Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса – технологии и средства механизации для посева семян кунжута 9
1.1 Текущие технологии и объёмы возделывания кунжута в мире и Египте 9
1.2 Технические средства для посева кунжута и их анализ 16
1.3 Выводы по главе. Цель и задачи исследования. 39
2 Теоретические основы использования дискретно элементного моделирования применительно к процессу высева семян кунжута вибрационным высевающим аппаратом 42
2.1 Модели описывающие взаимодействие частиц 42
2.2 Свойства частиц, их определение, верификация и задание при моделировании 53
2.3 Измерение и анализ размеров семян кунжута 56
2.4 Создание модели частиц семян кунжута 59
2.5 Анализ и проверка адекватности полученных мультисферных моделей семян кунжута 64
2.6 Разработка имитационной модели вибрационного высевающего аппарата. Проведение экспериментов и моделирования по оценке влияния зазора выходного отверстия на высев семян кунжута 71
2.7 Выводы по главе 78
3 Программа и методика экспериментальных исследований и имитационного моделирования 79
3.1 Программа лабораторных исследований 79
3.2 Описание лабораторной установки и оборудования. Анализ факторов влияющих на процесс работы . 79
3.3 Планирование многофакторного эксперимента 83
3.4 Описание системы и принципа регулировки параметров работы вибрационного высевающего аппарата 87
3.5 Оборудование и приборы для проведения лабораторных исследований 90
3.6 Выводы по главе 91
4 Результаты экспериментальных исследований 92
4.1 Результаты влияния параметров работы вибрационного высевающего аппарата на норму высева семян кунжута 92
4.2 Оценка адекватности полученной математической модели 98
4.3 Выводы по главе 102
5 Определение экономической эффективности внедрения разработки в сельскохозяйственное производство 104
Заключение 106
Список литературы 109
Приложение А. Расчёт экономической эффективности использования предлагаемой сеялки 121
Приложение Б. Акты внедрения. Сертификаты. 126
- Текущие технологии и объёмы возделывания кунжута в мире и Египте
- Модели описывающие взаимодействие частиц
- Описание лабораторной установки и оборудования. Анализ факторов влияющих на процесс работы
- Оценка адекватности полученной математической модели
Текущие технологии и объёмы возделывания кунжута в мире и Египте
Кунжут (Sesamum indicum L.) считается одной из важнейших масличных культур в мире, которая имеет высокий уровень содержания масла (50-60%) и белка (18-25%) [30, 84]. Семена кунжута богаты белком, фосфором и кальцием, что делает их очень ценным пищевым продуктом [113]. В последние годы во всем мире растет спрос как на его семена, так и на кунжутное масло. Поэтому многие страны стали производить кунжут и экспортировать его, потому что это один из важнейших источников иностранной валютыдля многих стран, особенно в Африке и Азии. Таким образом, это одна из основных культур, выращиваемых коммерчески в более чем 80 странах мира. Посевная площадь кунжута в этих странах увеличилась с 8,22 млн га в 2010 году до 12,82 млн га в 2019 году. При увеличении площадей мировое производство кунжута так же выросло с 4,32 млн тонн в 2010 году до 6,55 млн тонн в 2019 году, как показано на рисунке 1.1 [36].
Кунжут (Sesamum indicum L.) очень ценная культура начала возделываться в Африке в Египте, но очень быстро распространившаяся по всему миру. В различных странах кунжут имеет различные названия например в Африке он называется – benniseed, в Индиии – gingelly, в США – benne, в Бразилии – gengelin, однако это одни и те же растения разных сортов семейства Pedaliaceae, являющего тропическим однолетним растением [42]. Для производства кунжута лучше использовать плодородные рыхлые и аллювиально песчаные почвы. На них растения кунжута при правильной обрабтке могут достигать до 90 – 120 см в высоту. При этом кунжут очень требователен к теплу, как и множество тропических растений. Попытки повысить его морозостойкость пока что не достигли желаемых результатов. Наилучшей оптимальной температурой, при которой происходит рост растения и его развитие, является диапазон 25 – 27C, при этом при производстве культуры в период возделывания от 90 до 120 дней заморозки не допускаются [41]. Кунжут в зависимости от сортов бывает различного цвета: белого, серого, чёрного, коричневого, красного, жёлтого и используется в виде целых семян в приготовлении диссертови салатов, в виде масла при приготовлении блюд, в измельчёном виде при добавлении подсластителя (сахара или мёда) используется для приготовления дисертов, а так же используется в фармацевтике, косметологии и парфюмерии [57]. Кунжут имеет белок схожий с белком сои и обладает хорошим аминокислотным составом. Ежегодный мировой объём потребления пищевых жиров и масел из кунжута составляет 120 млн.т [114].
Производство кунжута в мире и темпы роста объёмов его производства. За период с 2013 по 2019 год объём произодства вырост более чем на 1,17 млн. тонн и составил 6,55 млн тонн при общей площади возделывания 12,82 млн.га [36]. По данным ФАО (2019), Более 95% кунжута в мире производится в Африке и Азии объёмы производства кунжута в которых от общемировых составляют 57% и 40% соответственно. Лидерами по производству кунжута являются Судан, Мьянма и Индия. Однако урожайность кунжута в этих странах низкая, от 3 ц/га до 5 кг/га, из-за меньшего использования техники при выращивании кунжута и уборке урожая. (рисунок 1.2). Не смотря на относительно высокие урожаи (например, в Италии средняя урожайность кунжута составляет 16 ц/га в 2017 г.) Европейские страны выращивают небольшой объём при этом в них производится основная переработка кунжута на масло и дальнейшая его продажа [41]. Китай считается самым высоким по урожайности семян кунжута в первой десятке стран-производителей кунжута, поскольку средняя урожайность семян кунжута в Китае (16.2 ц/га) более чем в 3 раза выше, чем в Индии (4.85 ц/га), и более чем в 5 раз выше, чем в Судане (2.85 ц/га) в 2019 году как показано на рисунке 1.2.
Глобальный маркетинг семян кунжута. Азия производит большое количество кунжута, но импортирует больше, чем производит, из-за роста населения и постоянного увеличения спроса на кунжут. Например, Только в Китае, потребление кунжута в 2016 году составило 1,3 миллиона тонн. В 2019 году, Азия импортировала более 1,22 миллиона тонн семян кунжута, в то время как у нее было дополнительно в кунжутном масле более 17,2 тысячи тонн, который экспортировал их в Европу, Америку и Австралию. В настоящий момент Африка экспортирует более 1,42 миллиона тонн семян кунжута, как показано в таблице 1.1. В Европу были импортированы как семена кунжута, так и масло [36].
Кунжут в России. По данным ФАО (2021 г.), За последний период (2010-2019 г.г.) Россия существенно увеличила объём импорта зерна кунжута и этот объём продолжает расти. В результате растет спрос на кунжут в России на федеральном уровне, будь то семена или масло кунжута. Россия импортировала 14 647 тонн кунжута и 883 тонны кунжутного масла на сумму около 2500 миллионов рублей в 2019 году, по сравнению с 2010 годом- импортировали 5661 тонн семян кунжута и 387 тонн кунжутного масла стоимостью 833 миллиона рублей всего за один миллион рублей в 2010 году, как показано на Рисунке 1.3. Следовательно, расходы на импорт кунжута за этот период увеличились в три раза [36]. Очевидно, что при увеличении мирового производства кунжута, а так же снижения его относительной себестоимости за счёт применения современных технологий возделывания и средств механизации позволит нашей стране приобретать этот продукт по более выгодной цене.
Производство кунжута в Египте. Египет является одной из ведущих стран мира по производству кунжута, так как в 2019 году он занял 18-е место в мире с площадью 28 000 га, которая насчитывает около 38 000 тонн [36]. В Египте кунжут является одной из основных масличных культурой, как для местного потребления, так и для экспорта. Он экспортируется во многие страны; например, Тунис импортирует до 20% кунжута из Египта.
Анализ объёмов производства зерна кунжута и площадей занятых под посевами в Египте, представленный на рисунке 1.4, а так же данных аналитических агенств [36] показали значительные колебания, до 2,5 раз объёмов производимого кунжута в Египте за период 2010 - 2019 годы. При этом объём произведённого зерна кунжута зависел от объёма площадей задействованных для возделывания этой культуры, а так же от средней урожайности, которая в этот период времени изменялась в пределах от 12,5 до 13,8 ц/га и являлась относительно урожайности в других странах довольно таки низкой. Уменьшение посевных площадей кунжута в Египте связано с нежеланием фермеров выращивать кунжут из-за низкой урожайность и высоких затрат на ручной посев и сбор урожая. Что вынуждает фермеров сажать другие культуры, такие как помидоры, картофель и другие.
Модели описывающие взаимодействие частиц
Для имитационного моделирования функционирования рассматриваемого вибрационного высевающего аппарата воспользуемся методом дискретных элементов. Метод дискретных элементов (DEM), разработанный Cundall и Strack в 1979 [32], позволяет моделировать поток частиц, рассматривая движение каждой отдельной частицы в потоке при граничных условиях.
Для соблюдения агротребований по норме высева семян вибрационным высевающим аппаратом, необходимо контролировать количество семян выходящих из высевающего аппарата в единицу времени и автоматически изменять эти характеристики в зависимости от скорости движения сеялки. Существующие методы исследования, такие как создание прототипа и наблюдение за процессом с использованием скоростной съёмки, из-за хаотичного движения частиц, не позволяют получить достаточного количества данных для понимания процесса таких как: траектории и скорости перемещения частиц, а существующие уравнения движения частиц при моделировании процесса высева не позволяют учесть взаимодействие частиц имеющих различные формы, коэффициенты трения качения и скольжения, модули упругости материалов частиц и рабочего органа.
DEM - это дискретный численный метод анализа динамического поведения сыпучих материалов на уровне взаимодействия частиц. Его использование для моделирования процессов становится все популярнее в мире [92]. В DEM используются второй закон Ньютона и уравнение динамики Эйлера для описания поступательных и вращательных движений каждого элемента системы и твердых частиц, а также используется модель контакта для определения контактных сил. Общее поведение системы определяется в результате взаимодействия отдельных частиц. Метод дискретных элементов успешно применяется для моделирования процессов в сельском хозяйстве [28, 33, 39, 41, 69, 106], а также для изучения механизмов для перемещения частиц во многих сельскохозяйственных машинах, в том числе, устройствах дозирования семян [70, 122]. Несмотря на то, что было проведено множество исследований высевающих аппаратов, в большинстве предыдущих исследований не рассматривалось движение семян сложной формы в вибрационном высевающем аппарате. Чтобы представить различные формы семенного материала, был использован метод мультисфер для описания сложной геометрии материала. Данный способ получил широкое применение для описания сложной геометрии зернового материала, используя определенное количество «связанных» сфер разного диаметра [90, 116, 119]. Метод мультисфер используется для описания несферических форм частиц семенного материала, будь то правильные или неправильные формы [91].
Сыпучие материалы используются во многих сельскохозяйственных и промышленных процессах. Поведение сельскохозяйственных сыпучих материалов отличается от поведения других материалов в основном из-за их биологического происхождения и физико-механических свойств.
Механика сыпучих сред возникла из необходимости понимать природные явления и управлять технологическими процессами. Многочисленные задачи решались с использованием механики сплошной среды и приближенных методов решения дифференциальных уравнений [34]. Следующим важным шагом стало внедрение компьютеров и численных методов. Метод конечных элементов (МКЭ) превратился в ключевую незаменимую технологию моделирования и имитации сложных инженерных систем в различных областях. При создании передовых технических систем инженеры и дизайнеры используют методы моделирования, симуляции, визуализации, анализа, проектирования, прототипирования, тестирования и изготовления. Перед изготовлением конечного продукта или системы требуется много работы, чтобы гарантировать работоспособность и надёжность готового продукта и его рентабельность. Этот процесс представлен в виде блок-схемы на рисунке 2.1. Метод конечных элементов позволяет анализировать сложные формы и изменчивость свойств материалов. Однако неоднородность, дискретность и анизотропия, которые присущие сыпучим средам, ранее нельзя было эффективно исследовать. Эффективным инструментом для решения этих проблем стал метод дискретных элементов (DEM), сформулированный [32].
Данной метод активно развивается из-за быстрого развития вычислительной мощности и усовершенствований алгоритма расчёта моделей контактов. Моделирование DEM рекомендовано для прогнозирования того, что происходит в действительности с сыпучей средой. При этом результаты сильно зависят от входных параметров [83, 118, 120], включая такие параметры, как параметры контакта (коэффициент восстановления, коэффициент статического трения и коэффициент трения качения), механические свойства (модуль сдвига, коэффициент Пуассона и плотность) и форма частиц.
Подход с использованием DEM моделирует каждую частицу как отдельный объект, а сыпучий материал представляет как теоретическую совокупность частиц. DEM зависит от описания связей между частицами, которые взаимодействуют с соседними через контакты в соответствии с законами физики. Модель контакта является ключевым элементом для моделирования механики сыпучих сред с использованием DEM, а адекватность данной модели зависит от точности модели контакта и выбранных параметров свойств частиц.
Воздействия на семена кунжута происходят при различных сельскохозяйственных операциях, включая посев, сбор урожая, обмолот, сепарацию, переработку и упаковку. Во время различных процессов происходит трение между частицами кунжута, а также между семенами и соответствующими механическими частями рабочих элементов.
Контактные модели для моделирования DEM. Для описания закономерностей движения частиц, используются законы Ньютона. Одновременно с этим, контактная механика используется для описания взаимодействия частицы с ее соседями и расчета сил, действующих на них, с помощью программного обеспечения EDEM (рисунок 2.2). При моделировании потока частиц, учитывается перемещение и взаимодействие всех частиц. Каждая частица, обозначенная как элемент, моделируется приближённо к ее реальной геометрии. Каждый элемент представляет собой комбинацию сфер различного диаметра.
Существует два основных метода дискретного моделирования: метод «твердых» и «мягких» сфер.
а) Метод «твердых» сфер. В методе «твердых» сфер предполагается, что силы взаимодействия являются импульсными, а частицы обмениваются импульсом только посредством столкновений. Силы между частицами не рассматриваются.
б) Метод «мягких» сфер. В методе «мягких» сфер частицы также считаются жесткими, но допускаются небольшие перекрытия, которые представляют деформации во время контакта. Подход мягких сфер позволяет использовать небольшие перекрытия для расчета величин сил, действующих на частицы. В дальнейшем для моделирования процесса перемещения семян кунжута с помощью DEM нами будет использоваться метод «мягких» сфер.
Описание лабораторной установки и оборудования. Анализ факторов влияющих на процесс работы
Лабораторные эксперименты были проведены в «Лаборатории сельскохозяйственных машин» Донского государственного технического университета Параметры настроек лабораторного стенда (рисунок 3.1) в процессе экспериментов соответствовали параметрам моделей используемых при имитационном моделировании. Угол колебаний и время открытия задавались помощью системы управления. Зазор регулировался вручную на дозирующем устройстве. Колеблющаяся семенная пластина приводилась в движение шаговым двигателем.
Описание конструкции лабораторного стенда вибрационного высевающего аппарата. Конструкция лабораторного стенда вибрационного высевающего аппарата включает бункер семян, колебательную семенную пластину, шаговый двигатель, корпус высевающей камеры с выходными отверстиями для семян, корпус дозирующего устройства, кожух подачи семян, пружину и семяпроводы (рисунок 3.2). В процессе дозирования семена под действием силы тяжести перемещаются из бункера семян в корпус дозатора семян. Далее под действием колебательного движения семенной пластины, приводимой в движение шаговым двигателем, семена проходят сквозь отверстия и попадают в семяпровод.
На основании анализа априорной информации выявлено 18 факторов, влияющих на качество процесса и норма высева семян кунжута такие как:
- угол поворота планки вибрационного высевающего аппарата – максимально заданный угол на который поворачивается планка высевающего аппарата, увеличение данного параметра повышает вероятность прохода семян через отверстие;
- время поворота планки вибрационного высевающего аппарата – это время за которое планка поворачивается на максимально заданный угол, при увеличении данного параметра увеличивается вероятность выходы семян через отверстие; – бункер семян; 2 – колебательная семенная пластина; 3 – шаговый двигатель; 4 – корпус высевающей камеры с отверстиями для выхода семян; 5 – корпус дозирующего устройства; 6 – кожух подачи семян; 7 – семяпроводы; 8 – спиральная пружина
- время возврата планки в начальное положение (время холостого хода) – это время за которое планка возвращается из максимально открытого положения в исходное, увеличение данного параметра повышает вероятность прохода семян через отверстие,
- время между колебаниями (время простоя), увеличение данного параметра уменьшает количество семян высеваемых аппаратом за единицу времени,
- расположение исходного положения планки (в верхней мёртвой точке) относительно выходного отверстия семян – данный параметр определят параметры начала движения зерна, чем «ниже» планка тем вероятность прохода семян через отверстие выше,
- форма планки, форма и размеры корпуса – конструктивные параметры которые влияют на путь и время перемещения семени, изменение данных параметров могут как замедлять, так и ускорять выход семян через отверстие;
- форма, размеры и расположение отверстия, изменение данных параметров могут как замедлять, так и ускорять выход семян через отверстие;
- материал планки и корпуса высевающего аппарата, данный параметр может как замедлять так и ускорять выход семян через отверстие;
- коэффициент внутреннего трения семян, чем меньше коэффициент внутреннего трения тем выше вероятность прохода семян через отверстие;
- коэффициенты трения семян о материал планки и корпуса, чем выше коэффициенты трения тем ниже вероятность выходя семян через отверстие;
- коэффициент трения качения и форма семян, влияют на процесс перемещения семян как внутри высевающего аппарата, так и на их выход, чем более шарообразные семена и чем меньше их коэффициент качения, тем вероятность выхода семян через отверстия выше;
- размерные характеристики семян их удельный вес, чем крупнее семя и чем больше оно весит, тем вероятность прохода его через отверстие выше;
- насыпная плотность, влажность, чем выше влажность тем вероятность прохода семян через отверстие ниже.
Параметры функционирования высевающего аппарата, такие как: угол и время поворота планки, время возврата планки в начальное положение (время холостого хода), вибрационного высевающего аппарата, время между колебаниями (время простоя), расположение исходного положения планки (в верхней мёртвой точке) относительно выходного отверстия семян – имеют возможность регулировки с помощью системы управления параметрами работы высевающего аппарата. Конструктивные параметры, такие как: форма планки, форма и размеры корпуса, форма планки, форма и размеры корпуса, материал планки и корпуса высевающего аппарата – могут быть изменены в процессе изготовления конструкции высевающего аппарата. Параметры семян, такие как: коэффициент внутреннего трения семян, коэффициенты трения семян о материал планки и корпуса, коэффициент трения качения и форма семян, размерные характеристики семян их удельный вес, насыпная плотность, влажность - на смотря на то, что имеют вероятностные характеристики могут быть отнесены к неуправляемым факторам. Наиболее значимые факторы описаны в разделе 2.6.
Для наблюдения за процессом выхода частиц из отверстия использовалась цифровая камера с возможностью замедленной съёмки. Камера была устанавливалась перед выходными отверстиями для семян, с целью контроля и записи движения семян кунжута от колебательной пластины семян. В последствии производилась раскадровка видео и анализ процесса с использованием персонального компьютера.
Для измерения массы семян использовались лабораторные весы с погрешностью измерения ±0,01 гр.
Для определения размерных характеристик зерна кунжута использовался электронный штангенциркуль.
Оценка адекватности полученной математической модели
Адекватность по F - критерию производится по следующей формуле
Для вычисления дисперсии адекватности найдена сумма квадратов отклонений расчетных значений параметров оптимизации от экспериментальных значений во всех точках плана. Адекватность математической модели определялась, сравнением дисперсии воспроизводимости с дисперсией адекватности.
Для проверки адекватности полученной математической модели по F – критерию, нами проведены лабораторные исследования в почвенном канале ДГТУ (рисунок 4.1). На основании сформированного плана эксперимента (таблица 3.2) произведены 15 экспериментов с 3 повторностями опытов. Сход семян на выходе из семяпровода сеялки, при прохождении 50 метров длины канала, собирался в пробосборники. Полученные результаты эксперимента занесены в таблицу 4.5.
Дисперсия адекватности была рассчитана по формуле [9, 17]: где / - число значимых коэффициентов регрессии.
Номер опыта Среднее значение параметра оптимизации (поэкспериментальным yi ,гр./мин Значение параметра оптимизации, рассчитанное помодели yрасч, гр./мин Относительная погрешность Модели\у -у\о = -100,%у.
Для заданной доверительной вероятности а по значениям f1=N— 1 и f2=N(m-1) определено табличное значение критерия Фишера it=2,53.
Расчётное значение критерия Фишера получилось меньше табличного Fp FT, следовательно полученная регрессионная модель с принятым уровнем статистической значимости адекватна экспериментальным данным.
Так как математическая модель адекватна, осуществляем переход от безразмерного полинома к размерному полиному по формуле (4.1). Для этого в безразмерный полином подставим выражения для кодированных факторов, после чего раскрываем все скобки и приводим подобные слагаемые, получив уравнения в натуральном виде.
Полученная модель (4.27) трехмерная. Мы можем анализировать только двумерные модели. Двумерная модель получается при дифференцировании модели (2) в частных производных. Поэтому для удобства её анализа применим следующий метод. Будем фиксировать по очереди каждый из факторов на его оптимальном значении. Остальные два будем варьировать. Таким образом, при фиксации одного из факторов на оптимальном значении мы будем получать область варьирования двух других факторов и на основании её анализа, выберем интервалы варьирования изменяемых факторов, при которых обеспечивается требуемая норма высева семян кунжута в вибрационном высевающем аппарате. Графические зависимости влияния факторов на норму высева вибрационным высевающим аппаратом представлены на рисунке 4.2.
Анализ полученных данных, уравнений и графиков позволил получить оптимальные параметры высева семян кунжута вибрационным высевающим аппаратом которые составили: зазор с/=9мм; время поворота планки /=0,022с; угол поворота планки а= 20. При данных параметрах норма расхода семян составляла 3,58 гр/мин при стабильном одновременном выбросе из отверстия двух семян как показано на рисунке 4.2.