Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 12
1.1. Ценность огурца как культуры, существующие агроприёмы предпосевной обработки семян и их анализ 12
1.2. Физические способы отбора биологически ценных семян 18
1.3. Отбор биологически ценных семян с применением электрических полей 23
1.4. Необходимость поиска новых устройств для повышения эффективности сортирования семян в электрическом поле 29
1.5. Выводы и научные задачи исследований 32
2. Теоретическое обоснование процесса сортирования семян на ленточном электростатическом триере 34
2.1. Физическая суть устройства и процесса сортирования семян огурца на ленточном электростатическом триере 34
2.2. Контактная зарядка сплюснутых разновытянутых семян эллипсоидальной формы в электростатическом поле 36
2.3. Силы и моменты сил, действующие на сплюснутую разновытянутую частицу при ориентации в электростатическом поле 42
2.4. Определение напряжённости электростатического поля,
необходимой для ориентации семенных частиц на полочке 44
2.5. Определение напряжённости электростатического поля, необходимой для снятия семенных частиц с полочки 49
2.6. Определение угла наклона траектории движения частиц к вертикали после срыва их с плоскости полочки 51
Выводы и результаты теоретических исследований 56
3. Методики проведения экспериментальных исследований 57
3.1. Общие вопросы методики исследований 57
3.2. Получение семян заданной влажности 58
3.3. Определение некоторых физических свойств семян 60
3.4. Определение статического коэффициента трения семян огурца по поверхности полочки 66
3.5. Определение контактного заряда сплюснутой диэлектрической частицы 67
3.6. Распределение плотности заряда семени по поверхности сплюсігутой разновытянутой диэлектрической частицы эллипсоидальной формы 69
3.7. Снятие вольт-амперной характеристики рабочего органа 71
3.8. Определение напряженности ориентации и напряженности срыва
частиц на электроде-полочке 73
3.9. Подготовка и проведение поисковых опытов 73
ЗЛО. Определение оптимальных параметров электросепарации 76
3.11. Методика проведения производственных исследований предлагаемого устройства 78
4. Результаты экспериментальных исследований 80
4.1. Анализ некоторых физических свойств семян огурца 80
4.2. Влияние напряженности поля на условия ориентации частицы, лежащей на электроде - полочке 88
4.3. Влияние напряжешюсти поля на условия срыва частицы с электрода -полочки 88
4.4. Влияние диэлектрической проницаемости на условия ориентации и срыва семенных частиц 90
4.5. Вольт-амперная характеристика рабочего органа 91
4.6. Поведение семенных частиц в рабочей зоне ЛЭТ 93
4.7. Исследование факторов, влияющих на эффективность работы ленточного электростатического триера 97
4.8. Оптимизация параметров ленточного электростатического триера 102
4.9. Влияние выделения биологически ценных семян в электростатическом поле на урожай 112
Выводы 115
5. Эффективность сортирования семян огурца на лэт 116
Общие выводы 123
Литература
- Физические способы отбора биологически ценных семян
- Контактная зарядка сплюснутых разновытянутых семян эллипсоидальной формы в электростатическом поле
- Определение некоторых физических свойств семян
- Влияние напряжешюсти поля на условия срыва частицы с электрода -полочки
Введение к работе
Увеличение количества и качества продукции овощеводства является одной из главных задач в развитии агропромышленного комплекса. Экономическая ситуация, сложившаяся в России, требует от объектов сельскохозяйственного производства сокращения производственных расходов. Центральным звеном в решении этой проблемы является семеноводство. Семена, носители биологических свойств, в решающей степени определяют качество и количество получаемого урожая. Ученые и специалисты сельского хозяйства постоянно совершенствуют и разрабатывают новые агроприемы и технические средства для выделения биологически ценных семян с целью улучшения их посевных качеств.
Овощи имеют огромное значение в питании человека. Они содержат белки, жиры, углеводы, минеральные соли, органические кислоты, различные витамины и другие, необходимые для роста и развития человеческого организма вещества. Наличие овощей в рационе питания увеличивает усвояемость питательных веществ, находящихся в других продуктах. Согласно рекомендациям института питания Академии медицинских наук, 15-20% энергетического баланса человека должно покрываться за счет фруктов и овощей, а годовая норма потребления овощей должна составлять 119 кг [54]. Фактически сейчас на душу населения приходится в среднем 70 кг овощей. Для удовлетворения потребности населения в овощной продукции в Российской Федерации в ближайшей перспективе необходимо иметь не менее 16-17 млн. тонн овощей в год. Причем снабжение овощной продукцией должно быть круглогодично, т.к. овощи являются одним из основных источников витаминов и микроэлементов, необходимых человеческому организму.
Одной из важнейших овощных культур является огурец. На территории Удмуртской Республики огурец, в основном, возделывают в защищенном грунте, производство которого в зимний период считается особенно
энергоёмким.
Необходимость поставлять продукцию на рынок в течение круглого года заставляет производителей активнее влиять на условия возделывания овощных культур. Это означает, что необходимо подбирать наиболее благоприятное место для выращивания овощных культур с учётом климата, плодородия почвы, подогрева почвы и воздуха, использования искусственного освещения, применяемой агротехники и качества посевного материала. Последнее значительно зависит от селекции и семеноводства.
Известно, что семена одной партии неоднородны по своим характеристикам, что является объективной реальностью, зависящей от биологических особенностей растения, почвенно-климатических факторов и агротехнических условий возделывания культуры. Таким образом, семена в посевной партии различаются по своим физическим, биологическим и физиологическим свойствам, по продуктивности и посевным качествам. Особенно чётко неоднородность семян прослеживается у огурца, что связано, в первую очередь, с местом формирования семенников. Наилучшее качество семян бывает с плетей первого порядка.
Проблема изучения неоднородности семян и улучшения качества посевного материала методом отбора всегда была в центре внимания учёных и специалистов сельского хозяйства. Совершенствование системы семеноводства и улучшение отбора биологически ценных семян может повысить продуктивность производственных площадей до 20%.
Пути повышения урожая семян и улучшения их качества многообразны. Качество семенных партий можно улучшить техническими мероприятиями. Одним из важнейших условий получения желаемых в данной области результатов является хорошая предпосевная подготовка семенного материала, к которой относятся:
дражирование;
инкрустация;
гранулирование;
- калибровка, или сортирование семян.
Отбор крупных семян производится с целью выделения семян с высокой массой 1000 шт., в которых, как правило, больше питательных веществ, они быстрее прорастают. Такие семена обеспечивают наилучшую сортовую активность, более короткий период вегетации и повышенные урожаи.
Основными показателями качества семян являются всхожесть, энергия прорастания. У кондиционных семян всхожесть составляет 60-70% от лабораторной. Следовательно, большую экономическую пользу может принести отбор биологически ценных семян с целью повышения их урожайности.
В работах Ульриха Н.Н., Якубицкой Т.С, Макаро И.Л., Кондратьевой А.В. и др. отмечено, что крупные семена обладают более высокой продуктивностью и дают урожай с одного растения в полтора - два раза выше, чем мелкие [61,98,120].
Поскольку для основной массы семян с увеличением размеров семени возрастает его масса, можно считать, что сортированием по размерам достигается сортирование по массе. Для огурца наиболее тесную связь с массой имеет толщина семени. Следовательно, семена огурца можно и нужно сортировать по их толщине.
Однако, при сортировании семенной смеси по геометрическим свойствам семян не учитываются их внутренние свойства.
В связи с этим возникает необходимость определить признак качества семян, который с достаточной полнотой позволил бы выделить из семенной партии наиболее ценные семена, сочетающие в себе лучшие геометрические и биологические качества.
В начале прошлого века были начаты исследования по возможности сортирования семян с помощью различных видов электрических полей. Существенное преимущество электросепарации перед остальными способами сепарации - это, прежде всего, высокое качество разделения одновременно по
нескольким физическим и биологическим свойствам, возможность автоматизации процессов и отсутствие травмирования семенных частиц.
Исследованиями ведущих ученых страны Басова А.М., Бородина И.Ф., Изакова Ф.Я., Тарушкина В.И., Шмигеля В.Н,, Яснова Г.А., Каменира Э.А. и других доказана возможность применения электрического поля для сортирования семян различных культур. Сортирование семян проводили электрическим полем постоянного тока (коронного разряда и электростатическим), а также электрическим полем промышленной и высокой частоты.
В настоящее время разработаны комплексы машин для электросепарации семян с использованием поля коронного разряда (барабанный, транспортёрный, камерный, типа "горка", электростатического поля (камерный, решётный) и диэлектрический.
Возможность сортирования семян культур, имеющих форму сплюснутого разновытянутого эллипсоида, была рассмотрена на классификаторе семян в электростатическом поле на наклонных электродах-плоскостях, на барабанном диэлектрическом сепараторе, на решете с круглыми отверстиями [5, 9, 91, 102]. Однако наибольший интерес представляет устройство, предложенное Быковым В.Г. и Шмигелем В.Н. [23]. Смесь делится на фракции в электрическом поле, в процессе разделения исключается влияние центробежных сил и травмирование семян.
Исследование процессов, протекающих в межэлектродном пространстве, выявило, что вследствие высокой напряженности электростатического поля в воздушном промежутке частицы ориентируются длинной осью вдоль силовых линий электростатического поля. Электростатическое поле образовано плоским электродом, закрытого слоем диэлектрика и заземлёнными электродами в виде прямого угла. Сориеіггированньїе разновытянутые частицы под действием моментов сил электрического поля срываются с электрода. Менее выполненные семена остаются на полочке и выносятся лентой конвейера за пределы электростатического поля в приемный бункер щуплых и мелких
семян.
Поэтому исследование процессов сортирования семян огурца в электростатическом поле на ленточном триере и выявление эффективных режимов его работы является актуальной проблемой.
Цель работы: разработка и исследование устройства для выделения биологически ценных семян огурца в электростатическом поле.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
теоретически обосновать и исследовать возможность сортирования семян огурца, получить аналитическое выражение для расчёта напряжённости электростатического поля в межэлектродном промежутке ленточного электростатического триера (ЛЭТ);
дать аналитическое выражение угла наклона траектории движения семенных частиц к вертикали в межэлектродном промежутке ЛЭТ;
разработать физическую модель сплюснутой диэлектрической эллипсоидальной частицы разновытянутой формы для проверки распределения плотности контактного заряда на её поверхности и стекания заряда с течением времени;
разработать экспериментально-производственную установку для сортирования семян огурца, провести лабораторные и производственные испытания;
дать рекомендации по применению ЛЭТ,
Объектом исследования является совокупность свойств семян огурца, параметров, режимов работы устройства для сортирования семян огурца в электростатическом поле.
Предметом исследований являются процессы, протекающие в межэлектродном пространстве ленточного электростатического триера и определение оптимальных параметров и режимов работы ЛЭТ.
Методы исследований. Решение поставленных задач проводилось на основе применения:
теории электромагнитного поля;
методов статистической обработки экспериментальных данных;
основ теории активного планирования эксперимента;
методов определения показателей качества семян. Научная новизна работы состоит в следующем:
предложен способ отбора жизнеспособных и биологически активных семян огурца в электростатическом поле;
теоретически обоснована возможность использования ленточного электростатического триера (ЛЭТ) для сортирования семян огурца с целью выделения биологически ценных семенных частиц по их толщине;
теоретически описаны условия ориентации и срыва семенных частиц с электрода - полочки в электрическом поле;
получено аналитическое выражение угла наклона траектории движения частиц к вертикали в межэлектродном промежутке (ЛЭТ);
разработана физическая модель процесса контактной зарядки сплюснутого разновытянутого диэлектрического эллипсоида на электроде-полочке в электростатическом поле.
разработана математическая модель процесса сортирования семян огурца на ЛЭТ, учитывающая влияние основных его параметров и режимов на технологическую эффективность работы;
на основе теоретических исследований разработано устройство, позволяющее проводить электростатическое сортирование семян огурца.
Практическая ценность работы заключается в следующем: -теоретическом обосновании процесса сортирования семян огурца в
электрическом поле на ЛЭТ; -разработке эффективного устройства для отбора более жизнеспособных и биологически ценных семян огурца с целью подготовки их к посеву.
Реализация результатов работы. Материалы исследований явились основой разработки устройства для сортирования семян огурца в
электростатическом поле, используемых в ряде хозяйств Удмуртской Республики.
На защиту выносятся следующие основные положения;
способ отбора сортирования семян огурца в электростатическом поле;
теоретические зависимости, описывающие поведение частицы в межэлектродном промежутке ЛЭТ;
физическая модель процесса контактной зарядки сплюснутого разновытянутого диэлектрического эллипсоида в электростатическом поле;
математическая модель процесса сортирования семян, устанавливающая связь основных технологических и конструктивных параметров ЛЭТ с показателями качества семян;
устройство сортирования семян огурца в электростатическом поле с целью выделения биологически ценных семян.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследования доложены и обсуждены на 3-й и 4-й Международных научно-технических конференциях "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве" (ВИЭСХ, 2003, 2004 г.г.), на 2-й Международной научно-практической конференции "Земледельческая механика в растениеводстве" (ВИМ, 2003), Международной научно-практической конференции "Проблемы развития энергетики в условиях производственных преобразований" (ИжГСХА, 2003 г.), Всероссийской научно-практической конференции "Устойчивому развитию АПК - научное обоснование1' (ИжГСХА, 2004 г.).
Основные теоретические положения диссертационной работы подтверждены экспериментальными исследованиями в лабораторных и полевых условиях.
Публикаі{ии. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, включая один патент на изобретение.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включает 122 наименования, 26 приложений, изложена на 187 страницах текста, содержит 47 рисунков и 7 таблиц.
Физические способы отбора биологически ценных семян
При сортировании семян для посева из общей массы выделяют семена, отличающиеся высокой всхожестью и энергией прорастания, которые дающие дружные всходы и высокий урожай.
Для такого разделения семенной смеси используют зависимость между биологическими качествами семян и их физическими свойствами. Такими физическими свойствами могут быть: геометрические, аэродинамические свойства и плотность семян. Исследованиями установлено, что семена с большей массой дают лучший урожай, чем с малой [22,50,98]. Масса же семян зависит от их размеров: чем крупнее семена, тем больше и их масса. Таким образом, пользуясь различием в величине семян, можно выделить семена с высокими биологическими качествами. Аэродинамические свойства частиц семенной смеси зависят от их массы и характеризуются сопротивлением, которое оказывает их движению воздушная среда. Частицы, испытывающие большее сопротивление под действием равных сил относительно воздушного потока, двигаются медленнее, чем частицы, встречающие меньшее сопротивление. Значит, аэродинамическими свойствами тоже можно пользоваться для выделения биологически ценных семян. Биологически ценные семена можно выделить и по плотности.
Разделение семенной смеси по аэродинамическим свойствам является одним из наиболее распространенных приемов по очистке и сортированию семян. Оно основано на различии в сопротивлении воздуха движению частиц, которое неодинаково для отдельных семян. Поэтому различные частицы движутся в воздухе с неодинаковыми скоростями и по разным траекториям.
Геометрические свойства. В общем случае семя характеризуется тремя размерами: длиной, шириной и толщиной. С увеличением размера семян возрастает и их масса 186]. На основании этого можно заключить, что при сортировании семян по размерам достигается сортирование и по массе. По данным Макаро И.М., Кондратьевой А. В. [61], средний урожай огурцов из семян с большими размерами на 39% выше контроля.
Наиболее распространенным приемом сортирования семян является разделение семенной смеси по размерам ее частиц (длине, ширине, толщине). Семена можно разделять на фракции по их толщине, ширине или длине в зависимости от того, по какому из этих размеров семена имеют большее различие.
Разделение семян по ширине Ь производится при помощи решет с круглыми отверстиями. Через круглое отверстие могут пройти только те семена, ширина которых меньше диаметра отверстия. При этом другие размеры - толщина и длина - роли не играют. При таком разделении решетом с круглыми отверстиями семена могут пройти через отверстия решета только в том случае, если они располагаются продольной осью перпендикулярно к поверхности решета. Для длинных семян это может быть достигнуто либо на решетах со специальной гофрировкой, либо при вертикальных колебаниях решета.
Для разделения семенной смеси по ширине ігужно решета подбирать так, чтобы диаметр d отверстий находился между размерами bi и Ьг ширины разделяемых семян и примесей: Ьі й Ьг.
Разделение семян по толщине с производится при помощи решет с продолговатыми отверстиями. Через продолговатое отверстие решета могут пройти только те семена, толщина которых меньше ширины отверстия решета. В данном случае семена могут пройти, расположившись длинной осью параллельно поверхности решета. При этом необходимо, чтобы семена могли: - повернуться на решете на ребро у кромки отверстия; - расположиться длинной осью вдоль отверстия; - длина отверстия должна быть больше длины семени.
Все эти условия могут быть удовлетворены при горизонтальных колебания решета. Семена при этом могут становиться на ребро. Для удовлетворения второго и третьего условий необходимо отверстия на решете располагать длинной стороной по направлению движения семян.
Сложность процесса сортирования по толщине на таких решетах не только в том, что зерно должно поворачиваться при проходе в отверстие вокруг своей большей оси а, но и в том, что семена могут получить при процессе разЕгую длину свою а.
Для разделения семенной смеси по толщине нужно решета подбирать так, чтобы ширина их отверстий d находилась между размерами толщины с і и Сг разделяемых семян и примесей: cj d с?.
Разделение семян по их длине производится ячеистыми (триерными) поверхностями (цилиндрическими и дисковыми). Если на ячеистую поверхность положить два семени, одно из которых имеет длину меньше поперечника ячейки, а второе — больше, то короткое семя полностью улояштся в ячейку, а длинное расположится на поверхности. Если теперь наклонить поверхность, то с нее скатится сначала длинное семя, а затем, при большем наклоне, из ячейки выпадет короткое семя. В этом заключается принцип разделения семян по длине.
Структурные свойства. Плотность вещества семян неодинакова. Она зависит от их химико-биологических особенностей, спелости и влажности. С повышением влажности плотность вещества у легких семян возрастает, а у тяжелых семян уменьшается. Присутствие в семенах 6...35% воздуха существенно снижает плотность их вещества. Вследствие этих особенностей по плотности можно разделять не только легкие и тяжелые семена, но и сухие и влажные, спелые и недозрелые. Частицы семенного материала могут отличаться друг от друга по плотности (в граммах на 1 см ) вследствие различной структуры и состояния (влажности, зрелости и других).
Контактная зарядка сплюснутых разновытянутых семян эллипсоидальной формы в электростатическом поле
Электрическая сепарация основана, главным образом, на различии электропроводности и диэлектрической проницаемости компонентов исходных материалов [77]. В электростатическом поле частица может приобрести заряд в результате контакта с электродом или заряженной частицей [5,16, 55].
Строение и химический состав семени сложный и протекающие в нем биохимические процессы зависят от влажности и температуры окружающей среды, поэтому электрические свойства у семян очень изменчивы. Если принять, что семя огурца по своим свойствам как и зерновка имеет пористую структуру, то его можно отнести к третьей группе диэлектриков, имеющих поверхностную проводимость. Опытами, проведёнными Леновым Г.А. и Изаковым Ф.Я., было доказано, что сравнительно сухое семя, являющееся диэлектриком, имеет в основном поверхностную проводимость [7, 48]. Кроме того, и зарядка происходит с поверхности. Поэтому для проникновения ионов в глубь частицы требуется значительное время, а свободные электроны распределяются по поверхности.
Кинетика зарядки диэлектрической частицы экспериментально описана зависимостью: (2.1) Г t\ 4 = 4 max 1-е г где т - постоянная времени зарядки; Qmax" максимальный электрический заряд частицы, который она может получить в результате контакта в электрическом поле или при орошении потоком ионов. Величина заряда ограничивается условием начала коронирования частицы, Кл.
Для диэлектрической эллипсоидальной частицы величина свободного заряда при условии, что эллипсоид расположен длинной осью вдоль поля, определяется зависимостью: q- ,Е;Є Ь1 ,, (2.2) а для эллипсоида, сориентированного длинной осью поперёк поля, величина заряда определяется зависимостью: 4+( ,-1)0,] v В связи с телг, что семена имеют разліпшую массу, необходимо определять удельный заряд семенной частицы, т.е. приходящийся на единицу массы q.
Кроме того, семена одного и того же сорта имеют различную сферичность. Известно, что с уменьшением сферичности эллипсоида при сохранении его объёма заряд растёт [5], поэтому при определении величины заряда необходимо учитывать его форму. С учетом этого заряд частицы будет определяться зависимостью: q=q -m-K , (2.4) где q - удельный заряд частицы, Кл/г.; т - масса частицы, г; К - коэффициент сферичности частицы. Так как семена большинства овощных культур имеют вытянутую форму, то приобретаемый ими заряд распределится по поверхности неравномерно. Как утверждал Басов А.М., непроводящие частицы на электроде в электростатическом поле практически не заряжаются [8]. Для частиц, которые имеют проводящую поверхность и форму трехосного эллипсоида, распределение плотности заряда определяется зависимостью: т = f (2.5) n № У z 2 -0-0-0,/- - + -- + V 4 с4 где a, b, с- оси эллипсоида; х, у, z - текущие координаты.
Процессы сепарации более эффективно проходят при влажности семян до 12% . Однако их поверхность всегда покрыта конденсируемой из воздуха влагой [77], за счет чего семенные частицы принято считать диэлектриками с большой активной поверхностной проводимостью
Семена огурца не являются однородными диэлектриками, а состоят из кожуры с семядолей и зародыша, которые по отдельности можно рассматривать как однородные диэлектрики. Электрическое сопротивление и диэлектрическая прОЕіицаемость их неодинакова. Таким образом, процесс зарядки и распределения заряда на поверхности семени будет зависеть от электрических свойств составляющих частицы. Однако семя огурца является целым однородным диэлектриком, поверхность которого покрыта конденсируемой влагой из окружающей среды [44,103],
Также известно, что семена огурца имеют форму сплюснутого разновьітяігутого эллипсоида, что доляшо отразиться на стекании заряда с поверхности частицы [102].
Большое значение имеет способ получения частицами величины заряда и распределение его по поверхности частиц. Контактная зарядка - один из способов зарядки частиц сепарируемых материалов, при этом имеет значение и нахождение центра распределённого на частице величины заряда, так как он влияет на силы и моменты сил, действующие в электростатическом поле при сепарации [16,106].
Диэлектрик в электростатическом поле поляризуется путём смещения электрических зарядов на ограниченные расстояния под действием сил внешнего и вігутреннего электрических полей, причём на поверхности диэлектрика или в его объёме образуются связанные электрические заряды, которые не могут свободно перемещаться по его объёму или поверхности. Они создают свое электрическое поле [16] точно так, как и свободные заряды, и в этом отношении ни чем не отличаются от них. Напряжённость поля от дипольного момента связанных зарядов направлена противоположно напряжённости внешнего поля и ослабляет его.
Отмечено, что непроводящие частицы на электроде в электростатическом поле не заряжаются [5]. Проводник же, имеющий электронную проводимость, получает свободный заряд, соответствующий знаку заряда электрода. Если электрод отрицательный, то при хорошем контакте проводника с электродом электроны с его поверхности переходят на поверхность проводника, заряжая его отрицательно. Если электрод положительный, то электроны аналогично заряжают проводник положительно. Причем заряды распределяются тонким слоем по поверхности и по объему проводящей частицы [16, 6].
Определение некоторых физических свойств семян
При разработке процесса электрической сепарации конкретной семенной смеси необходимо, прежде всего, изучить электрические свойства ее компонентов. Знание их позволяет целенаправленно выбрать наиболее рациональный для данной семенной смеси способ электрической сепарации. Одной из таких характеристик является относительная диэлектрическая проницаемость семян.
При измерении относительной диэлектрической проницаемости отдельных семян наиболее приемлемым является метод, описанный в литературе [115,116].
В данном случае на основании закона распределения (в момент включения) электростатического поля в двухслойном диэлектрике напряженность однородного электростатического поля в воздушном зазоре определяется:
Таким образом, в воздушном зазоре образуется напряженность поля, позволяющая создать при у О вращающий момент поля Мэ, способный повернуть частицу и установить ее длинной осью перпендикулярно плоскости электрода (рис. 3.2): M3=E V302sin2y/(Sx;), (3.6) где Уэ - объем эллипсоидальной частицы; Фі — функция, отражающая влияние формы и диэлектрической проницаемости частицы на вращающий момент поля. Повороту частицы на плоскости противодействует момент силы тяжести: (l-k2)sm2y (l-p)cosy (3.7) Мс = mga , .—__ — 4V2cosV + smV 2(1+/?) где/? - коэффициент симметрии центра тяжести m - масса частицы. Частица может поворачиваться при условии МЭ МС. (3.8)
Запишем условие ориентировки частицы, используя выражения (3.2), (3.3), (3.1) и (3.4). После упрощений получим rfi 12fflg( - АО2 тг ПОЛ V2 2 2 2 ЛР -yJ U с а где Кр - функция, отражающая взаимное влияние относительных величин k up на исходное значение Ф/. КР -ТіТГ— - зло 2(1 + р) Между тем известно [III], что [І/(Є-І)+Ф1]-ГІ/(Є-І)+ФЛ ф, -ф, ф2=1 TF-1 ГГ (3.11) где Ф/ и Ф/ - коэффициенты осевой деполяризации вдоль малой и большой осей эллипсоида, зависящие только от коэффициента сферичности и изменяющиеся в пределах 0 Фг 0,333 йФг 0,5.
Таким образом, для того чтобы определить относительную диэлектрическую проницаемость отдельной частицы, необходимо определить ее геометрические размеры, затем поместить частицу в межэлектродное пространство на слой диэлектрика (во избежание ее контактной зарядки). m--:
Устройство для определения диэлектрической проницаемости отдельных сплюснутых разновытянутых частиц эллипсоидальной формы
Постепенно повышается напряжение до тех пор, пока частица под воздействием электростатического поля не сориентируется. Затем, рассчитав по правой части выражения (3.6) значение 02, по кривым Ф2=/(є, к) определяют относительную диэлектрическую проницаемость частицы.
Измерение объема семян сельскохозяйственных культур необходимо для косвенного определения их удельного веса (плотности), который является одним из критериев оценки урожайности семян.
Для определения объема единичных семян исследователи применяли способ, основанный на знании основных геометрических размеров семени, т.е. обычным расчетом, принимая семенную частицу за эллипсоид вращения [9]: V = —лаЬс (3.12) где а, Ъ,с - полуоси эллипсоида.
Однако определение объема семян расчетным методом не вполне правомерно, так как семена огурца в действительности отличаются не только от эллипсоидов вращения, но и от трехосных эллипсоидов и имеют разную степень вытянутости. Поэтому один из путей избежать ошибок, связанных с принятыми допущениями, является определение плотности семян по их экспериментально определенным массе и объему, что и было предложено.
Поставленная цель достигается тем, что поверхность исследуемого семени предварительно смачивается, и его помещают в воду, в емкость приемника соизмеримую по диаметру с капиллярной мерной трубкой. В ней при погружении семени в емкость приемника уровень заполнения изменится на величину объема семени, что отмечается на шкале капиллярной трубки, градуированной в единицах объема (рис. 3.3).
Принципиальная схема определения объема единичных семян
Для определения объема единичных семян методом случайного отбора выбирались 100 штук семян. Каждое семя после определения индивидуальной массы и измерения длины, ширины, толщины закладывалось в отдельную пронумерованную ячейку. Все данные записывались в графу, соответствующую номеру семени. 3.4. Определение статического коэффициента трения семян огурца по поверхности полочки
Эффективность работы ленточного электростатического триера во многом зависит от выбора материала для электродов-полочек, состояния их поверхности. Состояние поверхности определяет величину сил трения между семенами, лежащими на поверхности полочек, и поверхностью полочек и, в свою очередь, влияет на сопротивление семян движению. Поэтому одним из вопросов исследований является определение коэффициента трения семян огурца о материал полочки. Для исключения травмируемости семян поверхность полочки должна быть идеально гладкой, т.к. травмированные семена снижают полевую всхожесть на 20 % [41,59]. Наиболее приемлемым способом определения коэффициента трения является определение начала движения частиц с помощью наклонной плоскости [97,102].
Прибор для определения статического коэффициента трения представляет собой наклошгую плоскость из материала, для которого хотят определить коэффициент трения (в нашем случае оцинкованная сталь), с помещенной на нем навеской семян. Меняя угол наклона плоскости, по шкале прибора фиксируют угол наклона к горизонту, при котором семена начігут скользить вниз. Значение этого угла принимают за угол трения семян в покое rp. Статический коэффициент трения определяется по формуле:
Влияние напряжешюсти поля на условия срыва частицы с электрода -полочки
Значение напряжения, при котором семенная частица большой осью сориентировалась вдоль силовых линий электростатического поля, называется напряженностью ориентации [94]. Напряженность, при которой семенная частица срывается с полочки, называется напряжённостью срыва.
На заземленную полочку, выполненную из оцинкованного железа, плоской стороной укладывали семя огурца. К потенциальному электроду подводили высокое напряжение от ВИЛ. Затем, постепенно повышается напряжение до тех пор, пока частица не сориентируется. Опыты проводились на семенах огурцов сортов "Кустовой", "Феникс", "ТСХА 442" и "Нежинский 12", при постоянной влажности семян, температуре окружающего воздуха «20С.
Аналогично проводили исследования по определению напряженности срыва частиц с электрода-полочки.
Напряженность ориентации и напряженность срыва семенных частиц с полочки будут зависеть от физических и биологических свойств каждой частицы. Поэтому для каждой из них были по ранее описанным методикам определены геометрические и электрические характеристики.
Из анализа литературных источников известно, что на процесс сепарации семян в электрическом поле оказывает влияние большое количество факторов. Поэтому исследование влияния каждого из них и в совокупности потребовало бы значительных затрат времени [2,25,73,74].
При сортировании семян овощных культур требуется получение кондиционных семян при максимально возможном выходе их во фракцию крупных семян.
Для определения границ воздействия факторов проводятся поисковые опыты.
При исследовании возможности сортирования семян на ЛЭТ переменными являются следующие параметры: расстояние между электродами; скорость движения транспортёрной ленты; напряжение, подводимое на потенциальный электрод, влажность семян.
Постоянными являлись следующие параметры: продолжительность работы установки, относительная влажность воздуха, толщина диэлектрического слоя, температура окружающей среды.
Опыты проводились с использованием семян сорта "ТСХА 442" на разработанной установке (рис.3.8).
Подготовка к экспериментам и порядок проведения опытов заключается в следующем: 1. Подготовка семенной смеси. По методике,, описанной в п.3.2, семенная смесь доводится до необходимой влажности. Опыты проводились при влажности 8, 10,12, 14,16, 18 %. 2. Для проведения эксперимента смесь тщательно перемешивается и взвешивается. 3. Устанавливается необходимое расстояние межэлектродного пространства. 4. Включается электродвигатель и подаётся высокое напряжение на электроды. 5. Устанавливается требуемая скорость движения транспортёрной ленты и семенная смесь подаётся на полочки. 6. Взвешиваются пробы, данные заносятся в журнал. 7. Семенная смесь из пробников раскладывается на столе. Измеряется толщина и масса 50 семян из каждого пробника, результат записывается в контрольный журнал. 8. Каждый опыт повторяется трижды [32]. Устанавливаются следующие параметры и режимы и проводятся дальнейшие исследования. После проведения серии опытов (3...4) обновляется семенная смесь, из неё удаляются травмированные семена, очищаются полочки и бункера, проверяется натяжение транспортёрной ленты.
Предварительные опыты показали, что сортирование семян на ленточном электростатическом триере зависит от большого количества факторов. Поэтому исследование данного процесса потребовало бы больших затрат времени. Значительно ускорить процесс исследования позволяют методы активного планирования эксперимента, нашедшие применение при исследовании многофакторных процессов [24,25,53, 71].
Данная методика использовалась и при исследовании работы ленточного электростатического триера. На первом этапе исследования по предварительным опытам установлено, что процесс сепарации зависит от следующих факторов: а) управляемых факторов - подводимого напряжения; скорости движения транспортерной ленты, расстояния между электродами; подачи семенного материала; б) неуправляемых факторов - параметров внешней среды.
Несмотря на то что условия внешней среды относятся к неуправляемым факторам, результаты исследования физических свойств показали, что эффективная очистка зависит от параметров внешней среды. Поэтому технологические опыты проводились в отапливаемом помещении, где параметры внешней среды поддерживались в заданных пределах (ф 55%; t 20Q.
Таким образом, факторами, которые определяют процесс разделения семян на ленточном электростатическом триере, являются: XI - подводимое напряжение; Х2 - скорость движения транспортерной ленты; ХЗ - расстояние между электродами; Х4 - подача семян на электроды. Из всех планов менее трудоемки линейные. Однако они не всегда адекватны, и поиск оптимального режима сепарирования по данному плану сложен. С этой точки зрения планы второго порядка более удобны, и в большинстве случаев они адекватно описывают процесс сепарации.
Эффективность разделения семенной смеси определяется качеством и количеством основного продукта, полученного в результате обработки исходной семенной смеси [97].
При разделении семенной смеси на ЛЭТ каждая фракция содержит некоторое количество постороннего компонента, что снижает качество готового продукта. Следовательно, основным критерием оценки результатов работы ЛЭТ должно быть количество основного продукта и его качество. Значение эффективности сортирования должно быть тем выше, чем лучше извлечение крупных семян из исходной смеси [45,97].
Качество работы электрических сепараторов оцениваются технологической эффективностью [24,102]: V W/20" , (3.17) где Wj - выход крупных семян в нижний бункер в долях единицы, Ф2о- содержание мелких семян в исходной семенной смеси шт/кг, (ри - содержание мелких семян в нижнем бункере шт/кг. Основные уровни и интервалы варьирования для проведения полнофакторного эксперимента определяются на основании анализа поисковых экспериментов
