Содержание к диссертации
Введение
I. Анализ технологий и высевающих аппаратов для посева семян овощных культур
1.1. Ценность овощных культур в растениеводстве 12
1.2. Технологии посева овощных культур 15
1.3. Сравнительный анализ высевающих аппаратов на сеялках различного типа .24
1.4. Агротехнические требования к сеялкам для посева пророщенных семян овощных культур 36
1.5. Цели и задачи исследования .37
Глава II. Тeoрeтичeскоe опрeдeлeниe главных парамeтров гидропневматического высeвающeго аппарата для пророщeнных сeмян овощных культур
2.1. Конструкция гидропневматического высевающего аппарата и принцип его работы .38
2.2. Теоретическое определение скорости перемещения семени в гидропневматическом высевающем аппарате .40
2.2.1. Аналитическое обоснование условия захвата семени в гидропневматическом высевающем аппарате 46
2.3. Теоретическое определение допустимой скорости воздуха при работе гидропневматического высевающего аппарата .49
2.4. Определение параметров штуцера для подачи воздуха в семенную камеру высевающего аппарата 59
Выводы по главе II 64
Глава III. Методика экспериментальных исследований процесса посева пророщенных семян овощных культур гидропневматическим высевающим аппаратом
3.1. Программа проведения исследований .65
3.2. Методика проведения поисковых опытов 66
3.3. Методика проведения экспериментальных исследований .66
3.4. Методика проращивания семян овощных культур .70
3.5. Методика определения физико-механических свойств пророщенных семян овощных культур .72
3.5.1. Исследование фрикционных характеристик пророщенных семян .72
3.5.2. Исследование размерно-массовых характеристик пророщенных семян 78
3.6. Методика измерения скорости потока воздуха, направляемого в семенной ящик .80
3.7. Методика определения жесткости пружины .83
3.8. Исследование критической скорости пророщенных семян овощных культур 84
3.9. Методика исследования работы гидропневматического высевающего аппарата для посева пророщенных семян овощных культур 87
3.10. Методика определения силы прилипания семян овощных культур 90
3.11. Методика определения количества крахмала и его качественной характеристики – вязкости в водно-семенной жидкости
3.12. Методика проведения полевых исследований 96
Глава IV. Рeзультаты экспeримeнтальных исслeдований гидропневматического высeвающего аппарата
4.1. Коэффициeнты трeния покоя и движeния пророщeнных семян 98
4.2. Размеры пророщенных семян овощных культур 984
4.3. Размеры проросших семян овощных культур .103
4.4. Размеры ростков семян овощных культур .105
4.5. Определение критической скорости движения воздушного потока пророщенных семян овощных культур 107
4.6. Результаты определения силы налипания пророщенных семян овощных культур .108
4.7. Результаты определения наличия крахмала и его характеристики – вязкости 108
4.8. Результаты исследований влияния конструктивных элементов гидропневматического высевающего аппарата на пропуск пророщенных семян овощных культур 109
4.9. Оптимизация конструктивных параметров гидропневматического высевающего аппарата для посева пророщенных семян овощных культур 111
4.10. Результаты наблюдений за развитием растений овощных культур 117
Выводы по главе IV 120
Глава V. Определение основных экономических показателей при применении разработанного гидропневматического высевающего аппарата .122
5.1. Определение затрат на изготовление высевающего аппарата для посева пророщенных семян овощных культур .122
5.2. Определение экономической эффективности, полученной в результате использования гидропневматического
высевающего аппарата при посеве овощных культур 125 Общие выводы и рекомендации по производству 128 Список используемой литературы
- Сравнительный анализ высевающих аппаратов на сеялках различного типа
- Аналитическое обоснование условия захвата семени в гидропневматическом высевающем аппарате
- Методика проведения экспериментальных исследований
- Размеры проросших семян овощных культур
Сравнительный анализ высевающих аппаратов на сеялках различного типа
Овощи – главный продукт питания. В соответствии с научными данными, рацион человека должен на состоять из различных видов овощей. Для нормальной жизнедеятельности человеку необходимо употрeблять в течение года около 135 кг продукции овощных и бахчевых культур [7].
Огурец и кабачок – однолетние травянистые растения семейства тыквенных. Родина кабачков – Америка (Мексика), где кабачки выращивали за 3000 лет до н. э. В Европе они появились в XVI веке. В настоящее время их выращивают во многих странах мира. По мнению многих ученых огурцы происходят из влажной тропической зоны Индии или Индокитая [118]. На Руси огурец появился предположительно в VIII – IX веках. За многочисленные «заслуги» в 2007 году в г. Шклове (Беларусь) был даже открыт памятник огурцу.
Существенное товарное производство огурца в открытом грунте сосредоточено в южных областях России и Центрально-Черноземном районе.
Огурец – единственный овощ, который мы употребляем в пищу недозрелым. Огурцы и кабачки весьма популярны в составе овощных салатов, а также в засоленном или маринованном виде. В свежем состоянии в течение года плоды используют довольно долго – начиная с весны (тепличные) и до самой осени, когда созревают все виды, посаженные в открытом грунте.
Для перевозки отбирают неперезревшие, здоровые и механически неповрежденные плоды, которые осторожно укладывают в решетчатые ящики [46].
Ценность огурцов обусловливается вкусовыми качествами, способствующими хорошему усвоению пищи, а также присутствием в них ферментов, содействующих пептизации. Наличие в огуречном соке большого количества минеральных соединений щелочного типа обеспечивает нейтрализацию кислых соединений, поступающих в организм человека при употреблении в пищу мучных, крупяных, мясных, молочных и других продуктов, улучшает усвоение белка. Огуречный сок обладает лекарственными свойствами [111, 118]. Огурец посевной имеет типичное для всех тыквенных строение семени. Эпидерма семенной кожуры однослойная и состоит из радиально удлиненных (палисадных) клеток, содержащих крахмал [85].
Огурцы богаты калием и фосфором, которые препятствуют отложению в почках вредных кристаллических соединений, способствуют их выведению из крови, улучшают работу почек и сердца. Высокое содержание калия улучшает выведение из организма воды и поваренной соли, что очень важно при заболеваниях сердечно-сосудистой системы. Цинк, имеющийся в огурцах, обеспечивает нормальную работу поджелудочной железы [118]. Огурец помогает бороться с отеками. Оптимальное сочетание солей в мякоти и соке огурца незаменимо при болезнях щитовидной железы. В огурцах имеется также кальций, магний, железо, йод и другие элементы, витамины С, А, В1, В2, РР1, пантотеновая, фолиевая кислоты, различные ферменты, необходимые для лучшего усвоения витаминов группы В. Огурец содержит 15% белков, 2% сахаров (фруктозы и глюкозы), 0,75% клетчатки и ароматические вещества [27].
По энергетической ценности плоды огурца, содержащие 95… 96,8% воды, занимают среди овощей предпоследнее место (670 Дж/кг), превосходя лишь салат [93].
Кабачок по питательной ценности приближен к огурцам, зелному листовому салату и латуку. Кабачки ценны тем, что в них содержатся действенные компоненты, необходимые для правильного питания человека. Они богаты минеральными солями, очень важными для обмена веществ в организме человека. В большом количестве имеются соли калия – 309 мг %, фосфора – 28,2 мг %, кальция – 17,2 мг %, магния – 16,7 мг %, а в меньшем количестве – соли натрия, железа, серы и других. Кроме того, есть в них и микроэлементы – молибден, титан, арсен, алюминий, литий, цинк и др. Соотношение калия и натрия 150:1, что благоприятно отражается на водном балансе организма и помогает ему освобождаться от излишних жидкостей.
Кабачки содержат различные витамины: 23 мг % витамина С, а также каротин (провитамин А), витамины B1, В2, никотиновую кислоту и другие.
В кабачках содержится небольшое количество органических кислот, их целлюлоза нежная и не вызывает раздражения желудка и кишечника. Этот овощ – хорошая пища для страдающих желудочно-кишечными заболеваниями и больных сахарным диабетом.
Сок из кабачка хорошо успокаивает нервную систему. Отвар из цветков лечит кожные заболевания. Очень полезны кабачки для пожилых людей. Они активируют работу пищеварительного тракта, улучшают функции желудка и кишечника (моторную и секреторную), положительно влияют на обновление крови, препятствуют развитию атеросклероза. Кабачки рекомендуют при гипертонии и заболеваниях почек и печени.
Кабачки — это ещ и мочегонное средство при различных отках. При этом наиболее полезны кабачки размером 20-25 см, недозрелые, а ещ кабачки имеют противоаллергические, противоанемические и желчегонные свойства. Поможет уменьшить аллергические реакции отвар из цветков кабачка.
Поскольку семена огурца и кабачка легковесны, да и еще эпидерма семенной кожуры содержит крахмал [85], который растворяясь в воде, образует клейкообразную пленку, то возникают значительные трудности с посевом данных культур. Семена в большом количестве налипают на металлические детали высевающего аппарата.
Огурцы и кабачки, как продукт питания, пользуются у народа большим спросом. По популярности с ними могут соперничать разве что капуста белокочанная, томаты и лук репчатый. Огурцы — это символ красоты, элегантности, опрятности. Их привлекательный внешний вид нашел отражение в различных сравнениях, пословицах, поговорках и песнях. «Выглядит как огурчик», — говорят о здоровом, крепком, свежем на вид человеке [94].
Аналитическое обоснование условия захвата семени в гидропневматическом высевающем аппарате
Основной задачей при разработке конструкции гидропневматического высевающего аппарата являлась экономия легковесных семян при посеве, снижение повреждения ростков и пропуска семян, однозерновой отбор фракций. Указанный технический результат достигается тем, что высевающий аппарат имеет корпус с планкой, расположенной в верхней части семенного ящика 1 (рис. 2.1), представляющего собой герметичный полукруглый желоб, сужающийся к нижней части, в котором вертикально размещен диск 2 с ячейками в виде ложечек 3, которые выполнены по форме семян высеваемой культуры, из материала с низким коэффициентом трения, находящимися на державках, установленных на осях под углом =4...8 к линии радиуса диска 2; каждая державка имеет упор и пружину, и их количество пропорционально шагу посева; каждая ложечка 3 имеет захват высотой 0,7...0,8 толщины высеваемой семечки и отверстие диаметром 1..2 мм; на корпусе установлен уловитель 4, нижняя часть которого является высевным окном 5, корпус установлен на крепежной оси и сдерживается регулировочной тягой и наклонен под углом =3...6 к горизонту; на дне семенного ящика 1 расположено отверстие, диаметром 3 мм, в которое установлен штуцер 6, с обратным клапаном, подсоединенный шлангом 7 к компрессору 8 [107]. Высевающий аппарат функционирует следующим образом: На оси ставят державки вместе с ложечками 3, при этом шаг посева задается их количеством. Семенной ящик 1 наполняется пророщенными семенами овощных культур вместе с водой. Компрессор 8 нагнетает воздух, и через шланг 7 штуцером 6 через обратный клапан воздух подается к семенному ящику 1. Обратный клапан позволяет потоку двигаться только в одном направлении, при возникновении ситуации, когда водно-семенная жидкость движется в обратном направлении, этот клапан закрывается таким образом, останавливая поток водно-семенной жидкости. Для регулировки подачи воздуха на шланге 7 закреплен кран-регулятор 9. Под давлением воздуха семена начинают двигаться по семенному ящику 1, поднимаясь к поверхности воды, не налипая на ложечки 3, изготовленные из материала с низким коэффициентом трения, движущиеся через водно-семенную жидкость по окружности при движении по полю. При движении по полю через привод вращение передается на диск 2.
Сначала, когда ложечка 3 входит в водно-семенную жидкость, ее захват зачерпывает воду, и во внутренней полости ложечки 3 появляется динамическое давление за счет ее дальнейшего движения в водно-семенной жидкости. Вода, попавшая в ложечку 3, устремляется в отверстие, что способствует затягиванию семени в ложечку 3, и семя перекрывает отверстие. В результате, давление под семенем становится меньше, чем над ним, за счет этого семя правильно ориентируется в ложечке 3 и надежно удерживается при прохождении через водно-семенную жидкость. Семена, находящиеся над запавшим семенем, за счет нагнетенного воздуха компрессором 8, соскальзывают вниз. При выходе из водно-семенной жидкости семечка надежно удерживается захватом и силой натяжения воды, образовавшейся каплей в отверстии. В верхней части семенного ящика 1 на движущуюся державку воздействует планка и она поворачивается на определенный угол. При дальнейшем движении державки она соскальзывает с планки и под действием пружины возвращается в исходное положение, ударяясь об упор. В результате на ложечку 3 действует сила инерции, которая выбрасывает семя в область уловителя 4, и далее оно направляется в высевное окно 5. Так как шаг посева задается количеством державок с ложечками 3, то подача семян в высевное окно 5 будет происходить с определенным интервалом, в результате семена будут поступать по семяпроводу в бороздку, сделанную сошником через определенное расстояние.
Посев пророщенных семян огурцов данным высевающим аппаратом исключает повреждение их ростков, обеспечивает экономию семян и получение ранней продукции [78]. – семенной ящик; 2 – диск; 3 – ложечка; 4 – уловитель; 5 – высевное окно;
Теоретическое определение скорости перемещения семени в гидропневматическом высевающем аппарате
Из анализа исследований, проводившихся при разработке аппарата для посева проросших семян бахчевых культур (арбуза и тыквы) учеными [88, 99], следует, что захват семени, находящегося в жидкости, ложечкой высевающего аппарата происходит в нижней точке корпуса высевающего аппарата. Условие захвата семени определено и вполне согласуется с экспериментальными выводами, полученными в этих работах.
Однако семена овощных культур отличаются от семян бахчевых не только физико-механическими свойствами, но и технологическими исследованиями. Установлено, что при набухании они образуют большое количество крахмала, который скапливается на их поверхности и создает клееобразную пленку. При взаимодействии с любыми поверхностями деталей машины, как и между собой, пленка прочно удерживает семена на поверхности детали и е отделение возможно только при приложении необходимых внешних усилий. Силы сцепления между семенами способствуют образованию конгломератов.
Рассмотрим схему сил, действующих на семя в момент его захвата ложечкой высевающего аппарата: тх - тангенциальная сила инерции; т(
- центробежная сила инерции; тд - сила тяжести семени; Тв - сила сопротивления воды; N - нормальная сила от ложечки на семя; Тк - сила сцепления между ложечкой и семенем; Тк - касательная сила при перемещении семени из ложечки; Rв - сила от воздуха [68, 90].
Направление осей координат показано на рисунке 2.2. При этом необходимо учитывать, что О - центр вращения диска; О] - центр поворота ложечки; С - центр тяжести семени; ст - расстояние от оси центра диска до центра поворота ложечки; длина стержня ложечки; л - радиус ложечки.
Методика проведения экспериментальных исследований
Закрепляем на штативе конец спиральной пружины (другой конец пружины снабжен крючком). Рядом с пружиной закрепили линейку с миллиметровыми делениями. Отметили то деление линейки, против которого приходится крючок пружины. Затем подвесили к пружине груз массой 10 г и измерили вызванное им удлинение пружины. К первому грузу начинали добавлять второй, третий и т.д. грузы, записывая каждый раз удлинение пружины . По результатам измерений построили график зависимости силы упругости от удлинения.
Найдем жесткость пружины из измерений удлинения пружины при различных значениях силы тяжести, определяющейся по формуле 3.15:
Аэродинамические свойства семян зависят от их формы, абсолютной массы и относительной плотности. Состояние семян при продувании воздуха через их слой определяется скоростью воздушного потока [106, ПО]. Скорость воздушного потока, при которой семена находятся во взвешенном состоянии, называется критической.
Определим показатель критической скорости с помощью парусного классификатора первого поколения, схема которого представлена на рисунке 3.12 [70]. Точность данного прибора составляет 0,1 м/с, а диапазон измерений – от 0,4 до 4,9 м/с.
Испытуемое пророщенное семя поместили в вертикально расположенную аэродинамическую трубу в восходящий воздушный поток. Семя, вследствие действия на него силы давления воздушного потока и силы тяжести, начинает витать при условии R=G (где R – сила от действия воздушного потока, G – сила тяжести). Витание заключается не в зависании частицы в воздухе, а в колебании ее на определенном участке вверх-вниз, и в некоторых случаях движением ее по внутренней окружности аэродинамической трубы. Скорость витания определяется по положению частицы относительно шкалы аэродинамической трубы. Воздушный поток, направленный снизу вверх, в канале будет иметь различную скорость ввиду различного сечения по высоте аэродинамической трубы. На шкале обозначена скорость воздушного потока (м/с), равная истинной критической скорости частицы.
Изменяя вращающийся момент ротора вентилятора с помощью автотрансформатора в узком диапазоне, добиваются равенства R=G, т.е. взвешенного состояния частицы [106].
Парусный классификатор работает следующим образом. Испытуемое семя помещается в полость аэродинамической трубы непосредственно в восходящий воздушный поток. В этот момент на семя действуют две силы: сила давления воздушного потока R и сила тяжести G. Если R G, семя движется вверх. При R G семя движется вниз. Когда R=G, семя находится во взвешенном состоянии, а скорость воздушного потока в данный момент будет являться критической скоростью для испытуемого семени. Изменяя напряжение, подводимое к статору двигателя, необходимо добиться условия R=G, а затем по показателям лабораторного автотрансформатора определить критическую скорость семени.
В процессе исследования пророщенных семян овощных культур: огурцов сортов «Степной», «Феникс» и семян кабачка сорта «Грибовский» -по графику, представленному на рисунке 3.14, определялась скорость воздушного потока семени, для каждого сорта отдельно [108].
Методика исследования работы гидропневматического высевающего аппарата для посева пророщенных семян овощных культур
Одними из основных показателей качества работы высевающих аппаратов однозернового высева являются: повреждение и пропуска посевного материала, среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации [50].
Показателем повреждения посевного материала гидропневматическим высевающим аппаратом принимали количество семян с поврежденными или оторванными ростками в процентах от общего количества высеянных семян. Показателем пропуска посевного материала или показателем точности посевного материала приняли количество ложечек, высеявших по одному семени, в процентах, к общему количеству ложечек, высевающих семена за время опыта.
Изучение вышеперечисленных показателей проводилось в лабораторных условиях при помощи специальной установки. Лабораторная установка состоит из гидропневматического высевающего аппарата (рис. 3.15).
В семенной ящик 1 засыпались пророщенные семена овощных культур вместе с водой. Компрессор 2 нагнетает воздух и подает его в семенной ящик 1 через отверстие посредством шланга 3 и штуцера 4. Вращая вал 5 диска 6 гидропневматического высевающего аппарата вручную, мы, тем самым, смоделировали процесс высева семян (рис. 3.15).
Для определения частоты вращения вала использовался цифровой лазерный фото тахометр (рис. 3.17), направляя прибор излучателем лазерного луча в сторону вращения вала на экране дисплея и кратковременно нажав на кнопку «Test», на экране дисплея высвечивалось значение скорости вращения вала в об/мин. Знaя расстояние от оси вращения диска до ложечки, определялась окружная скорость е движения по формуле: л = = (3.15) где: - чaстoтa врaщения дискa, oб/мин; - рaсстoяние oт oси врaщения дискa дo лoжечки, м. Тoчнoсть oднoзернoвoгo высевa и пoвреждения пoсевнoгo мaтериaлa нaблюдaлись визуaльнo, а кoличественные дaнные зaнoсились в тaблицы и дaлее стрoились сooтветствующие зaвисимoсти. Изменяя частоту вращения диска, найдем оптимальные значения, при которых точность однозернового высева небольшая, а повреждения ростков минимальны.
Размеры проросших семян овощных культур
Анализируя полученные кривые можно сделать вывод, что динамика развития ростка в значительной степени зависит от температуры проращивания семян. Так при температуре t=38…40 С появление ростков происходит через 1,5…2 часа, а для нормальной работы гидропневматического высевающего аппарата требуются семена с длиной ростков, не превышающих предельных значений, для этого нужно посев провести в максимально сжатые сроки. На рисунках 4.13 и 4.14 видна сильная разница прорастания семян по времени, связано это со структурой оболочки семян, более тонкая кожа семян у огурца сорта «Степной», а более толстая у кабачка сорта «Грибовский», но с увеличением температуры проращивания разница прорастания по времени резко снижается (рис. 4.15), что также необходимо учитывать при посеве.
Определение критической скорости движения воздушного потока пророщенных семян овощных культур
Для определения критической скорости движения воздушного потока пророщенных семян овощных культур были взяты пророщенные семена огурцов сорта «Степной» и «Феникс» и кабачка сорта «Грибовский». Результаты исследований заносили в таблицы 18-20 приложения 5. Среднее напряжение U для семян огурца практически одинаково: для семян огурца сорта «Степной» оно составляет 146,6 В, а для семян огурца сорта «Феникс» -149 В, а следовательно, и средняя критическая скорость движения воздушного потока семян огурцов для этих сортов практически одинакова: для сорта «Степной» - 2,88 м/с, для сорта «Феникс» -3 м/с. Напряжение для семян кабачка значительно отличается от напряжений для семян огурцов и составляет для сорта «Грибовский» - 170,2 В, средняя критическая скорость движения воздушного потока семян кабачка – 3,46 м/с.
Следовательно, регулируя движение воздушного потока, для семян огурца и кабачка необходимо создать свою подходящую для каждого вида семян овощей подачу воздуха. Подача воздуха регулируется краном, установленном на шланге.
Для определения силы налипания пророщенных семян овощных культур были взяты семена огурца сорта «Степной». При отрыве одной пластины от другой электронный динамометр показал результат 0,01 кН, что доказывает о существующей силе сцепления Тк (глава II) между семенами и ложечкой. Поскольку при контакте с водой на оболочке семян огурца и кабачка образуется крахмал, что препятствует дальнейшему отделению семян друг от друга. Для сведения к минимуму силы сцепления необходимо:
Результаты исследований влияния конструктивных элементов гидропневматического высевающего аппарата на пропуск пророщенных семян овощных культур
Для того чтобы происходило полное заполнение ячеек ложечек гидропневматического высевающего аппарата необходимо изучить пропуск пророщенных семян. Основными факторами, влияющими на работу гидропневматического высевающего аппарата являются: частота вращения вала, жесткость пружины державки и скорость потока воздуха, направляемого в семенной ящик. При исследовании данных факторов подбирались условия, необходимые для соблюдения агротехнических требований.
Пропуск пророщенных семян овощных культур составил 1…20%. Исследования проводились с использованием семян огурца сорта «Феникс» и «Степной» и кабачка сорта «Грибовский». Минимальный пропуск составил 1% при частоте вращения 18,85с-1 для всех сортов, максимальный – 20% при частоте вращения 50,26с-1 для огурца сорта «Феникс». Оптимальная частота вращения вала диска составила 18,85с-1, при уменьшении и увеличении оборотов вала диска семена не успевают попадать в ложечку. Минимальный пропуск составил 1% при жесткости пружины равной 550 Н/м для всех сортов, максимальный – 16% для огурца сорта «Степной» при жесткости пружины 900 Н/м. При меньшей жесткости пружины семена не попадают в ложечку, а при большей – семена выпадают из ложечки, не доходя семяуловителя.
При скорости потока воздуха, направляемого в семенной ящик равной 6 м/с минимальный пропуск составил 2% для всех испытуемых сортов, максимальный - при 15 м/с составил 20% для кабачка сорта «Грибовский». Увеличивая скорость воздуха, пророщенные семена начинают хаотично передвигаться в водно-семенной жидкости в семенном ящике с большой скоростью, и чем больше скорость направляемого потока воздуха в семенной ящик, тем больше вероятность непопадания семени в ложечку. Все данные сведены в таблицы 22-24 приложения 7, и по ним построены графики (рис. 4.16-4.18).
В качестве выходного показателя на этапе лабораторных исследований был принят выходной фактор - пропуск семян П, выраженный в %.
В соответствии с принятой методикой, для исследования области оптимума был реализован план Рехтшафнера для 3-х факторного эксперимента, этот план указан в таблице 25 приложения 8. Полученные результаты экспериментов представлены в таблице 26 приложения
