Разработка и обоснование конструктивно- технологических параметров пневмо-механического инкрустатора-протравливателя семян тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Ганеев Равиль Винерович

• Ганеев Равиль Винерович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Ганеев Равиль Винерович

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Технологии предпосевной обработки семян жидкими и порошковыми препаратами

1.1.1 Химическое протравливание семян

1.1.2 Инкрустирование семян

1.2 Агротехнические требования к процессу протравливания и инкрустирования семян

1.3 Способы протравливания и инкрустирования семян

1.4 Анализ существующих конструкций протравливателей и инкрустаторов семян

1.5 Анализ теоретических исследований по описанию процесса взаимодействия семян с жидкими и порошковыми препаратами

1.5.1 Кинематика движения семян во вращающемся барабане

1.5.2 Теоретические основы образования аэрозолей

1.6 Цель работы и задачи исследований

2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СЕМЯН С ЖИДКИМИ И ПОРОШКОВЫМИ ПРЕПАРАТАМИ

2.1 Технологическая схема инкрустатора протравливателя семян

2.2 Математическая модель взаимодействия воздушного потока с порошковыми препаратами в инкрустаторе-протравливателе

семян и ее реализация в программном комплексе FlowVision

2.3 Определение вероятности попадания на семена жидких и порошковых препаратов

2.4 Определение траекторий перемещения и времени смешивания

семян с препаратами в инкрустаторе-протравливателе

Выводы по главе

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 82 ИССЛЕДОВАНИЙ

3. 1 Программа и методика исследований

3.2 Методика лабораторных экспериментов

3.2.1 Методика определения зон взаимодействия воздушных

потоков внутри инкрустатора-протравливателя семян

3.2.2 Методика обработки образцов семян для анализа

3.2.3 Методика определения качества протравливания

3.2.4 Методика определения вероятности попадания на семена жидких и порошковых препаратов

3.2.5 Методика определения производительности

производственной установки

3.3 Методика полевых опытов

3.4 Методика обработки экспериментальных данных

Выводы по главе

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОБОСНОВАНИЮ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМО-МЕХАНИЧЕСКОГО ИНКРУСТАТОРА-ПРОТРАВЛИВАТЕЛЯ

4.1 Результаты теоретических исследований

4.1.1 Реализация математической модели взаимодействия воздушного потока с порошковыми препаратами в программном комплексе FlowVision

4.1.2 Обоснование конструктивно-технологических параметров инкрустатора-протравливателя

4.2 Результаты лабораторных экспериментов

4.2.1 Определение зон взаимодействия воздушных потоков внутри инкрустатора-протравливателя семян

4.2.2 Определение качества протравливания

4.2.3 Определение вероятности попадания на семена жидких и порошковых препаратов

4.3 Предлагаемое техническое решение пневмо-механического инкрустатора-протравливателя

4.4 Результаты производственных испытаний в ГУСП «Совхоз Рощинский»

4.5 Результаты полевых опытов

Выводы по главе

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

РАЗРАБОТАННОГО ИНКРУСТАТОРА-ПРОТРАВЛИВАТЕЛЯ

5.1 Рекомендации производству по предпосевной обработке семян

5.2 Определение экономической эффективности применения

инкрустатора-протравливателя

Выводы по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и обоснование конструктивно- технологических параметров пневмо-механического инкрустатора-протравливателя семян»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Предпосевная подготовка семян является одним из основных приемов повышения эффективности сельскохозяйственного производства и в настоящее время оказывает существенное влияние на снижение дефицита продовольствия, вызываемого потерями урожая. По данным международной организации по обеспечению продовольствием (ФАО), наряду с ростом валового объема производства в мире потери урожая также увеличиваются.

Урожайность сельскохозяйственных культур и потери в процессе производства в значительной степени зависят от качества семенного материала. Не только чистосортность, высокая энергия прорастания, всхожесть, отсутствие сорной примеси, но и запасы элементов питания в семенах определяют величину урожая. В свою очередь, запас питательных веществ в семенах зависит от условий выращивания данной культуры, сроков ее уборки, хранения семян и их искусственного обогащения различными удобрениями и стимуляторами роста. Высев обогащенных семян позволяет им полнее использовать питательные вещества почвы.

По оценкам экспертов в первой половине текущего столетия глобальный спрос на продовольствие, корм и волокно увеличится почти в два раза, в то время как зерновые культуры будут, по всей вероятности, все шире использоваться для производства биоэнергии и в других промышленных целях.

Залогом высокого урожая и товарного качества сельскохозяйственной продукции является научно-обоснованная предпосевная подготовка семян. Для протравливания семян в сельскохозяйственном производстве применяются различные технические устройства для обработки семян, в основном, камерного и шнекового типа. Протравливание проводится в целях защиты семян от болезней и вредителей, находящихся в почве, а также болезней, переносимых с семенами и как следствие увеличения урожайности сельскохозяйственных культур по сравнению с непротравленными семенами

[46, 103]. Для дальнейшего увеличения урожайности сельскохозяйственных культур необходимо проводить инкрустирование - покрытие поверхности семян стимулирующими препаратами в жидком и порошковом виде вплоть до нанесения стартовой дозы удобрений.

Существующие протравливатели камерного и шнекового типов не обеспечивают требуемого качества инкрустирования семян и повышают их травмируемость рабочими органами машин. А устройства барабанного типа меньше травмируют семена, однако не обеспечивают одновременной обработки семян жидкими и порошковыми препаратами. Кроме того используемые инкрустаторы обеспечивают однократное покрытие семян препаратами, что не позволяет наносить их в достаточном количестве.

Дальнейшее совершенствование устройств барабанного типа сдерживается отсутствием теоретических исследований в области обработки многокомпонентными смесями. В связи с этим дальнейшее совершенствование технических устройств для протравливания и инкрустирования семян жидкими и порошковыми препаратами с требуемым качеством и минимальным травмированием является актуальной задачей.

Степень разработанности темы. До настоящего времени в нашей стране проведено недостаточно исследований по разработке рациональной технологии нанесения искусственных покрытий на поверхность семян с целью повышения их всхожести и урожайности сельскохозяйственных культур.

Нанесение химических и органических веществ на поверхность семени, в т.ч. токсичных в некоторых случаях к самому семени, обусловливает потребность не только в высокотехнологичных жидких и порошковидных компонентах, но и требует применения высокоточных машин, обеспечивающих с максимальной равномерностью нанесение их на поверхность семян при строго лимитированной последовательности и незначительных нормах расхода компонентов.

Теоретические исследования в области инкрустирования семян в настоящее время направлены в основном на рассмотрение отдельных

элементов технологических процессов. Теоретическое обоснование взаимодействия многокомпонентной смеси в целом практически не рассматривается. Вследствие этого, математическое обоснование процесса инкрустирования семян с жидкими и порошковыми препаратами является актуальной задачей.

Цель исследований. Повышение качества обработки семян сельскохозяйственных культур жидкими и порошковыми препаратами путем разработки и обоснования конструктивно-технологических параметров пневмомеханического инкрустатора-протравливателя.

Объект исследования. Технологический процесс обработки семян в пневмо-механическом инкрустаторе-протравливателе.

Предмет исследования. Закономерности влияния конструктивно-технологических параметров пневмо-механического инкрустатора-протравливателя на качество обработки семян.

Методология и методы исследований. В теоретических исследованиях использованы положения и методы классической механики, а также вероятностно-статистические методы. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и частных методик их проведения. Моделирование аэродинамических процессов производилось в пакетах программ KOMPAS-3D-V13, SolidWorks 2012 и FlowVision 2.5. Полученные данные обрабатывались методами математической статистики с использованием пакетов MathCAD 15.0, Statistica 6.1, Microsoft Office Excel 2003.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту.

1. Разработана математическая модель технологического процесса работы пневмо-механического инкрустатора-протравливателя с учетом геометрических характеристик (линейных размеров, форм и площади поверхности), физико-механических свойств препаратов (плотность, вязкость) и вероятностной природы взаимодействия многокомпонентной смеси «семена -капли жидкости - частицы порошка».

2. Определено минимальное потребное время взаимодействия семян с каплями жидкости и частицами порошка в барабанном протравливателе-инкрустаторе для получения равномерного покрытия семян препаратами в соответствии с агротехническими требованиями.

3. Теоретически обоснована возможность разделения барабанного устройства на две зоны обработки жидкими и порошковыми препаратами за счет использования принудительного и вытяжного воздушных потоков.

Новизна технического решения предложенного пневмо-механического инкрустатора-протравливателя семян подтверждена патентом РФ на изобретение № 2533917.

Теоретическая значимость работы.

Разработанная математическая модель позволяет определить вероятность попадания на семена жидких и порошковых препаратов, а также траектории перемещения и время смешивания семян с препаратами внутри инкрустатора-протравливателя.

Практическая значимость работы.

По результатам исследований обоснованы конструктивно-технологические параметры, создан опытный образец инкрустатора-протравливателя, обеспечивающий более качественное выполнение технологического процесса по сравнению с аналогами.

Разработанный пневмо-механический инкрустатор-протравливатель позволяет увеличить степень покрытия поверхности обрабатываемых семян жидкими и порошковыми препаратами.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений и результатов теоретических исследований обеспечена использованием при анализе экспериментальных данных стандартных пакетов прикладных программ, подтверждена совпадением расчетных и экспериментальных данных, а также результатами лабораторно-полевых опытов.

Основные научные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических и научно-практических конференциях: «Достижения науки - агропромышленному производству», (ЧГАА, 2012 г.), «Роль науки в инновационном развитии АПК», «Интеграция науки и практики как механизм эффективного развития АПК» в рамках XXIII международной специализированной выставки «Агрокомплекс-2013», «Фундаментальные основы научно-технической и технологической модернизации АПК» в рамках выездного заседания РАСХН, «Перспективы инновационного развития АПК» в рамках XXIV международной специализированной выставки «Агрокомплекс-2014» (Башкирский ГАУ, 20122014 г.), «Инженерная наука - аграрному производству» (Казанский ГАУ, 2014 г.).

Получен грант МСХ РФ «Разработка технологии протравливания и инкрустации микроэлементами и биопрепаратами семян сельскохозяйственных культур и обоснование рациональных параметров конструкции устройств для их технической реализации» (2012 г.).

Результаты работы демонстрировались и отмечены на XXV юбилейной международной выставке «Агрокомплекс-2015» (17-20 марта 2015 г., Уфа) (серебряная медаль, диплом II степени), XVII российской агропромышленной выставке «Золотая осень-2015» (8-11 октября 2015 г., Москва) (бронзовая медаль, диплом III степени).

Опытный образец инкрустатора-протравливателя использовался для предпосевной обработки семян в ГУСП «Совхоз Рощинский» Стерлитамакского района, СХПК «Дружба», СХПК «Нива» Благовещенского района, ООО «Племзавод Победа» Дюртюлинского района Республики Башкортостан в 2012-2014 гг.

Вклад автора в проведенные исследования. Выполнено теоретическое исследование процесса взаимодействия семян с жидкими и порошковыми препаратами и произведена его численная реализация, разработан опытный образец пневмо-механического инкрустатора-протравливателя и выполнено

теоретическое обоснование его конструктивно-технологических параметров, проведены исследования опытного образца в лабораторных и производственных условиях, обработка экспериментальных данных и их анализ, апробация результатов исследований.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Математическое обоснование технологического процесса работы пневмо-механического инкрустатора-протравливателя с учетом геометрических характеристик (линейных размеров, форм и площади поверхности), физико-механических свойств препаратов (плотность, вязкость) и вероятностной природы взаимодействия многокомпонентной смеси «семена - капли жидкости - частицы порошка».

2. Конструктивно-технологическое обоснование параметров инкрустатора-протравливателя.

3. Результаты теоретических и лабораторно-полевых исследований эффективности применения предлагаемых решений.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 3 в рецензируемых научных изданиях, получен патент РФ на изобретение № 2533917. Общий объем публикаций составляет 3,5 п.л., из них автору принадлежит 2,6 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунка, 16 таблиц и приложений на 42 страницах. Список литературы включает 129 наименований, в том числе 5 - на иностранных языках.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Технологии предпосевной обработки семян жидкими и порошковыми препаратами

Возделывание с.-х. культур связано с необходимостью применения высокопродуктивного и здорового посевного материала.

Неукоснительное соблюдение установленных агротехнических приемов позволяет получить в зоне рискованного земледелия 2-2,5 тонны зерновых с гектара. Однако для выращивания более высоких урожаев - на уровне 3,5 и более тонн - необходима надежная предпосевная обработка семян жидкими и порошковыми препаратами.

Эффективная предпосевная обработка семян увеличивает их полевую всхожесть и снижает поражаемость растений вредителями, болезнями, а также позволяет по учить заданное количество всх.одов без их прор живания.

Одной из перспективных технологий предпосевной обработки семян, предохраняющей семена от вредителей, болезней и одновременно предотвращающей загрязнение окружающей среды - это создание искусственных оболочек для защиты семян различных сельскохозяйственных культур. Искусственная оболочка может содержать требуемое количество органических и минер льных удобрений, необходимых семе.ни и проростку на ранних стадиях развития.

Рисунок 1.1 - Классификация технологий предпосевной обработки семян [103]

Из методов нанесения искусственных оболочек наиболее перспективны следующие: инкрустирование (инкрустация) - протра ливание семян с фиксацией средств защиты пленкообразующими сос авами, дражирование, мини-дражирование, капсулирование (инкапсулирование) (рисунок 1.1), гель-посев (посев в капле жидкости), посев семян в лентах, бумажных и биологически разрушаемых контейнерах и т.д. [117].

В нашей работе мы рассматриваем две технологии: химическое протравливание и инкрустирование семян.

1.1.1 Химическое протравливание семян

Первые упоминания о предпосевной обработке семян относятся к 2000 г до нашей эры. В это время для защиты семян от насекомых в процессе хранения использовали мятые листья кипариса, а также сок лука.

Несмотря на большое количество различных способов предпосевной обработки семян в мире, наиболее широкое распространение поучили химические способы обработки семян. Целесообразность химического протравливания семян доказана около 300 лет тому назад. Широкое распространение на пржтике данный способ получил в индустриальных странах только 50 лет назад.

В индустриально развитых странах в комп ексе мер борьбы с болезнями и вред телями сельскохозяйственных кул тур протравливание семян перед посевом - одно из основных операций предпосевной обработки семян.

Протр вливание семян позволяет защитить семена, высеянные в почве и растения от вредителей и болезней при минимальных расходах средств и пестицидов, что обеспечивает:

- уменьшение количества пестицидных обработок растений в поле;

- снижение затрат на пестициды и времени на их применение;

- первоначальную и последовательную защиту растений.

По данным ирландских специалистов, без проведения предпосевного протравливания семян озимой пшеницы от корневых гнилей (возбудитель Fusarium nivale) в их регионе погибает до 50% всходов. Продолжительный опыт возделывания озимой пшеницы в Германии указывает, что обработка семян байтаном обеспечивает более высокие сборы зерна - в среднем в 6,4 ц/га, или на 10,6%, ячменя - на 4,9 ц/га, или на 8,0% в сопоставлении с необработанными семенами. В Канаде, вследствие обработки семян пшеницы витаваксом, урожайность возрастает в среднем на 7,9%, ячменя на 10,8% за счет более высоких показателей всхожести семян, количества колосьев в 1 м2 и массы зерна. Подобные данные получены в ряде стран [103].

Семена, как правило, протравливаются: в централизованном порядке -около 60%, в фермерских хозяйствах - 40%. В борьбе с вирусными заболеваниями растений пшеницы, ячменя и овса и вредителями (злаковые тли) надежнее, экономиически выгоднее и экологически безвреднее раз в год осуществлять предпосевное протравливание семян, нежели постоянные опрыскивания посевов контактными (пиретроидные) и системными (фосфорорганиеские, карбаматные) афицидами, т.к. к крайним у тлей очень быстро формируется устойчивость, существенно уменьшающая результативность проводимых обработок [103].

Объемы и качество протравливания в последние годы в большинстве финансовых регионов зернопроизводства Российской федерации, а также остальных стран СНГ значительно понизилась, что усугубило фитосанитарную обстановку семенного материала и посевов зерновых колосовых, крупяных культур и кукурузы. Повсюду отмечается устойчивое возрастание головневых заболеваний и корневых гнилей [103].

Рациональный выбор протравителя и технических средств его нанесения на семена и качественная обработка семян перед их протравли анием считаются одним из первых условий эффективного производства зерновых.

В настоящее время большая часть семян подвергаются обработке фунгицидами в комбинации с инсектицидами.

Фунгицидную обработку семян производят для борьбы с: почвенными грибковыми болезнями, организмами (патогенами), вызывающими гниение семян и сеянцев, корневыми гнилями; грибковыми патогенами, находящимися на поверхности семян (твердая головня ячменя, овса и пшеницы, сафлорная ржавчина); патогенами, находящимися внутри семян (пыльная головня и др.) (рисунок 1.2).

Большинство фунгицидных обработок не влияет на бактериальные патогены и на все виды грибковых болезней. Таким образом, важно тщательно выбирать протравитель, имеющий максимальное воздействие на болезнетворные организмы, присутствующие на семенах и/или в почве.

Протравливание семян для контроля

Патогенов в почве

Рисунок 1.2 - Основные причины протравливания семян [103]

Современные системные фунгициды являются эффективными для борьбы с ростковыми гнилями люцерны (Pythium и Phytophthora). Семена люцерны также рекомендуется протравливать с целью борьбы с вертициллиозным вилтом, который переносится с семенами.

При протравливании сравнительно небольшие количества высокоэффективных средств защиты растений должны быть равномерно нанесены на семена. В целях достижения оптимального биологического действия против болезней, вредителей и т.п., эти вещества должны быть не только высокоэффективными и иметь хорошую препаративную форму, но и должны

обладать свойствами для эффективной технологии протравливания. Поэтому высокое качество процесса протравливания является предпосылкой для того, чтобы протравитель в полной мере мог развивать свою эффективность.

Важнейшей предпосылкой для осуществления качественного протравливания является тщательная очистка семян. Мелкие частицы имеют очень большую относительную поверхность и поэтому связывают протравитель значительно лучше, чем сам посевной материал. Чем больше пыли и зерновой примеси в посевном материале, тем больше протравитель связывается этими частицами, вследствие чего он в меньшей мере попадает на семена. Ввиду того, что даже в хорошо очищенном посевном материале из-за многократного транспортирования в элеваторах и т.п. вновь образуется мелкая зерновая примесь, рекомендуется непосредственно перед протравливателем устанавливать пнемосепаратор. Этот вид дополнительной очистки экономичен и надежно предотвращает попадание запыленного зерна в протравливатель.

На качество процесса протравливания существенным образом влияют объемная масса (масса одного гектолитра) и масса 1000 семян. В процессе протравливания на каждое семя необходимо нанести малейшие количества жидкости в пределах 1/2000 - 1/10000 миллилитра. Чем выше масса 1000 семян, тем меньшее их количество необходимо обрабатывать определенным количеством протравителя, что также повышает качество процесса протравливания. Низкая масса тысячи зерен не только снижает качество протравливания, но и уменьшает текучесть протравленных семян, что в ряде случаев может снижать равномерность посева. Следовательно, чем лучше отсортирован посевной материал, тем выше объемная масса и тем равномернее и лучше семена поддаются протравливанию.

Во многих случаях повысить качество протравливания можно за счет уменьшения производительности протравливателей. Максимальное качество протравливания достигается при 55-65 % от паспортной производительности.

Идеальное химическое протравливание должно быть эффективным против разных вредителей и болезней. Основными признаками качественного протравливания являются следующие критерии [103]:

- работа протравливателя при максимально точной подаче зернового материала и протравителя;

- посевной материал непосредственно перед протравливанием должен пройти пневматическую очистку, а при низких значениях массы 1000 семян заодно и сортирование;

- распределение протравителя на отдельных зернах должно быть равномерным, чтобы каждое зерно получило одинаковое количество действующего вещества;

- высокая прилипаемость протравителя с тем, чтобы вся доза нанесенного действующего вещества на семенах оставалась на них и после таких механических воздействий, как затаривания в мешки, транспортировки и посева.

- протравитель должен быть безвредным для семян;

- отсутствие уменьшения сыпучести семян, препятствующей свободному перемещению семян в высевающих аппаратах сеялки;

- семена после обработки должны иметь привлекательный вид (без морщин) и быть экологически безопасными для окружающей среды;

- протравливатель должен быть относительно недорогим. Хорошее качество протравливания получают только в том случае, если процесс протравливания будет выполняться квалифи ированным персоналом.

Универсальные химические и технические средства протравливания, имеющиеся в настоящее время, являются эффективными для борьбы с целым рядом болезней, передаваемых через зараженные семена. В связи с этим эти методы применяют в большинстве случаев как традиционные [46].

Состав протравителей в большинстве случаев разработан из условия их применения в отсутствии дополнительных компонентов. Средние нормы применения протржителей составляют от 1 до 15 л/т. Основными требованиями для протравителей являются:

- оптимальная биологическая эффективность;

- отсутствие отрицательного воздействия на всхожесть семян;

- хорошая прилипаемость к семенам;

- однородное покрытие зерновок;

- легкость применения;

- безопасность транспортировки;

- большой срок годности;

- совместимость с другими обработками;

- низкая стоимость.

Одной из основных проблем, сопряженных с протравливанием считается плохая прилипаемость действующего вещества, особенно сказывающаяся при протравливании поро ками. Образование пыли, и потеря действующего вещества также происходит при испарении воды из рабочих растворов на водной основе.

Чрезвычайно важно для протравливания, чтобы обработка не была фитотоксичной и не препятствовала всхожести семян.

При низких нормах расхода рабочего раствора равномерное покрытие каждого семени является первоочередным требованием.

Суспензии не должны налипать, либо скапливаться в механизмах протравливателей, и должны быть хорошо распылимыми. Таким образом, реологические свойства протравителей являются крайне важными для протравливания.

К протравливателям семян предъявляются большие требования по экономическим, ценовым и техническим параметрам.

В технологическом аспекте качество протравливания обуславливается в первую очередь строгим точным дозированием препарата и семян, что требует управления процессами: контролирования потока химического препарата и потока семян. Оба потока должны быть однородными и устойчивыми.

В настоящее время все большей востребованностью пользуется относительно новая технология предпосевной обработки семян -инкрустирование, или протравливание с нанесением пленкообразующих составов.

1.1.2 Инкрустирование семян

Инкрустирование (англ. Seed incrustation, film coats; нем. Saatgutinkrustierung; франц. Pellecule des semences) - специальный способ влажного протравливания семян с добавлением связующего (пленкообразного) вещества.

В процессе инкрустирования связующее вещество наносят на семена после обработки средствами защиты (смачивающийся порошок, водный концентрат эмульсии, паста) или предварительно смешивают с ними. Пленкообразующие составы закрепляют средство защиты на семенах и исключают его осыпание. В нашей стране этот способ поучил название «протравливание семян пленкообразующими составами». Тонкая пленка создает оболочку вокруг семени, не изменяя его форму и размер. Применяют инкрустирование для крупных семян, имеющих оптимальную для высева форму, таких как семена яровой и озимой пшеницы, гороха, кукурузы, подсолнечника, хлопчатника и т. д.

При инкрустировании средства защиты фикси уют на семени с пом щью вяжущего вещества (прилипателя), что исключает или значительно сокращает потери препарата, обеспечивая точ ую дозировку и равномерное распределение его по по ерхности семян, увеличивает срок защитного дей твия. При этом затягиваются трещины и повреждения на самом семени, что уменьшает повторное заражение семян в почве. Толщина и масса семян при этом возрастает незначительно (на 0,01-1 мм, и 1-2% соответственно). Поэтому указанный способ рекомендован, как выше отмечалось, для семян, по размеру и форме пригодных для посева с помощью сеялок точного высева.

Основное преимущество инкрустирования перед протравливанием -снижение потерь препаратов. По данным ВИЗР, удерживаемость препарата витавакса на семенах злаковых культур при нанесении их с пленкообразователем - натриевой солью карбосилметилцеллюлозы (NaKMU,) возрастала до 91,3% и составляла после сева 86,6% (в контроле, без пленкообразователя - 42%) [68].

Благодаря инкрустированию снижается снос пестицидов ветром при посеве, уменьшается степень загрязнения ими почвы, так как активное вещество попадает в почву, локально образуя ограниченную зону защиты семян. По данным фирмы Sarea (Австрия), площадь загрязнения поверхности почвы пестицидами при таком внесении средств защиты для зерновых, рапса и кукурузы составляет 0,94, 0,32 и 0,025% соответственно. Кроме того, установлено, что пленкообразователи связывают почвенные частицы и являются прекрасными структурообразователями [68].

Из пленкообразователей получили распространение водорастворимые полимеры: NаКМЦ, ПВС, более полные сведения о которых приведены далее. Помимо водорастворимых полимеров, которые перед применением необходимо растворять в холодной или горячей воде и смешивать со средствами защиты, используют препарат уныш - готовый к применению пленкообразующий протравитель [65].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ганеев Равиль Винерович, 2016 год

/ /

1 /

II 1 1 1

1 1 1 1

1 1 1 N

/ 1 1 /

/ 1

1

1 1

1 /

1 /

/

1

/

/

Рисунок 2.7 -Расчетная сетка

Поскольку численные реализации являются лишь аппроксимацией реальных течений, а, следовательно, лишь приближением к реальности, они нуждаются в оценке степени достоверности путем известных процедур верификации и валидации. Верификация - это процесс определения степени адекватности и уровня точности численного моделирования данной концептуальной модели, а валидация - позволяет определить, насколько точно выбранная концептуальная модель описывает исследуемое течение путем сопоставления численных и экспериментальных данных [119].

Следовательно, процесс верификации и валидации включает как вычислительные, так и физические аспекты. При этом достоверность моделирования достигается путем оценивания степени точности представления выбранной концептуальной модели реальному явлению и сравнения с экспериментальными данными.

Таким образом, тщательное выполнение процедур верификации и валидации позволяют проанализировать чувствительность моделей и их численной реализации к имеющимся неопределенностям и, следовательно, оценить степень достоверности моделей и методов численного моделирования и определить область применимости того или иного подхода.

В нашей работе проведена проверка адекватности численной модели пневматической системы инкрустатора-протравливателя семян БИС-15А.

Рисунок 2.8 - Точки замеров скорости инкрустатора-протравливателя

Так как современные методы численного моделирования на данный момент не достигли возможности моделирования полного технологического процесса обработки семян жидкими и порошковыми препаратами внутри

инкрустатора-протравливателя, нами разработана модель взаимодействия воздушного потока с порошковым препаратом Полисорб ВП.

Для проверки адекватности данной модели произведены замеры скорости воздушного потока с помощью термоанемометра с крыльчаткой К1МО LV 110 в нескольких точках инкрустатора-протравливателя (рисунок 2.8).

Рисунок 2.9 - Скорость воздушного потока в FlowVision в точке 1 в плоскости

После проведения расчета данной пневматической модели в программном комплексе FlowVision с помощью прикладных средств оценена скорость воздушного потока в тех же точках в модели (рисунки 2.9-2.13).

Рисунок 2.10 - Скорость воздушного потока в FlowVision в точке 1 в плоскости IX

Далее после импорта графиков в программу MS Excel 2003 определены средние значения скоростей в данных точках и сравнены с результатами реальных замеров (таблица 2.3).

Рисунок 2.11 - Скорость воздушного потока в FlowVision в точке 2 в плоскости ZY

Рисунок 2.13 - Скорость воздушного потока в FlowVision в точке 3 в плоскости

Таблица 2.3 Сравнение теоретических и экспериментальных скоростей воздушных потоков

№ точки Теоретическая ско.рость воздушного потока в FlowVision, м/с Экспериментальная скорость воздушного потока по результатам замеров, м/с Расхождение, %

1 5,07 4,96 2,17

2 4,94 5,1 3,14

3 1,31 1,35 2,96

С помощью разработанной математической модели рассмотрены по отдельности процессы движения частиц порошка и капель жидкого препарата, которые решаются конечно-разностным методом в программном комплексе БЬ'^УЫОП.

Реализация данных моделей позволяет определить такие параметры как концентрацию и скорость частиц порошка в воздушном потоке, что позволяет обосновать режим движения частиц порошка и капель жидкости по критерию Рейнольдса (блок 2 (рисунок 2.1)).

Разработанная математическая модель не позволяет определить качественные вероятностные характеристики обработки семян. Так как качество покрытия семян зависит значительным образом от времени обработки семян жидкими и порошковыми препаратами, необходимо определить вероятность их попадания на семена.

2.3 Определение вероятности попадания на семена жидких и порошковых препаратов

Процесс взаимодействия семян с препаратами в камере обработки с достаточной степенью приближения можно рассматривать как процесс перемешивания двух компонентов [75].

В теории смешивания основным и наиболее сложным вопросом является получение аналитических зависимостей для расчета интенсивности (скорости)

образования смеси, определение закономерностей движения исходных компонентов, которые обеспечили бы заданную однородность конечного продукта. Ввиду сложности вопроса, большинство работ по смешиванию посвящено экспериментальному исследованию изменения равномерности смеси в зависимости от продолжительности перемешивания и режима работы смесителей определенного типа.

Значительно меньше выполнено работ по аналитическому исследованию процесса смешивания.

Ряд ученых в своих исследованиях использовали вероятностные методы решения этого вопроса. Х. И. Роус [126] рассматривал процесс смешивания, исходя из допущения, что этот процесс аналогичен диффузии газов. В этом случае степень смешивания может быть определена по формуле

0 = 1 — (2.8) где в - показатель однородности смешивания; t - продолжительность перемешивания, с;

<р - коэффициент, характеризующий интенсивность смешивания, зависящий от критерия Рейнольдса (чем больше (р, тем меньше времени требуется для достижения одинаковой степени однородности смеси); е - основание натурального логарифма.

Несмотря на то, что предлагаемая автором формула имеет в основном эмпирический характер, показатели качества перемешивания во вращающихся смесительных барабанах согласуется с расчетными, полученными по формуле (2.8) [126].

Некоторые исследователи [7, 97] кинематику процесса смешивания характеризуют количественным соотношением между величиной поверхности соприкосновения компонентов и продолжительностью перемешивания.

Применяя методы теории вероятности, авторы установили, что мгновенная величина поверхности раздела изменяется по следующей зависимости

^ = 5тах • (1 - е"СП (2.9)

где 5 - поверхность соприкосновения компонентов в момент времени Ь;

Бтах - максимально возможная поверхность раздела компонентов (зависит от размеров смешивающихся частиц).

Вероятностный метод, применимый авторами [126, 7], очевидно, можно использовать и при оценке качества обработки семян жидкими и порошковыми препаратами (инкрустации).

Семена, находящиеся в камере обработки инкрустатора-протравливателя, рассматриваем как большое число элементарных объемов с поверхностью А/, а общую поверхность соприкосновения семян и частиц препарата разделяем на п равных элементов АS. Тогда качество обработки семян препаратом можно оценить равномерностью распределения поверхности соприкосновения по поверхностям отдельных семян. При этом допускаем, что необходимым и достаточным условием удовлетворительной обработки семян есть то, чтобы на каждую элементарную поверхность Аf попал один элемент поверхности соприкосновения АS (рисунок 2.14).

1 2

а) б)

1 - капли жидкости; 2 - частицы порошка; 3 - семена а) - слипание капель жидкости и частиц порошка между собой с частичным закреплением на семена; б) - последовательное нанесение капель жидкости и частиц порошка на поверхность семени

Рисунок 2.14 -К определению вероятности попадания жидких и порошковых препаратов на семена

С увеличением поверхности соприкосновения величина AS=S/n возрастает.

Вероятность Р того, что, один элемент данной поверхности соприкосновения попадает на поверхность пропорциональна величине AS.

Р = ф-АБ, (2.10)

где ф - коэффициент пропорциональности.

Применяя теорему сложения вероятностей к данной системе, получим, что, равенство, в котором один элемент поверхности соприкосновения АS попадет на поверхность А/, будет иметь вид

р = Р%п + Р2,п + Р3,п + -Рт,п, (2.11)

где Р1п - вероятность того, что на поверхность А/ попадет один элемент поверхности соприкосновения АS;

Р2 п - вероятность того, что на поверхность А/ попадет два элемента поверхности соприкосновения АS и т.д.

Если принять, что распределение частиц препарата на поверхности зерен будет соответствовать распределению Пуассона [7], то вероятности Р1п, Р2;п, рз,п, • • Рт,п выразятся

(2.12)

2,п 2! фт.5т

Р =

т п

т'п т!

Подставляя значения Р1п, Р2 п, Рз)П, •.-Рт)П в уравнение (2.11) получим

М^+^+^+'-'+^Н1-^) . (213)

при п-

^.л-зе^+зе^+.-.+зСгг::»,^-!;

^ 2! 3! т! '

Р = -1)-е~(2.14) Подставляя в уравнение (2.14) значение 5 из формулы (2.9) получим

Р = 1- ■$па*(1-е-с-*). (2.15)

Приведенное уравнение показывает, какова вероятность того, что на поверхность семян попадет один элемент поверхности соприкосновения АS в процессе смешивания семян и препарата на протяжении времени 1 При этом коэффициент ф характеризует тип смесителя, а коэффициент щ и величина Smax - физико-механические свойства семян (размеры семян (Ь, I, И), форма и площадь поверхности семени и т.д.) и физико-механические свойства препаратов (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, прилипаемость и т.д.).

Чтобы использовать это уравнение необходимо экспериментально определить величины ф, щ и Smax на различных стадиях перемешивания. Это дает возможность получить функциональную зависимость

Р=№. (216)

Выражение (2.15) выведено для определения вероятности покрытия семян одни препаратом, но в современном понимании инкрустация предполагает наличие третьего компонента с отличающимися от первого и второго характеристиками. Таким образом, встает вопрос описания вероятности взаимодействия сразу трех компонентов, что значительно усложняет рассматриваемый процесс.

Рассмотрим АS как сумму элементов поверхности АS1 и А^32. Для каждого из них будет свой коэффициент пропорциональности щ1 и щ2.

При этом допускаем, что необходимым и достаточным условием удовлетворительной обработки семян есть то, чтобы на каждую элементарную поверхность Аf последовательно попал сначала один элемент поверхности соприкосновения АS1 (частица жидкости) и закрепился один элемент поверхности соприкосновения АS2 (частица порошка) (рисунок 2.14 (б)). В случае нарушения данной последовательности произойдет слипание частиц жидкости и порошка между собой с закреплением лишь небольшой их части на поверхность семян (рисунок 2.14 (а)).

Тогда вероятность Р того, что на поверхность семян попадет один элемент поверхности соприкосновения АS1 и закрепится один элемент поверхности соприкосновения АS2 будет равна произведению вероятностей Р1 и Р2 и запишется в следующем виде

Р = Р1-Р2, (2.17)

где Рг - вероятность того, что на поверхность Аf попадет один элемент поверхности соприкосновения АS1, то есть на поверхность семян попадет препарат в жидком виде;

Р2 - вероятность того, что на поверхность Аf закрепится один элемент поверхности соприкосновения АS2, то есть на поверхность семян закрепится препарат в порошковом виде.

Подставляя в уравнение (2.17) значение Р из формулы (2.15) получим

/> = (!_ е-ФгЯтахгЬ-е'**)^ . _ ^-^то^-е"^)). (2.18)

Однако данное выражение необходимо уточнить с учетом введения условной вероятности. В данном случае под условной вероятностью понимается вероятность закрепления на поверхности семян препарата в порошковом виде при условии, что на поверхность семян препарат в жидком виде уже попал. Таким образом, вероятность закрепления на поверхности семян препарата в порошковом виде без нанесения в жидком равна нулю. Выразим это в формульном виде.

Из уравнения (2.17) примем вероятность Р = Р(А • В) - вероятность того, что на поверхность семян попадет препарат в жидком, а также закрепится в порошковом виде.

Из уравнения (2.17) примем вероятность Рг = Р(А), а Р2 = Р(В).

Таким образом, уравнение (2.17) примет следующий вид

Р{А • В) = Р(Л) • Р(В). (2.19)

Вероятность того, что на поверхность семян попадет препарат только в жидком виде равна

Р{А • В) = Р(А) • Р(Б), (2.20)

где Р(В) - вероятность того, что на поверхность семян не закрепится препарат в порошковом виде.

Вероятность того, что на поверхность семян закрепится препарат только в порошковом виде равна

Р{А-В) = Р(А)-Р(В), (2.21)

где Р(А) - вероятность того, что на поверхность семян не попадет препарат в жидком виде.

Вероятность того, что на поверхность семян не попадет препарат ни в жидком и не закрепится в порошковом виде равна

Р(А • В) = Р(А) • Р(В). (2.22)

Таким образом, описав все возможные варианты развития событий, сумма всех их равна 1 или 100 %. В итоге получим следующее выражение

Р = Р{А • В) + Р{А • В) + Р{А • В) + Р{А -В) = 1. (2.23)

Так как нам заранее известно, что Р{А ■ В) = 0, то получим

Р(А • В) + Р(А • В) + Р{А -В) = 1. (2.24)

Вынося Р{А • В) и Р(Л • В) в правую часть уравнения (2.24), получим

Р(А-В) = 1- Р(А • 5) - Р(Л • В) (2.25)

Подставляя значения Р(А • 5) из выражения (2.20) и Р(А • fí) из выражения (2.22) в уравнение (2.25), получим

Р(А-В) = 1- Р(Л) • Р(Я) - Р(Л) • Р(Я). (2.26)

Вынося Р(£) за скобки получим

Р{А-В) = 1- Р(Я) • (Р(Л) + Р(Л)). (2.27)

Так как сумма вероятностей того, что на поверхность семян попадет препарат в жидком виде и того, что на поверхность семян не попадет препарат в жидком виде равна 1 или 100 %, то получим следующее выражение

Р(Л) + Р(Л) = 1. (2.28)

Аналогично

Р(Я) + Р(Я) = 1. (2.29)

Вынося Р(Л) в правую часть уравнения (2.28) получим

Р{А) = 1- Р(Л). (2.30)

Аналогично

Р(Я) = 1-Р(Я). (2.31)

Подставляя Р(А) из выражения (2.30) в выражение (2.27), получим

Р(А-В) = 1- Р(В) • (1 - Р(Л) + Р(Л)). (2.32)

Делая некоторые математические преобразования, получим

Р(Л • Я) = 1 - Р(Я). (2.33)

На основании выражения (2.31), получим

Р = Р(А • В) = Р(Б) =Р2 = 1- е-^тах2(1-е-1(Р). (2.34) Таким образом, вероятность того, что на поверхность семян попадет препарат как в жидком, а также закрепится в порошковом виде, равна вероятности того, что на поверхность Аf закрепится один элемент поверхности соприкосновения АS2, то есть то, что на поверхность семян закрепится препарат в порошковом виде.

На основании уравнения (2.34) нами получены зависимости вероятности покрытия семян препаратами от времени смешивания для трех сельскохозяйственных культур: яровая пшеница, озимая пшеница, горох (рисунки 2.15-2.17).

Рисунок 2.15 -Изменение вероятности покрытия семян препаратами Р в зависимости от времени смешивания ? для семян яровой пшеницы

зависимости от времени смешивания t для семян озимой пшеницы

зависимости от времени смешивания t для семян гороха

Анализ рисунков 2.15-2.17 показывает, что с увеличением времени смешивания вероятность попадания на семена препаратов в виде жидкости и порошка увеличивается. При дальнейшем увеличении вероятность Р приближается к некоторому пределу в районе 90 %. Для обеспечения равномерности покрытия семян Р = 70 % (рисунок 2.15) в соответствии с агротехническими требованиями время их смешивания с препаратами должно составлять не менее 14 секунд.

Определение эффективного времени смешивания позволяет нам при данных режимах определить конструктивно-технологические параметры предлагаемой конструкции за счет определения траекторий перемещения и времени смешивания семян с препаратами.

2.4 Определение траекторий перемещения и времени смешивания семян с препаратами в инкрустаторе-протравливателе

Обработка семенного материала (блок 3 (рисунок 2.1)) представлена движением семян внутри вращающегося барабана, описываемого методами классической механики (рисунки 2.18 - 2.21).

Для обоснования конструктивно-технологических параметров инкрустатора-протравливателя определим траекторию перемещения и время смешивания семян в камере обработки.

Рассмотрим силы, дейстующие на семя во вращающемся барабане в режиме первого рода, когда семя покоится относительно стенки барабана, то есть движется без скольжения. На семя (материальная точка М с массой т) при этом действуют следующие силы (рисунок 2.18) [24]:

Гтр - сила трения семени о поверхность барабана, направленная по касательной к его поверхности в сторону вращения барабана, Н;

^р = цЯ, (2.35)

где ц = tg ф - коэффициент трения скольжения семени, который зависит от его вида и материала поверхности барабана;

N - сила реакции опоры (стенки барабана), Н.

N = G • cos а0 + Фп, где G - сила тяжести, направленная по вертикали вниз, Н;

G = mg,

где m - масса семени, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2; а0 - угол начала скольжения семени по барабану, град; - нормальная сила инерции, H;

Ф£ = m • ю2 • R,

где Я - радиус барабана, м; ш - угловая скорость вращения барабана, с

-1

- нормальное ускорение

а,п = w2-R.

Рисунок 2.18 - Схема сил, действующих на семя в равномерно вращающемся барабане

(2.36)

(2.37)

(2.38)

(2.39)

Подставляя значение G из формулы (2.37) и из формулы (2.38) в уравнение (2.36) получим

N = m ■ (g ■ cos а0 + о2 ■ R). (2.40)

Подставляя значение N из формулы (2.40) в уравнение (2.35) получим

Fmp = л • m • (g • cos а0 + о ■ R). (2.41)

Запишем условие равновесия, когда семя покоится относительно стенки барабана. Это условие сохраняется до тех пор, пока тангенциальная составляющая силы тяжести будет равна силе трения. С учетом вышесказанного получим

m ■ g sin а0 = л ■ (m ■ g ■ cos a0 + m • о ■ R). (2.42)

Путем некоторых математических преобразований получим

2

g sin а0 = л ■ (g ■ cos а0 + о ■ R). (2.43)

Угол а0 определяется численным решением уравнения (2.43) в пакете MathCAD при определенных значениях коэффициента трения [л, угловой скорости о, и радиусе барабана R.

Определим угол а при котором кинетическая энергия семени, вращающегося по внутренней боковой поверхности барабана, станет равной нулю и материальная точка M перейдет из положения M0 в M¡. Воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии

Т-Т0=£Ае, (2.44)

где T - кинетическая энергия в конце движения семени, Дж; T0 - кинетическая энергия в начале движения семени, Дж; Y, Ае - сумма работ внешних сил, Дж.

5Мв =Атд+АРтр, (2.45)

Атд - работа силы тяжести, Дж; АРтр - работа силы трения, Дж.

Атд = —т • д • R • (cos а0 — cos аг). (2.46)

^ftp = í^l^-m-R-dg- sin а1+о)2- R)da^ (2.47)

=YtAe. (2.48)

Запишем уравнение кинетической энергии семени m-d¡ т

Га = —-— = —- • (со • Ry —т- д - R• (cos а0 — cos а±) +

U и

+ Qfi-m-R'(g' sin о^ + <u2 • /?)dal5 (2.49)

где i9a - абсолютная окружная скорость движения семени по внутренней боковой поверхности барабана, м/с.

tfa = i9e-tfr, (2.50)

где т9е - переносная окружная скорость движения семени по внутренней боковой поверхности барабана, м/с.

de = (ú-R. (2.51)

т9г - относительная окружная скорость движения семени по внутренней боковой поверхности барабана, м/с.

Подставляя в уравнение (2.50) значение де из формулы (2.51) получим

tia = ú)-R-tir, (2.52)

Решив интеграл из выражения (2.49) и путем некоторых математических преобразований получим

^ „ Í(ú2-r , ч (—д • (cosа± - cosа0) +\\ „ _

Ti = m.R-(—-g. (cos «0 - cos «,)+„.( ^ _ д ^ _ ^ )). (2.53)

Угол ai определяется численным решением уравнения (2.53) в пакете MathCAD при определенных значениях коэффициента трения ¡, угловой скорости ш, радиусе барабана R и угле a0.

Запишем условие отрыва семени от внутренней боковой поверхности барабана. Это условие возможно, когда нормальная реакция семени N станет равной нулю.

m ■ g ■ cos аот + m ■ ш ■ R = 0, (2.54)

где аот - угол отрыва семени от внутренней боковой поверхности барабана, град.

Путем некоторых математических преобразований выразим из уравнения (2.54) угол аот отрыва семени от внутренней боковой поверхности барабана

аот = arccos (2.55)

В случае, когда кинетическая энергия Та станет равной нулю, и при этом угол ai будет меньше угла отрыва аот, семя поднимется вместе с барабаном на угол а1, а затем начнет двигаться по следующей схеме (рисунок 2.19) [90].

Поднявшись по внутренней боковой поверхности барабана по дуге окружности BA1 в плоскости перпендикулярной оси вращения до точки A1, семя начнет скользить вниз по линии наибольшего ската A1B1, представляющей собой участок близкий к винтовой линии, отклоняющейся от вертикали на угол

е, определяемый согласно формуле проф. Л. Б. Левенсона

sin2a„ . Г cos2.

ta£ = sin2aH _ t Г cos2aH 1 2(tg2a1+sin2aH) Ltg2a1+sin2aHr

2(tg2a1+sin2aH) Ltg2a1+sin2

где ан - угол наклона барабана к горизонту, град; U

(2.56)

Рисунок 2.19 - Схема движения семени без отрыва от поверхности наклонного барабана

При обычных на практике малых углах наклона ан = 5-10° и угле а1 ~ 45° угол отклонения е может быть принят равным углу наклона ан. Так как при этом вследствие непрерывного вращения барабана точка В1 перейдет в точку А2, то отрезок В1А2, аналогичный отрезку ВА1, будет непосредственным продолжением отрезка А1В1 на внутренней боковой поверхности барабана.

Следовательно, относительную траекторию семян на внутренней поверхности барабана можно разбить на участки ВА1, В1А2, В2А3, В3А4 и т.д., являющиеся дугами окружности и участки А1В1, А2В2, А3В3, А4В4 и т.д., приближенные к винтовой линии, по которым движение семян совершается прерывисто с паузами. Паузы происходят в конце подъема семян вверх в точках А1, А2, А3, А4 и т. д. В результате подобного движения семян образуется угол д (ВА1В1), являющийся суммой углов ан и е, который при некотором допущении можно назвать углом подъема винтовой линии и при малом угле наклона барабана ан принять равным 2ан.

В случае, когда кинетическая энергия Та станет равной нулю, и при этом угол а1 будет больше угла отрыва аот, семя оторвется от внутренней боковой поверхности барабана и полетит вниз по параболической траектории, встречаясь снова с внутренней боковой поверхностью барабана в точке МВ (рисунок 2.20). При этом на семя будет действовать только сила тяжести О.

Для определения времени смешивания семян с препаратами в барабане инкрустатора-протравливателя необходимо разбить его на составляющие. В обобщенном виде время смешивания семян равно произведению количества циклов на время одного цикла.

1 = пц- 4ц, (2.57)

где Пц - количество циклов, шт; £ц - время одного цикла, с.

Время одного цикла состоит из времени подъема семени с точки Мн до точки М0, определяемого углом а0 (рисунок 2.18), времени подъема с точки М0 до точки Мот, определяемого разницей между углом аот и а0, времени

свободного полета по параболической траектории с точки Мот до точки МВ и времени движения с точки МВ до точки МК, определяемого углом ак (рисунок 2.20).

*ц = к + Ч + г2 ± (2.58)

где ^ - время подъема с точки Мн до точки М0, с; ^ - время подъема с точки М0 до точки Мот, с;

Ь2 - время свободного полета по параболической траектории с точки Мот до точки МВ, с;

tз - время движения с точки МВ до точки МК, с.

Рисунок 2.20 - Схема сил, действующих на семя во время отрыва от внутренней боковой поверхности барабана

Если семя встретится с поверхностью барабана в I квадранте, то в уравнении (2.58) перед временем t3 нужно поставить знак «-». Если семя встретится с поверхностью барабана в IV квадранте, то в уравнении (2.58) перед временем t3 нужно поставить знак «+». Время t3 равно нулю, если семя встретится с поверхностью барабана в точке МК (рисунок 2.20).

Так как во время подъема семени до угла а0 семя покоится относительно стенки барабана и барабан вращается с постоянной угловой скоростью ш, то время t0 будет равно

t„=|, (2-59)

где s0 - путь проходимый семенем по дуге окружности, определяемой углом а0, м.

So = (2.60)

Подставляя в уравнение (2.59) значение s0 из формулы (2.60) и значение де из формулы (2.51) получим

^ _ ccq-u-R _ a0-it (261)

0 _ 180-й)-й _ 180-й). ( . )

Для определения времени tx составим дифференциальное уравнение движения семени с точки М0 до точки Мот (рисунок 2.21).

d2s

т • — = Y, Ft = ^тр _ т ' 9 ' sin а, (2.62)

где Y, Ft - сумма сил на ось т, Н;

s - путь, проходимый семенем по дуге окружности за время t, м;

а - угол в момент времени t, рад.

а = 1 (2.63)

Подставляя в уравнение (2.62) значение FTр из формулы (2.41) получим

= ¡¿'Ш' (д ' cos а + а)2 • R) — т • д • sin а. (2.64)

Подставляя в уравнение (2.64) значение а из формулы (2.63) и путем некоторых математических преобразований получим

^ = ц • (д • cos| + ¿о2 • я) - д • sin|. (2.65)

Уравнение (2.65) решается численно методом Рунге-Кутта в пакете МаШСАО при определенных значениях коэффициента трения д, радиусе барабана Я, угловой скорости а) и массе семени т. Результатом решения данного уравнения является график зависимости пути ^ от времени I, по которому определяется время

Для определения времени Ьг семени необходимо составить и решить совместно уравнение окружности и уравнение параболы.

Уравнение окружности имеет следующий вид

х2+у2=Д2. (2.66)

и

Рисунок 2.21 - Схема сил, действующих на семя во время подъема с точки М0 до точки Мот

Составляем дифференциальные уравнения в проекциях на оси координат

тх = ^Рх = 0. (2.67)

ту = = -ш • д. (2.68)

Начальными условиями для решения уравнений (2.67) и (2.68) являются координаты х0 [м] и у0 [м] и проекции начальных скоростей т90х [м/с] и т90у [м/с] семени в момент его отрыва от поверхности барабана (рисунок 2.20).

х0 =-Я- со5(аот - 90°). (2.69)

Уо=Я- 5т(аот - 90°). (2.70)

^ОХ = = А ' ип(аот - 90°). (2.71)

$0у = ^ау = ^а * С05(£Гот - 90°). (2.72)

Решаем дифференциальное уравнение (2.67) в проекции на ось х

х = ах=^, (2.73)

где ах - проекция ускорения семени на ось х, м/с2; т9х - проекция скорости семени на ось х, м/с.

^ = 0. (2.74)

Разделяем переменные и интегрируем обе части

С Мх = 0; (2.75)

"ох

дх--д0х = 0; (2.76)

= (2.77)

(278)

где хк - координата х встречи семени с поверхностью барабана, м. Разделяем переменные и интегрируем обе части

¡£йхк = -е0х£ 2СН2; (2.79)

хк -х0 = д0х • г2. (2.80)

Получаем уравнение движения семени на ось х

хк = х0+д0х^2. (2.81)

Решаем дифференциальное уравнение (2.68) в проекции на ось у

У = -В\ (2.82)

(2 83)

где ду - проекция скорости семени на ось у, м/с. Разделяем переменные и интегрируем обе части

= (2.84)

Яу-Яоу = -д-12; (2.85)

^у=^оу-9' (2.86)

*У = % (287) где ук - координата у встречи семени с поверхностью барабана, м. Разделяем переменные и интегрируем обе части

1уУок аУк = -д г2йг2 + д0у сИ2; (2.88)

Л-Уо = -£г + ^ОУ^2. (2.89)

Получаем уравнение движения семени на ось у

0*2

Ук = -^ + 19оУ£2+УО. (2.90)

Подставляя в уравнение (2.81) значение х0 из выражения (2.69) и значение 190х из выражения (2.71), получим

хк = -Я- со5(аот - 90°) + (0а • 5т(а0т - 90°)) • г2. (2.91)

Подставляя в уравнение (2.90) значение у0 из выражения (2.70) и значение $0у из выражения (2.72), получим

ук = - — + (ра- соБ(аОТ - 90°)) • г2 + Д • 5т(аот - 90°). (2.92)

г2 2

Выразим из уравнения (2.91) время 12

^ _ Хк+К-С05(аот-90°) (2 93)

Подставляя в уравнение (2.92) значение Ь2 из выражения (2.93), получим

/З:к+Д-С05(а!0т-90°)Ч2

_ П ) ,д . ( _ . * +*со8(аот-90°)

2 V а V от JJ 19а.51п(аот—90 )

+Д • 5т(аот - 90°). (2.94)

Подставляя в уравнение (2.66) значение у из формулы (2.94), получим

2

( /^К+Д-С05(ЦОТ-90°)\2 \

--"-+ • - 90 >) • т9а-51п(аот-90°) + = Я2. (2.95)

+Д • 51п(сг0т - 90°) /

Уравнение (2.95) решается численно в пакете МаШСЛО при определенных значениях радиуса барабана Я, абсолютной начальной скорости т9а семени в момент отрыва и угле отрыва аот. Таким образом, решая уравнение (2.95) получаем координату хк встречи семени с поверхностью барабана. При известной координате хк, решая уравнение (2.66), находим координату ук встречи семени с поверхностью барабана.

При известной координате хк по формуле (2.93) при определенных значениях радиуса барабана Я, угле отрыва аот, абсолютной начальной скорости т9а семени в момент отрыва определяем время полета семени Ьг.

Абсолютная начальная скорость т9а семени в момент отрыва в уравнениях (2.93) и (2.95) определяется по формуле

Ъ = ^ (2-96)

где Т°т - кинетическая энергия семени в момент отрыва, Дж.

_,от _ (o>2-r , . , (~д ■ (cos аот - cos а0) +\\

Т°т = m-R- - д • (cos а0 - cos аот) +шг . R . ^ _ ^ )} (297)

После встречи семени с поверхностью барабана в точке МВ допускаем, что семя до точки МК (рисунок 2.20) будет двигаться с постоянной угловой скоростью со и покоится относительно стенки барабана.

Основываясь на данном допущении, определим время t3

где sK - путь проходимый семенем по дуге окружности, определяемой углом ак, м.

Координата хк встречи семени с поверхностью барабана равна

xK = R-smaK. (2.99)

Выразим угол ак из выражения (2.99)

ак = агсБШ

(2.100)

Ок-Я-К (2.101)

к 180 V /

Подставляя в уравнение (2.101) значение ак из формулы (2.100), получим

5К =-^-. (2.102)

к 180 V /

Подставляя в уравнение (2.97) значение 5К из формулы (2.102) и значение де из формулы (2.51) получим

агсзт(^г)-7г-й агсзтГ^Ч-л:

и=-Ш-=-(2.103)

3 180-й)-й 180-й) 4 у

Петровым Г. Д. [90] выведена формула для определения времени смешивания частиц в наклонном барабане

г =--т---(2.104)

где Ь - длина барабана, м

Уравнение (2.104) при некотором допущении можно использовать для определения времени смешивания семян с жидкими и порошковыми препаратами в барабане инкрустатора-протравливателя. Выразим из уравнения (2.104) угол наклона ан

= (2.105)

Подставляя в уравнение (2.105) значение ? из формулы (2.57) получим

агсЬд

ан =

Ш-К-Пц-Сц

2 (2.106) Таким образом, уравнение (2.57), определяющее время смешивания семян с жидкими и порошковыми препаратами в барабане, при определении углов а0, а, аот и ак позволяет обосновать такие конструктивно-технологические параметры инкрустатора-протравливателя семян как диаметр барабана Б и угловая скорость вращения барабана ш, а уравнение (2.106) позволяет обосновать угол наклона барабана к горизонту ан и длину барабана Ь.

Выводы по главе

1. Разработана технологическая схема пневмомеханического инкрустатора-протравливателя семян. Предлагаемая схема обеспечит новый технический эффект - многократное покрытие семян жидкими и порошковыми препаратами, рециркуляцию и вторичное использование, неосевшего порошка.

2. Математическая модель пневматической системы в программном комплексе FlowVision по результатам по результатам замеров является адекватной и с достаточной степенью точности описывает реальное пространственное течение. Реализация данных моделей позволяет определить такие параметры как концентрацию и скорость частиц порошка в воздушном потоке, что позволяет обосновать режим движения частиц порошка и капель жидкости по критерию Рейнольдса.

3. Определена вероятность попадания на семена препаратов для трехкомпонентной смеси. Определено, что вероятность попадания на семена препаратов для трехкомпонентной смеси увеличивается прямо пропорционально времени ее смешивания. Для обеспечения равномерности покрытия семян Р = 70 % в соответствии с агротехническими требованиями время их смешивания с препаратами должно составлять не менее 14 секунд.

4. Отрыв семени от внутренней боковой поверхности барабана и полет вниз по параболической траектории возможен только в случае если, угол а, при котором кинетическая энергия Та станет равной нулю, будет больше угла отрыва аот.

5. Уравнения (2.57) и (2.106) позволяют определить фактическое время смешивания семян с жидкими и порошковыми препаратами в барабане инкрустатора-протравливателя и обосновать его конструктивно-технологические параметры.

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Программа и методика исследований

Существенную роль в исследовании и подтверждении теоретических предпосылок и выводов выступают экспериментальные исследования. Главные задачи, поставленные в данной работе, позволили определить программу исследований, включающую в себя:

1. подготовка экспериментальной лабораторной установки;

2. проведение лабораторных экспериментов;

3. производственные испытания предложенной конструкции инкрустатора-протравливателя;

4. обработка результатов экспериментов и оценка их точности с дальнейшим анализом;

5. определение эффективности обработки семян сельскохозяйственных культур на экспериментальной установке.

Для получения достоверных результатов в экспериментах объем выборки определялся по известной методике. С целью снижения случайных ошибок на результаты эксперимента опыты проводились в трехкратной повторности. Опытные данные обрабатывались статистическими методами.

3.2 Методика лабораторных экспериментов

3.2.1 Методика определения зон взаимодействия воздушных потоков внутри инкрустатора-протравливателя семян

Исследования проводились на экспериментальной установке, разработанной на кафедре сельскохозяйственных машин совместно с ООО

«Научно-производственное предприятие «Биофорт» Башкирского ГАУ [26, 19] с учетом теоретических предпосылок процесса обработки семян (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Общий вид экспериментальной установки

Экспериментальная установка состоит из площадки 1, креплений 2, радиальных вентиляторов 3 и 7, боковых стоек 4 и 6, барабана 5 (рисунок 3.2).

На экспериментальной установке проведены эксперим енты по определению скоростей воздушных потоков [20].

Рисунок 3.2 - Схема экспериментальной установки: а) - общий вид и расположение секторов по длине; б) - расположение секторов по диаметру.

Для замеров скорости использовался термоанемометр с крыльчаткой KIMO LV 110 (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 - Термоанемометр с крыльчаткой KIMO LV110

Таблица 3.1 Технические характеристики термоанемометра с крыльчаткой KIMO LV 110

1 2

Элементы измерения Крыльчатка: датчик холла Температурные показания: Pt100 class A

Питание 1 алкалиновая батарея 9 В 6LR61

Рабочая температура (прибор) 0...+ 50 °C

Рабочая температура (зонд) -20...+80 °C

Вес, г 190

Единицы измерения:

скорость воздуха м/с, фт/мин, км/ч

объемный расход 3 3 м /ч, кф/мин, л/с, м /с

температура* °C, °F

Диапазон измерения:

скорость воздуха 0.3...3 м/с; 3.1...35 м/с

Продолжение таблицы 3.1

1 2

объемный расход 20...65000 м3/ч

температура* -20...+80 °С

Погрешность:

скорость воздуха ±5 % от изм. значения ±0.1м/с

±5 % от изм. значения ±0.2м/с

объемный расход В соответствии с методикой, изложенной в ГОСТ 8.361-79

температура* ±2 °С от изм. значения ±0.2 °С*

Разрешение:

скорость воздуха 0.01 м/с

0.1 м/с

объемный расход 1 м3/ч

температура* 0.1 °С

* - Как информационный параметр

Для снятия показателей эксперимента установка условно разбита на 4 сектора по длине установки и 4 по диаметру (16 областей снятия данных). Затем определены центра секторов по длине и по диаметру.

Таким образом, после всех расчетов в пространстве определены точки, в которых взяты замеры скорости.

Рисунок 3.5 - Измерение скорости воздушного потока в положении 2 анемометра (ось Y)

Замеры в каждой точке сектора производились в вертикальном направлении (положение анемометра 1, ось 7) (рисунок 3.4), горизонтальном (положение анемометра 2, ось У) (рисунок 3.5) и параллельно оси цилиндрической части установки (положение анемометра 3, ось X) (рисунок 3.6).

Замеры в каждой точке каждого положения производились в 5 повторностях, затем выводилось среднее значение скорости.

В случае если направление движения воздушного потока совпадало с выбранным нами, значение принималось со знаком «+» (плюс), если не совпадало, то со знаком «-» (минус).

3.2.2 Методика обработки образцов семян для анализа

Для исследования влияния конструктивно-технологических параметров инкрустатора-протравливателя семян сельскохозяйственных культур на полноту и равномерность обработки на экспериментальной установке отобраны образцы обработанного семенного материала при изменении производительности установки в пределах Qз = 10...18 т/ч, с шагом 2 т/ч (рисунок 3.7). Для каждого значения изъяты образцы, по которым определялась полнота и равномерность обработки семян методом газожидкостной хроматографии. Данные исследования проводились совместно с филиалом ФГБУ «Россельхозцентр» по Республике Башкортостан.

Рисунок 3.7 - Образцы озимой пшеницы, обработанные при производительности установки: а) -10 т/ч; б) -12 т/ч; в) - 14т/ч; г) -16 т/ч; д) -18 т/ч

3.2.3 Методика определения качества протравливания

Качество обработки характеризуется несколькими показателями, основными из которых являются -полнота и равномерность протравливания [40]. Полнота протравливания это фактическое содержание пестицида на поверхности семян, выраженное в процентах к рекомендуемой норме расхода. Равномерность обработки - это показатель, характеризующий степень однородности содержания препарата на отдельных семенах в пределах одной партии. Рассчитывается как коэффициент вариации полноты протравливания отдельных семян.

Для осуществления контроля качества предпосевной подготовки семян нужны экспрессные и надежные методы анализа, к которым относятся методы, основанные на технике газожидкостной хроматографии. Однако официально утвержденных методик по определению качества передпосевной подготовки семян сельскохозяйственных культур пока нет.

Принцип метода. Метод базируется на экстракции флудиоксонила из образцов либо малых проб семян органическим растворителем с последующим количественным определением действующего вещества методом газожидкостной хроматографии с использованием термоионного детектора. Полноту протравливания оценивают по фактическому содержанию препарата в 1 т посевного материала, степень равномерности обработки - по величине коэффициента вариации распределения протравителя по семенам [95, 41].