CC BY
14
УДК 664.143.72
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСКОВОГО ШЛИФОВАЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
О. Н. Кухарев, доктор техн. наук, профессор; Г. Е. Гришин, доктор с-х. наук, профессор; И. Н. Сёмов, канд. техн. наук, доцент; И. А. Старостин, аспирант
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, г. Пенза, т. 89273636845, е-mail: [email protected]
Раскрывается необходимость создания и реализации технических разработок направленных на оптимизацию системы сеялка-семя. Для повышения качества посевного материала предлагается конструкция дискового шлифовального устройства, реализующая принципиально новую технологию. Применение данного устройства позволяет повысить качество такого важного элемента предпосевной подготовки семян, как дражирование. Приведено описание конструкции и работы экспериментального дискового шлифовального устройства. Дается методика проведения эксперимента и основные результаты лабораторных исследований. По результатам испытаний после математической обработки получена адекватная математическая модель второго порядка, графические изображения двухмерных сечений. Анализ полученных данных позволил определить оптимальные значения основных конструктивных (передаточное отношение между сателлитом и опорным колесом, шероховатость нижнего диска, угол конусности нижнего диска) и режимных (частота вращения нижнего диска) параметров дискового шлифовального устройства для обработки семян сахарной свеклы.
Ключевые слова: семена, шлифование, сахарная свекла, предпосевная обработка, посев.
Введение. Применение интенсивной технологии выращивания сахарной свеклы предусматривает повышение требований к посеву. В частности, оптимизацию системы взаимодействий, состоящей из абиотических (сеялка, трактор, климатические условия, физико-механические свойства почвы) и биотических факторов (семя, микроорганизмы). Если некоторые факторы, такие как климатические условия, физико-механический состав почвы и наличие определенных популяций микроорганизмов, трудно поддаются корректировке, то взаимодействием сеялка - семя возможно управлять [1].
Для повышения качества высевающего аппарата свекловичной сеялки [2, 3] и, как следствие, увеличения урожайности семена должны проходить предпосевную обработку по современным технологиям [4, 5, 6].
В настоящее время широкое распространение получили дражированные семена [7, 8, 9]. Для получения качественных дражированных семян необходимо проводить их подготовку в соответствии с требованиями, в частности, большое значение придается операции шлифования семян.
В процессе шлифования удаляются шероховатые рыхлые части околоплодника (до 30 % по массе), затем обработанные семена калибруют, выделяя допустимые посевные фракции. Благодаря шлифова-
нию увеличивается объемная масса семян, они становятся ровными, что дает возможность соблюдать заданные режимы предпосевной обработки. Шлифованные семена при прорастании потребляют воды несколько меньше, поэтому всходы появляются на 1-2 дня раньше [10,11,112].
В ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» разработана конструкция дискового шлифовального устройства, которое позволит повысить качество шлифования, а в итоге и качество дражированных семян. Для проведения исследований данной конструкции был разработан и изготовлен экспериментальный образец дискового шлифовального устройства для обработки семян сахарной свеклы (рис. 1) [12, 13].
Шлифовальное устройство работает следующим образом.
Водило 5, приводимое во вращение от электродвигателя 9 через зубчатую передачу 10, вращается и предает оси вертикального вала 4 движение по окружности, относительно оси вращения водила 5. Сателлит 6, жестко закрепленный на вертикальном валу 4, обкатываясь по опорному зубчатому колесу 7 с передаточным отношением и, передает вращательное движение на вертикальный вал 4 и нижний диск 3, который при этом совершает сложное движение. При этом центр нижнего диска 3, жестко соединенный с вертикальным ва-
Нива Поволжья № 3 (32) 2014 67
Рис. 1. Технологическая схема дискового шлифовального устройства для обработки семян сахарной свеклы: 1 - верхний диск; 2 - бункер для семян; 3 - нижний диск; 4 - вертикальный вал; 5 - водило; 6 - сателлит;7 - опорное зубчатое колесо; 8 - корпус привода; 9 - электродвигатель; 10 - зубчатая передача; 11 - бункер
лом 4, вращается в вертикальной плоскости относительно неподвижного верхнего диска 1.
Семена, проходящие через отверстие в верхнем диске 1 из бункера длязагрузки семян 2, попадают на нижний диск 3. За счет контакта с вращающимся нижним диском 3 и неподвижным верхним диском 1 семена входят в рабочий зазор 5 между верхним диском 1 и нижним диском 3 и начинают вращаться в двух вертикальных плоскостях. В результате того, что центр нижнего диска 3 совершает движение по окружности и нижний диск 3 одновременно вращается вокруг своего центра, семена за счет контакта с поверхностями дисков, обладающих определенной шероховатостью,
совершают в горизонтальной плоскости сложное движение по спиралевидной траектории от центра к периферии нижнего диска 3. Благодаря этому происходит удаление верхнего слоя семян без повреждения зародыша, при этом они приобретают заданную форму и размеры. Шлифованные семена, достигнув размера, равного рабочему зазору б =2...6 мм, сходят с поверхности нижнего диска 3 и попадают в бункер 11.
Методика и результаты исследований. Последовательность проведения опытов следующая. Предварительно на поверхности дисков создается необходимая шероховатость, проводится регулировка передаточного отношения путем установки
сателлита и опорного зубчатого колеса. Выставляется необходимый рабочий зазор между верхним и нижним дисками при помощи регулировочных пластин разной толщины.
После подготовки приступают к проведению опытов. Запускают электродвигатель 9. При установившемся режиме вращения
и
нижнего диска 3 предварительно подготовленные семена, подлежащие обработке, в количестве 1/3 бункера загружают в бункер 2 и открывают заслонку. Семена через отверстие в верхнем диске 1 подаются в рабочую камеру, образованную верхним диском 1 и нижним диском 3. В процессе обработки происходит послойное снятие тре-
105,70 -1
щ1, мин
Щ, мкм
Рис. 2. Двухмерные сечения, характеризующие зависимость качества шлифования семян (% качественных семян) от частоты вращения нижнего диска ш1, мин-1; передаточного отношения между сателлитом и опорным колесом и шероховатости нижнего диска Н, мкм
и
Нива Поволжья № 3 (32) 2014 69
буемого слоя материала за счет трения об абразивные поверхности дисков. Достигнув требуемого размера, семена проходят через зазор 5, сходят с поверхности нижнего диска 3 и попадают в бункер 11.
Для определения оптимальных значений геометрических и кинематических параметров дискового шлифовального устройства были проведены экспериментальные исследования согласно СТО АИСТ 10.4-2004 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для подготовки семян. Методы оценки функциональных показателей» [15], ОСТ 10.1.1-98 «Испытание сельскохозяйственной техники, машин и оборудования для переработки сельскохозяйственного сырья. Основные положения», ГОСТ 28305, ОСТ 10 2.1 и ОСТ 10 1.1. Исследования проводились на семенах сахарной свеклы гибрида «Земис», внесенного в реестр государственных селекционных достижений, производства ОАО «Щелково Агрохим»[16]. Предварительно были исследованы физико-механические свойства данного гибрида [17].
За критерии оптимальности процесса шлифования принимали качество семян после выхода из шлифовального устройства (% качественных семян). Под качественными подразумеваются выравненные по размерам семена с нетравмированным зародышем.
Р, %
На основе априорного ранжирования были отобраны следующие основные факторы, влияющие на качественные показатели процесса шлифования устройством: а>! - частота вращения нижнего диска, мин-1; и - передаточное отношение между сателлитом и опорным колесом; V - подача семян в шлифовальное устройство, кг/мин; /Н -шероховатость нижнего диска, мкм; Бн -диаметр нижнего диска, мм; Бв - диаметр верхнего диска, мм; Л - конусность верхнего диска; /В - шероховатость верхнего диска, мкм, и уровни их варьирования. После обработки результатов многофакторного эксперимента на ПЭВМ получили адекватную математическую модель второго порядка в закодированном виде
У=92,5377+0,0328х 1+0,0046x2-0,0645x3--0,0648x12-0,0028x22+0,0314x32+ + 0,0002x 1 x2-0,001 x 1 x3+0,0005x2x3. (1)
Для описания поверхности отклика уравнением второго порядка использовали центральное композиционное ортогональное планирование второго порядка, которое отличается простотой и удобством расчетов, а также достаточно экономичное по числу опытов. По результатам обработки опытных данных строили вероятностные кривые (рис. 2).
Анализируя графические изображения двухмерных сечений, можно утверждать,
100
98
96
94
92
90
88
1
5
6
А, град.
Рис. 3. Количество качественных шлифованных семян Р в зависимости от угла конусности нижнего диска А
0
что максимальное качество шлифования семян Р = 96...98 % от общего количества семян достигается при частоте вращения нижнего диска т = 92...95 мин-1; передаточном отношении и = 0,9...1 и шероховатости поверхности нижнего диска / = 0,3... 0,4 мкм.
Для получения качественно шлифованных семян большое значение имеет оптимальный угол конусности нижнего диска. Для определения данного оптимального угла конусности Л был проведен однофак-торный эксперимент.
По результатам обработки опытных данных строили график зависимости количества качественных шлифованных семян от угла конусности нижнего диска (рис. 3).
Как видно из графика, оптимальным
значением угла конусности нижнего диска является 1 градус, при котором 98...99 % семян будут прошлифованы. При отсутствии конусности (угол равен нулю) семена свободно проходят рабочую камеру между дисками, что приводит к низкому качеству шлифования семян. При увеличении угла конусности свыше 1 градуса происходит защемление семян между дисками, что приводит к травмированию семян и, следовательно, к снижения качества шлифования семян.
Вывод. Таким образом, применение дискового шлифовального устройства может обеспечивать качество обработанных семян на уровне 96.98 °%, что соответствует требованиям стандарта к данным машинам.
Литература
1. Мачнев, А. В. Энергосберегающие технология и технические средства подпочвенно-разбросного посева зерновых культур: автореф. дис. ... доктора техн. наук / А. В. Мачнев. - Пенза, 2011. - 38 с.
2. Ларюшин, Н. П. Экспериментальная свекловичная сеялка с подпружиненным выталкивателем семян / Н. П. Ларюшин, О. Н. Кухарев, И. Н. Сёмов // Тракторы и сельхозмашины. - 2009. -№ 8. - С. 5-8.
3. Ларюшин, Н. П. Подпружиненный выталкиватель семян свеклы / Н. П. Ларюшин, О. Н. Кухарев, И. Н. Сёмов // Сельский механизатор. - 2008. - № 11. - С. 9.
4. Кухарев, О. Н. Результаты исследований барабанного дражиратора / О. Н. Кухарев, И. Н. Семов, А. М. Чирков // Нива Поволжья. - 2010. - № 1 - С. 54-57.
5. Кухарев, О. Н. Эффективность дражирования семян сахарной свеклы барабанным дражи-ратором / О. Н. Кухарев, Г. Е. Гришин // Нива Поволжья. - 2012. - № 1. - С. 73-77.
6. Кухарев, О. Н. Качество дражирования семян в барабанном дражираторе с вращающимся дном / О. Н. Кухарев, И. Н. Семов, А. М. Чирков // Тракторы и сельхозмашины. - 2011. - № 1. - С. 10-12.
7. Пат. 97238 РФ, МКИ3 А 01 С 1/00. Аппарат для дражирования семян / О. Н. Кухарев, И. Н Сёмов, А. М. Чирков. - № 2009119789/13(027306), опубл. 25.05.2009.
8. Перспективная ресурсосберегающая технология производства сахарной свеклы: метод. рекоменд. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008. - 56 с.
9. Механизация технологического процесса дражирования семян сахарной свеклы / Н. П. Ларюшин, О. Н. Кухарев, И. Н. Сёмов, А. М. Чирков. - Пенза, 2012. - 102 с.
10. Шпаар, Д. Сахарная свекла (Выращивание, уборка, хранение) / Д. Шпаар, Д. Дрегер, А. Захаренко и др.; под общ. ред. Д. Шпаара. - М.: ИД ОоО «й^ Агродело», 2006. - 315 с.
11. Галиуллин, Ш. Р. Разработка ресурсо-энергосберегающих технологий и технических средств для промышленной подработки семян сахарной свеклы: дис. . д-ра техн. наук / Ш. Р. Галиуллин. - Казань, 2004. - 414 с.
12. Сохроков, А. М. Совершенствование технологии предпосевной подготовки семян овощных культур и оптимизация параметров установки для их дражирования: дис. ... канд. техн. наук / А. М. Сохроков. - Нальчик, 2002. - 129 с.
13. Патент на изобретение № 2501202 КЫА01С 1/00. Дисковое шлифовальное устройство / О. Н. Кухарев, И. Н. Сёмов, И. А. Старостин. - Заявка 2012119235/13; опубл. 20.12.2013, Бюл. № 35. - 7 с. ил.
14. Кухарев, О. Н. Устройство для шлифования семян / О. Н. Кухарев, И. Н. Сёмов, И. А. Старостин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2014. - № 2. - С. 8-10.
15. СТО АИСТ 10.4-2004 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для подготовки семян. Методы оценки функциональных показателей».
16. Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию / ФГБУ «Государственная комиссия Российской Федерации по испытанию и охране селекционных достижений» - М, 2012. - 384 с.
17. Физико-механические свойства современных сортов и гибридов сахарной свеклы / О. Н. Кухарев, Г. Е. Гришин, И. Н. Семов, И. А. Старостин // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2013. - № 2(28). - С. 77-80.
Нива Поволжья № 3 (32) 2014 71
UDK 664.143.72
LABORATORY TESTING DISK GRINDING DEVICE
O.N. Kukharev, doctor of technical sciences, professor; G.Ye. Grishin, doctor of technical sciences, professor; I.N. Semov, candidate of technical sciences, assistant professor;
I.A. Starostin, post graduate
FSBEE HPT "Penza SAA", Russia, t. 89273636845, e-mail: [email protected]
The article deals with necessity to make and realize technical devices to optimize system seeder-seed. To improve the quality of sowing material a design of disk grinding device, which presents a radically new technology is developed. The application of this device makes it possible to increase quality of such an important element of the pre-sowing seed operation, as pelleting. The authors describe the design and operation of experimental disk grinding device. The experimental technique and the main results of laboratory research are given in the article. According to test results after the mathematical calculation an adequate mathematical model of the second order, graphic images of two-dimensional sections have been obtained. The analysis of the obtained data made it possible to determine the optimal values of the main constructive (ratio between the satellite and the reference wheel, roughness bottom of the disc, the angle of taper bottom drive) and operation mode (frequency of rotation of the lower drive) parameters of disk grinding device for processing sugar beet seeds.
Key words: seeds, grinding, sugar beet, pre-sowing treatment, sowing.
References:
1. Machnev, A.V. Energy-saving technology and technical means of subsoil-spreading grain crops: Abstract dis. ... doctor of techn. sciences / A.V. Machnev. - Penza, 2011. - 38 p.
2. Laryushin, N. P. Experimental beet planter with spring-loaded ejector seeds / N. P. Laryushin, O. N. Kukharev, I. N. Semov // Tractori i selkhozmashiny. - 2009. - № 8. - P. 5-8.
3. Laryushin, N. P. Spring-loaded ejector of beet seeds / N. P. Laryushin, O. N. Kukharev, I. N. Semov // Selsky mekhanizator. - 2008. - № 11. - 9 p.
4. Kukharev, O. N. The research results of drum pellet-mill / O. N. Kukharev, I. N. Semov, A. M. Chirkov // Niva Povolzhya. - 2010. - № 1. - P. 54-57.
5. Kukharev, O. N. The efficiency of pelleting sugar beet seeds with drum pellet mill / O. N. Kukharev, G. Ye. Grishin // Niva Povolzhya. - 2012. - № 1. - P. 73-77.
6. Kukharev, O. N. Quality of pelleting seeds in the drum pellet mill with rotating bottom / O. N. Kukharev, I. N. Semov, A. M. Chirkov // Tractori i selkhozmashiny. - 2011. - № 1. - P. 10-12.
7. Pat. 97238 of the Russian Federation, MCI 1/00 a 01 s. Apparatus for pelleting seeds / O. N. Kukharev, I. N. Semov, A. M. Chirkov. No 2009119789/13(027306), publ. 25.05.2009.
8. Promising resource-saving production technology of sugar beet production: method. recommendations. - M: FSSU "Rosinformagrotekh", 2008. - 56 p.
9. Mechanization of technological process of pelleting seeds of sugar beet / N. P. Laryushin, O. N. Kukharev, I. N. Semov, A. M. Chirkov. - Penza, 2012. - 102 p.
10. Spaar, D. Sugar beet (Cultivation, harvesting, storage) / D. Shpaar, D. Dreger, A. Zakharenko et.al.; under the general editorship of D. Spaar. - M: Publishing house OOO "DLV Agrodelo", 2006. -315 p.
11. The Galiullin, Sh.R. Development of resource-saving technologies and equipment for industrial processing seeds of sugar beet: dis. ... doctor of techn. sciences / Sh. R. the Galiullin. - Kazan, 2004. -414 p.
12. Sokhrokov, A. M. Improvement of pre-sowing methods of vegetable seeds preparation and optimization of setting parameters for their pelleting: dis. ... cand. of techn. sciences / A. M. Sokhrokov. -Nalchik, 2002. - 129 p.
13. The patent for the invention № 2501202 RUA01C 1/00. Disk grinding device / O. N. Kukharev, I. N. Semov, I. A. Starostin. - Application 2012119235/13; publ. 20.12.2013, bul. № 35. - 7 p. with il-lustr.
14. Kukharev, O. N. Device for grinding seeds / O. N. Kukharev, I. N. Semov, I. A. Starostin // Mechanization and electrification of agriculture. - 2014. - № 2. - P. 8-10.
15. STO AIST 10.4-2004 "Testing of agricultural machinery. Machines for seed preparation. Methods of evaluation of functional parameters".
16. The state register of selection achievements, admitted to use/, St Petersburg, State Committee of the Russian Federation on testing and protection of selection achievements" - M., 2012. - 384 p.
17. Physical-mechanical properties of modern varieties and hybrids of sugar beet / O. N. Kukharev, G. Ye. Grishin, I. N. Semov, I. A. Starostin // Vestnik of Kazan state agrarian university. - 2013. - № 2(28). - P. 77-80.
