Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Предпосевная подготовка семян свеклы - важнейший элемент агротехники. 9
1.2 Анализ существующих способов и устройств для предпосевной подготовки семян свеклы 11
1.2.1 Отбор семян по величине, массе и жизнеспособности 13
1.2.2 Обеззараживание семян 17
1.2.3 Обработка семян ультразвуком 19
1.2.4 Применение электрического поля 20
1.2.5 Применение магнитного поля 21
1.2.6 Облучение лазером 22
1.2.7 Воздействие ионизирующими излучениями 23
1.2.8 Дражирование семян 24
1.2.9 Термическая обработка семян
1.2.10 Намачивание и проращивание семян 27
1.2.11 Барботирование семян 28
1.3 Классификация существующих устройств для барботирования семян 31
Задачи научных исследований 38
2 Теоретическое обоснование технологического процесса барботирования семян свеклы 39
2.1 Объект исследования и принцип его работы 39
2.2 Расчётно - аналитическое исследование устройства для барботирования семян
2.2.1 Основные обозначения и начальное положение устройства... 40
2.2.2 Основные допущения и требования к расчёту и работе устройства 42
2.2.3 Математическая модель при вертикальном расположении оси ёмкости устройства
2.2.3.1 Зависимости, описывающие силы тяжести элементов установки и давления кислорода в полостях ёмкости 52
2.2.3.2 Особенности компоновки отверстий в решете
2.2.4 Математическая модель при непрерывно вращающейся ёмкости устройства 55
2.2.4.1 Математическое описание сил, действующих на кассету 56
2.2.4.2 Коэффициент расхода газа через отверстия решета 58
2.3 Описание программы расчёта математической модели 61
2.3.1 Особенности программы расчёта математической модели 63
2.3.2 Начальные значения параметров математической модели 65
2.4 Результаты исследования процесса барботирования семян в устройстве для предпосевной подготовки полученные путём расчётов 67
2.4.1 Изменение давлений в полостях ёмкости установки 67
2.4.2 Изменение количества кислорода в полостях ёмкости установки и изменение объёмов её полостей 70
Выводы по разделу 72
3 Программа и методика проведения экспериментальных исследований 73
3.1 Программа экспериментальных исследований 73
3.2 Лабораторно-производственная установка для барботирования семян кислородом „ 74
3.3 Методика лабораторных исследований 81
3.4 Метод многофакторного планирования 82
3.5 Экспериментальные исследования в производственных условиях... 87
4 Результаты экспериментальных исследований 89
4.1 Результаты планирования эксперимента 89
4.2 Результаты лабораторных испытаний проведённых в ФГБУ «Нижегородский референтный центр» 98
4.3 Результаты полевых испытаний 100
Выводы по разделу 101
5 Экономическая эффективность использования устройт сва для барботирования семян свеклы кислородом 103
Общие выводы 108
Библиографическим
Список литературы
- Обработка семян ультразвуком
- Расчётно - аналитическое исследование устройства для барботирования семян
- Лабораторно-производственная установка для барботирования семян кислородом
- Экономическая эффективность использования устройт сва для барботирования семян свеклы кислородом
Введение к работе
Актуальность темы. В сельскохозяйственном производстве возделывается свекла столовая, сахарная и кормовая. Столовая свекла используется как продукт питания, сахарная – в промышленности для производства сахара, кормовая – для скармливания животным.
В настоящее время производство всех видов свеклы испытывает значительные трудности. Цены на энергоносители, тракторы, сельскохозяйственную технику, минеральные удобрения и пестициды, с каждым годом повышаются, а закупочные цены на свеклу остаются на низком уровне.
Преодоление этих трудностей возможно путем совершенствования технологических операций, связанных с выращиванием свеклы, и не в последнюю очередь операций, направленных на повышение всхожести и сокращение продолжительности прорастания семян. Большое внимание сегодня уделяется способам предпосевной подготовки, позволяющим получить экологически чистые продукты растениеводства. Некоторые способы предпосевной подготовки семян сложны в осуществлении и требуют применения пестицидов в период вегетации. Это связано с большими экономическими затратами на подготовку семян, а пестициды неблагоприятно влияют на окружающую среду и здоровье человека.
Перспективным является способ барботирования семян кислородом и создание машин, работающих с минимальными экономическими затратами на проведение этой операции.
Работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Нижегородская ГСХА» на 2010-2015 годы, номер государственной регистрации 01.200-005768 – по теме «Усовершенствование технологий и средств механизации возделывания овощных культур и свеклы в условиях Нижегородской области».
Цель исследования. Повышение урожайности свеклы путём разработки устройства для предпосевной подготовки семян барботированием кислородом.
Объект исследования. Технологический процесс предпосевной подготовки семян свеклы способом барботирования и устройство для его осуществления.
Методика исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений законов и методов классической механики, гидравлики и математики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях в соответствии с действующими стандартами, а также методиками, разработанными с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Обработка результатов расчётов и экспериментов выполнялась на ПЭВМ с использованием программ Visual BASIC в среде VBA и Statistica.
Научная новизна работы:
– теоретически обоснованы основные параметры устройства для обработки семян перед посевом;
– получены оптимальные конструктивно-технологические параметры рабочего процесса устройства для барботирования семян.
Практическая значимость и реализация результатов исследований:
– разработано устройство для барботирования семян кислородом (патенты РФ №103438, №86382 на полезную модель);
– разработана математическая модель процесса барботирования семян в предложенной установке;
– выполнены лабораторные и производственные испытания устройства для предпосевной подготовки семян свеклы и получены рекомендации для его внедрения в производство.
Лабораторно-производственная установка изготовлена и прошла опытно-производственную проверку в КФХ «Балабин Владимир Викторович» Арзамасского района и в СПК «Колхоз «Красный маяк»» Городецкого района Нижегородской области.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-практических конференциях: ФГБОУ ВПО «Московский ГАУ» (г. Москва, 2010 – 2011 г.); ФГБОУ ВПО «Нижегородский ГИЭИ» (г. Княгинино, 2010 г.); ФГБОУ ВПО «Нижегородская ГСХА» (г. Н.Новгород, 2010 г.); Нижегородская сессия молодых ученых (г. Н.Новгород, 2010 г.); участие во 2-м туре Всероссийского конкурса научных работ (г. Уфа, 2011 г.); участие в молодежном научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» (г. Н.Новгород, 2010 – 2011 г.); ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» (г. Саранск, 2011 г.); ГНУ «НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии» (г. Киров, 2011 г.).
На защиту выносятся следующие положения:
– математическая модель процесса барботирования семян в разработанном устройстве;
– конструктивно-технологическая схема устройства для барботирования семян кислородом;
– результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний устройства для барботирования семян свеклы кислородом;
– экономическая эффективность от использования предлагаемого устройства для барботирования семян свеклы в условиях крестьянских (фермерских) хозяйств.
Публикации. По основным положениям диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 Патента РФ на полезную модель, 3 статьи опубликованы в изданиях, рекомендуемых «Перечнем…ВАК».
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа содержит 150 страниц машинописного текста, 48 рисунков, 13 таблиц и 8 приложений. Список литературы включает 99 наименования, из которых 3 на иностранном языке.
Обработка семян ультразвуком
Выращивание растений - длительный и очень сложный процесс. Много разнообразных работ приходится выполнить, пока соберут урожай и свезут его в закрома, но всегда выращивание урожая начинается с посева семян в почву. К нему готовятся задолго, чтобы как можно быстрее провести сев. В цикле сельскохозяйственных работ видно, что о семенах заботятся непрерывно в течение всего года [26]. Многолетний опыт показывает - предпосевная подготовка семян свеклы является важнейшим резервом повышения урожайности, снижения себестоимости продукции и улучшения ее качества [68]. Сильные, ранние, дружные всходы оптимальной густоты появляются одновременно. Это способствует облегчению ухода за посевами, повышает урожайность и снижает угне-таемость растений сорняками [40].
Семена высеваются в почву, в которой растут, размножаются, борются между собой за место и за пищу разнообразные животные организмы, личинки многих насекомых, черви и др. Семена, попавшие в почву, подвергаются воздействию множества микроорганизмов, которые стремятся использовать запасные вещества семени для собственного питания. Если семя устоит против такого угнетения, то всходы появятся, если победят микроорганизмы, оно погибнет. Поэтому, необходимо широко использовать приёмы, способствующие повышению устойчивости семян свеклы и проростков к опасным микроорганизмам, живущим в почве [26].
Семена свеклы относятся к тугорослым, т.е. имеют низкую энергию прорастания и всхожесть. Преодолеть это удаётся с помощью различных мер предпосевной подготовки семян, таких как: обработкой различными стимуляторами, воздухом или кислородом, намачиванием.
Посевы семян свеклы нередко бывают изреженными, либо загущенными [59]. Во избежание этого осуществляют такие мероприятия для повышения урожайности как: равномерный и точный посев, дражирование семян, использование тёрочных машин. Другие способы подготовки семян свеклы к посеву -сортирование, обеззараживание, облучение семян, также нашли широкое применение в сельскохозяйственной практике.
Значение предпосевной подготовки семян при выращивании свеклы трудно переоценить. Очень важно получить всходы в ранние сроки после посева. Результат - повышенная устойчивость культурных растений к сорнякам, увеличенный вегетационный период растений, а в конечном итоге урожайность. Некоторые приёмы предпосевной подготовки позволяют ослабить влияние неблагоприятных погодных условий, помогая в период весеннего похолодания или высокой температуры начать процессы роста благодаря искусственному пробуждению зародыша в семенах.
На прорастание семян свеклы влияют различные свойства почвы, главные из которых - температура, влажность, воздушный режим и физико-механический состав. Наряду с благоприятными свойствами почвы, на семена воздействуют и негативные, особенно ярко проявляющиеся при некачественной предпосевной подготовке почвы, что нередко происходит на практике. При этом не всегда создаются оптимальные условия для пробуждения семян, в результате затягивается период их прорастания.
В таких условиях особенно важны приёмы подготовки семян, которые обеспечивают лучшую адаптацию проростка к неблагоприятным полевым условиям, ускоряют появление всходов [40].
При выращивании свеклы в производственных условиях, индивидуального огорода, крестьянских (фермерских) и личных подсобных хозяйствах, предпосевная подготовка семян - один из важнейших элементов агротехники, позволяющий сократить время появления всходов, повысить всхожесть, а в конечном итоге - урожайность растений. Словом, справедливо высказывание «Урожай начинается с семян» [59].
Принимая во внимание вышеизложенное, делаем вывод о том, что различные приёмы предпосевной подготовки семян свеклы позволяют оздоровить растительный организм - повышая устойчивость растений к болезням и другим негативным воздействиям среды, в итоге увеличивая урожай культуры. Некоторые существующие методы требуют тщательного рассмотрения процесса предпосевной подготовки и поиска наилучших способов, удовлетворяющих требованиям проращивания семян свеклы при этом, не причиняя вреда окружающей среде, жизни и здоровью людей.
Расчётно - аналитическое исследование устройства для барботирования семян
Рассмотрим параметры, которыми описывается состояние кислорода как аэратора во всех полостях установки.
Объём кислорода V3 в нижней полости ёмкости (рисунок 2.2) определяется упорами, установленными на её днище. Эти упоры ограничивают перемещение кассеты внутри ёмкости. Рассматриваем состояние установки непосредственно после заполнения ёмкости кислородом. В процессе наполнения нижняя полость заполнена кислородом, и вода в этой полости отсутствует. Это условие используется в качестве одного из начальных условий расчёта модели.
Одно из допущений предложенной математической модели состоит в том, что кислород, содержащийся внутри кассеты устройства, расположён под её верхним решетом. Кассета заполнена семенами, водой и кислородом. Объём кассеты, объёмы семян и воды неизменны во время работы устройства. Поэтому объём кислорода в кассете остаётся постоянным во всё время работы установки.
Объём кислорода в полости Vx емкости определяется высотой кассеты и высотой ёмкости устройства. А высота этой полости определяет перемещение кассеты во время работы установки.
Наполнение ёмкости установки кислородом контролируется показаниями манометра, установленного в корпусе ёмкости.
В начальном положении установки давление кислорода Р2 внутри кассеты равно давлению кислорода в верхней полости ёмкости Р1, т.к. эти полости разделены решетом, а заполнение ёмкости установки кислородом осуществляется очень медленно (при малых скоростях движения кислорода через отверстия решета).
Медленное заполнение ёмкости кислородом необходимо для ограничения динамических нагрузок на элементы конструкции установки и семена.
Давление вещества, которое заполняет нижнюю полость ёмкости Ръ, равно сумме давления кислорода в верхней полости и давления, создаваемого силой тяжести заполненной кассеты. Здесь под веществом мы понимаем либо кислород, либо воду, либо смесь этих веществ. Какое конкретно вещество находится в этой полости, не оказывает заметного влияния на корректность модели, т.к. расчёт начинаем с вытеснения кислорода из полости Vj (см. описание математической модели и последовательность расчёта работы установки ниже).
Ещё одно допущение, принятое в математической модели, состоит в следующем. При вытеснении кислорода из нижней полости ёмкости в кассету через нижнее решето образуются кислородные пузырьки. В корректности такого представления об истечении газа через отверстия малого диаметра в полость, заполненную жидкостью, несложно убедиться в простейших экспериментах. Сила Архимеда, действующая на кислородные пузырьки внутри кассеты настолько велика, что пузырьки поднимаются к верхнему решету с большой скоростью и основная масса кислорода внутри кассеты располагается непосредственно под верхним решётом.
Такая картина течения кислорода внутри кассеты позволяет сформулировать допущение в следующем виде: гидравлическое сопротивление решёт прохождению пузырьков через отверстия много больше гидравлического сопротивления перемещению пузырьков внутри кассеты. Именно такая формулировка истечения кислорода внутрь кассеты позволяет описать её в математической форме.
Отсюда следует, что скорость перемещения кассеты внутри емкости и время омывания семян кислородом определяется в основном гидравлическим сопротивлением решёт кассеты. Тогда понятна и очевидна задача расчётного оптимального выбора этих гидравлических сопротивлений и частоты вращения ёмкости.
Дополним эту задачу также ещё и необходимостью рационального подбора диаметра отверстий в решётах и расстояний между отверстиями. Выбор параметров диктуется необходимостью обеспечить равномерное течение кислорода по всему объёму кассеты, отсутствие значительных динамических нагру 44 зок на элементы устройства и невозможность просыпания семян через отверстия решёт.
Распространяя это требование на работу нашей установки, приходим к выводу, что одной из целей разрабатываемой математической модели является необходимость расчёта времени, за которое кассета с семенами опускается из крайнего верхнего положения в ёмкости в крайнее нижнее, непрерывно вытесняя во время этого перемещения кислород из нижней полости в верхнюю.
Понятно, что времени непрерывного перемещения кассеты из одного крайнего положения в другое соответствует единственная частота вращения ёмкости установки. Рассмотрим движение кассеты внутри ёмкости и соответствующее этому движению изменение параметров состояния кислорода в полостях устройства.
Для упрощения математической модели выделим в описании два этапа. Вначале разработаем модель движения кассеты при неподвижной ёмкости, ось которой вертикальна. Затем дополним полученную модель уравнениями, позволяющими распространить анализ на установку с вращающейся ёмкостью. Одним из важных параметров, описывающих работу установки, является частота вращения ёмкости. К параметрам, описывающим движение кассеты, относятся: - угол оси кассеты с горизонтальной плоскостью модели; - перемещение кассеты вдоль продольной оси ёмкости по времени; - скорость и время перемещения кассеты из верхнего положения в нижнее. К параметрам, описывающим состояние кислорода в полостях ёмкости, относятся: - объём и давление кислорода в полостях, изменяющиеся во времени; - плотность и масса кислорода в полостях, изменяющиеся во времени. Процесс барботирования описываем для состояния установки, в котором кассета находится в крайнем верхнем положении, а ось ёмкости вертикальна. Емкость переводим в это положение после её заполнения кислородом, а процесс изменения положения ёмкости осуществляем достаточно быстро. При таком переводе ёмкости в её начальное положение появляется возможность количественного определения основных начальных параметров кассеты и кислорода в рассматриваемых полостях.
Лабораторно-производственная установка для барботирования семян кислородом
По мере поворота ёмкости, кассета движется под действием собственной силы тяжести, преодолев силы трения между кассетой и ёмкостью и силы трения при истечении кислорода через отверстия решёт.
Расчёт подтверждает описанное выше действие на движение кассеты явление запаздывания. Расчётное время запаздывания составляет примерно 0,3 с, и кассета остаётся неподвижной до положения оси ёмкости, при котором она составляет с горизонтальной плоскостью угол 18.
По мере поворота ёмкости увеличивается давление в нижней полости (Рз) под кассетой. Происходит это из-за увеличения проекции силы тяжести кассеты, семян и воды на мгновенную ось ёмкости установки. Отметим также, что проекция силы трения на эту же ось начинает уменьшаться, что так же ведёт к росту давления кислорода под кассетой.
Давление в верхней полости (Р1) над кассетой (рисунок 2.10) в начале движения кассеты (по завершении запаздывания), уменьшается. Это обусловлено тем, что перемещение кассеты вызывает относительно большое увеличение верхней полости (начальный объём этой полости весьма мал).
Обратим внимание на разную скорость изменения давлений кислорода в верхней и нижней полостях ёмкости установки в начале процесса. Характер полученных кривых объясняется существенно разным относительным изменением объёмов полостей в это время. Действительно, начальные объёмы верхней и нижней полостей отличаются значительно, а их изменение одинаково по абсолютной величине.
Положение ёмкости, когда её ось составляет 90 с горизонтальной плоскостью, картина протекания кривых центрально симметрична.
Приведенные рассуждения полностью подтверждаются выполненными расчётами [38].
Графики изменения массы кислорода в нижней и верхней полостях ёмкости, а также графики изменения объема этих полостей в процессе опускания кассеты при вращении ёмкости представлены на рисунке 2.11 и 2.12.
Видно, что в начале поворота оси ёмкости, начиная от горизонтального положения, массы кислорода в полостях и объёмы полостей над кассетой и под ней не изменяются, также как и давление кислорода в полостях (рисунок 2.10). Такой характер протекания этих параметров обусловлен запаздыванием процесса.
По мере повышения давления под кассетой (Рз), разность давлений на решетах кассеты увеличивается, и она перемещается вниз, вытесняя кислород из нижней полости в верхнюю. Перемещению кассеты сверху вниз соответствует уменьшение объёма нижней полости и увеличение объёма верхней полости.
Характер перемещения кислорода из нижней полости в верхнюю и изменение объемов полостей показано на рисунках 2.11 и 2.12. Видно, что в конце перемещения кассеты вся масса кислорода из нижней полости оказывается перемещённой в верхнюю полость, объём нижней полости принимает минималъное значение, а верхней - максимальное. Выполненные расчёты позволили определить требуемое значение расстояния между центрами отверстий в решётах кассеты. Ранее уже отмечалось, что выбор этого расстояния диктуется необходимостью перемещения кассеты из верхнего крайнего положения в нижнее за половину оборота ёмкости установки. Расчётное межцентровое расстояние оказалось равным 6 мм.
Проведенные исследования позволяют определить следующие параметры кассеты и её решёт, а также устройства в целом [45]: - диаметр отверстий на решётах кассеты - 1 мм; - межцентровое расстояние отверстий - 6 мм; - высота кассеты - 500 мм; - диаметр кассеты - 400 мм; - манометрическое давление кислорода в ёмкости - 0,5МПа; - частота вращения ёмкости - 10 мин"1.
Экономическая эффективность использования устройт сва для барботирования семян свеклы кислородом
Поверхность отклика Y=f(Xl;X2) представляет собой эллиптический параболоид, контурные кривые которого - эллипсы (рисунок 4.1), втянуты по оси Х2. Границы оптимальных значений факторов XI и Х2 соответственно равны: Х1Є[-0,32;0], Х2Є[0,29;0,52].
Поверхность отклика Y=f(Xl;X3) представляет собой эллиптический параболоид, контурные кривые которого - эллипсы (рисунок 4.2), втянуты по оси ХЗ. Границы оптимальных значений этих факторов соответсвенно равны: Х1Є[-1,06;0,33], ХЗЄ[0,24;0,8].
Поверхность отклика Y=f(X2;X3) также представляет собой эллиптический параболоид, контурные кривые которого - эллипсы (рисунок 4.3), втянуты по оси ХЗ. Границы оптимальных значений факторов Х2 и ХЗ соответсвенно равны: Х2Є[-0,19; 0,91], ХЗЄ[0,15; 0,79]. лабораторных испытаний проведённых в ФГБУ «Нижегородский референтный центр»
С целью проверки влияния кислорода на энергию прорастания семян и всхожесть были проведены сравнительные лабораторные исследования в независимой лаборатории ФГБУ «Нижегородский референтный центр федеральной службы по ветеринарному и фитосанитарному надзору» (рисунок 4.8). В исследованиях сравнивались образцы семян столовой свеклы сорта «Красный шар», барботированные при найденных параметрах исследуемого устройства, образцы намоченных семян, а также контрольный образец из сухих семян. Намачивание семян проводили следующим образом. Из партии семян осуществляли отбор проб в количестве 100 щт согласно методике описанной в разделе 3.3. Исследуемые семена выкладывали на подготовленное ложе. Растильня наполнялась водой до половины уровня погружения семян. Растильня с семенами помещалась в тёплое место с постоянной температурой около 20С. Каждые 2 часа воду в растильне меняли. Продолжительность намачивания семян, также как и барботирования составляла 10 ч.
Далее в независимой лаборатории с определённой температурой и влажностью образцы семян проращивали и определяли их посевные качества. Для этого семена выкладывали на фильтровальную бумаху, складывали в «гармощку» и помещали в сосуд смотанным рулоном. Сосуд увлажняли и помещали в термостат ТС-80 (рисунок 4.9).
Всхожесть 73% 77% 85% Анализируя таблицу 4.5 можно сделать вывод, что энергия прорастания барботированных семян на 38% превышает энергию прорастания контроля и на 27% превышает энергию прорастания намоченных семян. Из таблицы также видно, что всхожесть барботированных семян выше всхожести намоченных семян и контроля.
Протокол испытаний и аттестат аккредитации аналитической лаборатории представлен в приложении 3.
Таким образом, можно сделать следующий вывод: в процессе проращивания семян в лабораторных условиях, кислород оказывает большое значение, в результате чего использование способа барботирования семян кислородом должно обеспечить получение более дружных и выровненных всходов на посевах.
Для определения временной разницы по всходам, а также урожайности барботированных семян столовой свеклы и контроля, осуществляли их посев на производственном участке крестьянско-фермерского хозяйства «Балабин Владимир Викторович» (Приложение 4).
Посев осуществляли на двух делянках шириной равной ширине захвата сеялки - 2,1м и длиной гона - 330м. Норма высева семян составляла 8кг/га. С осени была проведена зяблевая вспашка почвы на глубину пахотного горизонта, перед посевом участок был обработан фрезой на глубину 10 см. Посев проводили 13.05.2011. Температура воздуха составляла +12С, ветер северо-восточный 3 м/с, погода - пасмурная. Проведя полевые испытания, получены следующие показатели: всходы барботированных семян появились на 9-е сутки, всходы не барботированных семян появились на 14-е сутки. Наглядная разница всходов представлена на фотографиях в приложении 7. Работы в период вегетации на делянках проводили одновременно, они включали в себя междурядную обработку, прореживание.
Уборку урожая проводили 5.09.2011. Полученную продукцию учитывали методом взвешивания с обеих делянок по отдельности.
Полевые испытания дали следующие результаты: урожай столовой свеклы с делянки засеянной не барботированными семенами составляет 2055кг (учёт на 1 га - 29357 кг), а с делянки засеянной барботированными семенами - 2170 кг (учёт на 1 га - 31000 кг).
Посев барботированных семян кормовой свеклы сорта «Эккендорская желтая» в СПК «Красный маяк» Городецкого района (Приложение 4), хозяйство проводило 11.05.2011. Площадь посева составляла 11 га. Всходы появились на 11 сутки. Уборка урожая проводилась с 7.09.2011 по 11.09.2011. Урожайность составила 331 ц/га.
