Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 8
1.1. Краткие сведения из истории развития протравливания и обработки семян различными препаратами 8
1.2. Способы протравливания семян 9
1.3. Агротехнические требования к протравливанию семян 11
1.4. Физико-механические свойства семян 12
1.5. Анализ средств механизации для протравливания семян 15
1.6. Анализ патентных источников 22
1.7. Анализ экспериментально-теоретических исследований протравливателей семян 29
1.8. Краткие выводы, цель и задачи исследований 34
2. Теоретические предпосылки процесса обработки семян защитно-стимулирующими веществами 37
2.1. Основные допущения механической модели сыпучего тела 37
2.2. Определение формы образующей стенки дозатора наибольшей расходной характеристики 39
2.3. Влияние скважности сыпучего тела на расходную характеристику дозатора 50
2.4. Независимое функционирование системы «емкость дозатора-распределительный неподвижный конус» 54
2.5. Зависимое функционирование системы «емкость дозатора- распределительный неподвижный конус» 58
2.6. Выбор рациональной формы образующей стенки распределительного конуса и схемы компоновки установки в целом 62
2.7. Краткие выводы 69
3. Программа и методика экспериментальных исследований 70
3.1. Программа исследований 70
3.2. Оборудование, аппаратура и приборы, применяемые в исследованиях 70
3.3. Методика экспериментальных исследований на установке 73
3.4. Методика обработки экспериментальных данных 83
3.5. Методика планирования 2-х факторного эксперимента 84
4. Результаты экспериментальных исследований 90
4.1. Оптимальные конструктивные и режимные параметры протравливателя семян 90
4.2. Зависимость производительности протравливателя от параметров дозатора и распределителя 95
4.3. Результаты исследований распылителя 104
4.4.3ависимость качества протравливания семян озимой пшеницы при различных режимах работы 110
4.5. Методика инженерного расчета протравливателя семян 112
4.6. Краткие выводы 114
5. Экономическая эффективность разработанного протравливателя семян 116
Основные выводы и предложения 120
Список использованных источников 123
Приложения 133
Введение
- Анализ средств механизации для протравливания семян
- Определение формы образующей стенки дозатора наибольшей расходной характеристики
- Методика экспериментальных исследований на установке
- Зависимость производительности протравливателя от параметров дозатора и распределителя
Введение к работе
Актуальность темы исследований определяется ее связью с основными концепциями развития АПК и аграрной науки, предусматривающими дальнейший рост производства сельскохозяйственной продукции и повышение производительности труда.
В технологии возделывания сельскохозяйственных культур особое место занимает защита растений от болезней, вредителей и сорняков, в том числе протравливание семян и обработка их защитно - стимулирующими веществами. По данным результатов научных исследований протравливание обеспечивает повышение энергии прорастания семян, их полевой всхожести и урожайности на 5-10 %. Применяемые для этой цели машины и приспособления морально и физически устарели, не обеспечивают равномерного распределения препарата и необходимых санитарно-гигиенических условий труда, имеют сложную конструкцию. В этой связи необходимо повысить эффективность процесса протравливания семян за счет совершенствования конструкции машины для протравливания семян, способа распределения семян в камере протравливания, применения новых эжекционно-щелевых распылителей и их рационального размещения в камере протравливания.
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР Кубанского ГАУ на 2006-2010 гг. (номер государственной регистрации ГР 01.200606833) и грантом РФФИ ЮГ - 2006 (проект №06-08-96620).
Цель работы - повышение качества протравливания семян за счет обоснования параметров и режима работы камерного протравливателя семян.
Объект исследования - технологический процесс обработки семян в камерном протравливателе с использованием эжекционно-щелевых распылителей.
Предметом исследования являются закономерности изменения показателей качества протравливания семян от основных параметров рабочих органов камерного протравливателя.
Научную новизну работы представляют:
математическая модель разрушения сводообразования в дозаторе семян;
зависимости распределения семян в камере протравливания от величины подачи и параметров распределительного устройства;
зависимость качественного показателя полноты протравливания семян от параметров распределительного устройства и производительности экспериментальной установки (величины подачи семян).
Новизна технических решений подтверждена двумя патентами РФ на изобретения (№2246195, №2227455).
Практическая ценность работы заключается в обосновании параметров и режима камерного протравливателя семян.
Основные положения выносимые на защиту:
- классификация применяемых способов протравливания семян;
- математические зависимости определяющие основные пара
метры рабочих органов камерного протравливателя семян;
- методика инженерного расчета;
- экономическое обоснование предлагаемого протравливателя
семян.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и одобрены на научных конференциях КубГАУ и конференциях молодых ученых Кубани (2003-2005 гг.). Результаты исследований внедрены в учебный процесс факультета механизации КубГАУ, а протравливатель семян - в СПК «Колхоз Отрадо-Кубанский» Краснодарского края при обработке семян озимой пшеницы.
Публикации.По теме диссертационной работы опубликовано 5 работ, в том числе в изданиях, рекомендованным ВАК, получено 2 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертации состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников и приложения. Общий объем составляет 155 страниц машинописного
текста, включая 15 таблиц, 50 рисунков, 21 страницу приложения. Список использованных источников включает 119 наименований.
Анализ средств механизации для протравливания семян
Семинар в Воронеже (1994г.) по обсуждению вопросов качества протравливания и снижения объемов протравливаемого семенного материала в последние годы [31], а также публикации, связанные с важностью и эффектом протравливания [22,58], подчеркивают актуальность нашей работы. Влияние стимулирующих препаратов на урожайность и качество зерна, например, при обработке ТМДТ, микроэлементами, байтаном и др., оптимальные дозы препаратов оказывают положительное влияние не только на урожайность, но и на качество зерна [36,101,109].
Вторая половина рассмотренной информации связана непосредственно с машинами для обработки семян протравливателем. Разработан мобильный протравливатель для обслуживания фермерского хозяйств на базе протравливателя ПОШ-5 и автомобиля грузоподъемностью 1,0- 1,5т. Рабочие органы протравливателя смонтированы на платформе автомобиля [115], протравливатель ПК-20 камерного типа для обработки семян зерновых культур водными суспензиями [75]. Сравнительная оценка показала, что совместное применение гидравлических и механических распылителей существенно повышает густоту покрытия поверхности семян [14, 113]. Ряд публикаций связан с модернизацией шнековых протравливателей: мелкодисперсное распыливание ядохимиката [97,64,68], снижение металлоемкости и энергопотребления [52,100]. Разработано оборудование для малообъемного протравливания зерновых культур. Камера протравливания представляет собой лоток с направляющими для рассредоточения потока зерна, на боковинах лотка устанавливаются четыре распылителя [117]. Уделено в литературе внимание Венгерским машинам для современных технологий обработки семян, таких как «Мобитокс Супер», «Гримак-Р» для средних производств по обработке семян, «Гранокрд» для больших семяобрабатывающих предприятий, а «Гумотокс-50» для обработки картофеля, приведено их списание и принципы работы [46]. Известен также экспериментальный образец инкрустатора семян зерновых и зернобобовых культур, разработанный на основе инерционо- фрикционного рабочего органа для нанесения жидких препаратов [104].
Обзор патентных материалов выполнен на основе информации патентного фонда КубГАУ. Глубина поиска - 50 лет по странам: СССР, Германия, Франция, США, Англия. Всего было проанализировано 98 источников, касающихся машин для протравливания и обеззараживания посевного материала. Все отобранные материалы были разделены на 4 раздела: 1. Технические решения по распределению семян в смесительных камерах. 2. Технические решения по дозированию и способу нанесения препарата на семенной материал. 3. Технические решения, связанные с автоматизацией загрузки посевного материала в протравливатель. 4. Технические решения по термическому и электрическому обеззараживанию семян. Распределение патентных источников по указанным выше разделам приведено на рисунке 1.8 и табл. 1.2.
Наиболее объемным по количеству отобранной информации является раздел, в котором отобраны решения по совершенствованию конструкции распределителей семян в адаптере протравливателя и способу смешивания препарата и посевного материала.
Разделение патентной информации по цели исследования носит достаточно приблизительный характер, так как качество обработки семян протравителем, определяемое повышением надежности технологического процесса, во многом связано со снижением травмирования семян и равномерного нанесения препарата на семена.
Имеется ряд технических решений, в которых распределитель семян представлен в виде вращающегося плоского диска и соосно с ним распыливающего диска для суспензии, а также бункер для семян порошкообразных ядохимикатов, дозаторы, камера обработки, резервуар для приготовления рабочей смеси по а.с. 229861 /3/ и по а.с. 1387892 /1/ (рис. 1.9). Сюда же можно отнести а.с. 826985/2/, в котором нанесение пленки защитно-стимулирующих веществ осуществляется не на вращающемся плоском диске, а в чашеобразной емкости, на которую падают семена и жидкий препарат.
Определение формы образующей стенки дозатора наибольшей расходной характеристики
Многофакторность указанного процесса обуславливает выбор такой механической модели сыпучего тела, свойства которой наиболее бы полно отвечали свойствам реальных сыпучих материалов, обрабатываемых защитно-стимулирующими веществами.
Исходя из того, что обрабатываемый сыпучий материал подчиняется закону сухого трения (закону Кулона), в основу теоретического решения задач работы положена комбинированная механическая модель дискретного сыпучего тела проф. Л.В. Гячева и проф. В.А. Богомягких [17,34], которая, кроме известных допущений бессводообразующей модели сыпучего тела проф. Л.В. Гячева [34], включает допущения, позволяющие рассматривать процесс формирования и движения сыпучих тел в бункерах вообще и в емкостях дозаторов в частности с точки зрения явления сводообразования, которое естественно присуще сыпучему материалу, находящемуся в покое или в движение в конкретных граничных условиях. Эта модель представляет собой совокупность одинаковых абсолютно твердых частиц, имеющих форму шара в момент ее образования, несоизмеримых с размерами емкости дозатора и уложенных в. ее объеме послойно с некоторым среднестатистическим углом укладки, характеризующим, с одной стороны, плотность укладки частиц в объеме емкости дозатора и, с другой стороны, их пористость (скважность) укладки. Кроме того, модель предполагает, что движение ее реальных частиц в потоке сыпучего тела происходит по пересекающимся линиям скольжения, эквидистантным образующей поверхности скольжения потока.
В указанной модели сыпучего тела допущения о несоизмеримости размеров реальных частиц сыпучего материала с размерами емкости дозатора и их послойной укладке в ее объеме с некоторым среднестатистическим углом укладки позволяют рассматривать процессы, наблюдаемые в зернистых сыпучих телах, с точки зрения непрерывности их протекания; допущение о движении реальных частиц по пересекающимся линиям скольжения, эквидистантным образующей поверхности скольжения потока, позволяет рассматривать дискретный характер протекания этих процессов.
Модель также позволяет использовать при решении задач работы следующие предположения: - в процессе движения в граничных условиях среднестатистическая плотность, а также среднестатистическая скважность (пористость) сыпучего зернистого тела не изменяются (ламинарность потока); - угол естественного откоса сыпучего зернистого материала равен приведенному углу внутреннего трения частиц сыпучего зернистого тела. По данным исследований Г. Дерисевича [35] для сыпучих зернистых материалов, подчиняющихся закону сухого трения, пористость (скважность) зернистых, сыпучих тел для различных типов укладки их частиц в граничных условиях изменяется в конкретном диапазоне. Она показана в табл. 2.1. В этой таблице форма реальных частиц приведена к условной шаровой через условный их диаметр, т.е. где (1у — условный диаметр частицы; а —длина реальной частицы; Ъ —ширина реальной частицы; с —толщина реальной частицы. Как следует из указанной таблицы, плотность и пористость (скважность) сыпучего материала, находящегося в граничных условиях, зависят не только от угла укладки его частиц в объеме емкости дозатора, но и от координационного числа контактов частиц, расстояния между ними в смежных слоях сыпучего тела и, вероятно, от плотности самих частиц, а также от конструктивных размеров и формы емкости дозатора. Последнее, как показал производственный опыт эксплуатации бункеров (емкостей) [21], определяет технологические параметры дозаторов, а именно - их расходные характеристики. В связи с изложенным, используя принятую модель зернистого сыпучего тела, определим форму кривой образующей стенки дозатора (рис. 2.1), обеспечивающую максимальный расход из него сыпучего зернистого материала, поступающего на неподвижный распределительный конус для дальнейшей обработки защитно-стимулирующими веществами. При этом, поток сыпучего во времени должен быть по своей плотности постоянным с наибольшей, по возможности, скважностью.
Определение формы образующей стенки дозатора наибольшей расходной характеристики В связи с тем, что расходная характеристика дозатора определяет Устройство включает бункер 5 , камеру протравливания 8, неподвижный распределительный конус 7, который по всей боковой поверхности имеет делители потока семян в виде направляющих, причем нижняя ее часть выполнена в форме логисты, распылитель жидких веществ из струе образующих устройств 9 эжекционно-щелевого типа, расположенных попарно и противоположно друг другу по касательной к проекции окружности основания распределительного конуса 7, установленного от него на расстоянии, определяемом местом, где скорость потока семян минимальна. Устройство работает следующим образом. Семена из бункера 5 самотеком поступают на поверхность распределительного конуса 7 и, скатываясь по ней между делителями потока, выходят на нижнюю поверхность в форме логисты, за счет энергии, обусловленной гравитационными силами, резкого изменения направления и скорости движения они падают вниз круговым симметричным потоком, пересекая капельный поток препаратов от распылителей 9, и покрываются ими. Производительность устройства регулируется дозатором 6. Наличие делителей потока на распределительном конусе 7 обеспечивает равномерное распределение семян на его поверхности, а наличие поверхности в форме логисты - резкое расширение потока семян (увеличение скважности), способствующее лучшему проникновению капель препарата к слоям семян. Резкое изменение направления потока сообщает семенам вращательное движение в зоне капельного потока и снижает скорость падения, что обеспечивает качественную обработку их препаратами.
Методика экспериментальных исследований на установке
Производительность распылителя может регулироваться двумя способами: а) Изменением уровня емкости относительно распылителя. Устанавливаем уровень жидкости относительно центра отверстия питательного жиклера равным нулю при давлении 1,5 (1; 2; 2,5 и 3) атм. Устанавливаем распылитель отдельно и направляем факел распылителя в накопительную емкость. Конструктивно сосуды устроены так, что обеспечивают максимальный сбор рабочей жидкости при одновременном отделении ее от воздуха. Устанавливаем продолжительность опыта 3 мин и трех кратную повторность на каждом уровне.
После каждого опыта собранная жидкость взвешивается и определяется производительность распылителя. Затем с помощью подвижной рамки 3 через каждые 2 см понижается уровень жидкости до тех пор, пока распылитель будет инжектировать препарат и производятся замеры распыленной жидкости. По результатам измерений проводятся расчеты производительности распылителя. Уровень питающей емкости устанавливается равным нулю, давление воздуха 1,5 атмосферы в течение 3 минут и в трех кратной повторности проводятся замеры распыленной жидкости, затем давление устанавливается 1; 2; 2,5 и 3 атм. При каждом значении давления производятся трехкратные замеры. По результатам измерений строятся графики зависимости производительности от давления. На основании полученных зависимостей можно утверждать следующее, что наиболее эффективным способом регулирования количества распыленной жидкости на тонну обрабатываемого зерна предпочтение отдается регулировки за счет изменения давления воздуха.
Установка (рис. 3.9) работает следующим образом: технологический материал (зерно) поступает в бункер 8, подача материала в камеру протравливания 13, осуществляется открытием заслонки 7. Изменение величины подачи обеспечивается дозирующей втулкой 9. Втулка 9 перемещается дистанционно с помощью рычага 10, рукоятка которого выведена за пределы камеры протравливания, относительно вершины конуса 12. Величина зазора между дозирующей втулкой 9 и конусом 12 в вертикальной плоскости измеряется с помощью линейки. С целью торможения скорости скатывания и лучшего распределения семян, нижняя часть конуса выполнена в форме логисты. Конус укрепляется и центрируется на винте 11 с помощью гаек. В нижней части камеры протравливания 13 расположены по периметру распылители 14, факел распыла, которых направлен навстречу падающим семенам. Распылители 14 закреплены на штангах 15 так, что можно изменять их угол наклона и расположение относительно центра. Воздух от компрессора 4 подается к редуктору 5, необходимая величина рабочего давления воздуха в системе устанавливается по манометру 6. Краном 3 управляется подача воздуха к распылителям 14 через воздушные шланги 16.
Забор рабочей жидкости осуществляется из емкости 1 через питательные трубки 2. Все питательные трубки выполнены одинаковой длины ко всем распылителям. Изменение расстояния между жиклером распылителя и уровнем в емкости изменяется за счет перемещения питательной емкости относительно корпуса камеры протравливания. Фиксация емкости на заданном расстоянии осуществляется винтом 19. Камера протравливания смонтирована на стойках 17 так, что под ней размещается емкость 18 для сбора лабораторных проб. На конусах разной конфигурации за счет изменения производительности просыпания зерна определяется качество протравливания. Указанная цель достигается следующим образом: в бункер 1 засыпается зерно при закрытой заслонке 2.
Подается заданное давление по манометру в распылители 14. Визуально определяется равномерность работы всех распылителей, открывается заслонка 2 (момент обработки зерна препаратом). По истечении зерна отключается подача воздуха. Из емкости 18 отбираются пробы для лабораторных исследований. Опыты по пункту 3.3.4 повторяются в трех кратной повторности при каждом значении производительности (1; 3; 5 т) и геометрии конуса (30; 45 и 60).
Для проведения опытов применяли препарат Премис КС(25г/л), который используется для предпосевной обработки семян зерновых культур против комплекса болезней. Рекомендуемая норма расхода Премиса - 1,5 л/т. Действующее вещество препаратов - тритиконазол.
Методика определения тритиконазола в протравленных семенах. Метод основан на изучении тритиконазола из протравленных семян органическим растворителем с последующим количественным определением действующего вещества газожиткосной хроматографии с применением ДЭЗ или ТИД.
Зависимость производительности протравливателя от параметров дозатора и распределителя
Для удобства настройки протравливателя семян была построена номограмма, облегчающая работу оператора. Например, для того, чтобы правильно настроить протравливатель на производительность установки, равную Зт/ч при угле распределительного конуса 45 необходимо величину зазора(/г) между конусом и стенкой дозатора установить 29мм, давление воздуха в пневмосистеме должно быть 1,5МПа и производительность распылителей соответственно будет равна ЗОл/ч, что соответствует агротребованию (Юл на 1т семян). 1. Угол распределительного конуса (а) влияет на процесс больше, чем производительность установки. 2. Оптимальным значением угла распределительного конуса следует считать 45, а производительность установки - 3 т/ч. 3. При значениях угла более 45 скорость истечения сыпучего материала возрастает, что приводит к резкому увеличению начальной скорости движения семян при попадании на распределительный конус, в этой связи снижается время пребывания обрабатываемого материала в зоне обработки его препаратом. 4. Производительность протравливателя зависит как от величины зазора между конусом и поверхностью дозатора, так и от геометрии конуса. При зазоре между конусом и поверхностью дозатора к — 25мм производительность установки при а = 30 составляет Ж = 1,8т/ч, при а = 45, а = 2,7т/ч, а при а = 60 Ж = 4,2т/ч. 5. Величиной площади распределения и соответственно скважностью сходящего потока семян можно управлять изменением геометрии конуса при одинаковых параметрах дозатора по отношению к конусу. Так, например, при а = 30 площадь S= 0,22м2, а при а = 60 S = 0,32м2. 6. Основными факторами, определяющими величину производительности распылителя, являются: расположение распылителя относительно питательной емкости и давление воздуха в струйном элементе распылителя. Так производительность одного распылителя составила Wpacn 3,75л/ч при давлении воздуха 0,15МПа. 7. С уменьшением уровня питательной емкости относительно щели струйного элемента распылителя практически пропорционально снижается и его производительность. 8. За счет ультромалообъемного нанесения препарата на 30% снижается расход препарата и раствора. 9. Полнота протравливания семян предлагаемым устройством обеспечивается в соответствии с агротребованиями при следующих параметрах: угол распределительного конуса а = 45, производительность установки W = Зт/ч и норма расхода раствора препарата 10 л/т. При этом 100% пропускаемого объема семян обрабатывается с полнотой протравливания 98%, в то время как при угле распределительного конуса а = 60 - только 79% пропускаемого объема обрабатывается с полнотой 96%, а при угле а = 30 - всего 67%, что не соответствует агротребованиям. Равномерность протравливания семян во всех опытах составила 98%.
10. Разработана методика инженерного расчета предлагаемого протравливателя семян с использованием предложенной номограммы для заданной производительности (подачи) зерна можно подобрать расход раствора рабочей жидкости, давление воздуха и положение уравнительной емкости. Экономическая оценка разработанного протравливателя семян выполнена по методике МСХ РФ[78, 98, 103, 114] путем наложения расчетов на протравливание семян зерновых колосовых культур для Краснодарского края (375 тыс. т).
Исходной базой для сравнения принят серийный протравливатель семян ПСШ-3, который имеет равную производительность с разработанным нами [38]. Технические характеристики сравниваемых машин представлены в приложении 11.
За критерий экономической эффективности предлагаемой машины принят основной показатель хозяйствования в условиях рыночной экономики - максимальная величина чистого дисконтированного дохода. Технико-экономические показатели сравниваемых машин приведены в таблице 5.1. Эксплуатационные затраты, капиталовложения, величина чистого дисконтированного дохода по новому протравливателю имеют существенное преимущество.
Согласно указанной выше методике эксплуатационные затраты включают прямую оплату труда на выполнение годового объема работ, отчисления на социальные нужды, общие затраты на страхование, налоги, включаемые в себестоимость продукции, сборы гостехнадзора, сборы по защите окружающей среды. Кроме того, в состав этих затрат входят также амортизационные отчисления на годовой объем работ, затраты на ремонт, техническое обслуживание, хранение техники и стоимость топливо - смазочных материалов. Капиталовложения рассчитываются с учетом балансовой стоимости машин, их производительности и годовой загрузки в часах.
Анализ полученных данных в таблице 5.1 позволяет сделать вывод о значительном преимуществе предлагаемого протравливателя семян. Так, по сравнению с серийным ПСШ-3, эксплуатационные затраты снижаются на 5,65%. Это обеспечивается за счет использования разработанной нами протравливающей камеры с бункером в серийном протравливателе ПСШ-3. При этом семена поступают в модернизированный протравливатель ПСШ-3 имеющий с аналогом одинаковую производительность, а после протравливания - в бурт на площадку для хранения. Базовый вариант технологии аналогичен.
