автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему: Обоснование режимов работы вибрационного аппарата для высева семян льна
Автореферат диссертации по теме "Обоснование режимов работы вибрационного аппарата для высева семян льна"
Реутин Виталий Валентинович
На правах рукописи
ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВИБРАЦИОННОГО АППАРАТА ДЛЯ ВЫСЕВА СЕМЯН ЛЬНА
Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации
сельского хозяйства (по техническим наукам)
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в Государственном научном учреждении СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Беспамятнова Наталья Михайловна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Богомягких Владимир Алексеевич (ФГБОУ ВПО АЧГАА, профессор кафедры)
кандидат технических наук, доцент Зубрилина Елена Михайловна (ФГБОУ ВПО СтГАУ, доцент кафедры)
Ведущая организация: ФГБУ «Кубанская государственная
зональная машиноиспытательная станция» (ФГБУ «Кубанская МИС»), г. Новокубанск
Защита состоится « <Г» июля 2013 г. в 12— часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01, созданного при ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия», по адресу: 347740, Ростовская область, г.Зерноград, ул. Ленина 21.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия».
Автореферат разослан « 3» июня 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. По данным Минсельхозпрода Ростовской области в 2010 - 2012 гг. произошли изменения в структуре посевов яровых зерновых, зернобобовых и масличных культур. Основной причиной этого изменения стали сокращение площадей посева подсолнечника до 15% общей площади пашни, а также пересмотр ведения бизнеса после эмбарго на экспорт пшеницы в 2010 году. Поэтому в области попробовали увеличить масличный клин за счет альтернативных подсолнечнику культур — льна масличного, рапса, а также крупяных, зернобобовых и сахарной свеклы. Площади посева в Ростовской области увеличили с 20 тыс. га в 1999 г. до 134,9 тыс. га в 2010 - 2011 гг., рост произошел в 5 - 6 раз. Однако в ряде хозяйств считают, что лен масличный в Ростовской области не пригоден для возделывания вследствие особенностей его производства: анализ известных исследований показал, что современными высевающими аппаратами агротехнические требования (АТТ) не выполняются, происходит значительный (до 20%) перерасход элитного семени в процессе высева за счет явления самоистечения.
В СКНИИМЭСХ разработаны новые высокоточные технологии посева сельскохозяйственных культур и удобрений с использованием сменных сошниковых блоков и высевающих аппаратов вибродискретного действия, позволяющих высевать широкий диапазон с.-х. культур. Однако процесс истечения сверхсыпучих культур недостаточно исследован ранее.
Представленная работа выполняется в СКНИИМЭСХ в соответствии с Планом фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии по научному обеспечению развития АПК Российской Федерации на 2011 - 2015 годы по этапу 09.01.02 «Разработать наукоемкие ресурсосберегающие машинные технологии и технические средства возделывания и уборки зерновых, масличных и других культур».
В работе проведено исследование истечения семян льна при использовании вибрационной интенсификации процесса массообмена, а именно эффекта вибрационного микропсевдоожижения среды. За счет определения соотношения собственной частоты истечения семян и частоты внешнего воздействия на поток со стороны исполнительной подсистемы высевающему потоку семян льна задаются свойства управляемого истечения жидкости.
Поэтому обоснование режимов работы вибрационного аппарата для высева семян льна, обеспечивающих выполнение агротехнических требований, является актуальным и современным.
Научная гипотеза: повышение равномерности истечения семян льна из бункера возможно путем управления вибрационной интенсификацией процессов массообмена, при которой возникает эффект вибрационного псевдоожижения сыпучей среды для понижения скорости проскальзывания семян относительно друг друга.
Рабочая гипотеза заключается в том, что создание управляемого устойчивого истечения потока сверхсыпучих семян льна из бункера возможно приданием истекающему потоку элементов свойств вязкой жидкости при нахождении определенных соотношений управляемых частот в исполнительных подсистемах высева и собственных частот истечения сверхсыпучих семян.
Цель исследования заключается в обосновании режимов работы вибрационных аппаратов для посева семян льна, повышающих качество их высева.
Объектом исследования является вибрационный технологический процесс, выполняемый исполнительной подсистемой высева семян льна при создании микропсевдоожиженного слоя в истекающем потоке.
Предмет исследования: зависимость формирования показателей качества высева семян льна от динамических процессов в элементах управления вибрационных аппаратов.
Научная новизна заключается в том, что приданием потоку семян льна внешних элементов, создающих подъемную силу, достигается возможность точного управления дозированием потока.
Получены значения коэффициентов эффективности вибрирования и частоты внешних воздействий для повышения качества высева семян льна.
Практическая значимость заключается в реализации конкретного технологического решения при создании нового поколения сеялок «Глазовчан-ка», определении для него параметров и режимов устойчивого функционирования и обеспечение точного управления дозированием потока семян льна.
Методы исследования. Применялись методы системно-структурного анализа с использованием компьютерного моделирования, методы теоретической механики, метод математической статистики, теория массообмена.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований переданы в ОАО «Реммаш» (г. Глазов Удмуртская Республика) и используются при создании универсальной сеялки-культиватора «Глазовчанка». Разработаны рекомендации по технологии высева сверхсыпучих семян льна.
Апробация работы. Доложена и одобрена на Международных научно-практических конференциях ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии (г. Зерноград, 2010-2012 гг.), на Международных научно-практических конференциях ДГТУ (г. Ростов-на-Дону, 2010 г.), Рггетеэ! - 2011 г. (Польша).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в их числе 2 в журналах из перечня ВАК.
Основные положения, выносимые на защиту:
- обоснование управляемого процесса равномерности и устойчивости истечения семян льна из бункера под воздействием дополнительной внешней ударной подъемной импульсной силы;
- методика расчета создания подъемной силы потока семян льна в псев-доожиженном слое для повышения качественных показателей их высева;
- результаты экспериментальных исследований процессов истечения сверхсыпучих семян льна в псевдоожиженном слое под воздействием подъемной силы в вибрационном высевающем аппарате.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 110 страницах, содержит 26 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 90 наименований.
Во введении изложена краткая характеристика состояния проблемы, обоснована актуальность темы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, аннотация глав.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» представлен краткий обзор уровня отечественных разработок в сравнении с лучшими мировыми аналогами, включающий анализ современных приемов посева, мониторинг технологических приемов посева, результаты исследования точности высева семян различных сельскохозяйственных культур современными высевающими аппаратами, а также рассмотрены вибрационные процессы в современных технологиях сева.
Исследованием процессов вибрации технологического назначения занимались ученые Б.И. Турбин, A.A. Дубровский, Н.М. Беспамятнова, В.А. Бо-гомягких, П.М. Василенко, А.Г. Возмилов, B.C. Сухин, A.A. Вишняков и др.
В СКНИИМЭСХ по заданию Российской академии сельскохозяйственных наук под руководством профессора Н.М. Беспамятновой проводится работа, посвященная особенностям проявления эффектов вибрации при анализе мобильных машин в сельскохозяйственном производстве.
Поскольку выполненная диссертация является частью этой работы, то основная целенаправленность научного исследования заключается в следующем.
Рабочая гипотеза заключается в том, что создание управляемого устойчивого истечения потока сверхсыпучих семян льна из бункера возможно приданием истекающему потоку элементов свойств вязкой жидкости при на-
хождении определенных соотношений управляемых частот в исполнительных подсистемах высева и собственных частот истечения сверхсыпучих семян.
Основными задачами по теме являются:
- проведение теоретических исследований по определению особенностей процессов вибрации и управления ими в технологическом процессе высева семян льна;
- проведение экспериментальных исследований по определению реальных динамических характеристик вибрации при истечении семян льна в лабораторных условиях;
- разработка методики расчета создания подъемной силы потока сверхсыпучих семян льна для выполнения высокоточных технологий посева.
Во второй главе «Элементы высокоточной технологии посева сверхсыпучих семян льна в микропсевдоожиженном слое» рассмотрены вопросы, связанные с передачей кинетической энергии от эффекта вибрации пластины к истекающему из бункера потоку семян льна, и влияние параметров вибрирования на качественные показатели высева семян.
Предварительные исследования подтвердили, что при посеве сверхсыпучих семян льна истечение из бункера за счет текучести происходит стремительно, семена сыплются через зазоры сплошным потоком, что делает невозможным точное дозирование (рисунок 1).
Рисунок 1 - Агротехнические показатели высева семян льна универсальной высевающей системой при различных нормах высева (Q): 1,2 - соответственно неравномерность и неустойчивость высева семян льна при самоистечении; АТТ - агротехнические требования на устойчивость, интервал нормы высева по АТТ 40 - 90 кг/га
Аппроксимируя результаты данных при самоистечении, были получены зависимости:
у(Н2) = -0,00008х2 - 0,00518х + 23,38107, где х - параметр (норма высева); Н, - неравномерность высева; Н2 - неустойчивость высева.
Семена льна даже без дополнительного импульса при малых нормах высева обладают излишней скоростью истечения за счет малого трения семян между собой.
В предлагаемой работе повышение равномерности истечения семян льна из бункера достигается путем управления вибрационной интенсификацией процессов массообмена, при которой возникает эффект видимого повышения сухого трения под воздействием вибрации. Эффект резкого повышения и линеаризации сухого трения проявляется в потере устойчивости истечения потока, когда сыпучая среда приобретает свойства вязкой жидкости. Этот эффект называется вибрационным псевдоожижением сыпучей среды.
В предлагаемой работе эффект повышения и линеаризации сухого трения используется для выяснения механизма воздействия трущихся семян льна на видимый коэффициент трения в виброполе и возможности замедления процесса самоистечения семян из бункера (рисунок 2).
Рисунок 2 - Схема создания микропсевдоожиженного слоя семян в потоке: а) схема движения семени в виброполе; б) график зависимости истечения семени У0> от периода Г (доза)
Сообщим семени А мгновенный импульс от пластины вибратора Уш в положительном направлении оси X, тогда возникает приращение Уверт скорости семени. Для обычных семян сила трения между ними /<" гасит этот им-
пульс. Для семян льна при малой нормы высева этой силы нет. Следовательно, необходима дополнительная сила Д£>е, которая должна обеспечивать дальнейшее повышение силы Уверт. Угол /5 - угол отклонения пластины-вибратора.
Дополнительная сила А Од должна уравновешивать постоянство силы Керт за счет увеличения составляющей силы трения -Р: А£>д >Р .
Из подобия силового и скоростного параллелограммов:
Vco = \vzop2 + Vlpm + 2VzopVeepm cos <p, (2)
где <p - угол между направлениями Угор и V„epm, равенство (1) принимает вид:
+ Veepm + 2VaopVeepm cos <p
Сила сухого трения пропорциональна коэффициенту трения семян друг о друга:
где Р - модуль силы нормального давления, Па;/- действительный коэффициент трения скольжения; / - видимый коэффициент трения, который создает сила ADq.
В вибрационном поле угол <р может быть в диапазоне 0<<р<ж.
При еерт ^ 1 для любых углов <р (при Veepm>0y.
Следовательно, сила видимого коэффициента трения Р становится пропорциональной скорости Уверт. Сухое трение как бы превращается в линейное вязкое сопротивление, т.е. происходит линеаризация трения.
В диапазоне 0<АИв<Р, будет поддерживаться постоянство скорости У01 истечения семени. При ¿Юв>Р скорость Уверт будет возрастать, т.е. создавать эффект трения семян друг о друга (дополнительное трение скольжение).
При равенстве трения скольжения и трения покоя:
cos <р +-——— sin cot\ + cos <p sin cot
Иными словами, при истечении семян льна появляются пульсирующая и колеблющаяся составляющие. Поскольку размах пульсирующей со-
ставляющей больше амплитуды колеблющейся составляющей, поэтому Уеерт - неотрицательна (рисунок 2, б).
Эффективность вибрирования потока семян г/ характеризуется (по В.А. Бауману) отношением полуразмаха скорости семени относительно соприкосновения с другими семенами к амплитуде скорости налагаемой извне вибрации. Кроме того параметр г] зависит от параметра а, равного отношению силы сухого трения семени о среду, к произведению массы семени на амплитуду ускорения наложенной вибрации (рисунок 3).