UNIVERSAL DISK AND BRUSH SOWING DEVICE OPERATING TECHNOLOGICAL PROCESS THEORETICAL JUSTIFICATION

Abstract


Research objective - theoretically proving of universal disk and brush sowing device operation technological process. On the basis of universal sowing devices analysis on «Mechanics and Engineering Graphics» chair of the Samara SAA the disk and brush sowing device was developed for seeding of seeds with various physicomechanical properties. The description of the constructive and technological scheme and process of operation of the universal disk and brush sowing device is presented in article (the patent Russian Federation for the invention No. 2452166). For ensuring steady transportation of seed material from the bunker to the seedputting roller process of seed material transportation by sowing disk is investigated and expression allowing to establish dependence of angular speed of sowing disk rotation for constructive and technological parameters at which steady transportation of seed material from the bunker to the seedputting roller will be provided is received. As process of movement of seeds by elastic elements of the seedputting roller for surface of sowing disk as a result which was received the differential equation describing movement of seed material of particle by screw surface of the seedputting roller by sowing disk in funnel seed pipe was investigated. As a result of theoretical researches the analytical expression establishing functional dependence of angular speed of rotation of the sowing disk from constructive and technological parameters at which steady transportation of seed material from the bunker to the seedputting roller and the differential equation, movement of seed material particle by screw surface of the seedputting roller for sowing disk in funnel seed pipe will be provided was received.

Keywords

Full Text

В настоящее время в селекционном производстве в основном используются сеялки с катушечными высевающими устройствами, которые способны с требуемым качеством высевать семена определенных культур. Однако селекционная работа, как правило, связана с выведением широкого набора культур, семена которых имеют различные физико-механические свойства. Невысокая универсальность этих высевающих аппаратов приводит к необходимости увеличения парка посевных машин, что ведет к удорожанию производимой продукции [9]. Цель исследований - теоретически обосновать технологический процесс работы универсального дисково-щеточного высевающего аппарата. Задача исследований - выполнить теоретические исследования технологического процесса дозирования семян универсальным дисково-щеточным высевающим аппаратом. На кафедре «Механика и инженерная графика» Самарской ГСХА был разработан универсальный дисково-щеточный высевающий аппарат для высева семян с различными физико-механическими свойствами (рис. 1) [3, 5, 7, 10]. Материалы и методы исследований. Разработанный высевающий аппарат состоит из следующих элементов: корпуса 1, неподвижного диска 2, приводного вала 3, загрузочного окна 4, неподвижных штифтов 5, кожуха 6, козырька 7, семясбрасывающего валика 8, высевающего диска 9, воронки семяпровода 10. Рис. 1. Схема универсального дисково-щеточного высевающего аппарата Высевающий аппарат работает следующим образом. При вращении высевающего диска 9 неподвижные штифты 5, заходя в зону загрузочного окна 4, увлекают определенную порцию семенного материала под козырек 7 и транспортируют ее к семясбрасывающему валику 8, который, вращаясь навстречу движению высевающего диска за счет упругих элементов, расположенных по винтовой линии, перемещает семена в воронку семяпровода 10, образуя непрерывный поток семенного материала [7, 10]. Норма высева регулируется передаточным отношением в механизме привода приводного вала высевающего аппарата. Для обеспечения устойчивого транспортирования семенного материала из бункера к семясбрасывающему валику необходимо исследовать процесс транспортирования семенного материала высевающим диском. Одним из важных этапов работы высевающего аппарата является процесс транспортирования семян высевающим диском от бункера к зоне работы семясбрасывающего валика. Перемещение семенного материала происходит с использованием жестко закрепленных на высевающем диске штифтов. Проведём анализ взаимодействия штифтов с семенным материалом для определения условий непрерывного равномерного транспортирования семян с применением основных положений механики насыпных грузов [2]. При выходе из бункера семенной материал попадает на высевающий диск. Благодаря невысокой окружной скорости вращения диска и установленным по образующей логарифмической спирали штифтам скорость семян за короткий промежуток времени сравнивается со скоростью высевающего диска и протекает устойчивое транспортирование. Для эффективной работы высевающего аппарата необходимо, чтобы семена, под действием центробежных сил, возникающих при вращении высевающего диска, не смещались на периферию диска, образуя слой семян различной плотности [8]. Перемeщение семеннoго матeриaла от бункера в зону рабoты семясбрасывающего валика прoисходит за счёт сoвместного действия сил трeния семян о повeрхность высевaющегo диска и штифта. Силу трения семенного материала о высевающий диск можно определить из выражения , (1) где - нормальная сила, Н; - кoэффициeнт тpeния пoкoя семян o выceвaющий диcк. Так как где - нормальное давление семенного материала на поверхность высевающего диска, Па; - площадь высевающего диска между штифтами, м2. (2) где - наружний диаметр высевающего диска, м; - внутренний диаметр рабочей поверхности высевающего диска, м; - угол сектора, соседних заходностей штифтов, рад. На основании этого выражение (1) запишется: (3) Определить нормальное давление, возникающее в слое семенного материала толщиной можно из выражения (4) где - объемная масса семенного материала, кг/м3; - высота слоя семян, м. Для определения условия непрерывного транспортирования семенного материала выделим элементарный объём abcd и рассмотрим его нaпpяжённoe cocтояние. На все гpaни элeмeнтapнoгo объёма будут действовать нормальные и касательные напряжения (рис. 2). Условие равновесия для линии ad элементарного объёма, принадлежащей свободной поверхности сыпучего тела, запишем в виде: , (5) где - сила бокового давления рассматриваемого элементарного объема, Н; - cилa тpeния o пoвepхнocть штифтa, Н; - цeнтpoбeжная силa инерции, действующая на семенной материал при вращении высевающего диска. Рис. 2. Схема сил, касательных и нормальных напряжений, действующих на выделенный элемент Силу бокового давления, действующую на элемент, найдём по формуле , (6) где - расстояние между штифтами, м; - боковое давление, Па. Боковое давление рассчитывали из выражения (7) где - коэффициент бокового давления. Подставляя выражения (4) и (7) в формулу (6) интегрируя по переменным h и получим: (8) Силу трения рассматриваемого элементарного объёма семян о поверхность штифта найдём из выражения , (9) где - давление семенного материала на штифт, Па; - площадь штифта, м 2; - коэффициент трения покоя семян о штифт. , (10) где - высота штифта, м; - диаметр штифта, м. Давление семенного материала на штифт устанавливали с учетом равнонапрвленного бокового давления. С учетом этого давление на штифт принимали постоянной величиной. В результате чего запишем формулу (11) где - нормальное давление на высевающий диск; - коэффициент неустойчивости семенного материала. Коэффициент неустойчивости семенного материала определяли из выражения , (12) где - коэффициент внутреннего трения семенного материала. Подставив выражение (11), (10) и (4) в формулу (9), получим . (13) Силу инерции, действующую на выделенный элементарный объём, определим из выражения , (14) где - угловая скорость вращения высевающего диска, рад/с; - расстояние от центра вращения высевающего диска до рассматриваемого объёма, м; - масса выделенного элемента семенного материала, кг. Запишем условие равновесия элементарного объёма семенного материала, который под действием центробежной силы не будет перемещаться к периферии высевающего диска: (15) После соответствующих математических преобразований получим . (16) Результаты исследований. Полученное выражение позволяет установить зависимость угловой скорости вращения высевающего диска от конструктивно-технологических параметров, при которых будет обеспечиваться устойчивое транспортирование семенного материала из бункера к семясбрасывающему валику. От эффективной работы семясбрасывающего валика зависит полнота очистки высевающего диска и равномерность высева семенного материала. Использование семясбрасывающего валика с упругими элементами, установленными по винтовой линии, и его вращение навстречу движущегося семенного потока даёт возможность осуществлять транспортирование семян от центра к периферии высевающего диска в высевное окно [6]. Для исследования процесса перемещения семян семясбрасывающим валиком по поверхности высевающего диска рассмотрим движение частицы семенного материала при установившемся режиме работы высевающего аппарата [1]. Будем считать, что образующая высевающего диска неподвижна, а винтовая поверхность семясбрасывающего валика вращается вокруг своей оси с постоянной угловой скоростью Если в начальный момент времени частица семенного материала находится на поверхности высевающего диска, то через некоторый отрезок времени она окажется затянутой силой трения, возникающей между частицей и винтовой поверхностью семясбрасывающего валика, перемещаясь по ней, как в аксиальном, так и перпендикулярном к нему направлениях, совершая криволинейный характер движения (рис. 3) [1]. Рис. 3. Схема сил приложенных к частице семенного материала винтовой поверхностью семясбрасывающего валика Приложенными к частице силами будут: - сила тяжести, Н; - нормальная реакция поверхности высевающего диска, Н; - нормальная реакция упругих элементов винтовой поверхности семясбрасывающего валика, Н; - сила трения частицы о поверхность высевающего диска, Н; - сила трения частицы об упругие элементу винтовой поверхности семясбрасывающего валика, Н. Вектор силы трения частицы семенного материала о высевающий диск является не заданным. Причем вследствие того, что образующие винтовой поверхности семясбрасывающего валика перпендикулярны к оси высевающего диска, то реакция и сила трения во всех точках движения будут лежать в плоскости, показанной на рисунке 4. Рис. 4. Разложение нормальной реакции винтовой поверхности семясбрасывающего валика в плоскости xоz Чтобы найти вектор силы трения нужно знать нахождение трaeктopии движeния чacтицы семенного материала пo высевающему диску, так как она расположена в стoрoну, противоположную скopoсти ee движeния. Поэтому, расположение силы трeния будeт изменяться c измeнeниeм вектора cкopoсти чaстицы семенного материала [1]. Спроецируем перемещение чaстицы семенного мaтериaлa на ocи кoopдинaт , принимая левую систему координат. Диффeрeнциaльныe уравнения перемещения чaстицы семенного материала в пpoeкциях нa левую систему кoopдинaт запишутся: , (17) где m - масса частицы, кг; - вторая производная от перемещения по оси x, м/с2; f1 - коэффициент трения частицы семенного материала о упругие элементы винтовой поверхности; - угол уклона винтовой линии семясбрасывающего валика, град; f2 - коэффициент трения частицы о поверхность высевающего диска; - первая производная от перемещения по оси x, м/с; - первая производная от перемещения по оси z, м/с; - вторая производная от перемещения по оси z, м/с2. Но при затягивании частицы плоской поверхностью, перпендикулярной к оси семясбрасывающего валика, частица совершает относительное угловое перемещение в той же плоскости на угол (рис. 5). На рисунке 5 АС равно длине пути скольжения частицы семенного материала по винтовой поверхности семясбрасывающего валика, а ВС - длине пути переноса частицы самим винтом. Рис. 5. Схема перемещения частицы семенного материала по развертке винтовой линии семясбрасывающего валика Поэтому перемещение, скорость и ускорение частицы в аксиальном направлении можно выразить так: (18) где r0 - расстояние пройденное частицей семенного материала по винтовой поверхности семясбрасывающего валика, м; t - время перемещения частицы, с; x - перемещение, м. Тогда система (17) запишется при : , (19) где g - ускорение свободного падения, м/с2. Обозначим: (20) (21) (22) (23) Тогда система (19) примет вид: (24) Если из системы уравнений исключить нормальную реакцию N1, то получим одно уравнение с одним неизвестным относительно координаты x: , (25) или . (26) Полученные дифференциальные уравнения описывают перемещение частицы семенного материала винтовой поверхностью семясбрасывающего валика по высевающему диску в воронку семяпровода. Заключение. В результате теоретических исследований было получено аналитическое выражение, устанавливающее функциональную зависимость угловой скорости вращения высевающего диска от конструктивно-технологических параметров, при которых будет обеспечиваться устойчивое транспортирование семенного материала из бункера к семясбрасывающему валику и уравнение, описывающее движение частицы семенного материала по образующей винтовой поверхности семясбрасывающего валика.

About the authors

S V Vdovkin

FSBEI HVE Samara SAA

Email: wdowkin@mail.ru
446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 8-а str
cand. of techn. sciences, associate prof. of the department «Mechanics and engineering graphics»

P V Kryuchin

FSBEI HVE Samara SAA

Email: Kryuchin-pv@mail.ru
446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 8-а str
cand. of techn. sciences, assistant of the department «Electrification and Agrarian and Industrial Complex Automation»

Yu M Isayev

FSBEI HVE Ulyanovsk SAA of P. A. Stolypin

Email: isurmi@yandex.ru
432017, Ulyanovsk, Novy Venets Boulevard, house 1
dr. of techn. sciences, prof., head of the department «Mathematics and physics»

N M Semashkin

FSBEI HVE Ulyanovsk SAA of P. A. Stolypin

Email: emotion.snm@mail.ru
432017, Ulyanovsk, Novy Venets Boulevard, house 1
cand. of techn. sciences, associate prof. of the department «Mathematics and physics»

References

  1. Григорьев, А. М. Винтовые конвейеры. - М. : Машиностроение, 1972. - 185 с.
  2. Зенков, Р. Л. Механика насыпных грузов. - М. : Машгиз, 1952. - 215 с.
  3. Крючин, Н. П. Влияние конструктивно-режимных параметров семясбрасывающего валика на качество работы высевающего аппарата / Н. П. Крючин, П. В. Крючин // Вклад молодых ученых в аграрную науку Самарской области : сб. науч. тр. - Самара : РИЦ СГСХА, 2011. - С. 99-101.
  4. Крючин, Н. П. Разработка высевающего аппарата для высева семян с различными физико-механическими свойствами / Н. П. Крючин, П. В. Крючин // Известия Самарской ГСХА. - Самара : РИЦ СГСХА, 2010. -№3 - С. 42.
  5. Крючин, Н. П. Результаты экспериментальных исследований дисково-штифтового высевающего аппарата / Н. П. Крючин, С. В. Сафонов, П. В. Крючин // Известия Самарской ГСХА. - Самара : РИЦ СГСХА, 2007. - №3 - С. 36-37.
  6. Крючин, Н. П. Теоретическое обоснование параметров упругих элементов семясбрасывающего валика / Н. П. Крючин, С. В. Вдовкин, П. В. Крючин // Известия Самарской ГСХА. - Самара : РИЦ СГСХА, 2012. - №3. - С. 25.
  7. Крючин, Н. П. Универсальный высевающий аппарат / Н. П. Крючин, П. В. Крючин // Сельский механизатор. - 2011. - №11. - С. 8.
  8. Крючин, П. В. Исследования высева семян дисково-щеточным высевающим аппаратом // Наука и молодежь: новые идеи и решения : мат. V Международной науч.-практ. конф. молодых исследователей / ФГБОУ ВПО Волгоградская ГСХА. - Волгоград, 2011. - Ч. III. - С. 259-262.
  9. Мухин, С. П. О создании универсальной посевной техники // Техника в сельском хозяйстве. - 1997. - №3. - 22 с.
  10. Пат. 2452166 Российская Федерация. Высевающий аппарат / Крючин Н. П., Вдовкин С. В., Крючин П. В., Котов Д. Н. - № 2010152159/13 ; заявл. 20.12.10 ; опубл. 10.06.12, Бюл. № 16. - 6 с.

Statistics

Views

Abstract - 41

PDF (Russian) - 6

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2014 Vdovkin S.V., Kryuchin P.V., Isayev Y.M., Semashkin N.M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies