интервалов между частицами в месте установки датчика высева.

2. Установлено, что интенсивность потока семян на выходе семяпроводов в продольном сечении зависит от высеваемой культуры и подчиняется показательному закону. Распределение интенсивности равномерно в поперечном сечении сошника, стабильно по культурам и нормам высева. Распределение частиц описывается аналогом уравнения Больцмана, а по поперечному сечению распределение равномерно для скоростей от 5 до 15км/ч, норм высева от 60 до 250 кг/га, углах наклона семяпровода до 50°, что подтверждает теоретические исследования.

3. Предложена методика определения числа датчиков и длины пути измерения для контроля нормы высева, обеспечивающих требуемую точность оценки расхода семенного материала, формулы (2.50), (2.51), (2.52). Минимально необходимая длина пути измерения 6.9 метров для катушечных высевающих аппаратов, количество датчиков высева не менее 5 штук.

4. Повышение эффективности функционирования высевающих систем зерновых сеялок достигается реализацией разработанного алгоритма контроля качества высева (рис. 4.6) по основным технологическим параметрам (забивание сошников, норма высева, глубина заделки семян), позволяющего обеспечить заданное качество выполнения технологических операций при работе посевного агрегата и упрощающего его настройку, увеличивая среднюю относительную длительность сохранения допуска на колебания расхода семян до 0,8 и на колебания по глубине заделки до 0,7.

5. Разработаны структура и основные элементы устройства контроля качества работы высевающих систем семейства сеялок С3−3,6 (рис. 4.14), реализующего алгоритм контроля качества высева. Изготовлен опытный образец устройства, проведены предварительные испытания посевного агрегата с установленным на нем устройством контроля. Применение устройства позволяет снизить просевы до 0,4%, уменьшить расход семян на 4% за счет возможности корректировки положения высевающих катушек.

6. Экономический эффект от использования устройства обеспечивается возможностью в реальном времени оценить качество посева (норму высева, забивание сошников, глубину заделки семян) и, при необходимости, скорректировать выявленные нарушения, что обеспечивает повышение урожайности до 5%, за счет более равномерного распределения семян по площади поля и глубине заделки.