Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1 Семена огурца и их физические свойства 10
1.2 Устройства для механической сортировки семян огурца и их классификация 14
1.3 Устройства для сортирования семян огурца в электрическом поле и их классификация 21
1.4 Необходимость разработки ленточного электростатического триера 28
1.5 Постановка задач исследований 30
2 Теоретическое обоснование технологических параметров ленточного электростатического триера 31
2.1 Математическая модель, позволяющая определить скорость ленты ЛЭТ 31
2.2 Математическая модель, определяющая производительность валика питателя ЛЭТ 37
2.3 Математическая модель, определяющая напряженность поля в межэлектродном промежутке ЛЭТ 41
2.4 Выводы по главе 44
3 Методика экспериментальных исследований 45
3.1 Проведение сравнительного исследования базового и нового вариантов ЛЭТ 45
3.2 Проведение планирования эксперимента по определению технологической эффективности нового варианта ЛЭТ 48
3.3 Влияние электростатического поля на прорастание ростков и корешков семян огурца 50
3.4 Определение потенциала на высоковольтном электроде 51
3.5 Методика измерения напряженности поля в межэлектродном промежутке ленточного электростатического триера 53
3.6 Методика определения толщины слоя семян фотоэлектрическим датчиком на полочках ленточного электростатического триера 54
3.7 Работа ленточного электростатического триера 56
3.7.1 Структурная схема управления ленточным электростатическим триером 56
3.7.2 Описание работы электрооборудования ЛЭТ 57
3.8 Выводы по главе 62
4 Результаты экспериментальных исследований 64
4.1 Нахождение скорости ленты ЛЭТ 64
4.2 Нахождение производительности валика-питателя 64
4.3 Результаты сравнительных испытаний базового и нового вариантов ленточных электростатических триеров 64
4.4 Результаты планирования эксперимента на разработанном ленточном электростатическом триере при производственных испытаниях в ГНУ
«Ярославский НИИЖК Россельхозакадемии» 66
4.5 Результаты влияния электростатического поля на прорастание ростков и корешков семян огурца 72
4.6 Результаты определения потенциала на высоковольтном электроде 73
4.7 Результаты измерения напряженности поля в межэлектродном промежутке ленточного электростатического триера 76
4.8 Результаты определения толщины слоя семян фотоэлектрическим датчиком на полочках ленточного электростатического триера 77
4.9 Рекомендации по применению ЛЭТ в овощеводческих хозяйствах 78
4.10 Выводы по главе 79
5 Технико-экономическая эффективность капитальных вложений на разработку лэт 81
Заключение 88
Литература
- Устройства для сортирования семян огурца в электрическом поле и их классификация
- Математическая модель, определяющая производительность валика питателя ЛЭТ
- Проведение планирования эксперимента по определению технологической эффективности нового варианта ЛЭТ
- Результаты сравнительных испытаний базового и нового вариантов ленточных электростатических триеров
Устройства для сортирования семян огурца в электрическом поле и их классификация
Проведенные опыты на данном сепараторе с семенами огурца показали, что сортирование по ширине семени путем ориентировки и просеивания через решета с круглыми отверстиями позволяет получить растения с большим числом женских соцветий [67,68]. При этом замечено, что просеивались через решета частицы длиннее других. Недостатком метода была малая производительность устройства из-за длительной зарядки и ориентировки частиц при напряжении до 10 кВ. Напряжение было обусловлено разделения семян зерновых культур на данном устройстве [55,56].
Электростатические ленточные триеры предназначены для сортировки семян на 2 фракции - с наибольшей толщиной и длиной, и с наименьшей толщиной и длиной. Исходный материал должен иметь кондиционную влажность (13-15%).
При дальнейшем поиске устройств с большей производительностью и с использованием электростатического поля был найден электростатический триер (рисунок 1.11) Быкова В.Г. и Шмигеля В.Н [9].
Ленточный электростатический триер имеет раму, электропривод с двигателем постоянного тока или асинхронным электродвигателем, механизм регулирования скорости привода. Основным рабочим органом электросепаратора является высоковольтный электрод. -загрузочный бункер; 2 - заземленные барабаны;
Семенная смесь загружается в бункер 1, закрепленные полочки 4 на ленте 3 захватывают семенной материал из загрузочного бункера, семенной материал движется вверх, проходя межэлектродное пространство, где подвергается действию электростатического поля. Вращающий момент поля разворачивает длинные семена на полочке вдоль силовых линий поля и они сваливаются в бункер 7 длинных семян. Короткие семена относятся лентой на полочке вверх и попадают в приемный бункер 8 коротких семян [9].
Ленточный электростатический триер Шмигеля В.В (рисунок 1.15) [55,56,57,58,59,60,62] имеет, по сравнению с предыдущим, загрузочный бункер с соплом на всю ширину полочки. К соплу закреплена вертикальная пластина из изоляционного материла. Триер включает вертикальную установленную бесконечную ленту с поперечными ребрами - полочками и электрод в зоне разделения семян. Под полочки по всей их ширине установлены изогнутые экстракторы из изоляционного материала. Технологический процесс работы данного триера подробно описан в литературе [55,56].
В триере применен двигатель постоянного тока, с помощью которого плавно регулируется скорость ленты и варьируется в пределах 0,04 - 0,07 м/с. Межэлектродный промежуток составляет - 20 мм. Производительность триера - 2 кг/ч [55,56]. а) технологическая схема б) внешний вид
Анализ существующих электростатических триеров Быкова В.Г. и Шмигеля В.Н, Шмигеля В.В и Стерховой Т.Н. по сепарации семян огурца в электростатическом поле, с учетом их недостатков показал, что применяемый технологический процесс сортирования семян в данных установках является одним из перспективных, но не отвечает поддержанию процесса сепарации на уровне высокой технологической эффективности. Отсутствие данных о влиянии параметров работы узлов триера на технологическую эффективность не позволяют обосновать и формировать качество процесса сепарации. На основе этого была определена необходимость усовершенствования ленточного электростатического триера.
Математическая модель, определяющая производительность валика питателя ЛЭТ
Сравнительные исследования базового и нового вариантов ЛЭТ проводили в учебно-научной лаборатории «Электротехнология» кафедры «Электрификация» ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА».
Технологическая схема ленточного электростатического триера (рисунок 3.1), предложенная Шмигелем В.В. и Угловским А.С. [32, 53] состоит из загрузочного бункера 1, с валиком питателем 2 и узким соплом 3 для подачи семян на полочку 4, закрепленную на бесконечной ленте 5, натянутую на заземленные барабаны 6. Полочки 6 на бесконечной ленте заземлены через барабаны металлическим тросом. Ширина полочек соизмерима с шириной семян. Однородное электростатическое поле образуется между закрытой диэлектрической прослойкой 7 и плоским электродом 8, к которому подведен потенциал от высоковольтного выпрямительного устройства. К соплу 3 бункера 1 закреплена вертикальная изоляционная пластина 9 из изоляционного материала. Под полочками 4 по всей их ширине установлены изогнутые экстракторы 10 из изоляционного материала. Длинные семена попадают в бункер 11, а короткие в бункер 12. На раме в межэлектродном пространстве установлены фотоэлектрические датчики 13. За опустошением семян в загрузочном бункере и переполнением семенами верхнего и нижнего бункеров следят емкостные датчики 19. На высоковольтном электроде 8 установлен электростатический датчик 14 напряженности поля. Электрод 8 перемещается актуатором 15, закрепленным на раме 16 и электроде, перемещающегося по роликовым опорам 17, установленном на раме 18.
Триер работает следующим образом: семенная смесь загружается в бункер 1 и питающим валиком по узкому соплу 3 подается на полочку 4 по всей ее ширине движущей ленты 5 и выносится в межэлектродное пространство, где подвергается действию электростатического поля. Вращающий момент электростатического поля разворачивает длинные семена на полочке вдоль силовых линий поля, и они сваливаются в бункер 11 длинных семян. Короткие семена на полочках относятся лентой вверх и благодаря экстрактору 10 попадают в приемный бункер 12 коротких семян. В технологическом процессе контролируется напряженность ПОЛЯ в межэлектродном промежутке ЛЭТ за счет определения потенциала электростатическим датчиком 14 и количеством импульсов с датчика Холла актуатора 16. При изменении установленного параметра в контроллере -напряженности поля в межэлектродном пространстве актуатор отодвигает электрод в начальное положение, возникшая проблема отображается на панели управления. Такт дозирования валика-питателя загрузочного бункера и скорость движения ленты настраиваются именно так, чтобы семена порционно, в одинарный слой, попадали на полочку ЛЭТ. При этом семенной слой постоянно контролируется фотоэлектрическими датчиками 13, толщина которого должна быть минимум - 2мм. Рисунок Технологическая схема разработанного ленточного электростатического триера Устройство базового варианта ЛЭТ показано в главе 1. Характеристики устройств базового варианта и нового варианта представлены в главе 4. Сравнения проводятся по производительности, технологической эффективности, количеству обслуживающего персонала, габаритным параметрам, мощностным характеристикам двигателей и процентному количеству женских соцветий и урожайности к уборке. 3.2 Проведение планирования эксперимента по определению технологической эффективности усовершенствованного варианта ЛЭТ
Предварительные эксперименты показали, что сепарация семян на ЛЭТ зависит от большого количества факторов. Поэтому исследование данного процесса потребовало бы много времени. Значительно ускорить процесс исследования позволяют методы планирования эксперимента, применяемые для исследования многофакторных процессов [1,3,10,21,27,34]. При проведении предварительных опытов установлено, что процесс сепарации зависит от следующих параметров (факторов):
Результаты исследования сепарации семян показали, что эффективная сортировка семян зависит от параметров внешней среды. Поэтому опыты проводились в отапливаемом помещении, где параметры внешней среды поддерживались в заданных пределах (ф 50 влажность воздуха; температура воздуха t = 22 С).
Факторы, определяющие процесс сепарации семян на ЛЭТ, являются: Xi - подводимое напряжение, U, кВ; Хг - скорость движения транспортерной ленты, v, м/с; Хз - подача семян валиком-дозатором на полочки триера, w, кг/ч. где u - номер параллельного опыта в центре плана; уои - значение функции отклика в и опыте; j - номер опыта в матрице планирования; і, 1 - номера факторов; ху и хц - кодированное значение і- го и 1- го факторов в j опыте; yj - значение отклика в j опыте; цифра 3 над знаком суммы - число факторов; цифра 15 над знаком суммы - число опытов в матрице планирования.
Для изучения влияния конструктивно-технологических параметров ЛЭТ на качество сепарации семенного материала применяли поисковые эксперименты и многофакторные методы планирования эксперимента. После выполнения многофакторного эксперимента и получения выходного параметра, обработка данных проводится с помощью пакета прикладной программы «STATGRAPHICS Plus».
Проведение планирования эксперимента по определению технологической эффективности нового варианта ЛЭТ
Анализ графических зависимостей (рисунки 4.2-4.4) показывает, что изменение подводимого напряжения в указанных пределах (13,8-13,9) кВ и одновременно изменение подачи семян на полочки триера (3,9 - 4,0) кг/ч, скорости транспортерной ленты - (0,03-0,032) м/с дает технологическую эффективность - 0,87. Проверка адекватности модели произведена в приложении И. Таким образом, эксперимент позволил получить математическую модель процесса сортирования семян огурца на ленточном электростатическом триере и установить эффективные технологические параметры ЛЭТ: U = (13,8-13,9 кВ); v = (0,03-0,032) м/с; w = (3,9 -4,0) кг/ч. 4.5 Результаты влияния электростатического поля на прорастание ростков и корешков семян огурца
При проведении производственных экспериментов в ГНУ «Ярославский НИИЖК» (Приложение В) проводились сравнительные исследования по проращиванию семян огурца под действием электростатического поля и без действия электростатического поля. Результаты показаны на графиках (рисунок 4.5 и 4.6).
Обработанные семена после двухнедельной отлежки и 5 дней проращивания дали среднее значение длины корешков с использованием электростатического поля - 38 мм (что больше по отношению к контролю на 12,6 %) и без использования электростатического поля - 30 мм. 80 60 о
Средняя точка трансформатора подключается к умножителю напряжения к клемме «РАМА», а с клеммы «РАМА» подключен провод к корпусу ЛЭТ, при этом сам корпус заземлен. На корпусе ЛЭТ - нулевой потенциал, а на самом высоковольтном электроде +20кВ. Полочки ЛЭТ соединены между собой тонкой нихромовой проволокой и заземлены. В целях безопасности пластина закрыта диэлектриком (акрилом). Выходное напряжение с умножителя устанавливается электронным диммером. Для умножителя напряжения, увеличивающего напряжение с 5 кВ до 20 кВ, подобрали высоковольтный диод КЦ201Е (15кВ), конденсаторы высоковольтные керамические - КВИЗ 3300пФ-12кВ.
Если произойдет соприкосновение высоковольтного электрода с полочками триера: в этом случае не рама получит потенциал +20 кВ, а потенциал электрода "обнулится", так как сопротивление цепи защитного зануления/заземления много меньше внутреннего сопротивления источника высокого напряжения (трансформатора, умножителя и резисторов). Резисторы ограничивают импульсный ток разряда емкостей умножителя [25].
Максимальная амплитуда импульса тока короткого замыкания высоковольтного электрода на раму будет несколько миллиампер в импульсе. Посчитаем максимальное импульсное напряжение на раме, зная, что суммарное сопротивление защитной цепи не должно превышать 4 Ом. Реально напряжение будет выделяться на сопротивлении металлосвязи (максимально 0,4 Ом при плохо закрученных гайках).
На резисторе в 10 кОм при токе 25 мА (рабочий ток трансформатора) выделяется тепловая мощность: P=IIR =0.025-0.025-10000 = 6.25 Вт, (больше допустимого, т.к. 6.25 2 Вт) и падение напряжения U=I-R=0.025-10000= 250 В. Все 20 кВ окажутся на резисторе только при коротком замыкании пластины на корпус. Для снижения тепловой нагрузки можно вместо одного резистора на ЮкОм включить последовательно четыре два резистора по 2,7 кОм (1 Вт). При этом на каждом из резисторов будет выделяться по 0,025-0,025-2700 = 1,68 Вт ( 2 Вт), а общее падение напряжения на резисторах составит 4-2700-0,025 = 270 В.
Для определения потенциала на высоковольтном электроде с помощью электростатического датчика проводилась регулировка первичного напряжения (от 0 до 200 В) на высоковольтном источнике питания. В таблице 4.6 представлены значения измеренного потенциала при изменении первичного напряжения с высоковольтного источника питания.
Результаты сравнительных испытаний базового и нового вариантов ленточных электростатических триеров
Высоковольтный блок питания состоит из газосветного трансформатора выходным напряжением 5 кВ переменного тока и умножителем напряжения (рисунок 4.7), увеличивающим выходное напряжение высоковольтного источника питания в 4 раза. Рисунок
Средняя точка трансформатора подключается к умножителю напряжения к клемме «РАМА», а с клеммы «РАМА» подключен провод к корпусу ЛЭТ, при этом сам корпус заземлен. На корпусе ЛЭТ - нулевой потенциал, а на самом высоковольтном электроде +20кВ. Полочки ЛЭТ соединены между собой тонкой нихромовой проволокой и заземлены. В целях безопасности пластина закрыта диэлектриком (акрилом). Выходное напряжение с умножителя устанавливается электронным диммером. Для умножителя напряжения, увеличивающего напряжение с 5 кВ до 20 кВ, подобрали высоковольтный диод КЦ201Е (15кВ), конденсаторы высоковольтные керамические - КВИЗ 3300пФ-12кВ.
Если произойдет соприкосновение высоковольтного электрода с полочками триера: в этом случае не рама получит потенциал +20 кВ, а потенциал электрода "обнулится", так как сопротивление цепи защитного зануления/заземления много меньше внутреннего сопротивления источника высокого напряжения (трансформатора, умножителя и резисторов). Резисторы ограничивают импульсный ток разряда емкостей умножителя [25].
Максимальная амплитуда импульса тока короткого замыкания высоковольтного электрода на раму будет несколько миллиампер в импульсе. Посчитаем максимальное импульсное напряжение на раме, зная, что суммарное сопротивление защитной цепи не должно превышать 4 Ом. Реально напряжение будет выделяться на сопротивлении металлосвязи (максимально 0,4 Ом при плохо закрученных гайках).
На резисторе в 10 кОм при токе 25 мА (рабочий ток трансформатора) выделяется тепловая мощность: P=IIR =0.025-0.025-10000 = 6.25 Вт, (больше допустимого, т.к. 6.25 2 Вт) и падение напряжения U=I-R=0.025-10000= 250 В. Все 20 кВ окажутся на резисторе только при коротком замыкании пластины на корпус. Для снижения тепловой нагрузки можно вместо одного резистора на ЮкОм включить последовательно четыре два резистора по 2,7 кОм (1 Вт). При этом на каждом из резисторов будет выделяться по 0,025-0,025-2700 = 1,68 Вт ( 2 Вт), а общее падение напряжения на резисторах составит 4-2700-0,025 = 270 В. Для определения потенциала на высоковольтном электроде с помощью электростатического датчика проводилась регулировка первичного напряжения (от 0 до 200 В) на высоковольтном источнике питания. В таблице 4.6 представлены значения измеренного потенциала при изменении первичного напряжения с высоковольтного источника питания.
Из таблицы 4.6 видно, что значение потенциала на высоковольтном электроде прямо пропорционально зависит от первичного напряжения с высоковольтного источника питания. 4.7 Результаты определения напряженности поля в межэлектродном промежутке ленточного электростатического триера
Для определения напряженности поля в межэлектродном промежутке ЛЭТ с помощью электростатического датчика и встроенного в актуатор датчика Холла проводилась регулировка перемещения высоковольтного электрода. В таблице 4.7 представлены значения напряженности поля Е в межэлектродном промежутке ЛЭТ при изменении количества импульсов п, переданных с контроллера на актуатор для перемещения высоковольтного электрода. Код АЦП с электростатического датчика составляет 810 при замеренном потенциале 14 кВ. Из таблицы 4.7 видно, какое количество импульсов необходимо подать на актуатор, чтобы получить соответствующую напряжённость электростатического поля в межэлектродном промежутке. Зависимость между напряженностью поля Е и количеством импульсов п показана на рисунке 4.8, а также найдено уравнение данной зависимости:
Зависимость между напряженностью поля Е (U=14 кВ) и количеством импульсов п 4.8 Результаты определения толщины слоя семян фотоэлектрическим датчиком на полочках ленточного электростатического триера
ЛЭТ рекомендуется применять в крупных овощеводческих хозяйствах для подготовки качественных семян огурца. В Ярославской области такими хозяйствами можно считать: ФГУП Учхоз "Дружба" МСХА им К.А.Тимирязева, СПК «Туношна», ЗАО «Заволжский», колхоз Родина, ОАО «Бурмаково», СПК «Красное», ЗАО «Племзавод Ярославка», ЗАО «Левцово», ООО «Заря», СПК «Прогресс», ООО «Карабиха» и колхоз «Ярославка». 4.10 Выводы по главе
В результате сравнительных испытаний базового и нового вариантов ленточных электростатических триеров было получено, что новый вариант ЛЭТ по сравнению с базовым имеет большую производительность в 2 раза, меньшее количество обслуживающего персонала (в 2 раза), меньшую установленную мощность (в 2 раза). В новом варианте ЛЭТ на 23% повысилось число женских соцветий по сравнению с 17% в базовом варианте. Урожайность огурца после обработки на новом ЛЭТ повысилась на 22% по сравнению с базовым вариантом 17%.
Обработанные семена под действием электростатического поля и семена без обработки проращивались в течение 5 дней. На 5 день среднее значение длины корешков (с использованием электростатического поля) составило - 38 мм и среднее значение длины корешков (без использования электростатического поля) составило - 30 мм. Среднее значение высоты ростков (с использованием электростатического поля) составило - 78 мм (за 5 дней наблюдения) и среднее значение высоты ростков (без использования электростатического поля) составило - 69 мм (за 5 дней наблюдения).
