Обоснование параметров работы роботизированного кассетного загрузочного устройства карусельного типа для селекционной сеялки

Полный текст

Введение

Для выполнения работ в селекции и семеноводстве зерновых и других культур в сельскохозяйственном производстве осуществляется создание и распространение автоматизированных и роботизированных машин и устройств, что приводит к повышению производительности и снижению трудоемкости работ, способствует наращиванию объемов производства отечественного посевного материала. Разработка и применение новых селекционных сеялок с элементами роботизации технологического процесса должны обеспечить более качественное выполнение посева зерновых и других культур в селекционных и семеноводческих питомниках, уменьшение трудоемкости посева делянок [1–3].

Кассетные сеялки применяются для посева культур на 2-м этапе селекционных работ. Они имеют специальные загрузочные устройства для подачи кассет с разделенным на порции высеваемым материалом (семенами) к автономным высевающим аппаратам, число которых соответствует числу ячеек в кассете и общему числу рядков на делянке. Роботизированное кассетное загрузочное устройство (РКЗУ) селекционных сеялок предназначено для последовательного перемещения кассет с семенным материалом к высевающим аппаратам сеялки и подачи блоков кассет в рабочую зону по заданной программе при выполнении технологического процесса посева на делянках селекции зерновых, зернобобовых и других культур.

Целью исследования является анализ работы РКЗУ карусельного типа для загрузки высевающих аппаратов селекционной сеялки в системе взаимодействия рабочих органов сеялки при выполнении технологического процесса посева зерновых и других культур на селекционных делянках, а также обоснование параметров РКЗУ для основных режимов его работы.

Обзор литературы

На 2-м этапе селекции зерновых и зернобобовых культур для выполнения технологии посева применяют кассетные селекционные сеялки с порционными высевающими аппаратами автономного высева [4–6]. В конструкции указанных аппаратов применяется конус для равномерного распределения подаваемой в устройство порции семян вдоль его основания. При выполнении посева каждая порция семян равномерно распределяется вдоль отдельного рядка засеваемой делянки. Загрузка семян в конусные высевающие аппараты осуществлялась при помощи кассетного загрузочного устройства, перестановку блоков кассет в которых осуществлял оператор вручную [7–9]. Для загрузки высевающих аппаратов семенами предложено применять РКЗУ карусельного типа, что позволит повысить производительность сеялки по сравнению с ранее применявшимися сеялками с кассетным загрузочным устройством и снизить трудоемкость за счет сокращения ручного труда при работе РКЗУ [10–12].

РКЗУ может быть интегрировано как в отечественные кассетные сеялки (типа СКС-6-10, CCCэ-6 и др.¹), так и в сеялки зарубежной разработки компаний Wintersteiger Ag (Австрия), Haldrup (Германия) и др. [13–15].

Материалы и методы

Обоснование параметров РКЗУ карусельного типа провели с использованием физико-математического аппарата [16–18].

На основе принципиальной схемы (рис. 1) устройства по патенту РФ на изобретение № 2806909 разработаны алгоритм работы РКЗУ (рис. 2) и схемы для расчета параметров РКЗУ для двух режимов его работы (рис. 3, 4) [14].

Конструкционно-технологическая схема РКЗУ карусельного типа разработана в соответствии с ГОСТ Р 60.0.0.4-2019/ИСО 8373:2012² и ОСТ 46 73-78³. При разработке схемы устройства применили структурный подход, основанный на разбиении роботизированного устройства на блоки по функциональному признаку, когда каждый блок выполняет отдельную функцию⁴.

Результаты исследования

Роботизированное кассетное устройство для загрузки высевающих аппаратов предназначено для установки на селекционную сеялку с целью посева зерновых, зернобобовых и других культур на 2-м этапе селекционных работ [9; 14; 15]. Согласно ОСТ 46 73-78 на данном этапе работ длина делянки L_д составляет от 1 до 5 м, длина межъярусной дорожки L_мя – не более 2 м.

Схема устройства по патенту РФ на изобретение № 2806909 «Роботизированное кассетное загрузочное устройство карусельного типа селекционной сеялки» [14] представлена на рисунке 1.

РКЗУ карусельного типа работает в двух режимах в соответствии с алгоритмом (рис. 2):

– режим подачи кассет в рабочей зоне к выгрузным отверстиям рабочего стола (поступательное движение кассет);

– режим подачи блока кассет в рабочую зону (вращательное движение подвижной платформы с установленными на ней блоками кассет).

Определение конструктивно-технологических параметров для режима подачи кассет в рабочей зоне к выгрузным отверстиям. Схема для расчета параметров подачи кассет к выгрузным отверстиям представлена на рисунке 3.

 

Р и с.  1.  Принципиальная схема РКЗУ карусельного типа (вид сбоку и сверху): 1 – кассета с ячейками для высеваемого материала; 2 – высевающий аппарат; 3 – направляющая пластина; 4 – кассетный блок; 5 – блок управления; 6 – рама; 7 – центральная неподвижная платформа; 8 – внешняя подвижная платформа; 9 – актуатор; 10 – электродвигатель привода актуатора; 11 – рабочая зона перемещения кассет; 12 – электродвигатель привода внешней подвижной платформы; 13 – контейнер для сбора пустых кассет; 14 – рабочий стол с выгрузными отверстиями; 15 – наклонный лоток для спуска пустых кассет; 16 – привод высевающего аппарата

F i g.  1.  Schematic diagram of a carousel-type robotic cassette loading device (RCLD) (top and side views): 1 – cassette with cells for the material to be sown; 2 – sowing device; 3 – guide plate; 4 – cassette block; 5 – control unit; 6 – frame; 7 – central fixed platform; 8 – external movable platform; 9 – actuator; 10 – actuator drive electric motor; 11– operation area for moving cassettes; 12 – electric motor for driving the external moving platform; 13 – container for collecting empty cassettes; 14 – work table with discharge outlets; 15 – inclined tray for lowering empty cassettes; 16 – sowing device drive

Примечание: Д – электродвигатель; ПР – привод.
Note: Д – electric motor; ПР – drive.

Источник: рисунок составлен авторами статьи по материалам патента на изобретение № 2806909 [14].

Source: the diagram is compiled by the authors of the article based on the materials of the patent for invention No. 2806909 [14].

 

Р и с.  2.  Алгоритм работы РКЗУ карусельного типа

F i g.  2.  Algorithm of operation of a RCLD of a carousel type

Источник: здесь и далее рисунки составлены авторами статьи.
Source: hereinafter in this article the diagrams are compiled by the authors of the article.

Р и с.  3.  Схема для расчета параметров подачи кассет к выгрузным отверстиям

F i g.  3.  Scheme for calculating the parameters for feeding cassettes to the discharge autlets

 

Операцию подачи кассет в рабочей зоне к выгрузным отверстиям разделили на три: основную и две вспомогательных.

Первая вспомогательная операция предшествует началу посева и выполняется до движения сеялки по делянке, при этом должно быть обеспечено перемещение кассет штоком актуатора:

L_в1 = L_о.ш. + L_у.п.+ L_р.с.,

где L_о.ш. – длина перемещения штока актуатора от исходного положения в пределах центральной неподвижной платформы до начала рабочей зоны, равная величине его отвода от начала рабочей зоны до исходного положения во избежание столкновения со следующим подаваемым в рабочую зону блоком кассет, L_о.ш. ≥ 100 мм; L_у.п. – длина переходного участка платформы между направляющей пластиной и рабочим столом, L_у.п. ≤ 50 мм; L_р.с. – длина рабочего стола с выгрузными отверстиями, L_р.с.= 225 мм. Примем L_в1 = 100 + 50 + 225 = 375 мм.

Основная операция подачи кассет в рабочей зоне к выгрузным отверстиям, под усилием штока актуатора, происходит во время прохождения сеялкой нескольких делянок и межъярусных дорожек. При этом крайняя, контактирующая со штоком, кассета перемещается во время операции посева на расстояние:

L_о.п.= B · m,

где B – ширина кассеты, В = 60 мм = 0,06 м; m – количество кассет в блоке для представленной конструкции, m = 5 шт. Тогда L_о.п.= 60 · 5 = 300 мм.

Вторая вспомогательная операция включает в себя возврат штока актуатора в исходное положение перед подачей следующего блока кассет с семенами. При этом шток перемещается на величину:

                                                   L_в2 = L_р.с. + L_у.п. + L_о.п + L_о.ш..         (1)

По формуле (1): L_в2 = 225 + 50 + 300 + 100 = 675 мм.

Необходимая длина выдвижения штока L_ш определяется величиной L_в2 = 675 мм и расположением корпуса актуатора на неподвижной платформе. Приняли L_ш = 700 мм.

Оценка усилия на передвижение кассет по направляющей пластине и другим элементам конструкции РКЗУ. При выполнении основной операции подачи кассет с семенами в рабочей зоне к выгрузным отверстиям кассеты скользят по направляющей пластине и далее по участкам подвижной платформы и рабочего стола.

Необходимое усилие F_п.к., H, на передвижение кассет можно определить с помощью оценки силы трения F_тр, Н, скольжения по формуле:

                                                    F_п.к. ≈ F_тр = μ_ABS ∙N,                                                  (2)

где μ_ABS – коэффициент трения скольжения (материал кассет, направляющих пластин, подвижной платформы РКЗУ и рабочего стола – ABS-пластик; приняли μ_ABS = 0,54); N – нормальная реакция опоры, H:

N = m_б.к. ∙ g,                                                       (3)

где m_б.к. – масса пяти загруженных семенами кассет, m_б.к. = 1,36 кг; g – ускорение свободного падения, g ≈ 9,81 м/с².

Из формулы (2), с учетом (3), определили оценку усилия на передвижение кассет с семенами при их подаче к выгрузным отверстиям: F_п.к. ≈ 7,2 Н.

Определение необходимой скорости подачи кассет при непрерывном движении по направляющей пластине к выгрузным отверстиям рабочего стола. Указанная величина должна быть согласована с рабочей скоростью движения сеялки по делянке и межъярусной дорожке и работой высевающего аппарата.

Учитывали, что рабочая скорость движения сеялки v_с по делянке варьируется (для сеялки СКС-6-10 рекомендуемая скорость 1,15 км/ч согласно ТУ 46-16-466-83, для сеялки СССэ-6 – до 3,0 км/ч) [8]. Приняли указанные значения скоростей для дальнейших исследований конструктивно-технологических параметров РКЗУ карусельного типа.

Выполнили расчет скорости подачи кассет для значений исходных параметров: минимальной длины делянки L_д = 1 м (согласно ОСТ 46 73-78); длины межъ­ярусной дорожки L_мя = 0,5 м; максимальной рабочей скорости движения сеялки v_с = 3,0 км/ч ≈ 0,83 м/с. При большей длине делянок и межъярусных дорожек и меньшей рабочей скорости движения сеялки во время выполнения основной операции посева для обеспечения работы РКЗУ на посеве 2-го этапа селекционных работ (согласно ОСТ 46 73-78) скорость перемещения штока актуатора (подачи кассет) может быть меньше.

Параметры работы высевающего аппарата сеялки и подачи кассет РКЗУ должны быть согласованы по времени. Время засева делянки:

t_д = L_д / v_с.                                                       (4)

При длине делянки L_д = 1 м по формуле (4) получили: t_д = 1 / 0,83 ≈ 1,2 с.

Время прохождения сеялкой межъярусной дорожки:

t_мя = L_мя / v_с.                                                      (5)

При длине межъярусной дорожки L_мя =  0,5 м по формуле (5):

t_мя = 0,5 / 0,83 ≈ 0,6 с.

Суммарное время засева делянки и прохождения сеялкой межъярусной дорожки:

t_д.мя = t_д + t_мя.                                                    (6)

По формуле (6): t_д.мя ≈ 1,2 + 0,6 = 1,8 с.

Скорость подачи кассеты во время основной операции подачи кассет в рабочей зоне к выгрузным отверстиям при прохождении сеялкой делянки и межъярусной дорожки:

v_п.к.= B / t_д.мя,

где В – длина пути прохождения кассеты к выгрузным отверстиям, равная ширине кассеты, В = 60 мм = 0,06 м. Тогда v_п.к.= 0,06 / 1,8 = 0,033 м/с.

Выдвижение и возврат штока в исходное положение на вспомогательных операциях во время остановки сеялки необходимо выполнять максимально быстро, чтобы время остановки было минимальным. При этом скорость выдвижения и возврата штока v_в.ш. на вспомогательных операциях должна удовлетворять условию:

v_в.ш. ≥ v_п.к..                                                         (7)

Поэтому с учетом условия (7) для расчетов приняли v_в.ш. = 60 мм/c. При этой скорости возврат штока в исходное положение при перемещении на L_в2 = 675 мм происходит за время t_в.ш. ≈ 11,3 с.

Актуатор для перемещения кассет подбирается по следующим основным параметрам: усилию 7,2 Н; длине штока L_ш = 700 мм; скорости выдвижения и возврата штока v_в.ш. = 60 мм/с.

Определение параметров для режима подачи блока кассет в рабочую зону при вращении подвижной платформы РКЗУ карусельного типа. Усилие F_п сопротивления вращению подвижной платформы оценили по формуле:

 F_п= µ·N_п ,                                                        (8)

где μ – коэффициент трения стального вала электродвигателя в опоре, на которой закреплена подвижная платформа, μ = 0,3; N_п – нормальная реакция опоры подвижной платформы с установленными на ней блоками кассет с семенами, Н:

N_п = m_п·g,                             (9)

где m_п – масса подвижной платформы с установленными на ней блоками кассет с семенами, кг; m_п = 30,0 кг; g – ускорение свободного падения, м/с², g = 9,81 м/с².

По формуле (8), с учетом (9), получили: F_п = 88,29 Н.

Схема для расчета параметров в режиме подачи блока кассет представлена на рисунке 4.

Р и с.  4.  Схема для расчета параметров РКЗУ карусельного типа для режима подачи блока кассет при вращении подвижной платформы (вид сбоку и сверху)

F i g.  4.  Scheme for calculating the parameters of a carousel-type RCLD for the feeding mode of a cassette block during rotation of the moving platform (top and side views)

 

По команде блока управления подвижная платформа должна начать вращение и переместить блоки кассет на один шаг – угол α = 60° (при равномерном распределении блоков кассет вдоль края подвижной платформы для шестиблочного РКЗУ карусельного типа).

Поворот платформы на один шаг необходимо выполнять максимально быстро, чтобы время остановки сеялки было минимальным. Приняли время подачи нового заполненного семенами блока кассет в рабочую зону t_п.п. = 1 с. При этом частота выходного вала электродвигателя (вращения подвижной платформы) n_п, об/с определяется по формуле:

 

n_п = (t_п.п.)^–1 / 6.                                                                                        (10)

Получено по формуле (10): n_п ≈ 0,167 об/с (соответствует 10 об/мин).

Угловая скорость на выходном валу привода ω_п, с^–1:

 

ω_п = 2·π·n_п.                                                      (11)

По формуле (11): ω_п ≈ 2·3,14·0,167 ≈ 1,05 с^–1.

Мощность на выходном валу привода подвижной платформы определяли по формуле:

 

N_пр = М_пр · ω_п,                                                 (12)

где M_пр – крутящий момент на выходном валу привода, Н·м; ω_п – угловая скорость вращения выходного вала привода (платформы РКЗУ), с^–1.

Крутящий момент на выходном валу привода рассчитали по формуле:

 

М_пр = F_п·R_п,                                                     (13)

где F_п – усилие сопротивления вращению подвижной платформы, Н; R_п – внешний радиус подвижной платформы, м; R_п = 0,6 м.

По формулам (12) и (13) получили:

 

M_пр = 88,29·0,6 ≈ 53,0 Н·м;

N_пр = 53,0·1,05 ≈ 55,7 Вт.

По численному значению N_пр, по каталогу выбирается величина N_н – номинальная мощность электродвигателя, исходя из условия N_пр  ≤ N_н.

Таким образом, рассчитаны параметры для электродвигателя, вращающего подвижную платформу РКЗУ с шагом 60°, – частота вращения вала 10 об/мин, угловая скорость 1,05 с^–1.

Обсуждение и заключение

Определены конструкционно-технологические параметры РКЗУ карусельного типа для загрузки высевающих аппаратов селекционной сеялки на 2-м этапе селекционных работ. Проведен расчет скорости подачи кассет 0,033 м/с во время основной операции выполнения посева для исходных параметров – рабочей скорости движения сеялки 3,0 км/ч, длины делянки 1 м и длины межъярусной дорожки 0,5 м. Для режима подачи блока кассет определили угловую скорость вращения подвижной платформы, равную 1,05 с^–1, при которой подача блока кассет будет происходить за 1 с. Рассчитаны параметры механизмов манипулятора: для актуатора, перемещающего кассеты, минимальное усилие 7,2 Н, длина штока 700 мм, скорость штока 60 мм/с; для электродвигателя, вращающего подвижную платформу РКЗУ, частота вращения выходного вала 10 об/мин, минимально необходимая мощность на выходном валу привода подвижной платформы 55,7 Вт.

 

¹ Анискин В. И., Некипелов Ю. Ф. Механизация опытных работ в селекции, сортоиспытании и первичном семеноводстве зерновых и зернобобовых культур. М. : ВИМ, 2004. 200 с.

² ГОСТ Р 60.0.0.4-2019/ИСО 8373:2012. Роботы и робототехнические устройства. Термины и определения. М. : Стандартинформ, 2019. 31 с. URL: https://meganorm.ru/Data/707/70723.pdf (дата обращения: 12.06.2024).

³ ОСТ 46 73-78. Рекомендации по применению терминов и определений в области механизации работ в селекции, сортоиспытании и первичном семеноводстве зерновых и зернобобовых культур. М. : Колос, 1979. 32 с.

⁴ Проектирование роботов и робототехнических систем : учебное пособие / В. Х. Пшихопов [и др.]. Ростов-на-Дону : Изд-во ЮФУ, 2014. 196 с.

Дополнительная информация

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности: авторы выражают признательность анонимным рецензентам.

Заявленный вклад авторов: 
А. С. Чулков – формулирование основных целей и задач исследования, составление начального варианта статьи, формирование общих выводов.
М. Е. Чаплыгин – доработка текста и оформление материалов, анализ литературных источников, формирование общих выводов, итоговая доработка статьи.
М. М. Шайхов – методология, анализ литературных источников, формирование общих выводов, итоговая доработка статьи.

 

Об авторах

Андрей Сергеевич Чулков

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ

Email: andrei.chulkov@mail.ru
ORCID iD: 0009-0002-1178-451X
SPIN-код: 1726-9749
ResearcherId: JOZ-1910-2023

Кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории технологий и машин для посева и уборки зерна и семян в селекции и семеноводстве

Россия, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5

Михаил Евгеньевич Чаплыгин

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ

Email: misha2728@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0031-6868
SPIN-код: 2268-6927
Scopus Author ID: 57211741695
ResearcherId: AAZ-6056-2020
https://elibrary.ru/author_profile.asp?authorid=668532

Кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией технологий и машин для посева и уборки зерна и семян в селекции и семеноводстве

Россия, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5

Марсель Марселевич Шайхов

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ

Автор, ответственный за переписку.
Email: mars.shaihov@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0008-9959-8474
SPIN-код: 1076-9502

Ведущий специалист лаборатории технологий и машин для посева и уборки зерна и семян в селекции и семеноводстве

Россия, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5

Список литературы

Дополнительные файлы