862

71

Рис.3.4. Высевающий аппарат с секторными прижимами

по а. с. №106960

Пневматический высевающий аппарат включает в себя бункер 1 для семян, корпус 2, примыкающий к нему высевающий диск 3. На диске с помощью шарнира 4 закреплены двуплечатые рычаги 5, одно из плеч которых прижато к диску с помощью пружины 6. На цилиндрической поверхности диска 3 и секторов 5 имеются полуячейки, образующие совместно ячейку 7 для семян, которые сообщены с кольцевой камерой 8 вакуума и камерой 9 атмосферного давления посредством воздушных каналов 10 и 11, выполненных на внутренних торцевых поверхностях диска 3 и рычагов 5.

В верхней части аппарата закреплен чистик 12, а к валу 13 – отгибающий ролик 14. В нижней части аппарата установлен сошник 15.

Вакуум в камере 8 создается путем отвода воздуха на канал 16 источником разряжения. Перемычки 17 отделяют камеру 8 вакуума от камеры 9 атмосферного давления.

Высевающий аппарат работает следующим образом.

При вращении высевающего диска, образованного жестким диском 3 с рычагами 5, в верхней части аппарата из-за плотного примыкания рычагов к диску образованы ячейки 7, которые соединяются каналами 10 и 11 с кольцевой вакуумной камерой 8, заполняются семенами из бункера 1. Лишние семена удаляются чистиком 12, а семена, заполнившие ячейки 7 и удерживаемые в них вакуумом, транспортируются в нижнюю часть аппарата.

Внизу ячейки 7 соединяются с каналами 10 и 11 с камерой 9 атмосферного давления, которая образуется между перемычками 17 из-за отгиба двуплечих рычагов 5 от диска 3 роликом 14.

Действие вакуума прекращается и семена падают в борозду, образованную сошником 15.

Из-за отгиба рычага 5 от диска 3 в момент выброса семян сечения ячеек 7 и каналов 10 увеличиваются, что способствует лучшей очистке их от семян и посторонних частиц, если они оказались в бункере.

Проверка работоспособности аппарата проведена в лабораторных условиях при высеве семян капусты, откалиброванных на решетах с круглыми отверстиями 1.5…2,0 мм.

Диаметр ячейки 3 мм, степень вакуума во всасывающей магистрали устанавливалось равной 1500Па.

72

Проверена заполняемость ячеек семенами (табл. 3.5) и определены числовые характеристики размещения семян в рядке (табл. 3.6).

Таблица 3.5

Степень заполнения ячеек семенами

Из данных этой таблицы следует, что при скорости диска от 0,15 до 0,40 м/с заполняемость близка к 100%. При дальнейшем увеличении скорости диска имеет место снижение этого показателя. В этом случае величина установленного вакуума оказалось недостаточной.

Характеристики равномерности размещения семян в рядке представлены в табл. 3.6.

Таблица 3.6

Числовые характеристики размещения семян в рядке

Данные таблицы 3.6 показывают, что экспериментальный высевающий аппарат может обеспечить посев семян с шагом от 4,5 до 21,4 мм, что соответствует общепринятым для пунктирного посева нормам.

Равномерность высева оказалось достаточно высокой. Среднеквадратическое отклонение не превышает 1,74 см, а коэффициент вариации не бо-

лее 31%.

У существующих сеялок в аналогичных условиях коэффициент вариации обычно оказывается в пределах 40…50%.

Забиваний ячеек семенами не обнаружено.

Подавляющее большинство современных пневматических сеялок для присасывания семян к дискам или заполнения ячеек используют вакуумные системы, а для очистки воздуховодов или отверстий – сжатый воздух.

Поскольку для процесса присасывания необходим лишь перепад давлений, то, естественно, существует принципиальная возможность применить избыточное давление и в зоне захвата семян. Для этого необходимо герметизировать бункер и подать в него воздух под некоторым давлением. Роль вакуумной камеры возьмет на себя атмосферный воздух.

Сжатый воздух в этом случае может быть использован для заполнения ячеек, снятия лишних семян, разгрузки и очистки отверстий и транс-

73

портирования семян по гладкому эластичному трубопроводу малого сечения в сошник.

Применение таких аппаратов при высеве семян кукурузы известно. В наших исследованиях была осуществлена проверка данного направления в развитии аппаратов точного высева при работе с мелкими семенами.

Принципиальная схема работы высевающего аппарата представлена на рис. 3.5

Сжатый воздух от компрессора приводится к бункеру 2 и проходит через слой семян, сквозные ячейки высевающего диска, и через зазор между ограничительным щитком и высевающим диском выходит из аппарата. Поскольку давление воздуха над семенами в бункере больше, чем под ячейками, то семена присасываются к отверстиям, входят в ячейки и транспортируются к сошнику. Лишние семена, попавшие в ячейки, снимаются отражательным роликом либо неподвижным чистиком 7, либо сдуваются сжатым воздухом.

Рис. 3.5. Пневматический высевающий аппарат, использующий сжатый воздух:

1 – высевающий диск с ячейками;

2 – сжатый воздух; 3 – ограничительный щиток; 4 – ниппель; 5 – семяпровод; 6 – сошник; 7– отражательный ролик и чистик

В зоне разгрузки семена попадают под воздействием струи сжатого воздуха и транспортируются им по семяпроводу в сошник. Наличие сквозных отверстий в диске, размер которых не меньше, чем обычно у пневматических присосков пневматических аппаратов, делает аппарат меньше подверженным забиваниям, чем известные устройства.

Роль каналов малого сечения в присосках выполняют зазоры между диском и ограничительным щитком. Ввиду непрерывного движения высевающего диска эти зазоры постоянно прочищаются.

При исследовании работы однозернового высевающего аппарата с нагнетательным воздушным потоком особый интерес представляет определение возможности транспортирования семян по гладкому эластичному семяпроводу. Наличие этого семяпровода может существенно упростить конструкцию тепличной сеялки с централизованным высевом.

74

Результаты опытов представлены на рис. 3.6 и 3.7.

Рис. 3.6. Многоугольники распределения интервалов между семенами:

1 – без семяпровода;

2 – с семяпроводом

200 мм; 3 – с семяпроводом 300 мм; 4– семяпроводом

400 мм

Рис. 3.7. Влияние длины семяпровода на равномерность распределения семян в рядке

Из представленных данных следует, что использование напорного движения мелких семян по трубопроводу возможно, но равномерность высева при этом снижается (коэффициент вариации растет до 50…86%).

Как показали наблюдения, снижение равномерности объясняется изменением параметров спиральной траектории движения семян по трубопроводу. Снижение негативного влияния семяпровода можно обеспечить за счет изменения формы поперечного сечения и других его параметров.

3.2. Магнитные и электромагнитные высевающие аппараты

Недостатки высевающих аппаратов механического и пневматического типа вызывают стремление искать новые виды с иными принципами работы.

В свое время сообщалось об аппаратах, основанных на использовании электростатического поля связанного, как известно, с необходимостью высоковольтного оборудования в полевых условиях [3.20]. Преимуществом таких систем могла быть управляемость процесса во время выполнения технологического процесса при работе в условиях точного земледелия.

75

ВПермской ГСХА было предложено для захвата семян использовать магнитное (или электромагнитное) поле. Сами по себе семена магнитными свойствами не обладают, но технология придания им таких свойств уже давно используется в устройствах магнитных или электромагнитных зерноочистительных машин.

Ферритный порошок в очень небольших количествах может быть нанесен непосредственно на семена или введен в состав дражировочной массы.

По стоимости этот порошок значительно меньше стоимости мелкосеменных овощных культур и не вреден им. Так еще Н.Г. Гладков, изучая влияние электромагнитной очистки на всхожесть семян [3.21], установил существенное ее повышение, в пределах 6…8%.

Всовременных исследованиях, приведенных в институте металлургии и материаловедения А.А. Байкова РАН [3.22], также отмечается положительное влияние обработки семян водной суспензией ультрадисперсионного порошка железа на увеличение энергии прорастания и на их всхожесть.

Авторы исследования Л.В. Коваленко и Г.Э. Фолманис считают, что роль железа особенно велика на начальном этапе развития растений: оно участвует в переносе электронов при дыхании и синтезе хлорофилла.

Разумеется, что и количество и технология введения таких препаратов может быть только в обоснованных пределах.

Есть сообщения и о влиянии магнитных гранул или нитей на всхожесть и рост растений. Так, согласно патенту РФ №211378 (А.В. Вальянов

иД.А. Вальянов), всхожесть и нарастание массы могут быть увеличены на 5…20% [3.22].

Так или иначе, использование ферритных порошков возможно, а конституция аппаратов при этом может быть упрощена до предела.

ВПермской ГСХА и СПб ГАУ было разработано большое количество магнитных и электромагнитных аппаратов, как однозерновых, так и формирующих непрерывный поток следующих друг за другом семян (щелевых, фрикционно-конусных, барабанных и дисковых и др.)

Наиболее высокое количество работы оказалось у электромагнитного аппарата по а.с. №528901 (рис.3.8) и магнитного по а.с. №603356 (рис.3.9)

[3.24].

Рис. 3.8 Электромагнитный высевающий аппарат по а.с. №528901: 1 – бункер; 2 – высевающий диск; 3– вал; 4 – электромагнит; 5 – ферритные сердечники; 6 – сбрасыватель, 7 – заслонка

76

Рис. 3.9. Магнитный высевающий аппарат по а.с. №603356:

1 – корпус; 2 – диск; 3 – ферромагнитные сердечники; 4 – пружины; 5 – магнитопровод; 6 – приводной вал; 7 – постоянный магнит;

8 – неподвижный магнитопровод; 9 – бункер; 10 – чистик; 11 – сбрасыватель; 12 – сошник

Работает аппарат следующим образом.

При вращении диск 2 семена, покрытые ферромагнитным порошком, под действием магнитных силовых линий притягиваются к рабочим торцам сердечников 3 и выносятся из зоны заполнения бункера 9, постепенно втягиваясь вместе сердечниками 3 в отверстия диска 2. В верхней части диска лишние семена счищаются чистиком 10, а в отверстии остается лишь одно зерно. Внизу семена сбрасываются в почву лопастным сбрасывателем 11, работающим синхронно с диском 2. Размеры, число лопастей и скорость лопастного сбрасывателя 11 подобраны так, чтобы каждая лопасть касалась семени лишь в момент подхода сердечника 3 к выгрузному окну.

Исследования работы макетных образцов этих устройств проведены в лабораторных условиях на специальном стенде (а. с. №202607, 1967. Бюл. №19) [3.25], в почвенном канале и полевых условиях.

Испытания электромагнитного аппарата показали, что высевающий диск может работать при линейной скорости до 1,5 м/с, что в 5…10 раз больше, чем у обычных аппаратов, при полном отсутствии дробления семян. Но однозерновость высева оказалась лишь на уровне 80…86% и значительно зависела от режима работы аппарата.

Несколько лучшими оказались результаты, когда сердечники были выведены не на цилиндрическую поверхность, а в кольцевую конусную канавку, проточенную на диске. Но в этом случае однозерновость высева удалось довести лишь до 90…95%.

77

У магнитного аппарата (рис.3.9) оценки результатов работы оказа-

лись выше (табл. 3.7, 3.8, 3.9, 3.10).

Таблица 3.7

Коэффициент заполняемости ячеек в магнитном высевающем аппарате

Таблица 3.8

Числовые характеристики распределения интервалов между семенами при работе ячеисто-магнитного аппарата в лабораторных условиях

Аналогичные результаты получены и при работе высевающих аппаратов в почвенном канале.

Таблица 3.9

Характеристика распределения семян в почвенном канале

В почвенном канале числовые характеристики распределения семян оказались несколько хуже, чем в лабораторных условиях. Причиной этого могло стать проскальзывание приводного колеса относительно почвы и раскатывание семян в борозде.

78

Практически одинаковый шаг посадки при различной скорости движения сеялки был достигнут за счет изменения числа рабочих ячеек.

Таблица 3.10

Числовые характеристики распределения дражированных семян вдоль рядка в полевых условиях

Анализ результатов опытов подтвердил работоспособность новых аппаратов и повышенное качество их работы.

79

4 Модели функционирования однозерновых высевающих аппаратов, использующих дополнительные внешние поля

Основным, если не единственным методом познания в настоящее время, является построение моделей.

Под математическим моделированием понимают сейчас некоторое приближенное математическое описание сложной системы, часто противопоставляемое закону науки, относительно которого предполагается, что он описывает явление природы некоторым безусловным образом.

Одна и та же исследуемая система может описываться разными моделями, каждая из которых отражает какую-то ее сторону.

В этом случае, естественно, не возникает задача дискриминации – различные модели могут иметь право на одновременное существование. Модель в каком-то понимании ведет себя как описываемая система, а в другом – иначе. Как правило, модель позволяет выпукло увидеть какие-то интересные, значительные или нужные исследователю стороны изучаемого явления, объекты процесса, погрузив в тень другие стороны. С иных позицией они могут оказываться более важными, и тогда нужно строить другую модель.

Часто причиной построения новых математических моделей является появление экспериментальных данных, которые не могут быть объяснены существующими.

Особенностью новых моделей, представленных в данной работе, является использование теории поля к анализу технологического процесса высева семян.

Прежде всего это касается исследования влияния аэродинамического и электромагнитного полей на захват семян рабочими элементами сеялок.

4.1 Модель процесса присасывания семян к отверстиям высевающих аппаратов пневматических сеялок

Теория и практика разработки и использования пневматических аппаратов для пунктирного посева семян сельскохозяйственных культур отражена в многочисленных исследованиях отечественных и зарубежных ученых, отмеченных ранее в гл. 3.

В современной теории работы пневматических высевающих аппаратов используются классические принципы механики, а силу присасывания семян к отверстиям дозирующих дисков определяют по известной формуле Ньютона:

где с - коэффициент, характеризующий аэродинамические свойства семян; ρ - плотность воздуха;

S - площадь поперечного сечения семян; V - скорость воздушного потока.

Этой формулой обычно пользуются при определении воздействия воздуха на свободную частицу, помещенную в воздушный поток (рис.4.1а).

Если частица уже перекрыла отверстие (рис.4.1б),

где k – коэффициент присасывания;

Р – перепад давлений до и после отверстия; S1 – площадь отверстия.

а б в Рис. 4.1. Схемы воздействия воздушного потока на семена

Рекомендации о величине коэффициента присасывания весьма разнообразны. Так, К. Веллер [3.2] называет его величины: для одноростковых семян свеклы - 0,78; для пшеницы - 0,96; для гороха - 1,25; для кукурузы - 1,5.

По данным Л.С. Зенина [3.4], [3,5], для семян кукурузы k=

0,35…1,35, сахарной свеклы k = 0,35…1,15, хлопчатника k = 0,35…1,55.

Столь широкие пределы изменения коэффициента k свидетельствуют, кроме всего прочего, о весьма приближенном описании технологического процесса этой зависимостью.

Одной из первых экспериментальных работ по определению силы присасывания было исследование К. Веллера [3.2], проведенное на моделях семян в виде шаров, эллипсоидов и на семенах сахарной свеклы при разных расстояниях х от присасывающего отверстия (рис.4.1в). Было установлено, что с уменьшением х сила присасывания возрастает, и максимальной величины достигает при х ≈ 0,2 мм.

К. Веллер предположил, что такое изменение силы присасывания объясняется «односторонним обтеканием тела потоком воздуха большей скорости». К сожалению, уравнения (4.1) и (4.2) не могут объяснить это явление.

Необходимость учета сил, возникающих от изменения скоростей частиц воздуха, обтекающих семена (или их модели в виде шара, цилиндра, эллипсоида) хотя и очевидна, но связана с преодолением значительных трудностей, прежде всего из-за известного парадокса Д Аламбера, который доказал в свое время, что распределение давления по контуру симметричных поверхностей результирующий силы не дает.

Появление такой силы, зафиксированное К. Веллером, возможно связано с тем, что вокруг присасываемого семени располагается слой других семян, выполняющих роль выравнивающей решетки и наличием стока (отверстия присасывающего диска) в непосредственно близости от семени (а не в бесконечности, как это предполагается в механике бесциркуляционного обтекания).