Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ технических требований и средств подготовки высококачественных семян 12
1.1.Электросепарация и стимуляция семян как один из путей повышения их качества 12
1.2. Характеристика основных физических свойств семян и их засорителей 15
1.3. Классификация сепараторов и устройств стимуляции семян 19
1.4. Распределение контактного заряда на семенной частице и на хождение его центра 23
1-5.Силовое воздействие электростатического поля на семена 26
1 .б.Наложение электростатического поля на решето с круглыми отверстиями для повышения их разделяющей способности 29
1.7..Состояние проблемы, теоретическая и производственная задачи исследования 40
ГЛАВА 2. Поведение заряженной разновытянутои xn эллипсоидальной частицы в электростатическом поле на металлическом электроде 43
2.1 .Классификация семян эллипсоидальной формы 43
2.2. Определение математической модели, описывающей форму вытянутой частицы 48
2,З.Контактная зарядка эллипсоидальных частиц в электростатиче ском поле 58
2.4.Распределение контактного электрического заряда по поверхности разновытянутого эллипсоида вращения. Определение центра контактного заряда 62
2.5. Действующие силы и условия движения разновытянутого заrf ряженного эллипсоида вращения на горизонтально колеблю щейся наклонной плоскости 75
2,б.Условие ориентировки диэлектрического заряженного разновытянутого эллипсоида вращения со смещенным центром тя жести в электростатическом поле на горизонтально колеблю щемся наклонном электроде 87
2.7.Характер поведения семян в электростатическом поле на плос кости 96
2.8.Выводы 100
ГЛАВА З. Теоретическое обоснование процессов сепарации и стимуляции семян разновытянутои эллипсоидальной формы в электрическом поле 103
3Л.Распределение напряженности поля в диэлектрической под ложке потенциального электрода и межэлектродном пространстве электростатического сепаратора 103
3.2. Расчет поля, образованного заряженным решетом- электродом, электростатического решетного сепаратора 106
3.3.Поведение зерновой частицы в отверстии решета в электростатическом поле 110
ЗАРасчет пондеромоторной силы для разновытянутых эллипсои дальных частиц 115
3.5.Сортирование заряженных сплюснутых разновытянутых эллипсоидальных частиц в неоднородном электростатическом поле на наклонной неподвижной плоскости с поперечным загрузочным транспортером 121
З.б.Сортирование разновытянутых эллипсоидальных частиц на наклонном горизонтально колеблющемся решете с круглыми отверстиями в неоднородном электростатическом поле 127
3,7.Выделение семян сорных растений на горизонтально непрерывно-движущемся и колеблющемся в горизонтальной плоско сти решете с круглыми отверстиями 132
3.8,Сортирование разновытянутых сплюснутых эллипсоидальных частиц на ленточном электростатическом триере 13S
3.9.К расчету униполярного положительного коронного разряда, возникающего при ориентации зерновых частиц на поверхно сти зернового слоя в межэлектродном промежутке электрического стимулятора семян 154
З.Ю.Выводы и уточнение задач экспериментальных исследований., 160
ГЛАВА 4. Методики определения свойств семян и электростатического поля. устройства для экспериментальных исследований 163
4.1.Определение физических свойств семян 163
4.2.Определение поверхностной плотности контактного заряда на модели семени и определение его центра 172
4.3. Определение распределения полей в зоне отверстия решета и системы: потенциальный электрод - заземленный металличе ский г-образный электрод 174
4.4,Определение объема семян 177
4.5.Определение радиусов закругления концов семян 180
4.6.0пределение вольтамперных характеристик межэлектродного промежутка при исследовании слоя семян на электроде в электростатическом поле и семян на полочке ленточного электростатического триера 181
4.7. Устройства для сортирования семян зерновых культур в электростатическом поле 184
4.8, Устройства для повышения просеваемости семян через круглые отверстия горизонтально колеблющегося наклонного решета-электрода в электростатическом поле 187
4.9.Устройства для сортирования семян овощных культур в электростатическом поле 190
4Л0,УстроЙство для предпосевной стимуляции слоя семян на бес
конечной плоскости в электрическом поле 193
4Л1.Выводы 194
ГЛАВА 5. Результаты экспериментальных исследований 195
5Л.Физические свойства семян 195
5 ^.Распределение контактного заряда по поверхности модели семени и определение его центра 211
5.3.Распределение электростатического поля в зоне отверстия решета и системы: потенциальный электрод - заземленный металлический г-образный электрод 214
5АОбъемсемян 227
5.5, Радиусы закругления концов семян , 232
5.6.Вольтамперные характеристики межэлектродного промежутка при исследовании слоя семян на электроде в электростатическом поле и семян на полочке ленточного электростатического
триера 236
5.7.Повышение просеваемости семян через круглые отверстия горизонтально колеблющегося наклонного решета- электрода в
электростатическом поле 245
5.8.Сортирование семян овощных культур в электростатическом поле 249
5.9.Предпосевная стимуляция слоя семян в электрическом поле на
бесконечной плоскости 254
5Л0,Выводы 255
ГЛАВА 6. Разработанные установки для сепарации и стимуляции семян в электрическом поле 259
6.1. Электростатические сепараторы , 259
6.2. Ленточный электрический многослойный стимулятор для предпосевной обработки семян зерновых культур в хозяйствах. 264
б.З.Описание семяочистительной машины СМ-0,15, диэлектрического сепаратора семян СД-1 и методика проведения сравнительных испытаний этих машин с экспериментальным образцом СЭРК со сменными блоками ЭССБТЛ и ЭССБР 265
6.4. Результаты сравнительных испытаний СМ-0,15, СД-1 с СЭРК со сменными блоками ЭССБР и ЭССБТЛ 271
6,5,Выводы 281
ГЛАВА 7. Технико-экономические показатели сортирования и стимуляции семян в электрическом поле для разработанных установок 283
7 1 .Сепарация и стимуляция семян овса на сепараторе электростатическом решетном комбинированном (СЭРК) со сменными
блоками 283
7.2.Сепарация и стимуляция семян огурца на сепараторе электро статическом плоскостном (СЭП) , 296
7.3.Сепарация и стимуляция семян огурца на ленточном электро статическом триере (ЛЭТ) 299
7.4.Стимуляция семян зерновых культур на ленточном электрическом многослойном стимуляторе (ЛЭМС) 303
7.5.Выводы 307
Заключение 309
Библиографический список
- Распределение контактного заряда на семенной частице и на хождение его центра
- Определение математической модели, описывающей форму вытянутой частицы
- Расчет поля, образованного заряженным решетом- электродом, электростатического решетного сепаратора
- Определение распределения полей в зоне отверстия решета и системы: потенциальный электрод - заземленный металличе ский г-образный электрод
Введение к работе
Для возделывания сельскохозяйственных культур по прогрессивным технологиям необходим высококачественный посевной материал, поэтому подготовка семян - это важнейшая народно-хозяйственная задача [1].
Используемые сейчас методы и средства подготовки семян к посеву не обеспечивают установленных стандартом свойств, поэтому до 40% семян в полевых условиях не всходит, а значительная часть дает неполноценные всходы и экологически неустойчива. В связи с этим возникла необходимость в совершенствовании действующих устройств сепарации и предпосевной обработки семяп и создании новых принципов сепарации семян и соответствующих технических средств.
Создать более совершенные сепарирующие устройства можно, если ис-пользовать принцип взаимодействия сил разной физической природы, то есть сил, воздействие которых на семена обусловлено не только их физическими свойствами [2], но и внешними - электрического поля.
Существенный вклад в развитие науки по применению электроэнергии в
сельскохозяйственное производство внесли Российские ученые М.Г, Евреинов,
П.Н. Листов, СП. Лебедев, Г.И. Назаров, ИЛ. Будзко, И.Ф. Бородин, И.И. Мар-
тьшенко, В.И. Метревели, Л.Г. Прищеп, A.M. Басов, В.А. Воробьев, JLC. Гераси-
X? мович3 Ф.Я. Изаков, И.Ф. Кудрявцев, A.M. Мусин, Г.Г. Рекус, P.M. Славин, А.П.
Якобе, А.И. Цатурян и др.
В науке по применению электроэнергии в сельскохозяйственном производстве необходимо выделить направление, связанные с использованием электрических полей для интенсификации процесса сепарации семян и их предпосевной обработки. На возможность очистки и сортирования зерна в поле коронного разряда указывал Н.Ф. Олофинский, Наиболее крупные исследования в этом на-правлении проведены A.M. Басовым, И.Ф. Бородиным, Ф.Я. Изаковым, В.Н, Шмигелем, Г.А. Ясновым, Э.А. Камениром, В.И, Мищенко, А,В. Пожелене.
Были созданы электрозерноочистительные машины, в которых используют электрическое поле коронного разряда и электростатическое поле.
Дальнейшим развитием науки, связанной с применением электрических методов разделения семенных смесей было применение диэлектрического метода сепарации, который до 1975 г. использовали при разделении минералов с разной диэлектрической проницаемостью в горнорудной промышленности. Метод основан на различии значений и направлении пондермоторных сил, действующих на поляризованные частицы твердых тел в неоднородном электрическом поле.
Крупные исследования в этом направлении проведены В.И. Тарушкиным и его учениками (B.C. Леоновым, В,М Богоявленским, А.А. Ниязкуловым и др.)-Ими была показана возможность и эффективность использования диэлектрического метода при очистке, сортировании и калибровке семян сельскохозяйственных культур.
Следующим развитием науки, связанной с применением электрических методов разделения семенных смесей вытянутой формы и их предпосевной обработки, было использование электростатического поля высокой напряженности однородного и неоднородного на решетах, лентах-решетах, плоскостях, ленточном триере и ленточном транспортере.
Выполненные под научным руководством и при научной консультации соискателя диссертационные работы на соискание ученой степени кандидата технических наук A.M. Ниязова (2001 г.) и Т.Н. Стерховой (2003 г.) показали принципиальную возможность и эффективность использования электростатического поля для предпосевной многослойной обработки семян ячменя и разделение по толщине семян огурца в электростатическом поле на ленточном электростатическом триере.
Цель исследований. Разработка методов, средств и теоретических положений для создания высококачественных технологий подготовки семян к посеву при их сепарации и стимуляции в электрическом поле»
Задачи исследований: а) провести анализ существующих технических методов и средств подготовки высококачественных семян; б) разработать конструктивные схемы электростатических сепараторов и электрического стимулятора семян; в) разработать математические и физические модели и теоретические положения способов и устройств высокоэффективных электростатических сепарато-
8 ров различных типов и электрического стимулятора семян ленточного типа; г)
провести испытания электростатических сепараторов и электрического стимулятора семян для получения высококачественного посевного материала; д ) провести сравнительные лабораторные испытания экспериментального электростатического решетного сепаратора с отечественными аналогами; е) определить область использования разработанных электростатических сепараторов и электрического стимулятора семян и эффективность их реализации.
Объект исследования - система, включающая свойства семян, рабочие органы и режимы их работы, которая обеспечивает получение высококачественного посевного материала.
Предмет исследования - определение оптимальных конструктивных параметров и режимов рабочих органов с учетом свойств семян селективно контактно заряжаться и поляризоваться в электрическом поле.
Методы исследований. В работе использованы аналитические и экспериментальные методы, в основу которых положен системный подход. Разработка методологических основ решения проблемы, имеющей инженерно-технические и агрономические аспекты, базировалась на математическом и физическом моделировании семенных частиц вытянутой формы, электротехнических и динамических процессов межэлектродных промежутков сепараторов и стимулятора семян, теории движения частицы по поверхностям сельскохозяйственных машин, теории электромагнитного поля. Экспериментальные, подтвержденные теоретическими результатами, исследования выполнены с использованием теории многофакторного эксперимента, методов статистики и биометрии с применением компьютерной техники при использовании специальных прикладных пакетов компьютерных программ.
Научная новизна. Новизна научных положений, изложенных в диссертации, заключается в том, что разработаны и обоснованы:
а) теоретические и практические обобщения и решение научной проблемы улучшения посевных качеств семян при использовании сепарации и стимуляции в электрическом поле, базирующиеся на селективности контактной зарядки и поляризации семян; б) новые, эффективные методы: сепарации семян на наклон-
9 ных решетах с круглыми отверстиями в неоднородном электростатическом поле;
сепарации семян на горизонтальной траковой ленте-решете с круглыми отверстиями в однородном электростатическом поле; сепарации семян на наклонной неподвижной плоскости в неоднородном электростатическом поле; многослойной стимуляции семян в электрическом поле; в) математическая модель семенной частицы вытянутой формы; г) физические модели: процесса контактной зарядки разновытянутого диэлектрического с проводящей поверхностью эллипсоида вращения на электродах разной полярности в электростатическом поле высокой напряженности и появления в нем положительного коронного разряда, возникающего на остриях, сориентированных на слое, отдельных разновытянутых эллипсоидальных частиц; д) оптимальные параметры режимов работы электростатических сепараторов и электрического стимулятора семян.
Практическая ценность диссертации достигнута путем теоретического обоснования методов сепарации и стимуляции семян в электрическом поле; разработке высокоэффективных устройств: для очистки семян от трудноотделимых примесей, сортирования в электростатических однородных и неоднородных ПОЛЯХ с одновременной стимуляцией и многослойной стимуляции семян в электрическом поле; разработке электростатических сепараторов для селекции, сортоиспытания и первичного семеноводства семян зерновых и овощных культур, обеспечивающих в сравнении с существующими отечественными сепараторами снижение затрат труда в 1,5 раза, эксплуатационных издержек в 3 раза, сокращение количества посевного материала в 1,5 раза, повышение урожайности на 10-20%, повышение производительности при сепарации семян овощных культур в 2 раза, повышение качества сепарации в 3 раза; разработке электрического многослойного стимулятора семян зерновых культур, обеспечивающего в сравнении с существующими отечественными стимулирующими устройствами снижение эксплуатационных издержек в 3 раза, повышение урожайности на 10-20%, повышение производительности в 8 раз, сокращение количества посевного материала в 1,5 раза.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1.Технологии, включая электростатические сепараторы и электрический стимулятор семян, их режимы, которые обеспечивают получение высококачественных семян зерновых и овощных культур при их сепарации и стимуляции в электрическом поле.
Математическая модель вытянутой семенной частицы в форме разновытя-нутого эллипсоида вращения. Физические модели: процесса контактной зарядки разновытянутого диэлектрического с проводящей поверхностью эллипсоида вращения на разной полярности электродах в электростатическом поле высокой напряженности и появления в нем положительного коронного разряда* возникающего на остриях, сориентированных на слое, отдельных разновытянутых эллипсоидальных частиц.
Теоретические зависимости распределения контактного заряда по поверхности разновытянутого эллипсоида вращения, нахождения центра заряда, действующих сил и условий движения и ориентировки эллипсоида в однородном и неоднородном электростатическом поле на различных подвижных и неподвижных технологических поверхностях. Теоретические зависимости положительного коронного разряда^ возникающего при ориентации разновытянутых эллипсоидов вращения на поверхности их слоя в электрическом поле.
4. Методы, позволяющие осуществить комплексные исследования свойств
семян и электрических полей, создаваемых заряженными электродами электро
статических сепараторов и электрического стимулятора семян, исследовать сило
вое воздействие электрических полей на семена и результаты их практического
применения»
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на международных и всероссийских специализированных конференциях: всероссийском научно-техническом семинаре МГАУ «Высокоэффективные электротехнологии и биоинформационные системы управления АПК» (Москва, 1997 ); научно-технических конференциях МГАУ (Москва, 2000, 2003, 2004 ); международной научно-технической конференции « Автоматизация
сельскохозяйственного производства» ( Углич, 1997 ); международных научно-технических конференциях ВИЭСХ ( Москва,2000, 2003, 2004 ), ВИМ ( Москва,
); научно-технических конференциях Костромской ГСХА ( Кострома, 1996-
), Ижевской ГСХА ( Ижевск, 1998, 1999, 2000 ), Кировской ГСХА ( Киров, 1989 ).
Публикации* Основные положения и результаты диссертации изложены в 62 печатных работах, одной монографии и описаниях к 3 авторским свидетельствам и 9 патентам на изобретения.
Исследования по диссертационной работе автором начаты в 1981 году. Они проводились по координационным штанам НИР Ижевского СХИ и с 1991 года Костромского СХИ 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 машинна 1986.,,1995 годы.
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 решений отдельных частных вопросов в различные годы активное участие принимали аспиранты: A.M. Ниязов, Т.Н. Стерхова, В.А. Смирнов, выполнявшие работы под руководством соискателя.
Распределение контактного заряда на семенной частице и на хождение его центра
В электростатическом поле при контакте с потенциальным электродом диэлектрическая частица, как считали некоторые исследователи, приобретает контактный заряд. Кинетика контактной зарядки определяется из соотношения [41] Q = Qx&-e,T), 0-3) где х - постоянная времени зарядки; Qmax — максимальный электрический заряд частицы, Кл. Для диэлектрической эллипсоидальной частицы величина свободного заряда определяется зависимостью при условии, что эллипсоид вращения расположен длинной осью поперек поля (начало ориентации) согласно [50,47]
В исследовании [9] показано, что центр заряда, приобретаемого диэлектрической частицей на потенциальном электроде, находится в геометрическом центре частицы.
Плотность заряда на поверхности частицы при условии» что зерновая частица принята за эллипсоид и центр заряда находится в ее геометрическом центре, в прямоугольных координатах для проводящих частиц, может быть записана в следующем виде [89] о = — (1.6) И 2 2 х у Z 471-3-3- ..- + 4- + - \ а4 в4 с4 где а, в, с - полуоси эллипсоида; х, у, z - текущие координаты; Q - заряд, приобретенный эллипсоидальной частицей. В электросепарации принято рассматривать не полуоси, а оси эллипсоида [7]. Тогда (1.6) запишется с= Ь=тт L7 где а, в, с - оси эллипсоида. Если считать, что ширина и толщина зерновых частиц (пшеница, овес, рожь) примерно близки друг к другу ( в с), то можно записать через геометрический размер, что в = л/вс и с = Уве коэффициент сферичности, характеризующий вытянутость частицы, равен к - в7а. Отсюда, в = а к и с; = а-к, т.к. в — с. Тогда, выражение (1.7) можно преобразовать, заменив вис через в! = а к ис/ = а-к и, уравняв текущие коэффициенты, у = z [105]
В исследованиях В.Г. Рахманина [78] указывается, что плотность заряда на концах эллипсоида вращения более чем в три раза превышает плотность заряда в области малой оси.
Исследователи [50], рассматривая процесс контактной зарядки диэлектрического эллипсоида на положительно заряженном электроде, считают, что в данном случае наиболее приемлем механизм зарядки Пеха [76]: при хорошем контакте диэлектрической частицы с электродом заряд с поверхности электрода переходит на нижнюю часть частицы и нейтрализует ее связанный заряд. Но это возможно только при отрицательной, а не положительной полярности электрода [17], Исследователи [50] предлагают предельный заряд диэлектрического эллипсоида представлять в виде поляризационного заряда диполя одного знака» а заряд другого знака нейтрализуется при контакте с электродом. В результате центр заряда считают смещенным относительно геометрического центра эллипсоида на расстояние 2Ъ/3, а при ориентации эллипсоида большей осью вдоль силовых линий поля - на 2а/3. Эти значения смещения центра заряда были приняты по исследованиям [70].
У В.К. Завяцкаса [47] центр заряда диэлектрической эллипсоидальной частицы смещен относительно геометрического центра на расстояние Ь/3 и в процессе ориентирования эллипсоида не изменяется, то есть остается на средней оси. В указанных работах рассматривается контактная зарядка диэлектрического эллипсоида на положительном электроде. А так как использование механизма зарядки Пеха на положительном электроде невозможно, то и смещения оставшегося связанного заряда не может быть [17],
Силовое воздействие однородного электростатического поля на сшена Семена при теоретическом исследовании принимались за диэлектрическую эллипсоидальную частицу, форма которой определялась коэффициентом сферичности к = Ь/а, где b - малая ось эллипсоида, а - большая ось эллипсоида [48]. На частицу в электростатическом поле действуют силы механической и электрической природы, а также соответствующие моменты. Механические силы - это силы тяжести, трения, инерции, сопротивления среды и др. Силы электрической природы - определяемые зарядом частицы и силой зеркального отображения.
Определение математической модели, описывающей форму вытянутой частицы
Для технологических процессов в зерноочистке и электротехнологии необходимо достаточно точно определить математическую модель, описывающую форму вытянутой частицы. Это требуется для более точного рассмотрения математической модели поведения частицы на рабочих органах сепараторов и электросепараторов. Поведение частиц в электрическом поле определяется главным образом величиной электрического заряда, приобретенного в этом поле. Чем больше заряд частицы, тем больше действующие на него силы электрического поля»
Опыты показали, что наиболее важным показателем для приобретения частицей контактного заряда в электрическом поле является величина ее диэлектрической проницаемости. У влажного зерна из-за постоянно существующей поверхностной пленки влаги она весьма велика, поэтому оно становится типичным полупроводником» Но и сравнительно сухое зерно, являющееся диэлектриком, согласно опытам Яснова Г.А. имеет в основном поверхностную проводимость [10].
Кроме того, и зарядка частицы происходит через поверхность, в том числе и при контакте с электродом в электрическом поле. Причем для проникновения ионов внутрь частицы требуется значительное время, а свободные электроны распределяются по увлажненной поверхности практически мгновенно. Сказанное свидетельствует о том, что и в случае зарядки диэлектрика и полупроводника заряды распределяются по поверхности как у проводника [11].
Естественно, заряд, контактно приобретенный эллипсоидальной зерновой частицей в электростатическом поле, не сосредотачивается в одной точке, а распределяется по всей поверхности эллипсоидальной частицы. При этом, плотность заряда в любой точке поверхности вполне корректно можно определить в прямоугольных координатах по формуле Стреттона [89], а в дальнейшем подтвержденной другими исследованиями [7]. Примем в ней полуоси а, Ь, с за оси трехосного эллипсоида, так как в процессах сепарации семенных смесей удобней иметь дело с осями частиц которые определяют пределы каталожного размера частиц разных культур, а также размеры отверстий сепарирующих решетных поверхностей. Таким образом, после замены полуосей осями формула примет вид; п= гг-з—г- (2Л где Q - заряд, приобретенный частицей в результате контакта; х, у, z - текущие координаты трехосного эллипсоида; а, Ь, с - оси трехосного эллипсоида.
При рассмотрении трехосных эллипсоидальных частиц необходимо иметь в виду, что для семян зерновых (пшеница, рожь, ячмень, овес), а так же семян злаковых трав (костер безостый, ежа сборная и другие) с b , а у семян бахчевых и некоторых огородных культур с « Ь. Будем рассматривать, имеющие большее значение и интерес, эллипсоидальные частицы зерновых культур и злаковых трав.
В этой связи введен коэффициент сферичности, то есть вытянутости частиц, как приняли в процессах электросепарации семян [7], однако в отличие от известного коэффициента сферичности возьмем его не по одиой, как для эллипсоида вращения, а по обеим меньшим осям k. = — коэффициент сферичности относительно средней оси, а к2 = — коэффициент сферичности относительно меньшей оси. а При этом ясно, что ki k2.
Введем эти значения в формулу (2.1), соответственно преобразуя ее, так как b - k(-a и с = k2 a , причем в подкоренном выражении оставим именованные значения - а, Ьэ с для удобства анализа размещения заряда по поверхности по различным осям. На Рис. 2.3 соединим прямой линией точки, где ki — кг (это граница двухосных эллипсоидов вращения)» Если рассматривать значение к0 ниже этой границы, например, для к] =0,5 то сюда попадают значения ко при к2 = 0,4; 0,3; 0,2; 0,1.
Таким образом, можно сказать, что ниже границы двухосных эллипсоидов существует область трехосных зллипсоидоВі Учитывая, что кг к] и больше быть не может, то выше границы двухосных эллипсоидов будет несуществующая область для ко При незначительных отклонениях, в пределах 10-15 % между осями b и с можно принять, что b = с. В процессах электросепарации при решении большинства инженерных и теоретических задач так и поступают - трехосные эллипсоидальные частицы приводят к эллипсоидам вращения [7] это вполне допустимо, принимая новое значение средней оси, как Ьх = V b - с , при этом энергетическое условие задачи не теряет своей корректности и коэффициент сферичности будет а Тогда поверхностную плотность распределенного заряда можно записать выражением 2 2у а = Я—г (2.6) 2mkt. Xі + Ь«МЛ " к4
Однако, плошадь поверхности такого эллипсоида» фактически эллипсоида вращения лучше рассматривать, как среднегеометрическое значение между площадью поверхности эллипсоида вращения, имеющего оси а и b то есть Sb и площадью поверхности эллипсоида вращения, имеющего оси а и с, то есть Sc. В таком случае будем иметь Sa =VVS; (2.7)
На основании ранее проведенных исследований [7] площади поверхностей эллипсоидов вращения Sb и Sc с учетом принятых нами значений коэффициентов сферичности кх и к2 примут вид
Расчет поля, образованного заряженным решетом- электродом, электростатического решетного сепаратора
Ан&пиа кривых а Л Г(НВ) (Рис, 3.22) ікж&гшвнет, что с увеличенном толщины с и массы семени m угол наклона іра торіш частицы а к ординате Z умепі шастся. Из Рис.3.22 видно, что наибольший угод наклона траектории имеет частица при массе m - 5-Юь кг и толщине семени с 1,3-10" м При увеличении массы в два раза (га = Ш-10" кг) угол наклона траектории частицы уменьпгяется на 14 При одинаковых звареннях массы (расширим m 2040 " 5 кг), в случае увеличения толщины семени е от 1,1"ИГ де ї.7-104 fvi уюд наклона траектории движения частицы к оси Z при напряженности поля Ек - б І 0 1 В/м увеличиваете га 65.
Расчет зависимости а - f(Es) выполнен jvm Кф - 0,2. При увегшчении Кф ло 0,6 характеристика сохраняет свою форму, однако угол наклони ирь\ том же ЗЇЩ-чеши іін уменьшается. исследования па опытном ойраше производственной установки ДЗТ подтвердили гтлучеиеые расчеты и показали правильносте теоретических положений Полученная зависимость а - Г(ЕН) показывает, что процессом выборки частиц с ООІЇЬШШ юлщшюй с мояшо управлять 154
К расчету униполярного положительного коронного разряда, возникающего при ориентации зерновых частиц на поверхности зернового слоя в межэлектродном промежутке электрического стимулятора семян
При размещении толстого зернового слоя, толщина которого соизмерима с высотой межэлектродного промежутка, а диэлектрическая проницаемость намного больше диэлектрической проницаемости воздуха, напряженность электростатического поля в воздушном зазоре резко возрастает. При этом на зерновые частицы, находящиеся на границе зерновой слой-воздух, будет действовать вращающий момент поля, который, преодолевая момент сопротивления, поворачивает частицы, стремясь установить их длинной осью перпендикулярно плоскости электрода. Сориентированную зерновую частицу на толстом зерновом слое можно представить как игольчатый электрод. При определенных условиях вершина этой частицы начнет коронировать, образуя тем самым поток ионов, проходящий через зерновой слой (Рис.3.23). То есть мы имеем униполярный коронный разряд. Одной из важных характеристик его является вольтамперная зависимость 1 = flTJ). Она определяет мощность, потребляемую коронным разрядом, и позволяет судить о степени эффективности системы электродов.
Образование потока ионов Теоретическое решение задачи о вольтамперной зависимости при коронном разряде связано с расчетом напряженности поля и плотности объемного заряда в межэлектродном промежутке [26]. Получение аналитической зависимости тока короны представляет значительную сложность и не всегда возможно [26, 67, 94].
Наиболее успешно задача решена в работах академика В.И. Попкова [26], который предложил уравнение, численное решение которого позволяет получить вольтамперную характеристику отрицательной униполярной короны l = kG(U-U0)U, (3.117) где к - подвижность ионов; G - коэффициент, определяемый системой электродов; Uo - начальное напряжение коронного разряда; U - текущее значение напряжения. Для расчета коронного разряда системы электродов игла-плоскость с отрицательной полярностью на основании обобщения экспериментальных данных получена зависимость вольтамперной характеристики [28]: ks k hMU Uo), (3.118) где kL = {1,5[1 + 0,042(l/h)]}/(l - 1,5-102г3)2; h - расстояние между электродами; г - радиус закругления иглы. Выражение (3.118) соответствует формуле В.И. Попкова, если обозначить величины, зависящие от геометрических параметров, напряжения и тока, через G : G -Sofo/h) (3.119) Коэффициент, отражающий зависимость от геометрических параметров ki в формуле (3.118) имеет другое значение, чем G в формуле (3 Л17). Кроме того, поле системы электродов игла-плоскость является осе симметричным, а зависимость (3.117) позволяет рассчитывать только плоскопараплельные поля [63]. На основе экспериментальных исследований для отрицательной короны ИМ. Имянитовым [67] также получена зависимость тока с острия от напряженности поля: 1остр=а(Е:стр-Е;), (3.120) где а, п - постоянные коэффициенты, зависящие от формы и полярности острия; Еостр - напряженность поля у острия; Екр - критическая напряженность поля, при которой начинается корон 156 ный разряд.
Поскольку при размещении в электростатическом поле толстый зерновой слой находится на заземленном электроде, а к верхнему электроду подведен отрицательный потенциал, то между сориентированными зерновыми частицами и верхним электродом возникает коронный разряд положительной полярности. Следует отметить, что приведенные выше зависимости тока от напряжения и напряженности получены только для отрицательной короны и в исследованной нами литературе нет формул для расчета поля коронного разряда положительной полярности. В связи с этим рассмотрим положительный униполярный коронный разряд, который возникает при обработке -толстого слоя семян в электростатическом поле между сориентированными частицами и отрицательно заряженньш электродом. Для его расчета воспользуемся известными формулами для определения критической напряженности, а также начального напряжения отрицательного коронного разряда [63, 53J: Е0 = 33,75(1 + 0,242/7), (3,121) Uo = E0r-ln(2h/r), (3.122) где h - расстояние от иглы до плоскости; 6 - относительная плотность воздуха; г - радиус провода. В связи с тем, что формула (3.121) позволяет определить напряженность поля короны, возникающей только около провода радиусом г, то И.П. Верещагин [27] для расчета поля электродов сложной формы ввел понятие "эквивалентный радиус кривизны коронирующей поверхности" - гэкв_ Под этим радиусом понимается радиус такого проволочного электрода, на поверхности которого создается напряженность, равная критической напряженности данного сложного электрода. Причем, И.П. Верещагин гэкв принял равным половине радиуса кривизны поверхности электрода в данной точке
Определение распределения полей в зоне отверстия решета и системы: потенциальный электрод - заземленный металличе ский г-образный электрод
Напряженность ориентировки семян определяется согласно известной методики [127]. В качестве источника высокого напряжения использовали однополупе-риодное выпрямительное устройство типа АКИ-50. Для измерения высокого напряжения использовали электростатический киловольтметр С-96. Для опытов было взято по 100 семян разных культур. Опыты проводились с трехкратной повторно-стью при постоянной влажности семян 12% и среды 60%. Температура среды поддерживалась постоянно 20 С. Напряженности ориентировки семян овощных культур на г-образной металлической полочке и снятия семян с нее
Напряженность ориентировки определяется, когда семя овощной культуры повернется на г-образной металлической полочке вдоль силовых линий электростатического поля. Напряженность снятия семян с полочки определяется при дальнейшем увеличении напряженности поля, когда семя срывается с полочки под действием сил поля, преодолевая силы трения, В качестве источника высокого напряжения использовали однополупериодное выпрямительное устройство типа АКИ-50. Дня измерения высокого напряжения использовали электростатический киловольтметр С-96. Для опытов было взято по 100 семян разных культур. Опыты проводились с трехкратной повторностьго при постоянной влажности семян 12% и среды 60%. Температура среды поддерживалась постоянно 20 С.
Для проверки распределения заряда по разновытянутой эллипсоидальной частице была вырезана ее модель [17] из твердого пенопласта длиной 105 мм, шириной 30 мм, отшлифована и покрыта слоем проводящего графита. Модель разновытянутой частицы закреплялась при помощи диэлектрических стоек на диэлектрической пластине. Зарядка модели частицы осуществлялась от источника высокого напряжения постоянного тока отрицательной полярности, собранного на умножителе напряжения УН 9/27-1,3. Зарядка продолжалась в течение 15-60 с. Величина заряда на поверхности модели частицы замерялась в определенных точках экранированным высоковольтным электродом и подавалась на лепестковый электроскоп в момент прикосновения и по истечении 15, 30, 45, 60 с. Лепестковый электроскоп был специально отградуирован.
Кроме этого, были взяты для исследования модели семян зерновых культур (крупная и мелкая частицы) и овощных культур (крупная и мелкая частицы). При исследовании распределения заряда, муляж частицы закрепляла на пластине ия органического стекла. Муляж частицы подготовлен тіш же, как описано выше, Муяяж овощных культур мисл ребро по торцу частицы (соответстоие семени огурщц кабачка, тыквы) Далее с жшощью шш&рата АКИ - 50 кратковременно в течение пяти секунд подавали на частицу тряд. Для чего высоковольтный провод через изоляционную ручку подносился к частице Носче чего с помощью электроскопа, покатанного на Рис, -1Л, измеряли величину заряда в неследуемой точке на поверхности частицы (в едшшпдк величины отклонении стрелки электроскопа).
Частика с исследуемыми ГОЧКЙШІ Замеры зарада осуществлялись следующим образом: к частице в определенных точкак (РІС. 4.8.) подносили соединенный е шаром электроскопа заострённый электрод и по отклонению лепестков по шкгнле электроскопа (Рмс. 4,7.) определяется заряд. 11о неличине заряда строится его эпюра, В крайних точках величина заряда откладывалась по горизонтальной оси (іочкц 1,8), а в точках 2,..7 щтд откладывался но вертикальной оси.
Методика определения центра тяжести заряда модели частицы проводилась, какоішеаію выше.
Моделирование поля отверстий решета на электропроводной бумаге проводилось без зерновой частицы и с ней, а также с муляжом частицы, выполненным по размерам частицы из двухслойной электропроводной бумаги. Зерновая частица (зерновка овса) готовилась для исследования следующим образом. Зерновка разрезалась пополам вдоль частицы, и эта половинка укладывалась на электропроводную бумагу поверхностью среза на кромку отверстия решета и внутрь отверстия.
Г-образные электроды нашли свое применение в электростатическом ленточном триере (ЛЭТ), Измерения при г-образных электродах производились по ранее описанной методике. Только вместо электрода-решета устанавливались три г-образных электрода, вырезанные из медной фольги. Электроды соединялись перемычками (пайкой), и на них подавался положительный потенциал. Опыты проводились как с частицей, помещенной на край электрода, так и без частицы. Целью опыта являлось нахождение оптимального расстояния, при котором поле будет однородным, так как неоднородность затрудняет процесс ориентации частицы на г-образном электроде.
