Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обоснование необходимости исследования разнокачественности семян методом диэлектрическо го фракционирования 11
1.1. Разнокачественность семян - объективная реальность 11
1.2. Необходимость изучения и учета разнокачественности семян в важнейших направлениях научной и практической деятель ности 16
1.3. Существующие методы изучения разнокачественности семян 23
1.4. Использование электрических свойств семян при оценке их качества и сепарации 32
1.5. Системный подход и требования к методам фракционирова ния семян при изучении их разнокачественности 49
1.6. Концепция решения проблемы изучения разнокачественности семян при их диэлектрическом фракционировании 54
Выводы по первой главе 54
ГЛАВА 2. Разработка методологических основ исследо вания разнокачественности семян при их диэлектри ческом фракционировании 59
2.1. Математическая интерпретация исследования разнокачественности семян 59
2.2. Графическая интерпретация исследования разнокачественности семян 76
2.3. Алгоритм исследования разнокачественности семян при их диэлектрическом фракционировании 82
Выводы по второй главе 86
ГЛАВА 3. Исследование процессов фракционирования семян диэлектрическим методом 91
3.1. Электрофизические процессы, протекающие при взаимодействии семян с рабочими органами диэлектрического сепарирующего устройства 91
3.2. Механизм фракционирования семян диэлектрическим методом 106
3.3. Разработка рекомендаций по повышению точности диэлектри ческого фракционирования семян 115
Выводы по третьей главе 117
ГЛАВА 4. Экспериментальное подтверждение теорети ческих положений исследования разнокачествен ности семян при их диэлектрическом фракциони ровании 122
4.1. Исходный семенной материал по фракционированию, определяемые параметры и методы исследования 122
4.2. Универсальность диэлектрического фракционирования семян 124
4.3. Проверка возможности диэлектрического фракционирования семян по совокупности их свойств 128
4.4. Подтверждение возможности повышения точности диэлектри- ческого фракционирования семян 131
4.5. Проверка возможности диэлектрического фракционирования свежеубранных семян зерновых культур 133
Выводы по четвертой главе 143
ГЛАВА 5. Реализация и эффективность результатов исследований разнокачественности семян при их диэлектрическом фракционировании 147
5.1. Разработка актуальных направлений научной и практической деятельности, использующих диэлектрическое фракциониро вание семян 147
5.2. Эффективность диэлектрического фракционирования семян в их послеуборочной обработке 150
5.3. Эффективность диэлектрического фракционирования зерна при его переработке 163
5.4. Эффективность диэлектрического фракционирования зерна при оценке его качества 170
5.5. Перспективы развития исследований по изучению разно- качественное семян при их диэлектрическом фракцио нировании 178
Выводы по пятой главе 179
Общие выводы 183
Литература 187
Приложения 207
- Необходимость изучения и учета разнокачественности семян в важнейших направлениях научной и практической деятель ности
- Графическая интерпретация исследования разнокачественности семян
- Механизм фракционирования семян диэлектрическим методом
- Универсальность диэлектрического фракционирования семян
Введение к работе
Разнокачественность семян или, как ее называют, неоднородность свойств семян в посевной партии, является объективной реальностью (закономерностью), зависящей от биологических особенностей растений, многообразия почвенно-климатических факторов и агротехнических условий возделывания сельскохозяйственных культур. В силу этих закономерностей семена в посевной партии различаются по физическим, биохимическим и физиологическим свойствам, они отличаются друг от друга также и по посевным свойствам и продуктивности. Явление разнокачественности семян широко используется селекционерами при выведении новых сортов сельскохозяйственных культур. Вместе с тем неоднородность семян в посевной партии оказывает отрицательное влияние при проведении научных исследований в различных областях, связанных с семенами, при производстве сельскохозяйственной продукции, переработке агросырья (зерна), хранении семенного фонда и продовольственных ресурсов. Так, разнокачественность семян приводит к полиморфизму растений, и это отрицательно влияет на урожайность сельскохозяйственных культур и качество получаемой продукции, снижает эффективность методов предпосевной обработки семян и машинных технологий по возделыванию сельскохозяйственных культур. При переработке зерна неоднородность зерновой массы снижает выход высококачественной продукции.
Проблема изучения разнокачественности семян всегда была в центре внимания и ученых и практиков сельского хозяйства. Отделение недоброкачес-венных семян из общей массы позволило бы не только изменить качество всей семенной партии в нужном направлении, но и более рационально использовать убранный урожай. Возможность же выделения из общей зерновой массы семян
с заданными свойствами способствовало бы в селекционной работе более быстрому выведению новых урожайных и лучших по качеству сортов.
Поэтому исследования связанные с изучением и учетом разнокачествен-ности семян в важнейших направлениях научной и практической деятельности в области растениеводства является исключительно актуальными, и имеют большое народнохозяйственное значение.
Основываясь на анализе многочисленных исследований В.П. Горячкина (1908 г.), Н.А. Майсуряна (1942 г.), И.В. Якушева (1949 г.), Н.И. Ульриха (1956 г.), И.А. Будзко, И.Ф. Бородина и В.И. Тарушкина (1972 - 2000 г.г.) и других исследователей, изучавших неоднородность семян в посевной партии, проблему изучения разнокачественности семян предлагается осуществлять с использованием метода диэлектрического фракционирования семян. Основу этого метода составляют законы механики и электротехники, принцип суперпозиции сил разной физической природы, а также различие в величине электрической силы, обусловленной поляризацией семян при помещении их в неоднородное электрическое поле, создаваемое системой разноименно заряженных электродов.
Исследования автора в указанном направлении выполнялись в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории перспективных автоматических средств сепарации семян (ОНИЛ-7) Московского государственного агроинже-нерного университета имени В.П. Горячкина (МГАУ) в соответствии с Федеральной целевой научно-технической программой на 1996-2000 г.г. «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения». Подпрограмма: «Перспективные процессы производства сельскохозяйственной продукции».
Цель исследования. Разработка методологии изучения разнокачественности семян с использованием метода диэлектрического фракционирования.
В соответствии с целью работы объектом исследования являлась система, обеспечивающая полноту изучения разнокачественности семян методом диэлектрического фракционирования, а предметом исследования - процессы,
протекающие в подсистемах, составляющих (образующих) систему по изучению разнокачественности семян диэлектрическим методом.
Для достижения цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие научно-практические задачи:
а разработана методология исследования разнокачественности семян путем
диэлектрического фракционирования; о исследованы электрические процессы, протекающие в рабочих органах диэлектрических сепарирующих устройствах (ДСУ) и семенах при их сепарации и на основе анализа исследуемых процессов сформулированы способы повышения качества диэлектрического фракционирования семян; а разработана математическая модель, раскрывающая механизм диэлектрического фракционирования семян, устанавливающая связь основных технологических и конструктивных параметров рабочего органа ДСУ с показателями качества семян; а определены области важнейших направлений научной и практической деятельности в растениеводстве, использующие метод диэлектрического фракционирования семян.
Методология исследования. Решение поставленных научных задач осуществлялось на основании системного подхода с использованием теории электромагнитного поля, теорий графов и матриц, методов математического моделирования, статистики и рентгеноскопии. Показатели качества семян в исходных образцах и полученных фракциях определялись стандартными гостированными методами.
В результате проведенных исследований в диссертационной работе показана настоятельная необходимость изучения и учета разнокачественности семян в важнейших направлениях научной и практической деятельности при производстве растениеводческой продукции путем фракционирования семян диэлектрическим методом. Разработана методология изучения разнокачественности семян сельскохозяйственных культур с использованием метода диэлектрического фракционирования. Изучены сложнейшие электрические процессы, которые протекают в рабочих органах диэлектрических сепарирующих устройств и се-
менах при их фракционировании, ьлагодаря этим исследованиям выраооганы методы и приемы повышения качества диэлектрического фракционирования семян. Разработана модель диэлектрического фракционирования семян, подтверждены теоретические положения, устанавливающие универсальность диэлектрического метода и определены его возможности (преимущества): сепарация как свежеубранных (влажных), так и сухих семян; разделение семян по совокупности свойств; возможности повышения точности метода диэлектрического фракционирования.
Сформулированы важнейшие направления научной и практической деятельности в растениеводстве, использующие метод диэлектрического фракционирования семян. Разработаны методика дифференцированного анализа контроля качества цельного зерна (семян), высокоэффективные технологии в послеуборочной обработке семян и переработке зерна.
Новизна исследований состоит в следующем: а разработана методология (методика) исследования разнокачественности семян при их диэлектрическом фракционировании;
получена математическая модель, раскрывающая механизм процесса фрак
ционирования семян диэлектрическим методом и устанавливающая связь
основных технологических и конструктивных параметров рабочего органа с
показателями качества семян;
а установлена принципиальная возможность диэлектрического фракционирования свежеубранных влажных семян зерновых культур непосредственно из-под комбайна;
а определены важнейшие направления научной и практической деятельности, использующие метод диэлектрического фракционирования семян;
разработаны методика дифференцированного анализа контроля качества
цельного зерна и технология послеуборочной обработки семян. Их новизна
и полезность подтверждены двумя положительными решениями Федераль
ного института промышленной собственности (ФИПС) о выдаче патентов
Российской Федерации на изобретения. -
Достоверность установленных теоретических положений подтверждена экспериментальной проверкой в лабораторных и производственных условиях, а также испытаниями, проведенными во Всероссийской лаборатории по сортоиспытанию.
Практическая ценность исследований заключается: в создании методологии исследования разнокачественности семян при их
диэлектрическом фракционировании, которая способствует:
наиболее полному и глубокому пониманию механизма изучения разнокачественности семян сельскохозяйственных культур;
повышению точности определения известных свойств семян, прогнозированию новых свойств и ускорению их открытия;
при минимальных ресурсах получение наибольшей информации о разнокачественности семян и возможности рационального и эффективного использования семян посевной партии с учетом их качества;
наиболее полному планированию и рациональной организации проведения исследований по изучению разнокачественности семян;
наиболее эффективному выявлению новых факторов, совершенствовать известные и создавать принципиально новые технические средства, методы, приемы и т.п. с помощью которых будут открываться новые свойства семян, их особенности и показатели качества;
а в разработке методики дифференцированного анализа контроля качества цельного зерна, которая способствует:
повышению количества и качества товарного зерна пищевого назначения;
скорейшему созданию федеральной сети по стандартизации зерна в России;
объективному анализу качества зерна и определению реальной оценки его стоимости;
а в разработке комплексной рационально использующей энергоресурсы технологии послеуборочной обработки семян, которая обеспечивает:
сбережение для продовольственно-хозяйственных целей до 30-40 % ме
нее ценного посевного материала;
повышение урожайности сельскохозяйственных культур: зерновых на 1> 20 %, овощных - на 20 - 30 %;
интенсификацию процесса влагоотдачи в 1,5-2 раза и благодаря этому понижение на 20 - 30 % необходимых на сушку семян энергозатрат;
а в определении важнейших направлений научной и практической деятельности в растениеводстве, в которых используется диэлектрическая сепарация семян (зерна) и которые являются основой при разработке рационально использующие энергоресурсы технологии.
Реализация результатов исследований. Материалы исследований явились основой разработки совместной программы сообщества Беларуси и России «Новая энерго- и ресурсосберегающая комплексная автоматизированная технология послеуборочной подготовки семян», которая была заслушана и одобрена на рабочей группе Парламентского собрания по агропромышленным вопросам. В настоящее время разработанная технология проходит производственные испытания на Армавирской семенной базе «Сортсемовощ» Краснодарского края и в Краснодарском научно-исследовательском институте сельского хозяйства имени П.П. Лукьяненко.
На защиту выносится:
1. Методология исследования разнокачественности семян при их диэлектри
ческом фракционировании, которая включает математическую и графическую
интерпретацию полноты исследования разнокачественности семян, а также ал
горитм исследования разнокачественности семян в посевной партии.
2. Математическая модель, раскрывающая механизм диэлектрического
фракционирования семян и устанавливающая связь основных технологических
и конструктивных параметров рабочего органа с показателями качества семян.
3. Комплексная рационально использующая энергоресурсы технология по
слеуборочной обработки семян, которая включает: активное вентилирование
свежеубранной зерновой массы озонированным воздухом; выделение из зерно
вой массы диэлектрическим методом гомогенной фракции биологически цен
ных семян, раздельное высушивание посевной и не посевной части зерновой
массы озонированным сушильным агентом. Методика дифференцированного
анализа контроля качества цельного зерна с использованием диэлектрического фракционирования.
4. Перспективные направления научной и практической деятельности в растениеводстве, в которых используется метод диэлектрического фракционирования семян.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований дополнены, обсуждены и одобрены на расширенном заседании научно-технического Совета НПО «Белсельхозмеханизация» (Минск, 1999 г); на Всероссийском семинаре по автоматизации и приборизации технологических процессов в сельском хозяйстве (Тверь, 1999 г.); на международной научно-технической конференции «Сельскому хозяйству - техническое обеспечение XXI века», посвященной 70-летию ВИМа (Москва, 2000 г); на второй Международной научно-технической конференции «Энергосбережение в сельском хозяйстве», посвященной 70-летию ВИЭСХ (Москва, 2000 г.); на международной научно-практической конференции «Развитие села и социальная политика в условиях рыночной экономики», посвященной 70-летию МГАУ (Москва, 2000 г.); на расширенных заседаниях Ученого Совета НИИ «Агроприбор» (1999, 2000 г.г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 12 опубликованных работах, в том числе в трех описаниях к патентам на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 142 страницах машинописного текста, включает 49 рисунков, 13 таблиц, 14 приложений и список литературы из 209 названий, в том числе 13 на иностранных языках.
Необходимость изучения и учета разнокачественности семян в важнейших направлениях научной и практической деятель ности
Как было показано в предыдущем параграфе, характеристика любой посевной партии складывается из отдельных свойств семян и для получения правильной оценки всей партии и рационального ее использования необходимо изучать изменчивость этих свойств, выявлять степень их неоднородности в партии по тому или иному признаку, устанавливать пределы колебаний и средние величины их значений. Поэтому проблема разнокачественности семян в посевной партии всегда привлекала внимание ученых и практиков сельского хозяйства в течение многих столетий. Изучение разнокачественности семян, выявление основных закономерностей, характеризующих индивидуальную их изменчивость, имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение [6].
На рисунке 1.1-1. приведены значения, иллюстрирующие амплитуду колебаний в содержании клейковины в зернах пшеницы, развивающихся на одном и том же колоске. Разница между минимальным и максимальным содержанием клейковины в данном случае составляет 9,3%. Аналогичную картину можно наблюдать, определяя количество масла в отдельных семенах подсолнечника, клещевины, хлопчатника или содержание белка в семенах гороха и других бобовых [6].
Явление такой значительной изменчивости химического состава позволяет селекционерам вести отбор на повышение содержания белковых веществ в зерне злаков или семян бобовых, на увеличение масличности подсолнечника и других важнейших сельскохозяйственных культур. Подсчитано, что повышение содержания белка в урожае пшеницы только на 1% может обеспечить потребность в протеине 16 млн. человек в течение одного года [6].
Вместе с тем, как следует из анализа научной литературы [4, 5], разнока-чественность (неоднородность) семян и зерна в партиях наносит колоссальный и многогранный вред при выполнении научных исследований [27, 28 , 37], при производстве растениеводческой продукции [32,36, 38], при переработке сельскохозяйственного сырья (зерна) [33] и сохранении типично генетических ресурсов (сортов, сортотипов, гибридов) семенных и продовольственных фондов страны [24, 37].
Выявленные нами отрицательные аспекты разнокачественности и неоднородности семян и зерна в научной и практической деятельности систематизированы и приведены в таблице 1.2.1.Остановимся подробнее на некоторых отрицательных аспектах разнокачественности семян.Отрицательные аспекты разнокачественности семян при производстве сельскохозяйственной продукции.
Президент Российской национальной семеноводческой ассоциации (РоНСА) А.С. Семин в своей книге «Изменяйтесь или умирайте» (1999 г.) пишет: «Если товаропроизводитель сеет плохими семенами, то все достижения
научно-технического прогресса в сельском хозяйстве бесполезны» [36]. Справедливость этих слов не вызывает сомнения. Так, в силу объективно существующей закономерности - разнокачественности, в посевных партиях находится большое количество семян с пониженной энергией прорастания и силой начального роста. Поэтому до 40 % семян в полевых условиях не прорастают, и значительная часть дает редкие всходы и экологически не устойчива. Присутствие в посевной партии биологически малоценных семян приводит не только к значительному ежегодному перерасходу посевного материала, но и недобору зерна. Так, на всей посевной площади бывших республик СССР он составлял 50-60 млн. тонн [38].
Разнокачественность семян порождает полиморфизм растений: недружные и невыровненные всходы; неодинаковый рост и динамику развития растений; неодновременное прохождение этапов органогенеза и т. п. Все это сдерживает и понижает эффективность возделывания сельскохозяйственных культур по интенсивным и индустриальным технологиям, а в ряде случаев вообще препятствует их внедрению. Так, например, при производстве редиса в защищенном грунте из-за разнокачественности семян корнеплоды не одновременно формируются и созревают. Разница в созревании и формировании может достигать 10 и более суток. Если бы корнеплоды созревали одновременно, то можно было бы механизировать уборку урожая, а высвобожденная дорогостоящая тепличная площадь позволила бы ускорить закладку нового урожая на 7 ... 10 суток [32].
Наличие в посевной партии разнокачественных семян ускоряет утрату хозяйственно ценных признаков и показателей, понижает репрезентативность возделываемых сортов, т.е. быстро вырождаются селекционные сорта: снижается жизнеспособность растений и их продуктивность; повышается восприимчивость растений к болезням, понижается качество конечной продукции [24, 37].
Отрицательные аспекты разнокачественности семян в предпосевной обработке (стимуляции) семян сельскохозяйственных культур. Как было отмечено выше, из-за низкого качества семян до 40 % заготовляемого посевного материала в стране не должно использоваться на посев [38]. Поэтому, для улучшения посевных свойств семян (их стимуляции) учеными разработано множество методов воздействия на семена: электрические, химические, механические, акустические, температурные, радиационные, световые и т.п.[40-52, 86-95].
Анализ имеющейся научной и технической информации по способам (методам) предпосевной стимуляции семян позволяет разделить их на две большие группы: химические и физические.
Использование химических средств для предпосевной стимуляции семян, предполагает обработку семян осмотическими растворами таких препаратов (солей некоторых элементов), как нитрат и фосфат калия, сульфат магния, по-лиэтиленгликоль и т. п. [8, 40-42].
К физическим методам предпосевной стимуляции (обработки) семян можно отнести следующие воздействия:- микроклиматическое воздействие (изменяющейся температурой и относительной влажностью воздуха) [43, 44, 45];- механическое воздействие (скарификация) [46];- электрическим полем коронного разряда (ЭПКР) [47, 48];- электрическим полем постоянного тока высокого напряжения [49, 50];- электромагнитным полем (ЭМП) переменного тока частотой 50 Гц [50, 51];- электромагнитным полем (ЭМП) высокой и сверхвысокой частотой (ВЧ и СВЧ) [86-88];- инфракрасным излучением (ИК), импульсным концентрированным солнечным светом (ИКСС), импульсным концентрированным электрическим светом (ИКЭС) [89-93];- магнитным полем (ПМП), при создании которого используют как постоянные магниты, так и соленоиды (кольца Гельмгольца) [94, 95];- ультразвуком [98, 99];- дегазированной и омагниченной водой [100, 101].
Как показывает анализ научной литературы [40-52, 86-95], прототипы и образцы установок, реализующие разработанные учеными методы по предпосевной стимуляции семян, имеют достаточно простые конструктивно-технологические схемы. Экспериментальные установки отличаются вариантами подачи посевного материала через рабочую зону и способами создания потока воздействующей энергии.
Графическая интерпретация исследования разнокачественности семян
С позиций системного подхода, а также основываясь на результатах исследований, полученных в предыдущем параграфе, и анализе процесса диэлектрического фракционирования семян сельскохозяйственных культур нами предложен функционально-оптимизационный принцип графической интерпретации исследования разнокачественности семян. Сущность предложенного принципа состоит в том, что если в каком-либо процессе (системе, структуре и т.п.) некомпланарные вектора трех доминантных групп факторов, определяющих этот процесс, ортогональны, то данный процесс будет оптимальным. Данный принцип был использован нами при разработке энерго- и ресурсосберегающей автоматизированной технологии сушки семян [29]. Этот же методологический подход стал использоваться и другими исследователями, например, при разработке эффективной конкурентоспособной системы защиты садов от насекомых-вредителей [209].
Предложенный принцип применен нами и при построении идеальной графической модели, интерпретирующей процесс исследования разнокачественности семян в посевной партии.
Согласно предложенному принципу, в прямоугольной (декартовой) системе координат (Рис. 2.2-1,а) по осям X, Z и Y откладываются равные по модулю векторы а, в, с, которые интерпретируют доминантные группы факторов, определяющие полноту исследования свойств семян.
Так, на рисунке 2.2-1,а:- вектор а - определяет функцию связанную с разделением семенной массы на различные по качеству семян фракции. Данная функция зависит от целого комплекса конструктивных параметров, связанных с применением систем разноименно заряженных электродов при диэлектрической сепарации, и является одной из трех определяющих функций, которые обеспечивают полноту изучения разнокачественности семян в посевной партии;- вектор в - определяет функцию, которая также связана с разделением семенной массы на различные по качеству фракции, является второй определяющей функцией, которая обеспечивает полноту изучения разнокачественно сти семян в посевной партии. Эта функция зависит уже от комплекса технологических параметров разделения (фракционирования) семян (режимов, схем сепарации, приемов интенсифицирующих процесс разделения и т.п.);- вектор с - определяет функцию полноты востребования системы методов и приемов, комплекса технологических средств и приборов, набора химических препаратов и других факторов, определяющих в полученных при диэлектрической сепарации фракциях свойства семян (физических, биохимических и физиологических) их особенностей и показателей качества. Данная функция, как и две предыдущие, является также определяющей функцией полноты изучения разнокачественности семян, выявления и открытия новых свойств, особенностей и показателей качества.
Геометрическая фигура (Рис. 2.2-1,а), построенная по трем измерениям на векторах а, в и с в декартовой (прямоугольной) системе координат, является кубом с объемом: и интерпретирует полноту изучения разнокачественности семян в посевной партии.
В соответствии с результатами исследований 2.1 объем куба (Рис. 2.2-1,а) интерпретирует максимально возможную информацию о разнокачественности семян, которую можно получить, применив диэлектрический метод фракционирования, а также полноте реализации максимально возможного количества методов и приемов, технических средств и приборов, химических препаратов и других факторов, определяющих и выявляющих в полученных фракциях свойства семян и показатели их качества.
Геометрическая фигура, представленная на рисунке 2.2-1,а, является идеальной моделью, интерпретирующей максимально возможную полноту информации о свойствах семян. Реальная же модель (Рис. 2.2-1,6) отличается от иде альной модели, и это уже не куб (Рис. 2.2-1,а), а наклонный параллелепипед(Рис.2.2-1,6), объем которогогде а, /3 - углы, участвующие соответственно в определении площади основания и высоты наклонного параллелепипеда (Рис. 2.2-1,6).
Несовпадение идеальной (Рис. 2.2-1,а) и реальной (Рис. 2.2-1,6) моделей объясняется тем, что параметры, характеризующие конструктивный (вектор а) и технологический факторы (вектор в), которые определяют точность разделения семян на различные по качеству фракции, никогда не могут быть полностью востребованы и реализованы. Аналогично многообразие комплекса технических средств, приемов, химических препаратов и т.п. (вектор с ), которое определяет свойства семян в полученных фракциях, также не может быть полностью реализовано.
Так, например, в идеальном случае для каждого семени нужна индивидуальная система разноименно заряженных электродов, подобно тому, как кресло для каждого космонавта. Естественно, в реальных условиях создать бесконечное множество индивидуальных систем "электрод-зерно-электрод" (Рис. 1.4.-8) технически трудно также и векторе- фактор, определяющий свойства семян в полученных фракциях, не может быть полностью востребован. Сегодня колоссальное количество методов и приемов, технических средств и приборов, химических препаратов и т.п., определяющих свойства семян, наукой пока еще не разработано и не открыто.
Поэтому реальный объем информации о разнокачественности семян в посевной партии всегда будет ниже идеального, что и следует из выражения (2.2-1) и (2.2-3), то есть:По мере же максимально возможного учета востребования всех факторов, определяющих полноту изучения разнокачественности семян в посевной
Механизм фракционирования семян диэлектрическим методом
Как было показано в первой главе система сил, действующая на семена при их разделении на цилиндрической поверхности (рис. 1.4.-9), включает: F3JI -пондеромоторную силу, обусловленную поляризацией семян, которая стремится прижать семена к электродам; Fu6.- центробежную силу, которая напротив стремится оторвать (отделить) семена от электродов; F-ф.- силу трения; Р- силу тяжести. В работе [180] при рассмотрении процесса сепарации семян на цилиндрическом рабочем органе ДСУ была приведена взаимосвязь этих сил.
Для более глубокого понимания механизма фракционирования семян с использованием метода диэлектрической сепарации в нашей работе [190] был предложен иной методологический подход, который базируется на соотношении (балансе) энергий (потенциальной - электрической и кинетической), созда ваемых семенем при его нахождении на вращающейся цилиндрической поверхности формирующей с помощью разноименно заряженных электродов неоднородные поля.
Отличительной особенностью диэлектрического метода сепарирования является то, что каждое семя совместно с разноименно заряженными электродами образуют свою индивидуальную систему "семя-электроды" (рис. 1.4-8), которая характеризуется электрической емкостью.
Таким образом, при подаче семян на рабочий орган или удалении их (рис. 1.4-10) электрическая емкость изменяется, а следовательно, изменяется и энергия электрического поля, создаваемого системой разноименно заряженных электродов [183]. Соотношение потенциальной (электрической) энергии, создаваемой семенем совместно с разноименно заряженными электродами, и кинетической энергии семени, обусловленной вращением цилиндрической поверхности, определяет отрыв или удержание зерна на цилиндрической поверхности, а следовательно, и характер фракционирования (сепарирования) семян на цилиндрической поверхности.
Пусть на расстоянии /тах от разноименно заряженных электродов, уложенных на цилиндрической поверхности, начинает проявляться воздействие электрического поля на семя. Тогда в интервалебудет происходить поляризация семян и прижатие их к электродам [3]. При этом зерно будет изменять емкость С системы разноименно заряженных электродов, и величина общей емкости рабочего органа сепаратора с находящимся вблизи его электродов семенем будет функцией /:
Введем обозначение: С(1) = С- емкость, образованная разноименно заряженными электродами исеменем, находящимся от электродов на расстоянии /; C(o) - емкость, образованная семенем, находящимся непосредственно на разноименно заряженных электродах.
Итак, пусть семя перемещается в интервале 0 / / max. При изменении положения семени будет изменяться емкость системы электродов. В частности, при бесконечно малом перемещении dl емкость системы электродов с семенем, находящимся на расстоянии /, изменяется по формуле:где С(1) = г - изменение емкости системы "семя-электроды", вызванное перемещением семени к электродам, Ф/м.
Изменение энергии электростатического поля системы электродов при перемещении семени на dl определяется выражением:Кроме того, на основании закона сохранения энергии, изменение энергии электрического поля численно равно работе поля, то есть:Работа же поля, то есть работа электрической силы притяжения F3, действующей со стороны системы электродов на семя, на перемещение семени dl: (3.2-6) Из уравнений (3.2-4) и (3.2-6) с учетом (3.2-5) следует:
Таким образом, сила притяжения семени к системе электродов пропорциональна изменению емкости С (1), вызванной перемещением семени к электродам, на единицу длины вдоль радиуса цилиндрической поверхности (рис. 1.4-10).
Полное изменение энергии электрического поля системы "семя-электроды" или работу электрического поля по притяжению (перемещению) семени с расстояния /тах до электродов можно определить, если проинтегрировать выражение (3.2-6):
Таким образом, работа сил поля по перемещению семени пропорциональна квадрату электрического напряжения и разности емкостей системы "семя-электроды", вызванной перемещением семени к электродам.Характеризуя систему электродов рабочего органа с находящимся вблизи него семенем емкостью С(/), можно оценить силу притяжения семян к электродам в любой точке /, которая находится в интервале 0 / /max. В случае / = 0 из (3.2-7)
Из уравнения (3.2-9) видно, что сила притяжения семени к электродам рабочего органа ДСУ зависит от емкости системы "семя-электроды" и пропорциональна квадрату напряжения.Рассмотрим теперь баланс энергий для семени до и после отрыва от разноименно заряженных электродов рабочего органа ДСУ. Представляется важным рассмотреть случай когда со»0.
Будем считать, что в случае цилиндрической вращающейся поверхности частота ее вращения велика, и, следовательно, можно пренебречь влиянием силы тяжести. Для выполнения этого требования должно быть:где т- масса зерна, кг;со- угловая частота вращения цилиндрической поверхности, 1/с; R- радиус цилиндрической поверхности, м; g- ускорение свободного падения, м/с2. Из (3.2-10) имеем:
Универсальность диэлектрического фракционирования семян
Как было отмечено в первой главе (табл. 1.5.1.), одним из обязательных условий при выборе метода фракционирования семян для изучения их разнока-чественности является его универсальность.
В наших работах [192, 195] показано, что диэлектрический метод обладает исключительной универсальностью - возможностью разделять (сортировать) семена разных сельскохозяйственных культур (табл. 4.2.1.) (зерновых, овощных, технических, кормовых трав), морфологические и механические свойства которых не одинаковы. Можно также сортировать семена разной формы: удлиненной, эллипсоидальной, зубовидной, овально-шаровидной, трехгранной,плоско-яйцевидной, клиновидной; семена с различными поверхностями: гладкой, мелкоячеистой, бугорчатой, густо волосистой, шероховатой, имеющие разные линейные размеры (от 1 до 10 мм), плотность (от 0,7 до 1,4 г/см3) и массу 1000 семян (от 0,4 до 300г).
В приложении 4.2.1. приведена часть экспериментальных исследований, иллюстрирующих универсальность диэлектрического метода фракционирования семян. Для исследования были взяты семена сельскохозяйственных культур, резко отличающиеся по своим морфологическим и физико-механическим свойствам: семена мака, шпината, рапса, кунжута, подсолнечника. Фракционирование семян осуществлялось на диэлектрическом сепараторе СДЛ-1 на 6 фракций, а кунжута - на 7 при повышении напряжения на рабочем органе для каждой фракции. В каждой полученной фракции и исходном образце определялась масса 1000 семян, а также процентный выход семян в каждую фракцию. По результатам исследований на рисунке 4.2.-1. для каждой исследуемой культуры были построены гистограммы выхода семян во фракции и зависимости изменения такого важного показателя качества, как массы 1000 семян по фракциям. На рисунке 4.2.-1. приведена также технологическая схема диэлектрического фракционирования семян на СДЛ-1.
Анализ полученных результатов позволяет сделать ряд выводов и рекомендаций.1. Диэлектрический метод сепарации обладает исключительным свойством - универсальностью, что выгодно отличает его от известных методов. Без смены рабочих органов на диэлектрическом сепараторе, изменяя только напряжение на системе разноименно заряженных электродов, можно разделять семена различных сельскохозяйственных культур, которые резко отличаются по своим морфологическим и механическим свойствам. Так, масса 1000 семян исходного образца мака почти в 140 раз меньше массы 1000 семян подсолнечника (рис. 4.2.-1.). На диэлектрическом сепараторе легко регулировать выход (перераспределение) семян во фракции, изменяя при этом только величину напряжения на рабочем органе.2. Экспериментально подтверждено теоретическое положение (гл. III), устанавливающее связь подаваемого напряжения на электроды рабочего органа с массой семян, притягиваемых к рабочим органам. Благодаря этой закономерности на диэлектрическом сепараторе, изменяя только напряжение на рабочем органе, можно получить непрерывный спектр фракций, отличающихся по массе 1000 семян (рис. 4.2.-1.). На решетных машинах (классификаторах) данный показатель можно получить только дискретно. Это обстоятельство имеет исключительное значение и в селекции при выведении новых сортов, и в семеноведении при изучении разнокачественности семян.
В нашей работе [195] приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающих возможность диэлектрического фракционирования семян по совокупности свойств. Опыты проводились на семенах четырех овощных культур. Были взяты семена лука репчатого сорта "Кабо", семена капусты сорта "Московская поздняя - 15", семена томата "Ленинградский осенний" и семена редиса сорта "Красный с белым кончиком", показатели качества которых приведены в таблице 4.3.1.
Диэлектрическое фракционирование семян овощных культур осуществлялось на шесть фракций сепаратором СДЛ-1. На электроды рабочего органа подавалось напряжение от 0,4 кВ до 2 кВ. В каждой полученной фракции и исходном образце определялись показатели качества: масса 1000 семян, всхожесть, сила начального роста и плотность. По результатам исследований были построены зависимости свойств семян овощных культур во фракциях, полученных при разном напряжении U на системе электродов (бифилярной обмотке) рабочего органа диэлектрического сепаратора (рис. 4.3.-1.).
Анализ полученных результатов (рис. 4.3.-1. и табл. 4.3.1.) позволяют сделать выводы и рекомендации.1. Диэлектрическое фракционирование семян овощных культур осуществляется по совокупности свойств: массе, плотности, всхожести. Это принципиально отличает диэлектрические сепараторы от ветро-решетно-триерных машин, где разделение осуществляется по размерам и форме семян.2. Установлено, что при меньших напряжениях на электродах из исследуемых образцов удаляются семена мелкие, щуплые, невыполненные, травмированные и дробленые, семена с худшими посевными свойствами. Фракции семян, которые были выделены при больших напряжениях (рис. 4.3.-1.), превосходят по всем показателям качество семян в исходных образцах (табл. 4.3.1.). Так, электросепарация семян капусты с исходной всхожестью 83% (табл. 4.3.1.) благодаря отбору менее ценных и не всхожих семян увеличивает этот показатель до 100% (рис. 4.3.-1.). Аналогичные тенденции (закономерности) наблюдаются и по другим показателям качества и культурам.3. Рабочий орган диэлектрических сепараторов не травмирует семена при их фракционировании.
