Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса шлифования семян сахарной свеклы 11
1.1 Анализ способов предпосевной подготовки семян 11
1.2 Классификация типов устройств для шлифования семян сахарной свеклы 17
1.3 Анализ существующих конструкций устройств для шлифования семян сахарной свеклы 20
Выводы по разделу 28
Цель и задачи исследований 29
2 Исследования физико-механических свойств семян сахарной свеклы 30
2.1 Обоснование проведения исследований и методика отбора проб 30
2.2 Описание изучаемых сортов и гибридов сахарной свеклы 31
2.3 Определение линейных размеров семян сахарной свеклы 34
2.4 Абсолютная и объемная массы семян 41
2.5 Определение коэффициентов трения семян 42
2.6 Определение микротвердости поверхности семян 46
Выводы по разделу 51
3 Теоретические исследования процесса шлифования семян сахарной свеклы дисковым шлифовальным устройством 53
3.1 Конструкция и структурный анализ дискового шлифовального устройства 53
3.2 Исследование движения семени в дисковом шлифовальном устройстве семян сахарной свеклы 56
3.2.1 Исследование движения семени в вертикальной плоскости в дисковом шлифовальном устройстве 58
3.2.2 Исследование движения семени в горизонтальной плоскости в дисковом шлифовальном устройстве 61
3.3 Расчеты теоретических значений некоторых параметров дискового шлифовального устройства 69
Выводы по разделу 71
4 Программа, методика и результаты лабораторных исследований по определению оптимальных конструктивных и режимных параметров дискового шлифовального устройства 73
4.1 Программа лабораторных исследований 73
4.2 Методика проведения исследований дискового шлифовального устройства в лабораторных условиях 74
4.3 Результаты лабораторных исследований параметров дискового шлифовального устройства семян сахарной свеклы 84
4.4 Определение оптимального передаточного отношения между сателлитом и опорным колесом 90
4.5 Определение оптимального угла конусности нижнего диска 91
Выводы по разделу 93
5 Исследование в производственных условиях экспериментального дискового шлифовального устройства и его технико-экономическая оценка 94
5.1 Цель и задачи исследований в производственных условиях 94
5.2 Производственные исследования экспериментального дискового шлифовального устройства семян сахарной свеклы 94
5.3 Определение производительности экспериментального дискового шлифовального устройства 101
5.4 Определение всхожести семян сахарной свеклы после шлифования 103
5.5 Технико-экономическая оценка внедрения в производство дискового
шлифовального устройства семян сахарной свеклы 104
Выводы по разделу 113
Общие выводы 114
Список использованной литературы 116
- Классификация типов устройств для шлифования семян сахарной свеклы
- Определение линейных размеров семян сахарной свеклы
- Исследование движения семени в дисковом шлифовальном устройстве семян сахарной свеклы
- Методика проведения исследований дискового шлифовального устройства в лабораторных условиях
Классификация типов устройств для шлифования семян сахарной свеклы
В силу своей биологической разнокачественности семена сельскохозяйственных культур отличаются растянутым периодом прорастания, различной всхожестью и энергией прорастания [86, 87].Это приводит к неравномерному развитию, что ведет к снижению урожая [95, 126].
При интенсивном использовании сельхозугодий урожайность сельскохозяйственных культур зависит от густоты стояния растений: как повышенная, так и разряженная густота ведет к снижению урожая [10, 49, 94]. Поэтому на современном этапе развития качеству семян, используемых для посева, придается особое значение, особенно при использовании сеялок точного высева. Посев такими сеялками позволяет не только повысить урожайность возделываемой культуры, но и значительно снизить расход дорогостоящего посевного материала [125].
Предпосевная подготовка семян сельскохозяйственных культур преследует следующие основные цели: повышение полевой всхожести семян; стимулирование роста и развития растений; снижение разнокачественности растений по их «жизненной силе», способности противостоять неблагоприятным условиям среды; снижение микроосемененности семян [24]. Достижение поставленных целей осуществляется различными методами предпосевной подготовки семян с использованием соответствующего оборудования [56, 107, 164].
Семенным материалом сахарной свеклы являются плоды и соплодия, которые существенно отличаются от семян других сельскохозяйственных культур по своему строению [128]. Поэтому предъявляемые к нему требования и подготовка семян к посеву также имеет свои особенности.
Предварительная обработка семян проводится для обеспечения наиболее эффективной основной предпосевной обработки, а также для исключения сниже ния всхожести при хранении [5]. Предварительная обработка включает очистку семян на воздушно-решетных машинах, сушку до необходимой влажности [137], сортирование на воздушно-решетных машинах, триерах и пневматических сортировальных столах. Проведение предварительной обработки не должно негативно влиять на всхожесть семян, при этом допускается до 1% дробленных семян и потери семян в отходы не более 2% [117, 163].
Очистка – выделение примесей из семян. Очистку семян производят на воздушно решетных машинах: по толщине и ширине, на триерах по длине, на пневматических сортировальных столах по плотности [145].
Сортировка – распределение семян по различным признакам: по сортам, качеству, размерам, по сходным признакам. Плохо отсортированные, щуплые семена часто имеют низкую лабораторную всхожесть и в поле дают не только меньшее количество всходов, но и ослабленные, слабопродуктивные растения. По плотности семена разделяют на пневматических сортировальных столах или в жидкостях [109].
Одним из наиболее распространенных способов сортировки является калибровка семян по линейным размерам (длине, ширине, толщине). Современные свекловичные сеялки высевают семена только двух (посевных) фракций: диаметр семян первой фракции от 4,5 до 5,5 мм и второй – от 3,5 до 4,5 мм. При калибровании выделяют еще две фракции семян: больше 5,5 мм и меньше 3,5 мм. Крупные семена (больше 5,5 мм) шлифуют и калибруют с выделением двух посевных фракций. Семена диаметром меньше 3,5 мм к посеву не допускают. Сортировка семян по размерам проводится на семяочистительных машинах с помощью решет [52].
Намачивание семян ускоряет появление всходов, способствует получению раннего урожая. Намачивание производят до полного набухания семян и прорастания. Чтобы семена набухли и проросли, необходимо определенное количество воды [134]. Семенам сахарной свеклы для набухания и прорастания необходимо 105% воды от их сухой массы, в противном случае при снижении воды на 10% семена только набухнут, но не прорастут. Намачивание семян сахарной свеклы позволяет получить всходы на 3...5 дней раньше [11, 105].
Барботирование – одна из разновидностей намачивания семян, отличительной особенностью которой является насыщение воды кислородом. Это позволяет производить более продолжительную обработку семян в воде без угрозы их гибели [7, 8].
Сегментирование семян – механическое разделение многоросткового семени на отдельные части (сегменты), которые содержат в большинстве только по одному семени и дают при посеве только один росток. При сегментировании од-норостковость семян повышается, но на 10...20% снижается всхожесть семян из-за повреждения зародыша [149].
Иногда для ускорения прорастания семена обрабатывают регуляторами роста, в частности гормонами роста: ауксинами, гетероауксинами и другими веществами[16, 101]. В настоящее время до конца не изучен вопрос влияния этих гормонов на безопасность и качество получаемого конечного продукта.
Обработка семян защитно-стимулирующими веществами широко распространена в наше время. В качестве наносимого на поверхность семени покрытия используют инсектициды, фунгициды, ростовые и питательные вещества для защиты ростков от болезней и вредителей, которые закрепляются на поверхности семени за счет прилипателя [108, 132].
Инкрустация – технологический процесс, посредством которого на поверхность семян наносится жидкий состав на основе водного раствора пленкообразо-вателя, создающего защитную среду, в который введены вещества, стимулирующие рост и развитие растений [51, 120]. Эти вещества закрепляются в оболочке на поверхности семян, обеззараживают их, закрывают места микротравм, изолируют их от патогенной микрофлоры почвы, уменьшают потери биологически активных веществ с поверхности семян [45]. В качестве пленкообразователей используют поливиниловый спирт (ПВС), натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (NaKMЦ), ЭПОС и другие водорастворимые полимеры.
Под влиянием микроэлементов возрастает устойчивость растений к грибным и бактериальным заболеваниям и неблагоприятным условиям внешней среды: атмосферной и почвенной засухе, пониженным и повышенным температурам воздуха, почвы, условиям перезимовки и т. д. [9, 46]. Основное преимущество инкрустации перед протравливанием — снижение потерь препаратов. При инкрустации количество расходуемых пестицидов можно уменьшить в 1,5...3 раза по сравнению с протравливанием [182]. Использование полимера позволяет вводить в инкрустирующий состав фунгициды, микроэлементы и другие биологически активные вещества [188]. В пленкообразующий состав можно вводить по два-три элемента, но общее их количество в расчете на 1 т семян не должно превышать 700...800 г.
Дражирование – нанесение на поверхность семян защитной питательной оболочки в специальной машине – дражираторе [44, 65]. Семена, подлежащие дражированию, должны отвечать по посевным качествам ГОСТ Р 54044-2010 "Семена сахарной свеклы. Посевные качества. Общие технические условия" [34]. По требованиям ГОСТа перед дражированием семена обязательно подвергают калибровке и шлифованию, при этом выравненность семян должна составлять не менее 80%, а всхожесть – не менее 90%.
Чаще всего дражирование применяют для выравнивания формы семян, увеличения их размеров и массы, улучшения их сыпучести, что существенно облегчает использование таких семян для точного посева. Применение дражированных семян позволяет произвести равномерный высев на конечную густоту стояния растений, при этом повышается полевая всхожесть, а созданная вокруг семени оболочка защищает его от вредителей и болезней [9, 83, 130]. Благодаря этому получаются более дружные равномерные всходы, исключающие применение ручного труда при уходе за посевами.
Определение линейных размеров семян сахарной свеклы
Анализируя полученные гистограммы распределения, можно сказать, что некалиброванные семена сахарной свеклы изменяются в пределах: длина 2,18…5,15 мм; ширина 1,37…5,05 мм; толщина 1,37…4,15 мм [173]. Исходя из этого, можно сказать, что только 20-30% исследуемых семян попадают в фракцию 3,5–4,5 мм и подлежат шлифованию.
В соответствии с ГОСТ 20578-85 определили коэффициент формы семян – отношение длины семени к его толщине. Для сортов Рамонская односемянная 47 и Льговская односемянная 52 он составил 1,33 и 1,48 соответственно; для гибридов РМС 70 и Земис – 1,74 и 1,45.
Семена могут иметь различную абсолютную массу. Она может зависеть как от особенностей сорта или гибрида, так и от условий выращивания. Она определяется по требованиям ГОСТ 10842-89 [26] по следующей методике. На стол ровным слоем насыпают чистые семена в форме квадрата, который делят по диагоналям. Из полученных четырех треугольников берут два противоположных, из которых выбирают две пробы по тысячу семян каждая. Берут семена подряд, не выбирая и не пропуская. Полученные порции семян взвешивают с точностью до 0,01г на технических весах. Опыт проводится с пятикратной повторностью. Расхождение в измерениях не должно быть более 10 %.
Объемная масса семян подразумевает под собой массу семян в объеме одного литра. Выражается в граммах на литр. Как и абсолютная, объемная масса индивидуальна для различных сортов и гибридов и зависит от множества факторов, вплоть до условий выращивания.
При определении объемной массы семян используют литровую пурку, которая включает в себя мерку, наполнитель, цилиндр с воронкой, нож и весы с разновесами. Последовательность проведения исследований следующая. Нож вставляется в щель мерки, при этом на него устанавливается падающий груз, а на мерку надевается наполнитель. В установленный на наполнителе цилиндр, засыпаются семена. При нажатии на рычажок замка открывается заслонка воронки. Далее быстро вынимается нож из щели мерки, при этом семена с грузом упадут внутрь мерки. Нож снова вставляется в щель мерки, при этом он отрезает слой лишних семян. Далее удаляют лишние семена с поверхности ножа, вытаскивают его из щели и семена с пуркой взвешивают с точностью 0,5 грамма. Опыт проводится с пятикратной повторностью (Приложение А).
Результаты исследования показывают, что объемная масса семян сахарной свеклы составляет: сорта Рамонская односемянная 47 – 20 г, сорта Льговская односемянная 52 – 23 г, гибрида РМС 70 – 15 г и гибрида Земис – 13 г, при этом коэффициент вариации составляет соответственно 4,8%, 3,9%, 4,6 и 5,1%; а объемная масса семян составила соответственно 312, 274, 302 и 260 г/л.
Семена сахарной свеклы, как и другие физические тела, имеют фрикционные свойства, которые характеризует коэффициенты внешнего и внутреннего трения. Трение семян между собой характеризуется коэффициентом внутреннего трения, который определяется углом естественного откоса. Внешнее трение семян характеризуется коэффициентом статического трения и коэффициентом динамического трения. На коэффициенты трения семян влияет множество факторов, такие как влажность, форма и размеры семян, свойства поверхности, скорость перемещения и др. [12, 172].
Одной из наших задач было исследование фрикционных свойств семян сахарной свеклы сортов Рамонская односемянная 47 и Льговская односемянная 52, гибридов РМС 70 и Земис в условиях наиболее приближенных к предпосевной подготовке: движение семян по различным типам поверхностей при стандартной влажности.
Измерение угла естественного откоса проводилось по следующей методике. Порция семян (примерно 500 г) равномерным потоком высыпалась на горизонтальную поверхность до образования конуса. Затем производили измерение угла естественного откоса при помощи специального прибора (Рисунок 2.7), который включает в себя основание 1, шкалу 2, проградуированную в градусах, стрелки 3, которая жестко связана с осью 4, которая зафиксирована в основании 1 при помощи гайки 5.Мерная линейка 6 прикреплена под углом 90 к стрелке 3. При измерении угла естественного откоса необходимо расфиксировать ось 4, ослабив гайку 5, затем установить прибор у основания конуса семян так, чтобы мерная линейка прислонилась к поверхности конуса и зафиксировать ось 4 гайкой 5. Стрелка прибора покажет значение угла естественного откоса. Повторность опыта десятикратная.
Исследование движения семени в дисковом шлифовальном устройстве семян сахарной свеклы
При определении теоретических значений радиуса нижнего диска принимали что, для обеспечения движения семени без проскальзывания между дисками зернистость поверхности должна составлять не менее 100 мкм, исходя из исследований физико-механических свойств семян сахарной свеклы (см. раздел 2). При этом из исследований размера выступа околоплодника было выявлено, что размер зерна поверхности диска не должен превышать 500 мкм. В связи с этим при расчетах были выбраны шлифовальные шкурки ГОСТ Р 52381-2005 [33] с зернистостью поверхности в пределах 100...500 мкм.
Расчет радиуса нижнего диска производили по формуле (3.62). Результаты расчета радиуса диска в зависимости от угла, под которым движется семя к периферии диска, относительно своего начального положения, и зернистости поверхности диска представлены в Таблице 3.1.
По полученным данным построили графики зависимости радиуса диска от угла, под которым движется семя из своего начального положения к периферии диска, при различных значениях зернистости поверхности диска (Рисунок 3.7).
Так как семя может двигаться от центра к периферии диска под любым углом относительно своего начального положения, то необходимо выбирать такое значение радиуса диска, которое охватывает весь диапазон полученных значений радиуса при различной зернистости поверхности. Анализируя графики на Рисунке 3.7 видно, что радиус нижнего диска должен составлять не менее 173 мм. Таблица 3.1 – Результаты расчета радиуса диска (в мм)
Графики зависимости радиуса диска от угла поворота и зернистости поверхности диска Расчет теоретической производительности проводили по формуле (3.7), принимая что данное количество семян проходит через начало рабочей зоны за 1 секунду. Также при расчетах приняли начальный радиус семени =0,0045 м, ра диус нижнего диска =0,173 м, угол конусности =1 градусу, рабочий зазор =0,0025 м, массу семени принимаем равной 0,0002 кг (см. подраздел 2.3). Теоре тическая производительность составит:
По формуле (3.19) определим минимальное значение угловой скорости вращения водила, при котором начинается движение семени и соответственно процесс шлифования, задавшись следующими значениями угол конусности =1 градусу, передаточное отношение u=1, коэффициенты трения семени по нижнему и верхнему диску равны = 0,99 (максимальное значение коэффициента тре ния глава 2), из конструктивных соображений плечо водила принимаем равным 0,06 м. Радиус начала рабочей зоны определили по формуле (3.6)
Тогда расчетное значение минимальной угловой скорости составит: Поскольку передаточное отношение u=1, то частота вращения нижнего дис ка мин-1.
Для создания дискового шлифовального устройства, в котором семя будет совершать движение в двух плоскостях, необходимо, чтобы привод нижнего диска представлял собой планетарный механизм, в котором диск совершает сложное движение. 2. Установлено, что форма траектории движения семени по нижнему диску в процессе шлифования представляет собой гиперболическую спираль. Выведена теоретическая зависимость для определения радиуса нижнего диска, при котором семя обрабатывается до необходимого размера. Произведенные расчеты показы вают, что радиус диска должен составлять 173 мм. В результате проведенных теоретических исследований была получена зависимость, позволяющая определить частоту вращения нижнего диска, которая по проведенным расчетам должна составлять не менее 151 мин-1. Выведена зависимость для определения теоретической производительно сти дискового шлифовального устройства. Произведенные расчеты показывают, что теоретическая производительность устройства составляет 54 кг/ч Экспериментальные исследования проводятся с целью определения оптимальных конструктивных и режимных параметров дискового шлифовального устройства семян сахарной свеклы. Для написания программы исследований воспользовались задачами исследований, физико-механическими свойствами семян сахарной свеклы, результатами теоретических исследований устройства, а также общей программой исследований с учетом рекомендаций [4, 13, 14, 15, 92, 142, 185].
Программа экспериментальных исследований предусматривала: 1. Определение основных факторов, наиболее влияющих на процесс шлифования семян сахарной свеклы дисковым шлифовальным устройством. 2. Лабораторные исследования дискового шлифовального устройства по определению оптимальных конструктивных и режимных параметров, обеспечивающих наилучшее качество шлифования семян сахарной свеклы. 3. Определение процента качественных семян в зависимости от передаточного отношения между сателлитом и опорным колесом. 4. Определение процента качественных семян в зависимости от зернистости поверхности нижнего диска. 5. Определение процента качественных семян в зависимости от угла конусности нижнего диска.
Объектом исследований явился процесс шлифования семян сахарной свеклы дисковым шлифовальным устройством. Предметом исследований служили закономерности, условия и режимы шлифования семян сахарной свеклы в дисковом шлифовальном устройстве семян сахарной свеклы, а также качество обработанных семян.
Методика проведения исследований дискового шлифовального устройства в лабораторных условиях
На основе полученных экспериментальных данных по определению оптимального значения зернистости поверхности и диапазона частот вращения нижнего диска был построен график (Рисунок 4.4), анализируя который можно сказать, что оптимальное значение зернистости поверхности нижнего диска находится в интервале 212...250 мкм, что соответствует шлифовальной шкурке марки Р70 ГОСТ Р 52381-2005 [33] и позволяет получить более 96% качественных семян при частоте вращения нижнего диска 150...250 мин-1. При больших значениях увеличивается количество поврежденных и раздробленных семян.
При проведении многофакторного эксперимента значения определенных параметров были установлены в оптимальном диапазоне. После проведения мно гофакторного эксперимента результаты обрабатывались на ПК и позволили полу чить адекватную математическую модель второго порядка, описываемую в зако дированном виде зависимостью Р ( ): Y=98,697–0,14685х1+0,27395x2–0,36637х3+2,35148х12–2,23632х22+ +1,63682х32–0,87х1х2–0,755х1х3–0,7825х2х3 (4.5) Далее, составляя и решая систему уравнений, можно определить значения факторов, которые могут обеспечить наибольший процент качественных семян. Рисунок 4.4 – Графики зависимостей процента качественных семян Р от зернистости поверхности RaН и частот вращения нижнего диска n
В Таблице 4.6 приведены оптимальные значения исследуемых факторов. Получив оптимальные значения факторов, с помощью способа двумерных сечений для изучения поверхности отклика и определения зоны оптимальных значений факторов [85]. Для этого приравниваем к нулю один из факторов и подставляем его в уравнение 4.5.
Приравнивая к нулю фактор х3 (Q – подача семян в устройство, кг/мин) и подставив его в уравнение (4.5), получим уравнение (4.7). Y=98,69700–0,14685х1+0,27395x2+2,35148х12-2,23632х22+0,87000х1х2 (4.7) Таблица 4.6 – Оптимальные значения исследуемых факторов № п/п Исследуемые факторы Оптимальные значения факторов В закодированном виде В раскодированном виде 1 n – частота вращения нижнего диска, мин-1 -0,044 191,2 2 RН – радиус нижнего диска, мм 0,046 181,9 3 Q – подача семян в устройство, кг/мин 0,133 0,91 Далее составляется система дифференциальных уравнений, которые представляют из себя частные производные от каждого из двух факторов [55]:
Решив систему уравнений (4.8), получаем закодированное значение координаты центра поверхности отклика: xj= 0,019; х2= -0,065, раскодировав получим: п = 203,8 мин-1 и RН =163,62 мм.
На Рисунке 4.5 представлено двумерное сечение поверхности отклика, которое характеризует зависимость процента качественных семян от частоты вращения нижнего дискам и радиуса нижнего диска Rн.
Двухмерное сечение зависимости процента качественных семян Р от частоты вращения нижнего диска n и радиуса нижнего диска RН
На Рисунке 4.6 представлено двумерное сечение поверхности отклика, которое характеризует зависимость процента качественных семян от частоты вращения нижнего дискаn и подачи семян в устройство Q.
Приравняв фактор х1 (n – частота вращения нижнего диска, мин-1) к нулю и подставив его в уравнение (4.5) получаем:
На Рисунке 4.7 представлено двумерное сечение поверхности отклика, которое характеризует зависимость процента качественных семян от радиуса нижнего диска RН и подачи семян в устройство Q.
Анализ графических изображений двумерных сечений (Рисунок 4.4…4.6; Приложение Д), показывает, что наивысшего значения качества шлифования семян Р=96% от общего количества семян возможно достигнуть при частоте вращения нижнего диска n=188...211 мин-1; радиусе нижнего диска RН=160...175 мм и подаче семян в устройство Q=0,79...0,9 кг/мин. 4.4 Определение оптимального передаточного отношения между сателлитом и опорным колесом
Передаточное отношение между сателлитом и опорным колесом оказывает влияние на характер движения семян при обработке, который влияет на их вырав-ненность и травмирование.
Для определения оптимального значения передаточного отношения между сателлитом и опорным колесом u проводился однофакторный эксперимент.
При подготовке устройства к проведению опыта основные конструктивные и режимные параметры дискового шлифовального устройства семян сахарной свеклы установили в соответствии с оптимальными значениями, определенными ранее. В механизме привода нижнего диска ступенчато путем замены шестерни сателлита 11 и опорного зубчатого колеса 12 (Рисунок 4.1) устанавливали передаточные отношения u: 1:3; 1:2; 1:1; 2:1; 3:1.
Корреляционную зависимость между показателем количества качественных семян (P, %) и оптимальным значением передаточного отношения между сателлитом и опорным колесом (u) можно выразить с помощью уравнения параболической функции: при индексе корреляции R=0,97.
Основываясь на данных эксперимента и уравнении (4.14), можно построить график зависимости величины показателя количества качественных семян (P, %) от значения величины передаточного отношения между сателлитом и опорным колесом u (Рисунок 4.8).
Анализируя график (Рисунок 4.8). можно сказать, что оптимальным значением передаточного отношения между сателлитом и опорным колесом является 1:1, при котором достигается 98% качественных семян. 98,2
Для получения качественно шлифованных семян значение имеет оптимальный угол конусности нижнего диска , для определения которого проводился од-нофакторный эксперимент.
В последовательности подготовки к работе дискового шлифовального устройства, представленной в подразделе 4.2, дополнительно производится также установка нижнего диска с определенным углом конусности. При проведении опытов основные конструктивные и режимные параметры дискового шлифовального устройства семян сахарной свеклы установлены в соответствии с оптимальными значениями, определенными ранее.
Корреляционную зависимость между показателем количества качественных семян (P, %) и углом конусности нижнего диска ( , град) можно выразить с помощью уравнения параболической функции:
