Разработка автоматизированного привода высевающего аппарата селекционной сеялки

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи
исследований, изложена научная новизна, изложены основные положения и результаты
исследований, выносимые на защиту.
В первой главе «Подбор типов высевающих аппаратов для реализации
автоматизированного привода» проведен анализ существующих конструкций высевающих
аппаратов и агротехнических требований к ним. Определены преимущества и недостатки
примененных технических решений. Исследованиями и разработкой оборудования для
механизации и автоматизации процесса высева в различное время занимались: В.И.
Александров,В.В.Альт,В.Д.Богачев,Г.М.Бузенко,В.П.Горячкин,
Р.И. Гросман, А.Н. Карпенко, А.Ф. Копчинский, М.Н. Летошнев, С.А. Ма, И.А. Пехальский,
М.Х. Пигуевский, А.Н. Семенов, О.А. Сизов, И.Л. Слуцкий, Н.Н. Ульрих, А.А. Фадеев,
М.К. Шайхов, М.М. Шайхов и другие. Анализ применяемых высевающих аппаратов и их
приводов в сеялках показал, что существующие конструкции не в полной мере способны
обеспечить качественный высев в селекции, в частности некоторые высевающие аппараты
травмируют зерно, особенно при рывках, не способны высевать семена без остатков в
бункере, сложны в переналадке. Применяемые приводы с механическими коробками
скоростей и вариаторами позволяют получить точное соблюдение заданной нормы высева,
но только при условии соблюдения стабильного скоростного режима энергосредства без
ускорений и торможений. Также важно внести семена в почву таким образом, чтобы они
равномерно распределялись на засеваемой площади или рядке с малым коэффициентом
варьирования, поскольку в загущенных местах рядка происходит взаимное угнетение
растений, в разреженных – наоборот не до конца используют питательные вещества почвы,
особенно это важно для II этапа селекции, где семена представляют особую ценность,
поскольку на этом этапе происходит выделение из популяции исходного материала наиболее
близких к намеченному образцу растений и создание на базе их наследственности новых
популяций. Следовательно, при производстве селекционных семян зерновых культур
операция высева оказывает значительное влияние на дальнейшую урожайность и качество
получаемых семян, поэтому необходимо минимизировать факторы, влияющие на
стабильность потока посевного материала от приводных механизмов, поэтому проблема
является актуальной и требует разработки нового привода высевающего аппарата.
Во второй главе «Теоретические исследования взаимодействия зерновых культур
с элементами системы высева» представлено теоретические исследования взаимодействия
зерновых культур с элементами высевающей системы.
При теоретическом исследовании процесса движения семян движение изучалось на пяти
характерных участках (Рисунок 1): 1) в ячейках по кассетному столу AB ; 2) по наклонному
участку семяпровода до дозатора BC; 3) по образующей конуса высевающего аппарата CD;
4) по основанию конуса высевающего аппарата DE; 5) по наклонному участку семяпровода
до дна борозды EF.
Движение зерновки горизонтально по участку AB распределительного стола изучалось
с учетом действующих на него сил: силы тяжести семени G = mg; нормальной реакции N
поверхности стола, Н; тр = ∙ силы трения зерновки о стол.
Из дифференциальных уравнений движения зерновки, полученных на данном участке,
выведены зависимости для определения времени движения зерновки на участке AB:
− 0
= (),(1)
1 −
где АВ – время движения зерновки по горизонтальному участку AB распределительного
1
стола посевной машины, с; – коэффициент равный; g – ускорение свободного падения
1
м/с2; – коэффициент трения семени о поверхность кассетного стола, – масса семени, кг.
Зависимости для определения скорости зерновки на участке AB:
1
= − ( − 0 ) − ,(2)
где АВ – скорость зерновки по горизонтальному AB распределительного стола посевной
машины, м/с.
Межцентровое расстояние между ячейками на горизонтальном участку AB кассетного
стола:

= +( − 0 ) ∙ ( − − 1),(3)
1
где 1 – постоянный коэффициент на участке АВ.
Рисунок 1 – Схема сил, действующих на семя, движущееся от бункера до сошниковой
группы, на различных участках: А – кассетный стол; В – входное отверстие семяпровода
высевающего аппарата; С – выходное отверстие дозатора; D – начало основания конуса;
E – входное отверстие сошниковой группы; F – дно борозды
Дифференциальное уравнение движения зерновки по наклонному участку BС
распределительного стола:
2
2 = = − 2 ,(4)

где f2 – коэффициент трения зерновки о семяпровод, α – угол наклона семяпровода на
наклонном участке BC, град.
После решения дифференциальных уравнений (4) получены зависимости для
определения скорости υВС, м/с; времени tВС, с; максимального перемещения зерновки
на наклонном участке BC семяпровода, м:
( − 1 )
= 0 + ;(5)
1
0 1
=;(6)
( 1 − )
1 02 ∙ 1
=,(7)
2 ( 1 − )
где 1 – угол трения, град; υ0 – скорость семени в начале наклонного участка BC семяпровода,
м/с; – время движения семени по наклонному участку BC семяпровода, с.
Дифференциальное уравнение движения зерновки по участку CD имеет следующий
вид:
2
2 = = − 3 ,(8)

где f3 – коэффициент трения семени о материал конуса высевающего аппарата.
Уравнение (9) описывает скорость движения зерновки на участке CD:
( − 2 )
= 0 + ,(9)
2
где 2 – уголн трения семени о образующую конуса CD, град.
При решении уравнения (8) получены – время движения семени по участку CD, с;
– максимальную длину участка, м; ℎ – высоту высота падения семени по
наклонной плоскости до момента ее остановки, м:
0 2
=;(10)
( 2 − )
1 02 ∙ 2
=;(11)
2 ( 2 − )
1 02 2 ∙ 2
ℎ =.(12)
2 ( 2 − )
При попадании семени в начальную точку участка DE оно начнет двигаться вместе с
плоскостью. Движущей силой семени на участке DE является сила трения зерновки о
материал высевающего конуса, поскольку при сходе по участку CD зерновка останавливается
об охватывающий ремень высевающего аппарата и ее скорость движения в начале участка
DE меньше, чем скорость движения плоскости и сила трения больше силы инерции.
Дифференциальное движение зерновки по основанию конуса высевающего аппарата
запишется в виде:

= 4 ,(13)

где –скорость абсолютного движения зерновки, м/с; f4 – коэффициент трения зерновки о
материал высевающего конуса.
Из уравнения (13), путем интегрирования при начальных условиях = 0 и = 0
при t=0 и преобразовании линейных скоростей в угловые получено:
( − 0 )
=;(14)
4

=.(15)
2 4
Частота вращения основания конуса высевающего аппарата получено из
уравнения (15) с учетом того, что = 2 :
4
= √2 .(16)
2 2
Дифференциальное уравнение движение зерновки по наклонному участку EF с учетом
действующих на него сил имеет следующий вид:
2
2= = − 5 ,(17)

где f5 – коэффициент трения зерновки о материал семяпровода.
Из уравнения (17) получено:
sin( − 3 )
= + .(18)
3
где 3 – угол трения семени о поверхность семяпровода на криволинейном участке
семяпровода ЕF рад.
1 ∙ 3
=.(19)
2 ( 3 − )
3
=.(20)
( 3 − )
Для предотвращения остановки семени на участке EF было определено выражение для
расчета максимальной высоты падения по наклонной плоскости до момента ее остановки
путем преобразования выражения (19):
1 2 ∙ 3
ℎ =.(21)
2 ( 3 − )
Исходя из анализа кинематики движения зерновки по высевающей системе
селекционной сеялки была построена диаграмма распределения временного промежутка
участков в процессе высева на II и III этапе селекции (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Распределение участков движения зерновки по высевающей системе по
временному промежутку процесса высева на II и III этапе селекции
Алгоритм функционирования привода высевающего аппарата (Рисунок 3) представляет
собой последовательность действий, выходным результатом которых будет необходимый
режимы работы. К конструктивным параметрам относятся следующие технические
характеристики высевающего аппарата: количество высевающих ячеек в кассете K, штук;
диаметр ведомого колеса самоходного шасси, d, мм; количество зубьев реперного диска z,
штук. Конкретными условиями, возникающие при посеве культуры, выдают определенные
свойства высевающего аппарата, при их учитывании возможно получить высокий результат
работ.
В соответствии с поставленными задачами разработан алгоритм функционирования
привода высевающего аппарата.

Рисунок 3 – Алгоритм функционирования привода высевающего аппарата
Для реализации качественного посева разработкой привода высевающего аппарата
разработана конструкционно-технологическая схема селекционной сеялки (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Конструкционно-технологическая схема селекционной сеялки с
автоматизированным приводом высевающего аппарата: 1– блок управления; 2 – блок
питания; 3 – пульт управления; 4 – энкодер; 5 – сошниковый брус; 6 – регулятор глубины
сошников; 7 – сошник; 8 – шаговый электродвигатель; 9 – семяпровода сошниковой
группы; 10 – высевающего аппарата; 11 – дозатор; 12 – соленоид механизма открытия
открытия дозатора; 13 – семяпровод высевающего аппарата; 14 – кресло оператора;
15 – электродвигателя механизма подачи кассетного стола; 16 – кассетного стола;
17 – механизма подачи кассет; 18 – кассеты с ячейками; 19 – датчика счетчика ячеек
кассеты; 20 – флажка счетчика ячеек кассеты
Для расчета расстояния с помощью энкодера определяется величина шага энкодера по
формуле:
∙ 2 ∙
Э =,(22)

где – статический радиус колеса ( = 362±5 мм), применяемого на самоходном
шасси Т-16 и ВТЗ – 30 СШ; z – количество зубьев реперного диска, шт.
Исходя из формулы (22) рассчитывается общее пройденное расстояние:
общ = Э ∙ ∑∞ =1 ,(23)
где – пройденные шаги энкодера, шт.
В свою очередь общ складывается из формулы:

общ = ∑( + ),(24)
=1
где – длина делянки, м; – длина разделительной полосы, м.
Величина шага шагового двигателя рассчитывается по формуле
∙ вк
=,(25)
шд
где вк – диаметр высевающего конуса, м; шд – количество шагов шагового двигателя
за один оборот.
Шаг двигателя по отношению к шагу энкодера рассчитывается из отношения шагов по
формуле
2 ∙ ∙
ош =.(26)
вк
Расчет количества шагов энкодера в длине делянки L, которые приходятся на один
оборот высевающего конуса и шагового двигателя производится по формуле:

=.(27)
ош
Отношение Zошд описывает передаточное отношение между энкодером и шаговым
двигателем:
шд
Zошд =.(28)

На основе проведенных теоретических исследований расчетная частота вращения
высевающего конуса для делянки длиной 1 м составляет 7,45 мин-1, передаточное отношение
между энкодером и шаговым двигателем составляет 2,2.
В третьей главе «Программа и методика проведения экспериментальных
исследований» представлены программа и методика экспериментальных исследований.
Для лабораторных исследований была разработана лабораторная установка
(Рисунок 5). Для оценки значимости факторов был проведен отсеивающий эксперимент,
который позволил выделить три значимых фактора, оказывающих наибольшее влияние на
результаты проведения исследований.
К исследуемым факторам отнесены: кинематическая скорость вращения конуса
высевающего аппарата n (5,5 мин-1, 11,5 мин-1, 17,5 мин-1), линейная скорость движения
самоходного шасси V (0,64 м/с, 0,78 м/с, 0,89 м/с) и количество зубьев реперного диска z (50
шт., 75 шт., 100 шт.). После прохождения учетных делянок определялись данные по
равномерности распределения посевного материала на поверхности клейкой ленты, а именно
расстояние между семенами. согласно ГОСТ 31345-2017 «Сеялки тракторные. Методы
испытаний».
В соответствии с
общейпрограммой
проведения лабораторно-
полевыхисследований
определеныследующие
факторы:частота
вращенияконуса
высевающегоаппарата
n (5,5 мин , 11,5 мин-1,
-1

17,5мин-1),скорость
движениясамоходного
шасси V (0,64 м/с, 0,78 м/с,
0,89 м/с). В качестве
критерияоптимизации
Рисунок 5 – Лабораторная установка для определенияприняткоэффициент
качества работы привода высевающего аппаратавариации распределения
1 – самоходное шасси, 2 – сошники, 3 – кассетный стол,семян. Для каждого опыта
4 – высевающий аппарат с приводом от шаговогоповторностьпроведения
двигателя, 5 – блок управленияпроизводится трехкратно.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены
результаты лабораторных и полевых экспериментов.
Статистическая обработка данных производилась по методике Бокса-Бенкена, с
определением среднего значения, коэффициента вариации и дисперсии, производится с
использованием специализированных программы: STATISTICA и Excel.
Уравнение регрессии для лабораторных испытаний после обработки данных приняло
вид:
= 4,14 + 2,81 12 + 2,8 22 + 2,85 32 .(39)
где x1 – количество зубьев реперного диска z, шт; x2 – частота вращения конуса высевающего
аппарата n, мин-1; x3 – скорость движения самоходного шасси V, м/с. Проверка линейной

части уравнения проводилась по критерию Фишера =< (0,05; fad; fy), условие 2 соблюдено и сохраняется неравенство 3,06<3,1 принимается, что модель адекватна. На основании составленных регрессионных уравнений, проверенных по критериям Корхена и Стьюдента, построены сечения трёхмерных поверхностей отклика от установленных параметров и режимов работы. Построение двумерных сечений поверхностей отклика производилось с применением ПК «STATISTICA» при фиксированном оптимальном значении одного из исследуемых факторов, при этом предварительно раскодируем полученные значения факторов. На рисунке 6 приведен график зависимости коэффициента вариации равномерности посева от скорости движения самоходного шасси и частоты вращения высевающего конуса. На рисунке 7 приведен график зависимости коэффициента вариации равномерности посева от скорости движения самоходного шасси и количества зубьев реперного диска. Рисунок 6 – График зависимостиРисунок 7 –График зависимости коэффициента вариации равномерностикоэффициента вариации равномерности посева от скорости движенияпосева от скорости движения самоходного шасси и частоты вращениясамоходного шасси и количества зубьев высевающего конусареперного диска На рисунке 8 приведен график конуса зависимостикоэффициентавариации равномерности посева от частоты вращения высевающего конуса и количества зубьев реперного диска. Полученыоптимальныезначения коэффициентавариацииравномерности посева, составляющее Y<10.5% наблюдается при следующих значениях исследуемых факторов: частота вращения высевающего Рисунок 8 – График зависимостиконуса n = 6-8 мин-1; количество зубьев коэффициента вариации равномерностиреперного диска 65-70 шт. и при скорости посева от частоты вращениядвижения самоходного шасси 0,71-0,77 м/с. высевающего конуса и количества зубьевОпределен процент дробления семян реперного дискаприоптимальныхрежимахработы высевающего аппарата. D = 0,24%. Исследования высева в лабораторно-полевых условиях проводились на участке площадью 0,11 га при разбиении на 27 опытных делянок длиной 2 метра и шириной 1,2 метра (рисунок 9). Для полевого эксперимента окончательное уравнение регрессии имеет вид: = 1,19 + 0,83 12 + 0,82 22 .(30) где x1 – частота вращения высевающего аппарата, мин ; x2 – скорость движения -1 самоходного шасси, м/с. При проверке линейной части уравнения по регрессии полевого эксперимента по критерию Фишера =< (0,05; fad; fy), условие соблюдено 2,91<3,4 – модель адекватна. 2 На рисунке 10 приведен график зависимости равномерности высева от скорости движения трактора и глубины заделки семян. Рисунок 9 – ПроведениеРисунок 10 – График зависимости равномерности исследования высева ввысева от скорости движения трактора и лабораторно-полевых условияхчастоты вращения высевающего аппарата В результате анализа полученной поверхности отклика от исследуемых параметров определена оптимальная область значений исследуемых факторов. Оптимальное значение коэффициента вариации равномерности посева, составляющее Y<9% наблюдается при следующих значениях исследуемых факторов – скорости движения самоходного шасси 0,66-0,78 м/с, при частоте вращения высевающего конуса 7-10 мин-1. В пятой главе «Экономическая эффективность применения самоходной сеялки с автоматизированным приводом высевающего аппарата при высеве зерновых культур» представлен расчет экономической эффективности применения привода высевающего аппарата. Установлено, что годовой экономический эффект при внедрении селекционной сеялки, оснащенной приводом высевающего аппарата, составит 25886,52 рублей, а годовая экономия, с учетом дополнительной продукции, составит 15115,35 рублей. Окупаемость дополнительных вложений составит 2,8 лет. ВЫВОДЫ 1.Анализ современного состояния конструкций привода высевающих аппаратов посевных машин свидетельствует о том, что с увеличением технологической скорости движения в 2 раза возрастает травмирование семян и отклонение от заданной нормы высева более чем в 3 раза. Наиболее перспективным направлением повышения эффективности процесса посева семян зерновых является разработка автоматизированного привода высевающего аппарата, обеспечивающего повышение точности нормы высева свыше 90 %, снижение повреждений семян до 1 процента 2. Проведены теоретические исследования взаимодействия семян зерновых культур в ячейках по кассетному столу, по наклонному участку семяпровода, по образующей конуса высевающего аппарата, по основанию конуса высевающего аппарата DE, по наклонному участку семяпровода до дна борозды, которые позволили разработать алгоритм функционирования привода высевающего аппарата, а также диаграмма распределения участков движения зерновки по высевающей системе. 3. Получены уравнения траектории движения зерновки по элементам высевающей системы и теоретические зависимости для определения технологических параметров автоматизированного привода высевающего аппарата: частота вращения основания конуса высевающего аппарата, величина шага энкодера, количества шагов энкодера в длине учетной делянки. Расчетная частота вращения высевающего конуса для делянки длиной 1 м составляет 7,45 мин-1, передаточное отношение между энкодером и шаговым двигателем составляет 2,2. 4. Разработан привод высевающего аппарата селекционной сеялки, состоящий блоков питания и управления; пульта управления, энкодера, а также шагового электродвигателя. 5. Установлено, что автоматизированный привод в конструкции высевающего аппарата селекционной сеялки обеспечивает неравномерность распределения семян не более 10,5% при частоте вращения высевающего конуса 6-8 мин-1, количества зубьев реперного диска 65-70 шт. и скорости движения самоходного шасси 0,71-0,77 м/с, что соответствует агротехническим требованиям посева семян зерновых культур в селекционном процессе. 6. Результаты лабораторно-полевых исследований автоматизированного привода высевающего аппарата селекционной сеялки позволили установить интервалы нахождения значений исследуемых параметров при повышении качества посева: скорость 0,66-0,78 м/с, частота вращения высевающего аппарата 7-10 мин-¹. 7. Годовой экономический эффект при внедрении селекционной сеялки, оснащенной автоматизированным приводом высевающего аппарата, составит 25886,52 рублей, а годовая экономия, с учетом дополнительной продукции, составит 15115,35 рублей. Окупаемость дополнительных вложений составит 2,8 лет. Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы. Дальнейшая работа будет направлена на повышение качества посева автоматизированным приводом высевающего аппарата. Одной из приоритетных задач является разработка алгоритма обратной связи исполнительных механизмов, доработка программного для обеспечения тонкой настройки высевающей системы с учетом конструктивных особенностей применяемых сеялок.