Совершенствование процесса протравливания посевного зерна в устройствах камерного типа
На правах рукописи
Опиев Олег Иванович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОТРАВЛИВАНИЯ ПОСЕВНОГО ЗЕРНА В УСТРОЙСТВАХ КАМЕРНОГО ТИПА Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Зерноград 2011 2 Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» (ФГБОУ ВПО АЧГАА).
Научный руководитель – доктор технических наук профессор Богомягких Владимир Алексеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук ведущий научный сотрудник Тищенко Михаил Алексеевич доктор технических наук профессор Забродин Виктор Петрович Ведущая организация – Федеральное государственное учреждение «Северо-Кавказская государственная зо нальная машиноиспытательная станция», г.Зерноград
Защита состоится « 21 » марта 2012 г. в 10 час. на заседании дис сертационного совета ДМ 220.00101, созданного при Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (АЧГАА) по адресу:
г.Зерноград Ростовской области, ул.им.Ленина, 21, ауд. 201, корпус 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО АЧГАА.
Автореферат разослан « 24 » ноября 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук профессор Н.И.Шабанов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Известно, что семена зерновых культур явля ются продуктом питания не только для человека, но и для всевозможных болезней, грызунов и различного рода вредителей сельскохозяйственных культур. Поэтому перед посевом они должны протравливаться.
Протравливание посевного материала должно быть экономически выгодным и экологически безопасным.
Одной из основных задач протравливания зерна является улучшение его всхожести.
Протравливание зерна осуществляется специальными машинами или устройствами. Однако они недостаточно обеспечивают равномерное рас пределение средств защиты по поверхности семян и сложны по конструк ции, а также допускают травмирование семян.
На сегодняшний день существует проблема разрешения противоре чия между необходимостью в совершенствовании процесса протравлива ния семян зерновых культур и уровнем научных знаний о нем и его реали зации в сельском хозяйстве.
Поэтому тема диссертационной работы актуальна как с теоретиче ской, так и практической точек зрения.
Цель работы - повышение качества посевного зерна путем совер шенствования процесса его протравливания в устройствах камерного (за крытого) типа.
Объект исследования – процесс подачи зерна в камеру смешивания и равномерное нанесение на его поверхность средств защиты.
Предмет исследования - закономерности изменения взаимосвязей факторов, влияющих на качество зерновок при их протравливании защит ными препаратами в устройствах камерного типа.
Методы исследования включали аналитическое описание процесса, экспериментальные исследования. Использовались методы математиче ской статистики, основные положения механики сыпучих тел, многофак торный эксперимент, современные методы оценки качества посевного ма териала.
Научную новизну работы представляют: математическая модель бессводообразующего истечения семян из бункера-дозатора на распреде лительный конус устройства;
зависимости распределения семян в камере протравливания от величины их подачи и параметров распределительного (конусного) устройства;
зависимости качества протравливания и полноты протравливания семян от параметров распределительного устройства и производительности протравливателя камерного типа.
Практическую ценность представляют: технологическая схема процесса протравливания семян, его параметры и режимы протекания;
ме тодика инженерного расчета протравливателя камерного типа.
Реализация результатов исследования. Результаты исследования внедрены в хозяйствах: СПК «Новая победа» Яшалтинского района рес публики Калмыкия, ОАО «Племзавод Сухотинский».
Апробация работы: Результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО АЧГАА (г.Зерноград, 2009-2011 гг.).
Публикация результатов: Результаты исследования опубликованы в одной монографии (в соавторстве) и шести статьях объемом 1,6 п.л., из них две статьи в научных сборниках, рекомендованных ВАК.
На защиту выносятся:
- технологическая схема, параметры и режимы работы протравлива теля семян зерновых культур камерного типа;
- теоретические предпосылки процесса протравливания зерна в устройстве камерного типа в зависимости от формы образующей бункера дозатора, угла наклона распределительного конуса и взаимного их распо ложения;
- методика инженерного расчета протравливателя семян камерного типа.
Объем диссертации. Диссертационная работа включает введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 118 наименований, таб лиц – 11, рисунков – 46 и два приложения.
Основной текст диссертации изложен на 114 страницах машинопис ного текста.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложена актуальность темы, цель, объект и предмет ис следований, а также научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Протравливание посевного зерна в свете существую щих теорий, технологий и систем машин. Задачи исследований» приведен анализ теоретических и экспериментальных исследований отечественных и зарубежных ученых: Агафонова З.Б., Белоконь А.П., Возняковской Ю.М., Груздева Г.С., Маслова Г.Г., Мечкало А.Л. и др., а также изобретений и па тентов глубиной в 30 лет за период с 1980 по 2010 годы. Из этого анализа следует, что наиболее приемлемыми протравливателями семян зерновых культур (как с экономической, так и экологической точек зрения) являются протравливающие устройства камерного (закрытого) типа (рис. 1). Однако, из этого анализа также следует и то, что эти устройства требуют усовершен ствования как с точки зрения протекания технологического процесса, так и с точки зрения определения их параметров и режимов работы.
Dв Н h Рисунок 1 – Схема устройства для протравливания зерновок:
1 – бункер-дозатор;
2 – распределительный конус;
3 – корпус (камера);
4 – распылитель (форсунка) рабочей жидкости Исходя из этого, в диссертационной работе решаются следующие задачи:
- обосновать технологическую схему, параметры и режимы работы протравливателя семян зерновых культур камерного типа;
- разработать теоретические предпосылки процесса протравливания зерновок в устройствах камерного типа;
- разработать методику инженерного расчета протравливателя семян камерного типа;
- дать экономическую оценку результатов исследования.
В основу решения указанных задач положены следующие научная и рабочая гипотезы.
Научная гипотеза. Наиболее полная обработка всей поверхности зерновок может быть осуществлена путем сообщения им вращательного движения при их сходе с распределительного конуса устройства во встреч ный поток протравителя, создаваемый распылителями.
Рабочая гипотеза. Вращательное движение зерновок при их сходе с распределительного конуса устройства может быть получено за счет пери ферийной части поверхности распределительного конуса устройства, вы полненной в форме логисты с повышенным коэффициентом внешнего тре ния.
Во второй главе «Теоретические исследования процесса протравли вания зерновок в устройствах камерного типа» на основании известной комбинированной механической модели сыпучего тела профессоров Л.В.Гячева и В.А. Богомягких определена рациональная форма образую щей стенки бункера-дозатора семян.
(1) где R0 - входное отверстие бункера-дозатора;
i – эксцентриситет центра тяжести зерновки;
Ri – текущий радиус выпускного отверстия бункера дозатора;
Нi - текущая высота бункера-дозатора.
Предельные производительность и скорость истечения из него семян 0, g Rв2,5 Rн.,св 1 C ;
2tg qпр (2) qпр vпр, (3) Rв где 1 – угол наклона образующей стенки бункера-дозатора к горизонту в плоскости его выпускного отверстия;
С – скважность потока семян в до лях единицы;
Rн.св. – наибольший сводообразующий размер выпускного отверстия бункера-дозатора;
Rв – радиус его выпускного отверстия.
При этом возможны два варианта функционирования системы «ем кость дозатора (1) – распределительный конус (2)» - независимое их функционирование и зависимое их функционирование.
При первом варианте расположения бункера-дозатора и распреде лительного конуса относительно друг друга производительность бунке ра-дозатора не связана с пропускной способностью распределительного конуса. В этом случае (см. рис. 1) H 0,5D tg 1 и H 0,5 tg при 1. (4) При втором же варианте (зависимом функционировании, Н=0) про пускная способность системы увеличивается по мере возрастания угла и при некотором его значении расход qпр будет равен расходу при свобод ном истечении семян, что также нежелательно.
Нормальное функционирование системы будет иметь место при условии qпр.к qпр, где, соответственно, предельные производительности распределительного конуса (qпр.к) и бункера-дозатора (qпр), то есть, когда 1.
При этом уравнение образующей распределительного конуса высо той Нк имеет вид yi H к e x - экспонента. (5) С целью интенсификации вращения зерновок при их сходе с рас пределительного конуса периферийную часть последнего (логисту) необходимо выполнять из материала с повышенным коэффициентом трения. Нисходящий поток вращающихся зерновок лучше протравлива ется рабочей жидкостью, которая распыляется форсунками 4 (см. рис. 1) навстречу потоку зерновок.
При этом, относительная скважность этого потока зерновок выра зится зависимостью С 1. (6) где - насыпная плотность зернового материала;
- плотность зерновок.
Окончательно производительность устройства Rв2,5 Rн.,св 1 C, m g W (7) 2 tg t где m - масса зерна, поступающего из бункера-дозатора на распредели тельный конус устройства;
t – время, за которое поступила эта масса на распределительный ко нус.
С целью исключения травмирования зерновок о поверхность рас пределительного конуса скорость его истечения их бункера-дозатора не должна превышать значения, определяемого формулой В третьей главе «Программа и методики экспериментальных ис следований» приведены технические средства, использованные при про ведении экспериментальных исследований: экспериментальная установка для обоснования параметров и режимов работы протравливания семян;
типы конусов для распределения семян;
компрессор КВ-7,0;
секундомер СОП-ГГР2А-ТУ-25-1819-021-90;
весы лабораторные ВЛР-20 ГОСТ-19491;
гири ГОСТ-7328-82 2-й класс;
линейка ГОСТ-427-75 1 мм;
редуктор воз душный с датчиком.
Для определения качества протравливания семян использовались га зовый хроматограф «Цвет 500М»;
аппарат для встряхивания АВУ-1 (ТУ 64-1-1001-73);
весы лабораторные ВЛКТ -500 (ГОСТ 19491-74);
азот осо бой чистоты в баллонах с редуктором (ГОСТ 9293-74);
ацетон (ГОСТ 2603-79);
тритиконазол;
воронки для фильтрования стеклянные (ГОСТ 8613-75);
колбы конические плоскодонные на 250 мл (ГОСТ 10394-72);
колбы мерные на 100 мл (ГОСТ 1770-74);
фильтры бумажные «белая лен та» (ТУ 6-09-1678-77);
цилиндры мерные на 50-100 мл (ГОСТ 1770-74);
колонка набивная стеклянная длиной 1м с внутренним диаметром 2 мм, заполненная неподвижной фазой 5% ОV-17.
Приведены частные методики по определению производительности установки и распределения семян на распределительном конусе;
скважно сти потока семян;
углов наклона образующих стенок бункера-дозатора и распределительного конуса;
производительности форсунок (распылителей рабочей жидкости);
качества протравливания семян;
обработки экспери ментальных данных.
Кроме того, приведена методика выбора и проведения 2-х факторно го эксперимента с целью определения численных значений тех парамет ров, которые невозможно было проанализировать аналитически – это угол распределительного конуса () и производительность установки по зерну (W).
В четвертой главе «Анализ результатов экспериментальных иссле дований процесса протравливания посевного зерна в устройстве камерно го типа» дан анализ результатов конструктивных и режимных параметров протравливателя камерного типа. В качестве критерия оптимизации (от клика функции) принята полнота протравливания семян, которая зависит от нормы расхода препарата и обрабатываемого материала.
Получено уравнение регрессии для оценки качества протравливания семян Y1 97, 27 2 x1 3x2 7, 24 x12 4, 24 x2, где Y1 - процентное значение действующего вещества (полнота протрав ливания) от заданной нормы, %;
х1 – угол распределительного конуса ();
х2 – производительность установки по зерну (W), т/ч.
В результате получено, что максимальная степень обработки семян происходит при угле распределительного конуса =45о и производитель ности установки W=3 т/ч.
График зависимости производительности установки от величины за зора (h) между конусом и стенкой бункера-дозатора показан на рисунке 2.
Рисунок 2 - График функции Wi=f(hi) при = 30о, 45о, 60о (пшеница) Из графика следует, что проектная производительность установки в 5 т/ч может быть достигнута с использованием распределительных кону сов, у которых находится в диапазоне от 60о до 30о при величине зазора h от 15 до 30 мм.
Результаты исследований показывают, что площадь распределения конуса увеличивается с увеличением угла его образующей (рис. 3) по па раболе.
Рисунок 3 - Зависимость площади распределения (S) от распределительного конуса Из графика также следует, что изменение площади распределения и, соответственно, скважности сходящего с конуса потока семян можно осуществлять изменением угла конуса при постоянных параметрах бун кера-дозатора и постоянном расстоянии h от него. С увеличением угла конуса среднестатистическая скважность потока семян равна 28-30%.
При угле конуса 30о сходящий поток семян с конуса практически стабилен и имеет плотность, например, по пшенице = 770 кг/м3 со скважностью С 23%.
Анализ данных позволяет отдать предпочтение углу распредели тельного конуса = 45°. При этом угле все показатели для обеспечения качества процесса протравливания наиболее благоприятны. Так, скваж ность потока зерновок при = 45° на 19,4% лучше, чем при = 30°. При угле распределительного конуса в 60° все показатели процесса не усту пают оптимальному значению угла = 45°, но повышение скорости ска тывания зерновок с поверхности конуса снижает качество протравлива ния семян (полноту их протравливания), примерно, на 25-35%.
Таким образом, наиболее оптимальные значения углов: 1=45о-50о;
=45° при h от 15 до 30 мм.
Качество протравливания семян также зависит от типа распылите лей рабочей жидкости и их установки в камере протравливателя. В ис следованиях использован эжекционно-щелевой распылитель. На рисунке 4 показан график зависимости производительности распылителей (Wрасп) при 0,15 МПа от высоты (Н) питательной емкости.
Рисунок 4 - График функции Wрасп =f(Н) при 0,15 МПа Следует отметить, что во всем диапазоне Н изменения качества распыла не наблюдалось, то есть, высота Н геометрического расположе ния питательной емкости рабочей жидкости относительно распылителей (форсунок) не играет никакой роли.
Зависимость производительности распылителей (Wрасп) от давления воздуха (Р) при их одинаковой высоте относительно питательной емко сти показана на рис. 5.
Рисунок 5 – График функции Wрасп = f (Р) при H=const относительно питательной емкости Из графика следует, что в диапазоне давлений от нуля до 0,1 МПа тенденция изменения производительности имеет характер отличный, чем при давлениях от 0,1 до 0,3 МПа. Проведенная оценка качества распыла на давлениях до 0,1 МПа дала неудовлетворительный результат. С увели чением давления улучшается качество распыла и длина его конуса и, сле довательно, повышается качество обработки зерновок рабочей жидкости.
То есть, диапазон давлений от 0,1 до 0,3 МПа является наиболее приемле мым при обработке зерновок, сходящих с логисты конуса в относитель ном своем вращении.
Таким образом, функции исследуемых параметров в достаточно высоком интервале варьирования имеют четко выраженные линейные зависимости, позволяющие разработать достоверные практические реко мендации по регулировке и настройке протравливающей установки на стадии ее производственной эксплуатации, что позволяет обеспечить ее высокую эффективность работы и снизить интеллектуальную нагрузку на потребителя.
В таблице приведены данные, показывающие влияние конструк тивных и режимных параметров протравителя камерного типа на полно ту нанесения рабочей жидкости (препарата) на поверхность зерновок, сходящих с логисты распределительного конуса.
Полнота протравливания семян пшеницы в протравливающем устройстве камерного типа Показатель качества Количество семян, Конструктивные и обработки семян обработанных при режимные параметры данной полноте в от Полнота нанесения установки носительном объеме, препарата, % шт.
Угол распределительного 97 конуса = 45°, W= 3 т/ч Угол 30°, W=3 т/ч 95 Угол =60°, W=3 т/ч 96 Из таблицы следует, что % полноты обработки оболочки зерновок удовлетворяет агрономическим требованиям посевного материала.
Рисунок 6 - Номограмма для настройки в работу протравливателя камерного типа На основании результатов исследования в работе предложена мето дика инженерного расчета устройства для протравливания посевного ма териала камерного типа. Последовательность этого расчета следующая:
1. Определяется количество распылителей.
2. Определяется производительность установки.
3. Определяется высота бункера-дозатора относительно распреде лительного конуса.
4. Определяется диаметр камеры протравливания и ее высота.
5. Определяется производительность распылителя.
Для настройки протравливающей установки в работу следует поль зоваться разработанной номограммой (рис. 6).
В пятой главе «Экономическая эффективность внедрения в производ ство протравливателя зерна камерного типа» показано, что при производи тельности установки 0,67 т/ч, чистый дисконтированный доход составляет 994,5 тыс.рублей, а срок ее окупаемости не превышает 0,4 года.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ В результате исследований установлено следующее.
1. Технологическая схема протравливателя семян с конусным рас пределителем потока и эжекционно-щелевыми распылителями рабочей жидкости обеспечивает надежность процесса и, в среднем, 96% равномер ность протравливания зерна при 8 распылителях.
2. Оптимальная скважность потока в 2830% обеспечивается по верхностью распределительного конуса с углом раствора =4550°.
3. Оптимальные параметры полноты и равномерности протравлива ния семян получены при давлении воздуха в системе, равном 0,15 МПа;
расходе раствора рабочей жидкости каждым распылителем 0,67 л/мин при производительности устройства 3 т/ч.
4. Для осуществления бессводообразующего («мягкого») истечения зерна из бункера-дозатора на распределительный конус необходимо, что бы углы и 1 находились в пределах значений 45500.
5. Экспериментальные значения показателей скважности в пере счете на м2 поверхности распределительного конуса согласуются с тео ретическими с разницей, не превышающей 5 %, и составили при угле =30° - 0,22 м2 (площадь рассева семян по поверхности конуса);
при уг ле =45° - 0,26 м2 и при =60° - 0,32 м2.
6. Основной качественный показатель – полнота протравливания се мян – соответствует исходным агротребованиям при производительности установки в 3 т/ч;
норме расхода раствора - 10 л/т и угле распределитель ного конуса 45°. При этом, 100 % пропускаемого объема семян обрабаты вается с полнотой протравливания равной 96 %.
7. Разработана методика инженерного расчета протравливателя се мян камерного типа, основой которой является номограмма, позволяю щая определить расход рабочей жидкости, давление воздуха в системе и положение уравнительной емкости распылителей относительно логисты распределительного конуса.
8. Протравливатель семян камерного типа обеспечивает снижение эксплуатационных затрат на 5,65 %, получение чистого дисконтирован ного дохода 994,5 тыс.руб. при сезонной нагрузке 170 тыс.т обрабаты ваемых семян при сроке окупаемости 0,4 года.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Опиев О.И. Определение формы образующей стенки дозатора устройства для обработки семян / О.И.Опиев, А.А.Серегин // Междуна родный технико-экономический журнал. - Москва: ООО «Спектр».- 2011.
- №3.- 2 с.
2. Опиев О.И. О рациональной форме образующей распреде лительного конуса устройства для обработки семян / О.И.Опиев, А.А.Серегин // Международный технико-экономический журнал. Москва: ООО «Спектр». 2011. - №4.- 3 с.
Публикации в других изданиях:
3. Опиев О.И. Устройство для обработки семян защитно- стимули рующими веществами / О.И.Опиев, А.А.Сергин // Вестник аграрной науки Дона. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2010. - Вып.1.- 2 с.
4. Опиев О.И. К определению формы образующей стенки дозатора устройства для обработки семян защитно-стимулирующими веществами / О.И.Опиев, А.А.Сергин, В.В.Серегина // Вестник аграрной науки Дона. Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2010.- Вып.1.- 2 с.
5. Опиев О.И. Влияние скважности сыпучего тела на расходную ха рактеристику дозатора устройства для обработки семян защитно- стиму лирующими веществами / О.И.Опиев, В.А.Богомягких, А.А.Сергин // Вестник аграрной науки Дона. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2010. Вып.2.- 3 с.
6. Опиев О.И. Экспериментальное определение конструктивных и режимных параметров протравителя семян / О.И.Опиев, В.А.Богомягких, А.А.Сергин // Вестник аграрной науки Дона. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2011. - Вып.3.- 2 с.
7. Опиев О.И. Устройство камерного типа для обработки зерна / О.И.Опиев, В.А.Богомягких, А.М.Бондаренко, А.А.Серегин.- Зерноград:
ФГБОУ ВПО АЧГАА.- 2011.- 135 с.
ЛР 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 24.11.11.
Формат 60х84/16. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № РИО ФГБОУ ФПО АЧГАА 347740, Зерноград Ростовской области, ул.Советская, 15.