Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обоснование необходимости диэлектрической сепаращи семян 13
1.1. Роль сепарации в повышении эффективности производства с.-х. культур 13
1.2. Разнокачественность семян-основной фактор сепарации 15
1.3. Роль сепарации при борьбе с сорняками 18
1.4. Способы и задачи сепарации семян 25
1.5. Развитие электрических способов сепарации семян . 35
1.6. Цель и задачи исследований 52
1.7. Выводы 54
Глава 2. Теоретические основы диэлектрического способа сепарации семян 56
2.1. Силы, действующие на семена в электрическом поле . 56
2.2. Электрические процессы в семенах и рабочих органах диэлектрических сепарирующих устройств (ДСУ) 67
2.3. Уравнения рабочих органов ДСУ в 81
2.4. Механизм разделения семян на ДСУ 91
2.5. Выводы 94
Глава 3. Комплекс исследования электродов рабочих органов ДСУ 99
3.1. Системы электродов ДСУ 99
3.2. Электромагнитные поля разноименно заряженных электродов 102
3.3. Свойства электрических полей разноименно заряженных электродов 105
3.4. Моделирование электрических полей заряженных электродов 114
3.5. Емкость систем электродов рабочих органов ДСУ . 121
3.6. Исследование силового воздействия разноименно заряженных электродов на семена 131
3.7. Способы повышения напряженности электрического поля 145
3.8. Выводы 153
Глава 4. Движения семян по поверхностям, формирущим неодно родные электрические поля 159
4.1. Общая методика исследования движения семян по рабочим поверхностям 159
4.2. Движение семян по плоскостям 176
4.3. Особенности движения семян по горкам 181
4.4. Перемещение семян по поверхностям вращения 187
4.5. Движение семян по вращающемуся диску 199
4.6. Перемещение семян по винтовой поверхности 204
4.7. Вывода 207
Глава 5. Методы исследования электрических параметров рабочих органов ДСУ 212
5.1. Применение моста Шеринга при исследовании параметров рабочих органов 212
5.2. Исследование бифилярной обмотки, как цепи с распределенными параметрами 219
5.3. Схемы замещения рабочих органов 225
5.4. Графические методы определения параметров рабочих органов ДСУ 228
5.5. Выводы 233
Глава 6. Разработка, испыганш и производство диэлектрических сепарирующих устройств 236
6.1. Методология создания сепарирующих устройств 236
6.2. Технологический комплекс ДСУ 243
6.3. Испытание сепараторов 253
6.4. Производство диэлектрических сепарирующих устройств 259
6.5. Социально-экономическая эффективность комплексной разработки диэлектрических сепараторов 261
6.6. Выводы 269
Глава 7. Экспериментальное подтверждение теоретических положений диэлектрической сепарации СЕШН 273
7.1. Методология определения возможностей ДСУ 273
7.2. Электросепарация семян на ДСУ 277
7.2.1. Сортирование семян 277
7.2.2. Очистка семян 300
7.2.3. Калибровка семян 304
7.3. Области применения ДСУ 308
7.4. Выводы 318
Глава 8. Эффективность диэлектрического метода сепарации сешн, его реализация и перспективы развития 325
8.1. Комплексная оценка эффективности диэлектрического метода сепарации семян 325
8.2. Экономическая эффективность применения ДСУ 335
8.3. Реализация результатов исследований 340
8.4. Перспективы развития диэлектрического сепарирования 345
8.5. Выводы 347
Заключение и общие выводы 349
Литература 356
Приложения
- Разнокачественность семян-основной фактор сепарации
- Электрические процессы в семенах и рабочих органах диэлектрических сепарирующих устройств (ДСУ)
- Электромагнитные поля разноименно заряженных электродов
- Исследование бифилярной обмотки, как цепи с распределенными параметрами
Введение к работе
Одним из основных путей решения продовольственной программы в нашей стране является увеличение производства продукции растениеводства /1-3/. Решать ее необходимо комплексно, добиваясь максимального повышения урожайности сельскохозяйственных культур при одновременном снижении производственных и энергетических затрат. Этого можно достичь лишь при внедрении прогрессивных энергосберегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур /4/. При этом для возделывания сельскохозяйственных культур по прогрессивным технологиям необходим высококачественный посевной материал.
Используемые сейчас методы и средства подготовки семян к посеву не обеспечивают установленных стандартом свойств, и поэтому до 40/& семян в полевых условиях не всходит, а значительная часть дает неполноценные всходы и экологически не устойчива. В связи с этим возникла необходимость в совершенствовании действующих устройств и создании новых принципов сепарации семян и соответствующих технических средств /5/.
Создать более совершенные сепарирующие устройства можно, если использовать принцип суперпозиции сил разной физической природы, т.е. таких сил, воздействие которых на семена обусловлено не только их механическими свойствами, но и внутренними - биохимическими. Указанные силы проявляются, если при сепарации использовать электрическое поле.
Существенный вклад в развитие науки по применению электроэнергии в сельскохозяйственное производство внесли советские ученые М.Г.Евреинов, П.Н.Листов, СП.Лебедев, Г.Й.Назаров, Й.А.Будз-ко, И.Ф.Бородин, И.И.Мартыненко, В.И.Метревели, Л.Г.Прищеп, A.M. Басов, В.А.Воробьев, Л.С.Герасимович, Ф.Я.Изаков, И.Ф.Кудрявцев, А.М.Мусин, Г.Г.Рекус, Р.М.Славин, А.П.Якобс, А.И.Цатурян и др.
В науке по применению электроэнергии в сельскохозяйственном производстве следует выделить направление, связанное с использова нием электрических полей для интенсификации процесса сепарации семян. Наиболее крупные исследования в этом направлении проведены А.М.Басовым, И.Ш.Бородиным, Ф.Я.Изаковым, Э.А.Камениром, В.С.Лео-новым, В.И.Мищенко, В.Н.Шмигелем, Г.Я.Ясновым, Н.Ф.Олофинским, А.В.Пожелене, В.В.Стефановым и др. Созданы электрозерноочиститель-ные машины, в которых используют электрическое поле коронного разряда и электростатическое поле.
Дальнейшее развитие науки, связанной с применением электрических методов разделения семенных смесей, - применение диэлектрического метода сепарации. Метод диэлектрической сепарации, основанный на различии значений и направлений пондеромоторных сил, действующих на поляризационные частицы твердых тел в неоднородном электрическом поле, до 1975 г. использовали главным образом при определении диэлектрической проницаемости различных минералов, при выделении мономинеральных фракций и сепарации различных тонкодисперсных поликонцентратов и материалов.
Выполненные под научным руководством и при научной консультации соискателя диссертационные работы на соискание ученой степени кандидата технических наук Ю.И.Баженовым (1979 г.), Б.И.Шихсаидо-вым (I960 г.), В.С.Леоновым (1981 г.), В.М.Богоявленским (1987 г.), А.А.Ниязкуловым (1987 г.) и на соискание ученой степени кандидата с.-х.наук В.А.Скачко (I960 г.), Н.А.Медведевой (1983 г.), А.Н.Романовым (1986 г.), Б.И.Казбековым (1986 г.), Э.В.Белоусовым (1986 г.) показали принципиальную возможность и эффективность использования диэлектрического метода при очистке, сортировании и калибровке семян сельскохозяйственных культур. Цель настоящей диссертационной работы заключается в разработке теоретических основ, методов и технических средств, обеспечивающих получение высококачественного посевного материала путем диэлектрической сепарации семян, воплощение результатов теоретических исследований в конструкциях сепарирующих машин и доведение всего цикла работ до внедрения в практику.
Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие научно-практические задачи.
- с позиций системного подхода разработаны научные принципы создания методов и технических средств для получения высококачественного посевного материала посредством диэлектрической сепарации;
- разработаны математические модели, способы и приемы создания высокоэффективных диэлектрических сепарирующих устройств (ДСУ) и определены эффективные области их применения;
- разработаны конструктивные схемы и техническая документация на систему (технологический комплекс) диэлектрических сепараторов. Организован серийный выпуск и внедрение в производстю основных типов сепараторов технологического комплекса;
- проведены сравнительные испытания ДСУ с отечественными и зарубежными аналогами, определена область использования и эффективность реализации ДСУ.
Предметом исследования в данной работе явилось изучение взаимодействия частиц семенной смеси с неоднородным электрическим полем, создаваемым заряженными электродами.
При решении научных задач и выполнении работы в основу положен методологический прием В.П.Горячкина, в соответствии с которым разрабатываемые процессы рассмотрены как единая система взаимодействия трех элементов: семян, рабочих поверхностей и энергетических средств. Кроме того, в диссертации реализованы общие научные принципы (преемственность, комплексность и конкурентоспособность). Поставленные научные задачи решались с позиций системного подхода, при этом использованы: теория движения частицы по поверхностям с.-х.машин, теории электромагнитного поля, электрических цепей с распределенными параметрами, методы математического и физического моделирования, рентгеноскопии с использованием телевизионного анализатора изображений, скоростной киносъемки и стробоскопической фотосъемки. Разработано математическое и программное обеспечение для выполнения с помощью персональной ЭВМ необходимых расчетов.
Научная новизна исследований состоит в следующем:
- разработаны теоретические основы диэлектрической сепарации семян, базирующейся на суперпозиции сил различной физической природы;
- получена математическая модель рабочих органов ДСУ, устанавливающая связь между основными параметрами рабочего органа ДСУ и параметрами семян и окружающей среды;
- предложены принципы, методы, приемы и на их базе получены аналитические выражения, позволяющие определять параметры электрических полей рабочих органов ДСУ, рассчитывать емкость и исследовать силовые воздействия на семена различных систем заряженных электродов, используемых в ДСУ;
- обоснованы методики создания эффективных диэлектрических сепарирующих устройств, прогнозирования их возможностей и получения комплексной оценки эффективности внедрения этих устройств.
Совокупность полученных результатов явилась научной базой, на основе которой разработан технологический комплекс диэлектрических сепарирующих устройств. Их новизна и полезность подтверждены 52 авторскими свидетельствами на изобретения.
Достоверность установленных теоретических положений подтверждена экспериментальной проверкой в лабораторных условиях, государ 9
ственными испытаниями и эксплуатацией в производстве опытных партий и серийно выпускаемых ДСУ, а также испытаниями ДСУ, проведенными научно-исследовательскими институтами ВЙМ, ВИР, ВИЗР, ВИК и др.
Практическая ценность диссертации заключается:
- в создании научных основ, позволяющих разрабатывать высокоэффективные электросепарирующие устройства для очистки, сортирования и калибровки семян;
- в разработке технологического комплекса диэлектрических сепарирующих устройств, обеспечивающих, в сравнении с существующими отечественными и зарубежными сепарирующими устройствами, снижение затрат труда до 4 раз, эксплуатационных издержек - до б раз, повышение производительности - до 10 раз, сокращение количества посевного материала - в 1,0...2 раза, повышение урожайности - на 15... 25%. Использование технологического комплекса ДСУ в сельском хозяйстве в течение года обеспечивает экономический эффект более 0,5 млн.руб;
- в определении эффективных областей применения ДСУ.
Реализация результатов исследований. Материалы исследований явились основанием для включения в Систему машин диэлектрических сепараторов СДЯ-І, СД-І, СДФ-І на 1986...1995 гг. (часть I, Растениеводство. Позиции: PC.7.10; PC.7.II; PC.4.24). Они составили научную базу для разработки агротехнических (исходных) требований и проектно- гехнической документации, которые утверждены в установленном порядке. Результаты НИР и проектно-техническая документация переданы в специализированные конструкторские бюро и на машиностроительные заводы страны. Диэлектрические сепараторы СДЛ-І и СД-І прошли государственные испытания, рекомендованы к производству (протокол № 62/41/42 от 23.06.82 г.) и в настоящее время серийно выпускаются. Некоторые сепараторы, входящие в технологический комплекс, изготовлены в заводских условиях малыми сериями и переданы в научно-исследовательские учреждения и хозяйства страны. Материалы исследований используются в учебном процессе высших учебных заведений с.-х.производства. От применения ДСУ хозяйствами Московской области получено дополнительной продукции более чем на 5 млн.руб. На защиту выносятся:
1. Теория диэлектрической сепарации семян (основанная на принципе суперпозиции сил различной физической природы), которая включает математические модели ДСУ, позволяющие создавать технические средства для получения высококачественного посевного материала, раскрывать физику процесса разделения семян на различных рабочих органах, выявлять преимущества ДСУ, определять и прогнозировать рациональные области их применения; методы, позволяющие совершенствовать теорию диэлектрической сепарации, приводя ее к классической теории; признаки, устанавливающие условия разделения семян на различные по качеству фракции.
2. Математические модели, методы и принципы, позволяющие осуществлять комплексные исследования системы "электроды-среда-семя" и используемых в ДСУ электродов, определять параметры электрических полей и рассчитывать емкости, создаваемые заряженными электродами, исследовать их силовое воздействие на семена.
3. Методология создания эффективных сепарирующих устройств, включающая систему научных принципов (преемственность, комплексность, конкурентоспособность), методы исследования и испытания рабочих органов ДСУ, систему требований к разработке ДСУ, организации их промышленного производства и внедрения.
4. Технологический комплекс диэлектрических сепарирующих устройств, реализующих новый принцип разделения и обеспечивающих очистку, сортирование и калибровку семян сельскохозяйтсвенных культур.
Совокупность сформулированных и обоснованных научных положений, а также результаты их внедрения представляют собой теоретическое обобщение и практическое решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Апробация полученных результатов и практической ценности работы. Диссертационная работа обсуждена и одобрена на объединенном заседании кафедр МИИСПа и Центральной лаборатории по оценке качества испытываемых сортов с.-х.культур в 1989 г. Отдельные материалы, входящие в диссертацию, доложены, обсуждены и одобрены на заседании Главного управления высшего и среднего с.-х.образования МСХ СССР совместно со специалистами Сортеемпрома СССР. Главного управления с.-х.науки и пропаганды МСХ СССР, Государственной комиссии по сортоиспытанию с.-х.культур и Отдела по изобретательству и рационализации МСХ СССР (Москва, 1981 г.); на Всесоюзном научно-методическом совещании секции "Применение электрической энергии в сельском хозяйстве" и Бюро Отделения механизации и электрификации сельского хозяйства ВАСХНШЕ (Тбилиси, 1981 г.; Кировобад, 1982 г.; Москва, 1983 г.; Ташкент, 1984 г.) на 2 международных симпозиумах (СССР, Душанбе, 1988 г. и ШРЮ, Белград, 1988 г.), б Всесоюзных и республиканских, 4 отраслевых и 17 вузовских научных конференциях, 7 совещаниях специалистов по семеноводству и семеноведению (Приложение 8.3.4). Результаты работы освещались по Всесоюзному телевидению с демонстрацией ДСУ. Кроме того, диэлектрические сепараторы, разработанные аспирантами, сотрудниками Отраслевой лаборатории МИИСПа под научным руководством соискателя, демонстрировались на 2 международных и 12 Всесоюзных выставках и отмечены 3 золотыми, 4 серебряными, 24 бронзовыми медалями и Дипломом I степени ВДНХ СССР.
Основное содержание диссертации изложено в 146 опубликованных работах и 95 описаниях к авторским свидетельствам. Некоторые статьи опубликованы в зарубежных изданиях. Исследования по диссертационной работе были начаты в 1975 г. Они проводились по координационному плану НИР МЙИСП в соответствии с Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР № 520 от 19 июня 1978 г., а также в порядке выполнения координационных планов Минсельхоза СССР и Госагропрома СССР по разработке и производству машин для механизации работ в селекции, сортоиспытании и первичном семеноводстве в соответствии с Системой машин на 1986...1995 гг,і программ НИОКР МСХ СССР и ВАСХНШ1 0.CX.I05 на 1961... 1985 гг. и комплексной программы НТП стран-членов СЭВ до 2000 г. на 1988...1990 гг. (проблема 1.2.6); приказов МСХ СССР и Госкомсельхозтехники СССР № 207 от 24.07.78 г. № 91/83 от 2.04.80 г.
В рассматриваемой работе представлены результаты исследований, выполненных лично соискателем, а также обобщенные отдельные результаты исследований, полученные в соавторстве с другими авторами под научным руководством соискателя и при непосредственном его участии. В реализации научных разработок и решении отдельных частных вопросов в различные годы активное участие принимали сотрудники лаборатории и аспиранты: В.С.Леонов, В.М.Богоявленский, В.Г.Бурлаков, Ю.И.Баженов, Б.И.Шихсаидов, А.А.Ниязкулов, В.Н.Хрус-талев, И.А.Богданов, И.И.Будзко, А.Абубакиров, Б.Д.Мамаджанов и др., выполнявшие работы под руководством соискателя.
Разнокачественность семян-основной фактор сепарации
Любая партия семян неоднородна как по морфологическим признакам и химическому составу, так и по биологическим свойствам /8-IX/. Эта объективная закономерность обусловлена многими причинами /12-16/. Характеристики семян с.-х.культур, прывэденные в таблице 1.2.I, свидетельствуют о широком диапазоне изменчивости их признаков и свойств /17,13,22-24,26/.
Неоднородность семян или, как ее часто называют в семеноведении, разнокачественность - явление типично биологическое. Семена даже на одном растении в силу неодинакового местоположения формируются и созревают к моменту уборки урожая не одновременно (рис. I.2-I). Установлено /26/, что влажность семян пшеницы на корню в начальный период колеблется от 10 до 5Q/0, а в пределах одного колоса - от 10,9 до 42,6 . Более же влажные семена часто являются менее физиологически зрелыми /29/. Содержание клейковины в зернах пшеницы на одном и том же колосе колеблется от 23,9 до 33,. Аналогичные колебания можно наблюдать при определении количества масла в семенах подсолнечника и клещевины или содержания белка в семенах гороха и других бобовых /20/. Плотность семян хлопчатника /27/, взятых с одной плодовой ветви, лежит в пределах 1,0...1,59 г/см , а по массе изменяется от 61...70 до 151...160 г. Аналогичная изменчивость наблюдается и для других с.-х.культур /18-21/.
Культурные растения для нормального роста и развития, для реализации своего биологического потенциала нуждаются в воздействии множества факторов. По данным ВАСХНИЛ /32/, число таких факторов достигает dO.
Так, при недостаточной температуре и солнечной активности возрастает количество некондиционных семян /55-57/. Обычно по этим и другим причинам половина семян овощных культур (а в некоторые годы и больше) не дают всходов /33,54/.
Установлено /30/, что в партиях семян хлопчатника может находиться до 40% недозревших семян с пониженной энергией прорастания. Если же к моменту уборки урожая некоторая часть семян не успела пройти все этапы органогенеза, то и в послеуборочный период они их уже не пройдут /5b/. Такие семена физиологически не полноценны и имеют меньшую потенциальную урожайность. Семена с высокой энергией прорастания /31/ обеспечивают дружные всходы в первые 3-4 дня и дают на 30...3 большую урожайность. Согласно закону гомологических рядов наследственной изменчивости, открытого Н.И.Вавиловым /16/, внутри одного вида (сорта) всегда имеются семена, свойства которых отличаются от свойств,определяющих данный сорт. Так, плод гречихи - орешек, как правило, трехгранный. Но кроме трехгранных плодов встречаются аномальные, имеющие от двух до двенадцати граней. Растения, выращенные из морфологически аномальных зерен, имеют уродливую форму, а в плодах с восьмигранной формой ядро вообще не образуется. Систематический высев несортированными семенами приводит к вырождению селекционных сортов /34,35/, снижается жизнеспособность растений,а у семян хлопчатника повышается восприимчивость к таким болезням, как ризоктониоз, корневая гниль и вилт/284/.
Разнокачественность семян порождает полиморфизм растений: недружные невыровненные всходы; неодинаковый рост и развитие растений и прохождение этапов органогенеза; неодинаковую динамику развития растений и т.п. Все это сдерживает возделывание сельскохозяйственных культур по интенсивным и индустриальным технологи ям, а в ряде случаев вообще препятствует внедрению этих технологий.
Хозяйства, возделывающие с.-х.культуры по интенсивным и индустриальным технологиям, нуждаются не просто в сортовых семенах с высокими посевными свойствами, а в семенах с целым комплексом хозяйственно ценных признаков. Это прежде всего, высокий потенциал их урожайности, способность противостоять неблагоприятным условиям при прорастании, устойчивость против болезней и полеганий, хорошая отзывчивость на удобрения и орошение, высокое содержание полезных веществ, особенно белка. Нужны такие семена, которые обеспечивали бы дружные всходы, одновременность прохождения этапов органогенеза всеми растениями. Только при использовании такого посевного материала можно применять сеялки точного высева, полностью механизировать обработку и уборку урожая, повысить эффективность агроприемов и используемых удобрений, и тем самым обеспечить повышение урожайности с.-х.культур при одновременном улучшении качества убранного урожая и снижении затрат труда на получение конечного продукта /4,94,105/.
Наиболее эффективный путь в решении поставленных задач - отбор биологически ценных семян с нужными хозяйственными свойствами.
Интенсификация с.-х.производства, повышение качества продукции во многом зависит от решения проблемы борьбы с сорняками /36/. Бред, наносимый сорняками сельскому хозяйству, огромен и разнообразен (табл.1.3.I). Потери урожая зерновых культур от сорняков, болезней и вредителей во всех странах мира равны 50...510 млн.т, сахарной свеклы - 65...75, картофеля - 125...135, овощей - 73... 79 млн.т. Они составляют 30...4( общего урожая и оцениваются в 75 млрд.долл. В нашей стране эти потери в I960 г. составили 13,9 млрд.руб. /37/.
Известны многие методы и технические средства борьбы с сорняками (табл.1.3.2). Основные из них: предупредительные, агротехнические, физические, химические и биологические. Предупредительные и агротехнические можно рассматривать с двух позиций: как организационные и технологические мероприятия.
Анализ методов борьбы с сорняками (табл.1.3.2) показывает, что нет и не может быть какого-либо одного универсального средства уничтожения сорных растений и их семян. Поэтому положительный эффект можно получить только в том случае, если к этой проблеме подойти комплексно, системно, применить разнообразные методы и технические средства, всесторонне учесть свойства сорняков. Без этого нельзя совершенствовать действующие и создавать новые методы и средства борьбы с ними. Еще в 1949 г. В.Р.Вильяме по этому поводу писал: "...борьба с сорняками должна иметь характер системы, основанной на главных свойствах сорняков, в противном случае вся борьба сведется к бессистемной кустарщине" /38/.
В связи с этим необходимо знать свойства сорных растений и их семян. На основании литературных данных /39-41/ в табл.1.3.3 приведена классификация семян сорных растений по биологическим типам и для некоторых, наиболее часто встречающихся семян сорных растений, указаны хозяйственно вредные свойства, морфологические признаки и особенности, показан диапазон изменчивости этих показателей, а в табл.1.3.4 приведены свойства сорных растений и их семян.
Электрические процессы в семенах и рабочих органах диэлектрических сепарирующих устройств (ДСУ)
При напряжении на электродах в семенах и рабочих органах ДСУ протекают электрические процессы. Знание характера данных процессов позволяет не только разработать способы управления ими, но и сформулировать требования к ДСУ /310,312,320/. Остановимся ка их особеностях. Поляризация семян. В электрическом поле на связанные заряды семян действуют силы, которые ведут к смещению зарядов, к поляризации вещества семени. Молекулы семян приобретают электрический момент где Я. - заряд, Кл; 0 смещение зарядов, м. Произведение электрического момента диполя на число диполей У) в единице объема определяет вектор поляризации Электрическое поле В оказывает силовое воздействие на диполь /296/: Анализ (2.2-2) и (2.2-3) показывает, что для максимального воздействия электрического поля на семена в рабочей зоне ДСУ необходимо создавать, во-первых, максимально возможную напряженность электрического поля, во-вторых, максимальную его неоднород ность. Последняя обеспечивается использованием системы разноименно заряженных электродов. При максимальной неоднородности электрического поля влиянием противоположного связанного заряда в семени можно пренебречь (рис.2.1-І). Смещение зарядов в семени, вызванное поляризацией, требует затрат энергии. Если вектор поляризации А7 изменяется нао(Р, произ-ведение(гсГ/уіредставляет собой величинуДИ, на которую возрастает энергия молекул в единице объема /128/ Из (2.2-4) следует, что эффективнее сепарировать более сухие семена.
Исследованиями /275/ установлено, что при низких частотах напряжения, подаваемого на электроды (а к ним можно отнести напряжение с частотой 50 Гц) вектор напряженности электрического поля совпадает с вектором поляризации семени . В этом случае процессы в рабочем органе ДСУ и в семенах являются квазистационарными, т.е. столь медленными, что система во время работы ДСУ остается близкой к состоянию равновесия. Квазистационарный ток в любой момент имеет временило дну и ту же силу во всех сечениях неразрывной цепи. Для мгновенных значений токов и напряжений справедливы законы постоянного тока, закон Ома и Джоуля-Ленца /199,296/. Следовательно, поляризация семян обусловливает протекание через них тока. Характер тока исследован нами в работе /310/. Известно /30о/, что семена можно рассматривать как неоднородны" твердый диэлектрик и представлять их в виде эквивалентной схемы /1о9,309/ (рис.2.2-І). Эту схему можно использовать для раскрытия механизма поляризации и появления токов, протекающих через семена /1о9,ЗЮ/. Первая ветвь схемы (рис.2.2-І) содержит эквивлентную емкость С$ , которая учитывает упругую электронную поляризацию, не связанную с потерями энергии.
Вторая, характеризующая упругую ионную поляризацию, обусловленную смещением упруго связанных ионов в кристаллах, включает в себя емкость . В третью входят емкость Сдп и сопротивление Тдп , которые учитывают неупругую диполь-но-релаксационную поляризацию. Сопротивление Тар отражает потери энергии, обусловленные поворотом полярных групп относительно основной молекулы под действием электрического поля /1ь9/. Четвертая ветвь отражает структурную поляризацию, содержит элементыГст ,ССП1 и пятая включает в себя активное сопротивление Тсп , учитывающее потери при протекании тока Тел сквозной проводимости.(Са - емкость системы электродов при отсутствии семени /169/). Многообразие видов поляризации в семенах обусловливает и многообразие протекающих в них токов (рис.2.2-І). В нашей работе /310/ показано, что эти токи можно свести в характерные группы и тем самым существенно упростить схему замещения семени, находящегося в электрическом поле. В данном случае при подаче на электроды синусоидального напряжения общий токі" , проходящий через семя, находим, складывая комплексы трех токов: здесь/7 - ток проводимости, обусловленный перемещением зарядов (ветвь 5, рис.2.2-І), - активная проводимость семени, Сим;./ - ток» обусловленный электронной и ионной поляризацией семян совместно с поляризацией межэлектронного пространства (ветвь 1,2 и 6, рис.2.2-І)
Электромагнитные поля разноименно заряженных электродов
Известно, что под действием переменного электрического поля в среде могут возникнуть токи переноса, проводимости и смещения /349/. Применительно к системам электродов (рис.3.1-І), используемых в ДСУ, током переноса можно пренебречь, т.к. в межэлектродном пространстве нет электронной эмиссии. Следовательно, полная плотность тока в рабочем органе ДСУ представляет собой сумму плотностей токов проводимости и смещения /317/ С ростом частоты питающего напряжения растет ток смещения, а с увеличением значения Vувеличивается и ток проводимости, и ток смещения. При питании электродов постоянным напряжением и с sO.
Таким образом, при подаче на систему электродов ДСУ переменного напряжения через несовершенный диэлектрик (изоляцию электродов, воздушную среду и сепарируемый материал) будет протекать изменяющийся во времени ток, который создает в рабочей зоне ДСУ изменяющееся во времени электромагнитное поле /317,350/. На рис.3.2-1 изображена картина силовых линий постоянного электрического потенциального поля, а на рис.3.2-2 - электромаг нитного вихревого (при питании электродов переменным напряжением). Картины полей изображены для того момента, когда первые электроды заряжены положительно, а вторые - отрицательно. На рис.3.2-2 в точке К межэлектродного пространства проведены векторы В и п для момента, когда первый электрод заряжен положительно, а второй - отрицательно. Вектор Пойнтинга П перпендикулярен плоскости, в которой лежат векторы и Н . При подаче переменного напряжения от электрода к электроду (с переменным знаком) идут токи смещения и токи проводимости (штриховые линии). Через систему проводов, электродов и источников напряжения эти токи замыкаются. Вокруг линий этих токов создаются замкнутые линии магнитного поля (#). На рис.3.2-2 линии магнитного поля показаны только для тока, протекающего между электродами I и 2 по кратчайшему пути. На рис.3»2-3 изображена картина электромагнитного поля, создаваемого двумя цилиндрическими разноименно заряженными электродами. Несмотря на то, что электроды разомкнуты, в них протекает ток. В нашей работе /351/ показано, что этот ток в межэлектродном пространстве замыкается токами смещения, он способствует нагреву электродов и тем самым предотвращает увлажнение их изоляции во время работы ДСУ.
Составляющие напряженностей магнитного поля в электродах перпендикулярны им и компенсируют друг друга. Магнитные же поля от межэлектродных токов складываются. Результирующие линии этих полей идут вдоль электродов (рис.3.2-3).
Таким образом, электромагнитное поле, создаваемое системой разноименно заряженных электродов, достаточно сложное и его расчет представляет определенные трудности. Нами предложено /351/ интенсивность электрического и магнитного полей электромагнитного поля, создаваемого электродами рабочего органа ДСУ, оценивать по отноше Как показывает расчет (см.приложение 3.2,1), электрическая составляющая электромагнитного поля, создаваемого системой разноименно заряженных электродов, значительно превосходит магнитную составляющую. Это положение позволило сделать следующий вывод: электрические поля, создаваемые разноименно заряженными электродами (рис.3.1-І), можно рассчитывать без учета магнитной составляющей по методам, используемым при расчете электрических полей /350/ (по теореме Гаусса, методом наложения, с помощью уравнений Максвелла, методом конформых преобразований и др.)/352-354/.
Для исследования электрических полей в известных электроее-парирующих устройствах получены аналитические выражения /136,275, 294,299,355/. Однако их нельзя использовать для анализа электрических полей, создаваемых разноименно заряженными электродами.Поэтому нами проведены соответствующие исследования /323,356-359/.
На основании теоремы Гаусса нами установлена закономерность изменения напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве (рис.3.3-1) /357/
Исследование бифилярной обмотки, как цепи с распределенными параметрами
Доказано, что емкость рабочих органов ДСУ представляет собой совокупность частичных емкостей всех электродов, разделенных изоляцией. Полученные аналитические выражения для расчета емкостей систем электродов (цилиндрических, пластинчатых, шаровых, эллиптических, бифилярной обмотки), а также разработанную методику определения емкости трехпроводной системы электродов, питаемых трехфазным напряжением, можно использовать в инженерных расчетах при проектировании ДСУ. Установлено, что линейная и поверхностная плотность зарядов на электродах различных видов пропорциональна подводимому к электродам напряжению и диэлектрической проницаемости семян и изоляции электродов. С ростом межэлектродного расстояния и толщины изоляции плотность зарядов на электродах убывает. Линейная плотность зарядов не зависит ни от числа электродов, ни от их длины.
Получены аналитические выражения, позволяющие рассчитывать поляризационную силу/ 1 , действующую на семена, в зависимости от их формы и расположения на разноименно заряженных электродах. Установлено, что на силу/ влияет множество факторов (конструктивные особенности систем электродов, морфологические, биологические свойства семян, их расположение относительно электродов и т.д.), которые можно учесть с помощью таких параметров как эффективная поверхность Одф заряженной части семени, емкостью, образованная семенем совместно с электродами, заряд Ц на электродах, угол и между направлениями действия сил на семена со стороны разноименно заряженных электродов.
Доказано, что с увеличением толщины изоляции на электродах поляризационная сила уменьшается, а с ростом ее диэлектрической проницаемости увеличивается. Поляризационная сила/ пропорциональна также диэлектрической проницаемости семени. При этом F$ возрастает с увеличением площади заряженной части семени и убывает с увеличением: длины средней силовой линии в семени (габаритных размеров семени) обратно пропорционально квадрату этой длины. 10. В теории диэлектрической сепарации при исследованиях взаимодействия семян с разноименно заряженными электродами систе му "семя-электроды" следует рассматривать как единую информацион ную систему. Информационный ресурс системы определяется свойства ми семени и параметрами разноименно заряженных электродов. Мате матическое моделирование этой системы позволило выделить обобщен ные количественные показатели, оценивающие систему "семя-электро ды". К ним можно отнести: либо емкость , образованную семенем и электродами, либо поляризационную еилу/ , действующую на семена со стороны электродов. При известных параметрах электродов по емкости С или силе / можно судить о качестве семян. При известных свойствах семени по и и Г3 можно судить об эффективности исследуемой системы электродов. При выборе оптимальной системы электродов для ДСУ необходимо стремиться к тому, чтобы либо емкость, образованная семенем и электродами, либо поляризационная сила имели наибольшее значение при минимальном напряжении, подаваемом на электроды. 11. Разработана методика и получены аналитические выражения, позволяющие по значению поляризационной силы рассчитать диэлек трическую проницаемость исследуемого семени и емкость, образован ную этим семенем и электродами. Методику и аналитические выраже ния можно использовать при определении диэлектрических проницае мостей и емкостей различных изоляционных материалов. 12. Доказано, что одно из эффективных направлений совершенствования рабочих органов ДСУ - повышение напряженности электрического поля в рабочей зоне без увеличения подаваемого на электроды напряжения. Этот эффект достигается благодаря "расщеплению" однопотенциальных электродов, перераспределению зарядов на основной системе электродов путем установки дополнительного заземляющего электрода, использованию суперпозиции полей путем установки второй системы электродов; подключению дополнительной регулируемой индуктивности к системе электродов рабочего органа ДСУ. Предложенные приемы позволяют не только увеличить напряженность электрического поля в рабочей зоне без повышения напряжения на электродах, но и улучшить параметры рабочего органа, повысить его коэффициент мощности, снизить потребление энергии, управлять напряженностью электрического поля в рабочей зоне без изменения напряжения на электродах. Большинство из разработанных приемов защищены авторскими свидетельствами. В главе разработаны теоретические основы движения семян по различным рабочим поверхностям, формирующим неоднородные электрические поля. Определены условия разделения семян с.-х.культур диэлектрическим методом. Сформулированы возможности устройств, использующих электрические поля в процессе сепарации. Анализ технических средств, предназначенных для очистки, сортирования и калибровки семян /59-68,410-417/, показывает, что при сепарации на семена действуют сила тяжести Ру сила нормального давления/%, сила трения Рт„9 а также силы инерции : центробежная Рц , кориолисова FK , инерциальная / , возникающая при движении рабочего органа с постоянным ускорением CL, инерциальная л » обусловленная колебанием рабочего органа, и др. Установлено /I34rI38,I53,I96,I97/, что эффективным средством интенсификации сепарирования является использование электрического поля. В этом случае на частицу помимо механических сил, действуют силы и электрического происхождения /153/, например, понде-ромоторная сила FQ , обусловленная поляризацией семян /135/. Действие силы Fg в сочетании с силами Р% А , Етр И позволяет создавать принципиально новые методы и технические средства сепарации семян /153/. К таким методам относится и диэлектрический способ /135,345/.
