Содержание к диссертации
Введение
I. Современное состояние и перспективы развития предпосевной обработки семян, основные направления развития технологий и технических средств
1.1. Характеристика способов предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур
1.2. Анализ технологий и технических средств по предпосевной обработке семян
1.3. Технология обработки семян защитно-стимулирующими препаратами
1.4. Исследование технологий и технических средств по подготовке семян различных сельскохозяйственных культур к посеву
1.5. Современные технологии и технические средства предпосевной обработки семян с целью повышения качества технологического процесса высева и улучшения всхожести семян
1.6. Цели и задачи исследований 39
Технологический процесс предпосевной обработки семян как объект дезагрегирования и установление качества его функционирования
2.1. Информационные модели технологического процесса 45
2.1.1. Модели функционирования технологического процесса предпосевной обработки семян
2.1.2. Расчет допустимых значений оценок работы машин по предпосевной обработке семян
2.2. Способы и математическая модель движения семян и компонентов в барабане
2.2.1. Способы взаимодействия семян и защитно-стимулирующих компонентов
2.2.2. Математическая модель взаимодействия семян и компонен- тов оболочки
2.3. Математическая модель движения семян в барабане 71
2.4. Математическая модель пневмотранспорта компонентов оболочки
III. Экспериментальные исследования технологических процессов предпосевной подготовки и обработки семян
3.1. Систематизация информационных процессов технологий. Процедуры регистрации информационных характеристик технологических процессов
3.2. Анализ оценок статистических характеристик
3.2.1. Характеристики свойств и технологии подготовки защитно-стимулирующих компонентов
3.2.2. Особенности технологического процесса предпосевной подготовки семян различных сельскохозяйственных культур
3.2.3. Технология подготовки семян к защитно-стимулирующей обработке намачиванием и проращиванием
3.2.4. Агротехническая оценка предпосевной обработки семян 115
3.2.5. Исследование способов подготовки семян к нанесению искусственных оболочек и влияния их на посевные качества
3.2.6. Исследование характеристик защитно-стимулирующих компонентов
3.2.7. Исследование характеристики сети по выбору вентилятора для разгрузочного бункера и обоснование его основных параметров
3.2.8. Исследования параметров разгрузочного бункера и его влияния на качество технологического процесса
3.3. Исследования параметров экспериментального дражиратора 154
3.3.1. Исследование кинематического режима барабана дражиратора
3.3.2. Исследования параметров различных типов перемешиваю- 161
щих устройств
3.3.3. Исследования угла установки пневмораспылителя 165
3.4. Исследование показателей качества обрабатываемых семян 167
IV. Формирование рациональных параметров функционирования комплекса машин по предпосевной обработке семян
4.1. Формирование рациональных способов нанесения искусствен- 174
ных оболочек
4.1.1. Формирование рациональных способов обработки мелкосе- менных овощных культур
4.1.2. Формирование рациональных способов обработки семян свеклы
4.1.3. Формирование рациональных способов обработки семян бобовых растений
4.2. Формирование рациональных параметров измельчающе- сепарирующего устройства наполнителей
4.3. Формирование рациональных параметров распылителя клеящей жидкости
4.4. Формирование рациональных условий сушки семян с искусственной оболочкой
V. Внедрение результатов научных исследований 207
5.1. Внедрение предложений по совершенствованию процесса взаимодействия семян и компонентов оболочки
5.2. Внедрение предложений по совершенствованию кинематического режима нанесения искусственных оболочек в зависимости от заданных условий
5.3. Внедрение предложений по совершенствованию параметров рабочих органов машин по предпосевной обработке
5.4. Внедрение предложений по совершенствованию технологии 214 нанесения искусственных оболочек с целью регулирования ее толщины
5.5. Внедрение предложений по совершенствованию параметров распределителя семян с искусственной оболочкой при сушке
5.6. Социально-экономическая эффективность внедренных разработок
Общие выводы и рекомендации 228
Литература
- Исследование технологий и технических средств по подготовке семян различных сельскохозяйственных культур к посеву
- Способы и математическая модель движения семян и компонентов в барабане
- Характеристики свойств и технологии подготовки защитно-стимулирующих компонентов
- Внедрение предложений по совершенствованию параметров рабочих органов машин по предпосевной обработке
Исследование технологий и технических средств по подготовке семян различных сельскохозяйственных культур к посеву
Современные технологии возделывания сельскохозяйственных культур связаны с использованием эффективных приемов агротехники, направленных на снижение затрат труда и себестоимости продукции при увеличении урожая и повышении его качества. Важным элементом передовой технологии и агротехники является использование семян с высокими посевными качествами. Правильная предпосевная обработка семян увеличивает их полевую всхожесть, снижает поражаемость растений вредителями, болезнями и позволяет получить заданное количество всходов без их прореживания [63, 64, 74, 193, 194, 247].
В настоящее время существует большое число перспективных способов посева и посадки растений, которые снижают ручной труд в сельском хозяйстве и позволяют более полно механизировать процессы производства сельскохозяйственной продукции [1, 3, 31, 76, 87...90].
Одной из наиболее перспективных технологий предпосевной обработки семян, предохраняющей семена от вредителей, болезней и одновременно предотвращающей загрязнение окружающей среды, является создание искусственных защитно-стимулирующих оболочек, обеспечивающих защиту семян. Кроме этого оболочка может содержать требуемое количество органических и минеральных удобрений, необходимых семени и проростку на ранних стадиях развития [75, 156, 213, 214, 218, 219, 248].
Предпосевная обработка важна в связи с существующей конкуренцией между производителями за сроки, качество и количество получаемой продукции (особенно для овощных культур). Важно получить всходы раньше, поскольку нередко случается так, что влаги в почве очень мало или, наоборот, почва переувлажнена, наступает похолодание или длительное время сохраняется высокая температура.
Наиболее широкое практическое применение получило дражирование наслаиванием оболочки. Этот принцип используется для обработки семян большинства сельскохозяйственных культур.
Технологический процесс дражирования заключается в следующем (рис. 1.2): необходимая порция семян загружается транспортером 1 во вращающийся барабан-дражиратор 3, смачивается с помощью распылителя 2 клеящим раствором.
После смачивания в течение 5... 10 мин происходит укатка семян, затем подается наполнитель для образования дражевой оболочки. Подавать наполнитель нужно маленькими дозами, постепенно наращивая оболочку.
Самым ответственным моментом в процессе дражирования является начальная фаза формирования драже. Доводят драже до нужных размеров (для семян моркови - до 3,0...3,5 мм), попеременно подавая клеящий раствор и наполнитель. Готовые драже выгружают из барабана и сушат.
Эффективность процесса дражирования зависит не только от посевных качеств семян, которые, несомненно, играют важную роль, но и от правильного подбора технологии дражирования, наполнителей, клеящих растворов, рационального обогащения защитно-стимулирующими веществами и др. факторов. Вопросы подготовки защитно-стимулирующих компонентов (наполнители, связующие вещества, протравители и др.) подробно освещены в работах [153, 241].
Применение тех или иных способов обработки возможно при предварительной подготовке семян и интегрированной системе защиты растений, включающей комплекс агротехнических, биологических, физических и химических методов, которые также подробно рассмотрены в работах [153, 241].
Существует множество способов обработки семян: сухой, полусухой, влажный (мелкодисперсный). Сухой способ - самый простой, не требующий энергоемких устройств. Для сухого протравливания Б.Н. Емелин [80] предлагает штанговый протравливатель (рис. 1.3). Технологический процесс осуществляется следующим образом: оператор периодически внедряет штангу 8 в зерновую насыпь. Он же открывает запорный клапан 6 на штанге в начале ее погружения в насыпь и закрывает его перед извлечением распыливающего наконечника. Рис. 1.3. Штанговый протравливатель Б.Н. Емелина: 1-ресивер; 2-компессор; 3-водомаслоотделитель; 4-обратный клапан; 5-дозатор-питатель ядохимикатов; 6-запорный клапан; 7-шаблон-накладка; 8-штанга; 9-наконечник.
При таком способе препарат плохо удерживается на поверхности семян, часть препарата теряется. Как отмечает И.П. Масло [183], ухудшаются санитарно-гигиенические условия труда. Эти недостатки снижают увлажнением семян и порошка при протравливании (применялись венгерские протравливатели «Мобитокс», «Стабитокс», «Мобитокс-Цикломат», «Моби-токс-Супер»).
При протравливании семян с увлажнением или при комбинированном протравливании используют приспособление «Турмикс» (рис. 1.4а), а в случае сухого протравливания приспособление снимают.
Мелкодисперсный способ протравливания (применение водных суспензий и жидких протравителей) подробно рассмотрено в п. 2.2.1.
Н.Б. Бок, И.Я. Осташевский, Е.А. Сигаев, М.Р. Питина, Е.А. Раскатова [29, 196, 203, 214, 223] проводили исследования по выявлению влияния конструктивных и технологических параметров шнековых смесителей на качество смеси. Эти исследования позволили установить, что смешивание в шне а) для увлажненного протравливания б) для сухого протравливания ковых смесителях завершается на длине камеры 1,0-1,2 м, после чего однородность смеси практически остается без изменения, достигнув к этому моменту некоторой предельной величины, характерной для данных компонентов и конструкции смесителя.
При уменьшении диаметра шнекового смесителя происходит некоторое улучшение однородности смеси, однако производительность резко падает. Увеличение оборота шнека до определенной величины вызывает некоторое повышение качества смеси. Дальнейшее увеличение оборота шнека почти не оказывает влияния на качество смешивания.
В работе И.П. Масло [181] делается вывод о том, что применяемые в настоящее время смесители шнекового типа не обеспечивают высокую равномерность и полноту обработки, так как не все семена имеют одинаковую возможность контактировать с частицами препарата, а дополнительное смешивание слоев семян не приводит к желаемым результатам.
В работе Б.В. Пушкарева [221] приведены теоретические предпосылки к разработке рабочих органов камерных протравливателей. Одним из основных факторов, определяющих качество обработки семенного материала, наравне с дисперсностью распыленной рабочей жидкости, является равномерное покрытие ею поверхности семян. На необходимость равномерной обработки каждого семени указывает ряд исследователей А.К. Бубулис, И. Ба-кош, И.С. Мисса, И.И. Сушко, СП. Тимошенко, Ч.С. Холтон [11, 16, 24, 112, 187, 195, 250, 256...259, 268] и др.
Способы и математическая модель движения семян и компонентов в барабане
Расчет допустимых значений оценок показателей работы машин по предпосевной обработке семян. С позиции качества технологических процессов, имеющих место при подготовке семян к посеву, существенным является получение количественных оценок их протекания.
Такими оценками, исходя из изложенного и если предположить, что исследуемые процессы являются случайными величинами со свойствами стационарности и эргодичности, будут допуски +ЛХ на их протекания во времени.
Вероятность сохранения допуска (количественной оценки качества протекания процессов при предпосевной обработке) определяется где fix) - плотность распределения параметров х. Распределение этих параметров отличается от нормального, но при расчете допустимых значений оценок качества технологических процессов и операции предпосевной обработки можно считать их распределение нормальным [164]. При нормальном распределении параметров соотношение (2.11) приводится к следующему виду: ют
Таким образом, количественной оценкой качества протекания процесса при предпосевной обработке семян будут допуски, за пределы которых процессы на должны выходить. Исходя из сказанного, критерием оптимизации процессов при предпосевной обработке семян будет вероятность сохранения допуска на данный процесс, следовательно, чем выше вероятность сохранения допуска, тем большим технологическим требованиям должен отвечать весь технологический процесс предпосевной обработки семян и качество работы каждой машины.
Выражения (2.14) и (2.15) использованы для определения вероятности сохранения заданных допусков +ДХ по результатам экспериментальных ис следований процессов нанесения искусственных оболочек после вычисления их числовых характеристик - среднего значения тх и среднеквадратического отклонения ох и расчетов их допускаемых значений при заданном значении
В силу статистической природы процессов предпосевной обработки семян в условиях нормального функционирования машин и оборудований для оценки параметров вычисляли средние значения характеристик этих параметров с учетом достоверности и надежности полученных характеристик.
Установив ограничения на показатель Рд, по полученным характеристикам определяли допустимые значения на показатели агротехнических требований процессов предпосевной обработки семян и качества работы машин и оборудований.
С учетом изложенного, критерием повышения эффективности технологических процессов при нанесении искусственных оболочек должно служить повышение вероятности сохранения допуска Р(А) = max показателей качества технологических процессов, а именно, угла трения и подачи семян, концентрации и подачи клеящей жидкости, гранулометрического состава и подачи защитно-стимулирующих компонентов, скорости пневмотранспорта защитно-стимулирующих компонентов и кинематического режима процесса нанесения искусственных оболочек.
Дезагрегирование структурной модели технологического процесса предпосевной обработки семян, приведенной на рис. 2.2 на составляющие, представленные на рис. 2.5...2.8, позволили установить набор технологических процессов, изменение количественных характеристик которых и динамики протекания существенно влияет на процесс предпосевной обработки семян в целом. Эту совокупность представляют следующие процессы: подготовка семян, клеящей жидкости, защитно-стимулирующих компонентов и наполнителей, обеспечение их взаимодействия с целью наслаивания и коагуляции последних, с образованием искусственной оболочки
Способы взаимодействия семян и защитно-стимулирующих компонентов. Процесс формирования искусственной оболочки зависит от интенсивности перемешивания семян и компонентов оболочки. При этом необходимо создать равновероятностные условия взаимодействия семян и наполнителей.
Качество предпосевной обработки семян зависит от принятого технологического процесса, применяемых машин и оборудования.
При смешивании семян и сухого препарата качество обработки не отвечает предъявляемым требованиям, также не будет обеспечено санитарно-гигиенические условия труда [24, 27, 50, 97, 114, 115, 277].
Основываясь на положении, что процесс смешивания сопровождается обратным разделением смеси, при анализе характера воздействия различных факторов на процесс смешивания можно использовать некоторые данные по разделению смесей.
Известно, что разделение смесей на составляющие проходит эффективнее при увеличении разницы в каком-либо из свойств материалов, образующих смесь: в удельном весе, размерах частиц, свойствах поверхности форме частиц и т.д. [223]. Из-за разницы вышеуказанных свойств семян и протравителя происходит их разделение, следовательно, происходит загрязнение окружающей среды, поэтому сухое протравливание в настоящее время фактически не применяется. Для уменьшения запыления осуществляют увлажнение семян и препарата в процессе протравливания (венгерские протравливатели марки «Мобитокс»).
Применение водных суспензий и жидких протравителей. Как известно, по такой технологии происходит протравливание на большинстве отечественных протравливателей шнекового и камерного типов (ПСШ 5, ПС-10А). Капли жидкости лучше удерживаются на обрабатываемых по верхностях из-за наличия капиллярных сил сцепления и поверхностного натяжения.
Характеристики свойств и технологии подготовки защитно-стимулирующих компонентов
Технологическая линия работает следующим образом. Обрабатываемые семена загружаются в бункер 27 с дозирующим устройством 26 и транспортером 28 подается во вращающийся барабан 16. В это время сжатым воздухом клеящая жидкость из дозатора бачка через трубопровод подается в распылитель 5 и затем впрыскивается в барабан 16, где находятся семена. После полного смачивания семян с пульта управления включается привод карусели 17 и барабан 16 перемещается по кругу на 60. В это время автоматически подводится пневмопровод 15, на конце которого имеется вращающаяся крышка для герметического закрытия горловины барабана. Сюда же разгрузочным бункером из мерника 14 осуществляется пневмоподача наполнителя на поверхность смоченных семян. Далее осуществляется процесс обволакивания семян благодаря продолжающемуся вращению барабана 16. Обработанные семена с помощью транспортеров 21 и 22 направляются в приемный бункер 20, откуда через дозирующее устройство поступают на поверхность сетчатого транспортера сушилки 18. Здесь тонкий слой семян сушится до требуемой влажности и транспортером 23 загружается в бункер-накопитель 24 готовой продукции.
Для статистической оценки этапов технологического процесса производился сбор, анализ, сравнение, представление и интерпретация числовых данных. В результате получена достоверная информация о технологическом процессе предпосевной обработки семян и оценка его качества проведением вероятностного анализа массива данных характеристик для оптимизации.
Характеристики свойств и технологии подготовки защитно-стимулирующих компонентов. Технология нанесения искусственных оболочек отработана достаточно. Для смачивания семян используют вещества как природного, так и синтетического происхождения. Широко применяют 2% концентрацию натриевой соли карбосилметилцеллюлозы (NaKMU,) или 5% концентрацию поливинилового спирта (ПВС). Стабильность концентрации клеящей жидкости во многом определяет качество семян с искусствен ной оболочкой. Концентрация раствора замерялась массовым расходомером, полученные значения были обработаны на компьютере.
В зависимости от природно-климатических условий зоны прорастания, выращиваемой культуры и сроков сева, в качества наполнителя применяются различные вещества минерального и органического происхождения.
Решающее значение на всхожесть семян оказывает свойство искусственной оболочки, к которой предъявляются противоречивые требования: прочность и пористость, быстрое разрушение при набухании семян.
Для получения такой оболочки предлагается ввести операцию ультразвуковой диспергации в существующую технологическую цепочку. Определение оптимальных режимов обработки позволит получить такое покрытие, которое отвечает указанным требованиям [2].
В хлопкосеющих регионах Узбекистана для обработки семян хлопчатника в качестве наполнителя используют лигнин из хлопковой шелухи и рисовой лузги [63, 114, 115, 136, 154, 285]. Применение торфа в условиях жаркого климата чревато полным иссушением, а то и выгоранием семян.
В качестве наполнителя искусственных оболочек для хлопчатника у лигнина изучены такие свойства, как влажность, сыпучесть, размерность, сопротивление сжатию, плотность, коэффициенты трения и т.д., которые существенно отличаются от таких материалов, как навоз и торф [9].
В работе под руководством РашидоваН. [98] определены основные физико-механические свойства лигнина, как компонента-наполнителя при нанесении искусственных оболочек и их влияние на процесс измельчения.
Насыпная плотность лигнина определялась по известной методике с использованием ящика объемом в 1 м с порцией лигнина различных фракций (0,25 мм и менее, 0,25...2,0 мм, 2...10 мм и более 10 мм) [91].
Плотность лигнина в зависимости от размеров фракций и влажности изменяется от 259,6 до 402,8 кг/м . Сыпучесть лигнина определялась путем формирования и замера угла естественного откоса по методике ВИСХОМ [266]. Для определения угла естественного откоса использовалась конусная воронка, которую устанавливали на высоте 1,5 м от горизонтальной плоскости. После заполнения воронки открывалась задвижка и лигнин высыпался на землю, образуя насыпь с определенным углом естественного откоса. Замеры угла откоса проводились по образующей конуса с помощью угломера, значение которого находилось в пределах 50...56.
Степень слеживаемости лигнина определялась методом сжатия цилиндров, изготовленных из этого же материала [73]. В зависимости от крепости образцов им присваивалась та или иная категория слеживаемости по нормам, предложенным НИУИФ.
Для определения слеживаемости лигнина в лабораторных условиях использовались специальные пустотелые пластмассовые цилиндры высотой 65 мм с внутренним размером диаметра 50 мм (табл. 3.1).
Для определения водопоглощаемости лигнина была разработана методика, согласно которой сначала определялась масса сухого комка лигнина, укладываемого на фильтровальную бумагу, имеющую связь посредством трубки с мензуркой, наполненной водой (рис. 3.2). Затем через каждую минуту определялась масса комка лигнина. Определялось время, необходимое для полного поглощения влаги комком, о начале которого свидетельствовало постоянство массы лигнина. При этом уровень фильтровальной бумаги поддерживался одинаковым с уровнем воды в мензурке. По шкале мензурки определялся объем расхода воды, поглощенный лигнином.
Внедрение предложений по совершенствованию параметров рабочих органов машин по предпосевной обработке
Построение математических моделей рассматриваемых объектов теоретическими методами, сложная задача и практически осуществима при значительных допущениях. Эта задача упрощается, если использовать методы идентификации, базирующиеся на использовании и специальной обработке экспериментальных данных о входных и выходных переменных моделей функционирования. При типовой идентификации для исследуемых моделей устанавливают оптимальные оценки операторов из заданного класса операторов по типовым вероятностным характеристикам ансамблей реализаций случайных функций на входе и выходе моделей.
Оптимальной оценкой /-го элементарного оператора модели машины будет условное математическое ожидание или регрессия выходной переменной vc(t) относительно выходной qH(t). При линейной связи между входной и выходной переменными получено уравнение регрессии вида
Идентификацией определяется наиболее вероятные значения коэффициентов ад1к и ЬдК для каждого /-го элементарного оператора модели. Рассматривая совокупности коэффициентов уравнения регрессии как реализации соответствующих случайных величин, рассчитывают средние значения, средние квадратические отклонения, коэффициенты вариации, а также определяют границы 95-ти процентных доверительных интервалов (см. таблицу 3.19).
Полученные математические модели использовались для выбора и обоснования параметров экспериментального дражиратора.
Исследование характеристики сети по выбору вентилятора для разгрузочного бункера и обоснование его основных параметров. Аэродинамическая характеристика вентилятора определяет всю совокупность возможных режимов его работы. Конкретный рабочий режим задается точкой на аэродинамической характеристике.
При работе вентилятора с разгрузочным бункером реализуется рабочий режим, обусловленный характеристикой этой сети. Производительность вентилятора устанавливается на таком уровне, при котором созданное вентилятором полное давление равно потерям давления в разгрузочном бункере при том же расходе воздуха.
При установившемся режиме работы вентилятора замерялось статическое давление в подводящем трубопроводе разгрузочного бункера и динамическое давление в трубопроводе распылителя. По полученным данным рассчитывали величину АРСТ и скорость воздушного потока vB в трубопроводе, полученные значения приведены в таблице 3.20. Из табл. 3.20 видно, что при изменении частоты вращения вентилятора пв создаваемое им давление Рп изменяется от 1100 Па до 12000 Па, а расход воздуха QB, который контролировался микроманометром ММН-240, меняется в пределах 0,04...0,12 м /с. Скорость воздушного потока при этом изменялась в интервале от 1,5 до 15 м/с.
Анализ результатов экспериментальных исследований по определению параметров разгрузочного бункера (рис. 3.13) и расчетных данных для построения характеристики сети (рис. 3.12) показал согласуемость экспериментальных и расчетных данных.
После определения АР = f(Q) и vB = f(AP) было проведено исследование влияния расхода воздуха вентилятора на концентрацию наполнителя в воздухопроводе распылителя (производительность разгрузочного бункера по материалу). Этот показатель необходим для обеспечения равномерности распределения защитно-стимулирующих компонентов, имеющих малый расход.
Зависимость разрежения в подводящем воздухопроводе АР = f(Q) и скорости воздушного потока vB = f(AP) в вертикальном воздухопроводе.
Исследования параметров разгрузочного бункера и его влияния на качество технологического процесса. Исследования проводились при различных частотах вращения вентилятора. В процессе экспериментальных исследований было установлено, что подача наполнителя qn(t), кг/с (определялась по его концентрации) растет пропорционально расходу воздуха (рис. 3.14). (Зависимость qH(t) = f(QB) позволяет выбрать необходимую подачу наполнителей и, исходя из этого, определять расход воздуха QB и его скорость vB).
Если для транспорта крупных твердых примесей считается экспериментально установленным, что наименьшая скорость транспортирующей среды должна несколько превышать скорость витания этих частиц в той же среде или на величину их гидравлической крупности, то, как показывает опыт, на пылевые частицы этот вывод не может быть распространен [105, 106]. Исследования показывают, что обеспечение транспорта пылевых частиц требует безусловного выполнения условия:
