Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Индустриальные методы подготовки и сортирования семян , 7
1.2. Использование электрических полей для сортирования семян 9
1.3. Разделение частиц в электросемяобрабатывающей машине камерного типа 14
1.4. Рабочая гипотеза и задачи исследования 19
Глава 2. Теоретическое исследование координаты центра отеста, как признака сортирования семян овса . 23
2.1. Координата центра тяжести, как признак сортирования семян овса 23
2.2. Влияние смещения центра тяжести на поведение удлиненных частиц в электрическом поле 29
2.3. Ориентация частиц со смещенным центром тяжести в поле коронного разряда 39
2.4. Влияние начальных условий на характер движения частиц 46
2.5. Зарядка удлиненных части при различных углах ориентации 52
2.6. Выводы по 2 главе 57
Глава 3. Методика экспериментальной проверки координаты центра шести, сортирования семян овса 58
3.1. Цель и программа экспериментальных исследований 58
3.2. Анализ и выбор метода регистрации траектории частиц в поле коронного разряда 59
3.3. Методика экспериментального определения величины угла равновесия
3.4. Методика определения коэффициента ориентации. 74
3.5. Методика исследования координаты центра тяжести, как признака сортирования семян овса 80
3.6. Выводы по 3 главе 85
Глава 4. Результаты экспериментальной проверки координаты центра шести, как признака сортирования семян овса 86
4.1. Результаты исследования процесса ориентации и траектории движения семян 86
4.2. Результаты исследования угла равновесия 102
4.3. Результаты исследования коэффициента ориентации 107
4.4. Результаты исследования координаты центра тяжести, как признака сортирования 112
4.5. Выводы по 4 главе . 115
Глава 5. Результаты полевого опыта и расчет экономической эффективности . 119
5.1. Методика полевого опыта . 119
5.2. Результаты полевого опыта 128
5.3. Оценка экономической эффективности сортиро вания семян овса по КЦТ 133
5.4. Практическая реализация результатов исследования ^
5.5. Заключение и выводы 139
Использованная литература 142
Приложения 151
- Разделение частиц в электросемяобрабатывающей машине камерного типа
- Ориентация частиц со смещенным центром тяжести в поле коронного разряда
- Методика исследования координаты центра тяжести, как признака сортирования семян овса
- Результаты исследования координаты центра тяжести, как признака сортирования
Введение к работе
В Продовольственной программе, принятой на майском (1982 г.) Пленуме ЦК КПСС, сказано: "Устойчивое наращивание производства зерна - ключевая проблема сельского хозяйства". Вместе с задачами по обеспечению страны продовольственным зерном здесь уделяется внимание на производство фуража. "Для увеличения ресурсов зерна, наряду с наращиванием производства ячменя и овса - полнее использовать большие возможности кукурузы" /і/. Следовательно, производству пленчатых злаков, занимающих в зоне Сибири и Урала до 40% посевной площади, уделяется значительное внимание. Основной путь наращивания производства зерна - повсеместное повышение урожайности, которая к 1990 году должна составить в среднем по стране 21...22 ц/га /і/. Поэтому необходимо совершенствовать структуру посевных площадей, увеличивать посевы зерновых в зоне достаточного увлажнения, совершенствовать семеноводство /2/. Совершенствование семеноводства, помимо селекционной работы, включает в себя более качественную очистку и сортировку семян. В 1978 г. на конференции по земледельческой механике отмечалось: "Дальнейшее качественное развитие этих операций традиционными технологическими приемами затруднено сходством свойств, по которым происходит разделение" /3/.
В этой связи применение средств электронно-ионной технологии (ЗИТ) для упомянутых целей представляется перспективным, так как фракционирование семян осуществляется по комплексу свойств, который включает свойства ранее не используемые в зерноочистке /4/. Теория и конструкция электросемяобрабатывающих машин (ЮС) разработана и описана в трудах профессора А.М.Басова и учеников его школы. Им же в развитие этих работ выдвинуты гипотезы, связанные с исследованием разделения частиц сложного строения, в частности, сортирование семян овса. Представленная работа выполнялась по плану проблемной лаборатории ЭИТ орцена Трудового Красного Знамени Челябинского института механизации и электрификации сельского ховяйства (ЧЙМЭСХ) и целевой комплексной научно-технической программы О.Ц 032, задание 02.03, раздел 02.03.01. Работа направлена на совершенствование технологии подготовки семян овса с целью улучшения их посевных свойств и повышение урожайности.
На защиту выносятся результаты теоретических, лабораторных и производственных исследований, полученных при изучении влияния ориентации зерен на протекание процесса разделения в элект-росемяобрабатывающей машине камерного типа (МЗС-К), а именно:
- теоретическое изучение поведения частиц со смещенным центром тяжести в поле коронного разряда;
- методики экспериментального исследования процесса движения частиц в поле коронного разряда, регистрации углов ориентации и равновесия частиц, оценки структуры зернового потока;
- анализ конструкции устройств ориентации удлиненных частиц и результаты их исследований;
- исследование зависимости биологических качеств семян овса от положения их центра тяжести;
- исследование эффективности сортирования семян овса на МЗС-К с устройством ориентации.
Здесь подвергаются анализу современные методы подготовки семян, сортирование пленчатых злаков как элемента их технологии и возможности использования для этого МЭС-К.
Из работы следуют основные положения:
1. Асимметричное расположение центра тяжести удлиненных частиц влияет на поведение и траекторию их движения в поле коронного разряда.
2. Посевные свойства семян овса зависят от положения центра тяжести,
3. Фракционирование семян овса по положению центра тяжести с использованием предварительной ориентации зерен является сортированием по посевным свойствам.
4. Для проведения сортирования предлагается электросемя-обрабатывающая машина камерного типа с устройством ориентации. Практическая и экономическая целесообразность такого сортирования доказана результатами полевого опыта.
Разделение частиц в электросемяобрабатывающей машине камерного типа
В постановлении ЦК КПСС "О дальнейшем развитии специализации и концентрации сельскохозяйственного производства на базе межхозяйственной кооперации и агропромышленной интеграции" отмечается, что одним из главных путей интенсификации и повышения эффективности сельскохозяйственного производства является перевод его на современную индустриальную основу /5/. В области зернового хозяйства эта задача решается разделением процесса производства семян и товарного зерна. Такой подход потребовал перестройки организационной структуры этой специфической отрасли сельскохозяйственного производства. Разработана и осуществляется система размножениями снабжения совхозов и колхозов сортовыми,районированными семенами перспективных сортов. В этой системе предусмотрено четыре этапа, каждый ив которых обеспечивает потребности последующего. На 4-ом этапе осуществляется обеспечение семенами хозяйств, производящих товарное зерно. По этапам организации распределены следующим образом: - научно-исследовательские учреждения; - опытно-производственные хозяйства научно-исследовательских учреждений и учхозы сельхозвузов; - специализированные семеноводческие хозяйства; - семеноводческие отделения совхозов, крупные бригады. Семена создаются ежегодно и их качества по годам, в зависимости от условий выращивания, меняются /6/. Это изменение возможно как в лучшую, так и в худшую сторону, причем последнее явление нежелательно. Для поддержания качества семян на регламентируемом уровне применяются различные методы и приемы очистки, сушки, сортирования, специальных видов предпосевной обработки. В большинстве хозяйств эти операции проводятся на машинах, предназначенных для получения товарного зерна, что сказывается на качестве семян. Так, например, на машинах решетного типа не всегда можно отделить зараженное, недозревшее (но влажное) зерно, провести сортирование длинных семян (овес) по ширине -большое их количество идет сходом, даже если ширина семян меньше диаметра отверстия решет /7/. Поэтому и стоит вопрос о необходимости качественного сортирования семян, т.е. разделения очищенных семян на фракции по их физическим свойствам, с целью выделения наиболее ценной части их для посева.
Как показано в анализе /6/ в настоящее время нет единого мнения о признаке, по которому необходимо сортировать семена. Например, Н.Н.Ульрих /8/ считает, что более крупные и более тяжелые семена, как правило, обладают большей продуктивностью, а ее отражением может служить индивидуальная масса. Н.А.Майсурян /її/ отмечает, что сортирование целесообразно вести по поперечным размерам и плотности, Н.Г.Строна /9,19/ утверждает, что для семян важна не крупность, а полноценность, которая зависит от содержания в семени в нужном соотношении всех необходимых минеральных и органических веществ, комплекса ферментов и витаминов. Только такие семена обладают высокой жизненностью. Зти свойства проявляются в большей степени у "средних" семян, которые в среднем определяют все качества данной семенной партии и являются ее главной составной частью (у зернообрабатывающих машин при разделении семян такой частью является вторая фракция). С точкой зрения Н.Г.Строны нельзя не согласиться хотя бы исходя из того соображения, что природа в процессе эволюции вряд ли могла возложить функцию продолжения рода на семена, составляющие малый процент от общей массы. Следует отметить, что большинство исследований по сортированию проводилось на семенах пшеницы, зерна которых имеют относительно однородное внешнее строение. Существует необходимость подготовки и семян пленчатых культур, которые в зерновом клине страны занимают значительное место. Например, в зоне Сибири и Урала посевы овса занимают 2%, а ячменя 10о от всей занимаемой площади /17,18/. В Челябинской области соответственно 14 и 19%. Сортирование таких культур -процесс более сложный, так как их внешняя структура не однородна, а состоит из двух частей: зерновки и пленок. Это, а также асимметричное расположение зерновки относительно пленок /20/, не дает желаемых результатов при сортировании. В связи с этим необходимо исследовать малоизученные свойства семян пленчатых злаков, выявить их закономерности и использовать для улучшения качественных показателей. К ним относим асимметричное строение зерна, которое в камерном сепараторе влияет на его ориентацию и поведение / dl,22/, а значит и на процесс разделения.
Ориентация частиц со смещенным центром тяжести в поле коронного разряда
Для определения возможности применения технологических приемов и приспособлений в качестве средств, интенсифицирующих и улучшающих процесс сортирования, нами рассмотрены патентные материалы СССР, США, ФРГ, Великобритании, Франции, Японии за последние 25 лет по классам ВОЗс и В07в. Анализ показал, что все предложения можно разделить на две группы: конструктивные изменения узлов, их усовершенствование и изменение физики процесса (нагрев, увлажнение материала, использование дополнительных физических факторов). Для улучшения качественных показателей сортирования на МЭС необходимо создать условия, в максимальной степени способствующие проявлению различий в свойствах семян. С этих позиций больший интерес представляют предложения второй группы, а предпочтение одному ив них можно отдать после научно-теоретического обоснования. Следует признать, что нагрев и увлажнение - нежелательные факторы при обработке семян, поэтому в дальнейшем их не рассматривали. Анализ результатов исследований и испытаний по сортированию семян на МЭС-К, печатных трудов и патентных материалов показывает, что для более эффективного ее использования в промышленной технологии подготовки семян необходимо решить целый ряд теоретических и практических задач. Во-первых, необходимо уточнить вопрос о распределении электрического заряда по поверхности зерен овса.
Расчет для зерен овса при времени зарядки А 6 0,1 с показал, что перераспределение заряда по поверхности произойдет, если J9f « 2,5 Ю- -0 Ом /32/. Исследования, проведенные в ЧИМЭСХ /42/, показали, что сопротивление зерен пленчатых культур отличается от указанного в 1.3, и при влажности 16...20 равно 10 ...10 Ом, а для пшеницы - 10 ...10 Ом. Другие источники /78/ утверждают, что при влажности 14...19 эти значе-ния составляют 10 ...10 Ом, что на несколько порядков ниже предельных величин у .
Скоростная фотосъемка /46,47/ дала возможность установить, что время зарядки частиц в камерном сепараторе составляет 0,3... 0,4 с, что в 3...4 раза больше, чем дается в теории. Кроме того, в работе по исследованию кинетики зарядки /48/ установлен факт коронирования удлиненных частиц с конца, обращенного к некоро-нирующему электроду. Это позволяет предположить, что в процессе зарядки, накопления заряда с одного из концов семени не происходит, а он перераспределяется по всей поверхности /16/. Поэтому можно считать, что равнодействующая сил заряда частицы приложена к ее геометрическому центру. Для удлиненных частиц, у которых геометрический центр и центр тяжести не совпадают (зерна овса /20/), это означает, что электрический заряд создает относительно центра тяжести вращающий момент (кроме случаев, когда = 0 = ) /49/, где Р - угол между большей осью частицы и плоскостью электродов. При равных прочих условиях момент будет тем больше, чем больше асимметричность частицы.
Нам представляется возможным использовать это явление для формирования структуры зернового потока, состоящего из заряженных зерен и организации его движения. Здесь намечаются два пути. Для неоднородных по свойствам частиц необходимо добиваться максимально возможного сближения параметров их ориентации. В этом случае условия зарядки не будут влиять на разделение и классификация будет осуществляться по свойствам частиц. Второй путь связан с сортированием уже подработанных и относительно выравненных по весу и размерам частиц. Чтобы эту массу семян разделить на более и менее качественные, частицам этих групп нужно обеспечить свой диапазон углов ориентации. Зернам с большей степенью асимметрии больший угол входа в зону разделения, частицам с малой асимметрией - меньший. При этом первые получат меньший заряд, вторые - больший ( 1.3). Эту операцию будет выполнять разработанное нами приспособление, названное устройством ориентации.
Мы предполагаем, что подбором параметров работы устройства ориентации можно добиться таких условий, когда зерна, отличающиеся друг от друга расположением центра тяжести, будут выходить из устройства ориентации в рабочую зону под различными углами, и в соответствии с ними процесс ориентации будет протекать неоднозначно. Это определит электрический заряд и классификацию зерен по расположению центра тяжести. То-есть процесс разделения семян протекает по параметрам их внутреннего строения. И так как предварительные исследования показали корреляционную связь между асимметрией зерен овса и их посевными качествами, то по расположению центра тяжести семени сортирование возможно.
На основании выполненного анализа и рабочей гипотезы поставлена научная задача настоящей работы - обоснование и исследование предварительной ориентации частиц, как средства улучшения промышленной подготовки семян овса в электрокоронном камерном сепараторе. Для решения этой задачи намечена программа теоретических и экспериментальных исследований.
Методика исследования координаты центра тяжести, как признака сортирования семян овса
Для изучения ориентации частицы на всем протяжении ее полета используют киносъемку. А так как процесс движения скоротечный, то используется скоростная киносъемка с ее громоздкой аппаратурой. Этот метод устраняет недостаток предыдущей методики - съемка дает полное представление о эволюциях поведения частицы и вносит свои, присущие киносъемке недостатки /54,56,57,58, 59/. У скоростных кинокамер объективы имеют малый апертурний угол и поэтому съемку нужно проводить с расстояния 7...8 м, так как поле зрения по вертикали составляет 0,8...1 м (средняя высота секции камерной машины). Другие трудности киносъемки вытекают из кратковременности экспозиции одного кадра. Это усложняет процесс подготовки объекта съемки и всей аппаратуры. Подготовка заключается в следующем: - удалении из зоны съемки посторонних деталей; они в кадре создадут "неразбериху"; - разделении по контрастности объекта и фона; - выборе освещения по направлению и уровню; - введении в кадр масштабной линейки, координатной сетки или других шкал отсчета; - обеспечении записи времени, синхронности включения кинокамеры и выпуска объекта съемки, произвести записи условий и данных опыта или его шифра в кадр съемки; - проведении расчетов на частоту съемки, в соответствии со скоростью снимаемого объекта: где с - время экспозиции кадра, - скорость движения изображения, sr?z- масштаб изображения. При соблюдении всех этих условий и при качественной обработке пленки (что тоже является трудоемким процессом) можно получить достоверный дешифрируемый материал. Дешифровка является процессом сложным и длительным по времени. Нельзя не отметить и еще один недостаток скоростной киносъемки. Пленка, перематываемая в аппарате при разгоне до рабочей скорости (4,5...5 м), идет в отходы. Учитывая большую трудоемкость при работе со скоростной кинокамерой, нам пришлось от него отказаться, а в данной работе был использован метод скоростной фотографии применительно к условиям съемки частиц в поле коронного разряда. Методика этого метода представлена ниже.
Методика скоростной фотографии Метод скоростной фотографии был ранее использован для наблюдения движения частиц аэрозоля в переменном электрическом поле и в дальнейшем при уточнении заряда электрона /56/. В обоих случаях регистрация проводилась через объектив микроскопа, а исследования движения объекта - в малом объеме кюветы. Способ скоростной фотографии используется также для исследования рабочих процессов в сельскохозяйственных машинах /55/. Во всех этих исследованиях получение повторяющихся вспышек проводилось при помощи вращающегося диска с прорезями и установленного между источником света и объектом съемки. В проблемной лаборатории сильных электрических полей Московского энергетического института для получения вспышек вместо обтюратора использовали импульсный источник света, частоту вспышек которого можно регулировать. Мощность импульса вспышки до 500 Дж при длительности импульса до Ш0 мкс /56/. Условия съемки процесса падения зерна в поле коронного разряда несколько отличаются от вышеописанных. Действительно, скорость зерна обычно превышает 1 м/с и поэтому, если линейный размер поля зрения микроскопа составит 5 мм, время регистрации составит всего 0,005 с, что явно недостаточно для полной картины процесса, протекающего 0,4 с /46/. Большие размеры поля зрения и ограничение размеров установки вынуждают использовать фотоаппараты, объективы которых обладают большим апертурним углом. Достаточно большие размеры объекта исследования (длина зерна овса до 16 мм) позволяет применить постоянное освещение объекта съемки; прерывистость траектории обеспечивается за счет обтюратора, вращающегося между объектом съемки и фотоаппаратом. Принципиальная схема установки показана на рис. 3.1. Работа установки осуществляется следующим образом: исследуемая частица устанавливается в устройстве 3, позволяющее выпустить ее с любым начальным углом ориентации. При включении автоматической системы управления установкой, частица выпускается и падает между коронирующим Z и осадительным 4 электродами. К коронирующему электроду подсоединен высоковольтный выпрямитель 6. Частица падает на фоне черного тела 1 -(черный бархат, коэффициент отражения которого 1, /61/). Освещение объекта съемки осуществляется осветителями 5. В процессе всего полета частицы затвор камеры 8 открыт, фиксирование положения частицы происходит лишь в моменты, когда прорези 8 вращающегося обтюратора 7 совпадают с объективом фотоаппарата. Обработав негатив, получаем наглядное изображение траектории и ориентации частицы в моменты фиксирования. Постоянство временных параметров процесса, последовательность всех операций обеспечивают реле времени системы управления установкой и использование электромагнитных исполнительных механизмов, позволяют полностью автоматизировать процесс съемки каждого кадра.
Результаты исследования координаты центра тяжести, как признака сортирования
Из литературы /48,69/ известно, что на качество разделения семян влияет не только вид их подачи в технологическую зону, но и внутренняя структура зернового потока. Одной из попыток повлиять на нее является использование диэлектрической плоскости /76/, которая ориентирует частицы зерновой смеси меньшей осью поля. Для семян трав (частицы малого веса) этот прием считается эффективным. Для семян зерновых культур процесс разделения в электросепараторах протекает эффективнее при максимальных зарядах, а это возможно тогда, когда зерна сориентированы вдоль поля большими осями. Поэтому использовать диэлектрическую плоскость при сортировании семян пленчатых злаков не представляется возможным. Кроме того, она имеет еще и ряд недостатков: - материал плоскости, находясь в электрическом поле, поляризуется, что не позволяет осуществлять регулировку напряженности на плоскости; - сама плоскость создает неоднородность электрического поля в рабочей зоне, что ухудшает технологические показатели; - в плоскости электродов семена располагаются произвольным образом и это влияет на характер траектории зерен. Поэтому для организации зернового потока таким образом, чтобы зерна ориентировались большей осью вдоль поля, предлагается устройство, выполненное на уровне изобретения /50/. Его конструкция представлена на рис. 3.4. Устройство состоит из двух пластин - электродов 1, 2, между которыми перпендикулярно им устанавливаются скатные плоскости 3. Угол наклона их относительно вертикали изменяется. Это достигается при помощи шарнирного крепления скатных плоскостей в верхней части при помощи штифтов 7, входящих в отверстия 8. В нижней части соединение подвижное. Все плоскости объединены планкой 4, в пазы 5 которой входят штифты 6. Горизонтальное передвижение планки перемещает плоскости параллельно друг другу и позволяет изменять их угол наклона в пределах перемещения штифтов в пазах. Такая конструкция позволяет в процессе исследования изменять угол наклона плоскостей и найти их оптимальное значение. Конструктивные размеры устройства зависят от габаритов самой машины и размеров обрабатываемого материала: - длина пластин-электродов равна ширине рабочей воны сепаратора ; - расстояние между пластинами-электродами (и ширина скатных плоскостей) на 1...2 мм больше длины самого длинного семени; - высота устройства определяется экспериментальным путем. Пластины-электроды подсоединены к разноименным полюсам вы соковольтного источника напряжения и между ними создается элект ростатическое поле. Работа устройства осуществляется следующим образом. Из приемного бункера частицы зерновой смеси попадают в устройство ориентации, где они по скатным плоскостям перемещаются вниз. Одновременно с этим под действием электростатического поля зерна разворачиваются таким образом, что их большая ось совпадает с силовыми линиями поля. Необходимых параметров ориентации частиц зерновой смеси можно добиться изменением напряжения на электродах устройства, угла наклона скатных плоскостей, высоты устройства ориентации (длины скатных плоскостей). Первые два параметра можно изменять за счет регулировок в процессе исследования. Максимальная величина напряженности между электродами-пластинами ограничена диэлектрической прочностью межэлектродного промежутка. Для повышения напряженности между пластинами-электродами устанавливается слой диэлектрика. За счет перераспределения в рабочей зоне напряженность увеличивается. Повышение напряженности сводится к установке в устройство дополнительного элемента. В отличие от этого, изменение высоты устройства влечет изготовление нового образца и изменение конструктивных размеров самого сепаратора. Предварительные наблюдения показали, что длина скатных плоскостей, равная 25 см достаточна для процесса ориентации. Устройство с такими скатными плоскостями и было испытано /50/.
Для подсчета показателя ориентации П0 необходимо знать углы ориентации частиц зерновой смеси в исследуемой зоне. Зафиксировать положение частиц в данный момент времени позволяет фотосъемка. Рассмотрим методику фотографирования зернового потока на установке, которая предназначена для определения параметров устройства предварительной ориентации и предварительной зарядки /13/. Установка показана на рис. 3.5. Поясним назначение ее узлов. В секции транспортерной машины 2 осуществляется предварительная зарядка семян, после чего они поступают в устройство для предварительной ориентации 3. В этом устройстве изменяются два параметра: напряжение на электродах и наклон скатных плоскостей. Для данного устройства важно знать, каким образом сформирован зерновой поток к моменту входа его в зону разделения в камерной секции 1. Поэтому фотосъемку производим в промежутке между верхней границей камерной секции « .
