Совершенствование методики определения микротравмирования зерна при послеуборочной обработке
На правах рукописи
МАНОЙЛИНА Светлана Зиновьевна
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МИКРОТРАВМИРОВАНИЯ ЗЕРНА
ПРИ ПОСЛЕУБОРОЧНОЙ ОБРАБОТКЕ
Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации
сельского хозяйства (сельскохозяйственные наук
и)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертация на соискание ученой степени
кандидата сельскохозяйственных наук ВОРОНЕЖ – 2010
Работа выполнена на кафедре «Технологии конструкционных материа лов, метрологии, стандартизации и сертификации» ФГОУ ВПО «Воронеж ский государственный аграрный университет им. К.Д.Глинки»
Доктор технических наук, профессор
Научный руководитель:
Кузнецов Валерий Владимирович Доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Свиридов Леонид Тимофеевич Доктор сельскохозяйственных наук, профессор Оробинский Владимир Иванович
Ведущая организация – ОАО «Воронежсельмаш»
Защита диссертации состоится «23 декабря » 2010 г. в 1000 часов на за седании диссертационного совета Д 220.010.04 при ФГОУ ВПО «Воронеж ский государственный аграрный университет им. К.Д. Глинки» по адресу:
394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, д. 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Воро нежский государственный аграрный университет им. К.Д. Глинки»
С авторефератом можно ознакомиться на сайте www.vsau.ru
Автореферат разослан « 22 » ноября 2010 года
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Шатохин И.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. В настоящее время травмирова ние семян зерна – одна из наиболее существенных причин снижения посев ных качеств семян непосредственно в год уборки и уменьшения их продук тивности растений последующего поколения. Всхожесть травмированных семян снижается на 12–38%, а продуктивность растений – на 4,5 ц/га по сравнению с контрольным вариантом. 10% травмированных семян в посев ном материале вызывают снижение урожайности в среднем на 1 ц/га, а 20…25% – на 2…3 ц/га.
Проблема травмирования семян в последнее время приобретает боль шое значение в связи с неудовлетворительным состоянием машин и обору дования и продолжающимся ухудшением состояния материально технической базы обработки и хранения семян. Оборудование физически из ношенно, эксплуатируется за пределами амортизационных сроков, морально устарело и нуждается в коренной реконструкции и обновлении. Травмиро ванное зерно при послеуборочной обработке не удается в полной мере отде лить от целого.
Поэтому одним из путей повышения урожайности зерновых культур является подготовка хорошего семенного материала. Качественные семена – одно из важнейших условий уменьшения нормы высева и повышения вало вого сбора зерна.
В настоящее время предлагается много различных методов определе ния травмирования семян, но ни один из них не удовлетворяет поставленной цели. Не обеспечивает быстрое и точное определение характера повреждения семян, что необходимо при разработке эффективных мер, предупреждающих повреждения семян. Существующие методы определения микротравмирова ния семян сильно различаются по точности и трудоемкости и лишь немногие из них могут быть рекомендованы для производства. Предлагается усовер шенствовать методику определения микротравмирования семян за счет более точной оценки характера микротравм. Это позволит определить реальные параметры микротравм семян при их взаимодействии с поверхностью рабо чих органов при различных кинематических и силовых режимах.
Цель работы. Повышение точности оценки травмирования семян при послеуборочной обработке за счет совершенствования методики определения характера травм.
Объект исследований. Процесс взаимодействия семянки с различны ми поверхностями рабочих органов машин при послеуборочной обработке.
Предмет исследования. Закономерности влияния характера внешних воздействий и прочностных свойств зерна на возникновение и развитие мик ротрещин в семянке.
Научная новизна работы:
– получена теоретическая модель семянки, в виде заполненной одно слойной несимметричной эллипсоидальной оболочки, позволяющая опреде лить зоны деформирования и предельных напряжений в зависимости от точ ки приложения усилия на семянку, внутренних и внешних факторов;
– предложена математическая модель для определения суммарной длины микротрещин семянки в зависимости от усилия воздействия и им пульса силы, а также от модуля упругости, плотности и жесткости оболочки семянки, отличающаяся от известных моделей учетом не только внешних воздействий, но и состоянием поверхности объекта травмирования;
– усовершенствована методика оценки микротравмирования семян, обеспечивающая более точное определение характера микротрещин и отли чающаяся от известных использованием 26-кратного увеличения объекта;
– разработана программа - алгоритм прогнозирования травмирования семян по их физико-механическим свойствам и параметрам силового воздей ствия рабочих органов, защищенная свидетельством о государственной реги страции программы для ЭВМ (№ 2010611851 от 11.03.2010 г).
Практическая значимость и реализация результатов исследований. Использование новой методики определения характера травм семянки позволит повысить точность оценки микротрамирования зерна при послеуборочной обработке, что необходимо для качественной подготовки семенного материала.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при разработке семеочистительных машин и технологи ческих линий для послеуборочной обработки зерна и семян, а также в учеб ном процессе ВГАУ при выполнении курсового и дипломного проектирования.
Разработаны рекомендации по прогнозированию и снижению травми рования семян при послеуборочной обработке.
Достоверность научных положений подтверждается результатами экспериментальных исследований, полученными с использованием совре менной аппаратуры, обеспечивающей достаточно высокую точность прове дения измерений опытных результатов. Необходимое количество повторно стей опыта при проведении экспериментальных исследований определяли с учетом выбранной надежности, равной 0,95. Доверительную вероятность при проведении исследований принимали равную 0,95, оценку коэффициентов линейных уравнений проверяли по критерию Фишера. Результаты теорети ческих исследований хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воро нежского госагроуниверситета (г. Воронеж, 2007 – 2010 гг.), Воронежской Государственной Лесотехнической Академии (2008 г.), Белгородской Сель скохозяйственной Академии (2009 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 пе чатных работ, в том числе одна статья в издании, рекомендованном в перечне ВАКа, программа - алгоритм прогнозирования травмирования семян по их физико-механическим свойствам и параметрам силового воздействия рабо чих органов, защищенная свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ 2010611851 от 11.03.2010 г.) Одно издание, одоб ренное отраслевой секцией инновационной и технической политики научно технического совета Департамента аграрной политики Воронежской области (протокол № 2 от « 17 » декабря 2009 г.), рекомендовано для сельхозтоваро производителей к использованию при проектировании, разработке и экс плуатации семеочистительных пунктов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 118 наименования, из них 4 на иностранных языках и прило жений. Основная часть работы изложена на 135 страницах машинописного текста, с использованием 15 таблиц и 39 рисунков.
На защиту выносятся:
– теоретическая модель семянки, представляющая собой заполненную однослойную несимметричную эллипсоидальную оболочку, позволяющая определить зоны деформирования и предельных напряжений в зерновки в за висимости от точки приложения усилия на семянку, внутренних и внешних факторов;
– математическая модель для определения суммарной длины микро трещин семянки в зависимости от усилия воздействия и импульса силы, а также от модуля упругости, плотности и жесткости оболочки семянки.
– зависимости для определения предельного усилия разрушения се мянки различных культур при силовом воздействии рабочих органов машин;
– программа - алгоритм прогнозирования травмирования семян по их физико-механическим свойствам и параметрам силового воздействия рабо чих органов, защищенная свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ 2010611851 от 11.03.2010 г);
– практические рекомендации по прогнозированию и снижению трав мирования семян при послеуборочной обработке.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель ис следований, объект и предмет исследований, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования»
сделан анализ причин снижения качества семян при послеуборочной обра ботке, главной из которых является высокий уровень их травмирования раз личными механизмами и машинами. Отмечено что, немаловажное значение для разработки мероприятий по снижению травмирования семян имеет свое временность и точность определения характера микротравм.
Проведенный анализ научно-технической литературы показал необхо димость создания эффективных методов определения и прогнозирования для последующей разработки рекомендаций по снижению травмирования семян.
Существующие методы громоздки и несовершенны и не обеспечивают дос таточной точности оценки характера микротравм, а, следовательно, и на правлении снижения травмирования семян.
Большой вклад в изучение причин травмирования семян и методов его снижения при уборке и послеуборочной обработке внесли такие ученые как Дринча В.М., Кузнецов В.В., Куперман Ф.М., Майсурян Н.А., Панов А.А., Пугачёв А.Н., Строна И.Г., Тарасенко А.П., Чазов С.А., и другие.
Из анализа литературных данных следует, что до настоящего времени недостаточно изучено микротравмирование семян при силовом воздействии внешних и внутренних факторов при различных силовых и кинематических режимах.
На основе выполненных ранее исследований по рассматриваемой про блеме и в соответствии с поставленной целью предстоит решить следующие задачи:
– изучить состояние вопроса по данной теме и провести анализ извест ных методик определения и способов снижения травмирования семян;
– предложить теоретическую модель для определения зон деформиро вания и предельных напряжений в зерновки в зависимости от точки прило жения усилия на семянку, внутренних и внешних факторов;
– установить математическую модель для определения суммарной дли ны микротрещин в зависимости от совокупного влияния на семянку внешних факторов (усилия воздействия, импульса силы) и внутренних факторов (фи зико-механических свойств семянки: модуля упругости, плотности и жестко сти оболочек);
– усовершенствовать методику оценки микротравмирования семян с целью обеспечения более точного влияния характера микротрещин;
– изучить влияние физико-механических свойств семян, влажности и вида поверхностей на размерные характеристики микротравм.
Во второй главе «Теоретические предпосылки снижения травмиро вания семян при послеуборочной обработке» получена теоретическая модель семянки, представляющая собой заполненную однослойную несимметрич ную эллипсоидальную оболочку, позволяющая определить микротравмиро вание семян при нагружении в зависимости от точки приложения усилия на семянку, их расположения в бункере, зерновом ворохе и степени воздействия на них рабочих органов машин для послеуборочной обработки.
В результате теоретического анализа состояния вопроса было выявлено что, деформирование оболочек сосредоточенными силами достаточно быст ро затухает при удалении от места приложения нагрузки, максимальные де формации возникают в местах приложения нагрузки, деформирование обо лочки во всех случаях нагружения носит ярко выраженный локальный харак тер, величина нормального прогиба оболочки резко увеличивается при уменьшении площади нагружения, обобщены параметры, влияющие на травмирование семян.
Травмирование как результат процесса взаимодействия семянки с ра бочими органами зерноочистительных машин (внешние факторы) и морфо лого-анатомическими и физико-механическими свойствами семянки (внут ренние факторы) зависит от большого числа параметров, изменяющихся в широких пределах. Для оценки травмирования семян нами обобщены и сис тематизированы параметры, определяющие травмирования семян (рисунок 1).
Рисунок 1 – Параметры, определяющие травмирования семян Основным фактором, влияющим на многие физико-механические свой ства семян, является влажность. Из литературных данных нами выявлено что, при сдвигах, сжатии и разрывах предел прочности с повышением влаж ности семян уменьшается. Наибольшую прочностью на разрыв имеют плодо вые оболочки, наименьшую – семенные с алейроновым слоем.
На физико-механические свойства семян оказывает влияние и темпера тура. Опыты, проведенные в широком диапазоне температуры от +300 до – 300, показывают, что прочность семян с понижением температуры уменьша ется, и семянка становится более хрупкой. При температуре ниже нуля семе на становятся ломкими, уменьшаются жесткость оболочек и модуль упруго сти. Свободная влага, всегда имеющаяся в порах, капиллярах и межклеточ ных пространствах семян, превращаясь в лед, а затем, расширяясь, ослабляет его структуру.
Влияние влажности и температуры на механические свойства семян связано с коллоидно-химическими изменениями белков, углеводов и других полимеров с коллоидными свойствами.
Посевные качества семян зависят так же от их физико-механических и биологических свойств. Данные факторы учтены в схеме «Параметры, опре деляющие травмирования семян» (рисунок 1). Параметры влажность и тем пература учитываются при рассмотрении блока физико-механических свойств опосредовано.
Параметры, определяющие рассматриваемую схему, представляют со бой характеристику семянок по массе и размеру ( r, D, m), упругим свойст вам (Е, m п ), прочностным свойствам оболочек ( m, k, d ), характеристику силового воздействия: сила (динамическая и статическая, F), площадь взаи модействия (S) импульс силы (Р) и время воздействия (Т).
Согласно разработанной классификации параметров травмирования можно записать, что травмирование семян при силовом воздействии на них рабочих органов есть функция следующих переменных L=f(F, P, Е, r, k, Rz, S, D, m, d, mП, m, f, Ф). (1) Травмирование зерновки – это сложный процесс. Предварительные экспериментальные исследования показали что, травмирование, прежде все го, характеризуется длиной и шириной микротрещин L (м), а потом уже их количеством. На рисунке 2 представлена зависимость количества микротре щины от их длины для пшеницы.
Рисунок 2 – Зависимость количества микротрещин от длины микротрещин для пшеницы Альбидум Как видно из графика зависимость количества микротрещин от их дли ны имеет линейный характер.
Дальнейший анализ ранее выделенных факторов показал что, на про цесс травмирования семян наибольшее влияние оказывают 8 переменных L=f(F, P, Е, r, k, Rz, S, D) (2) Нами определены размерности всех параметров: М – массы, L – длины, Т – времени. На основании теории размерностей, построили математическую модель процесса травмирования. В критериальной форме уравнение травми рования имеет вид:
F(p1;
p2 ;
p3 ;
p4 ;
p5;
p6 ) = 0. (3) Преобразовали p- критерии:
p1 = F e11 Р e12 Е e13 r, (4) p2 = Fe 21 Р e 22 Е e 23 k, (5) p3 = Fe 31 Р e32 Е e 33 R z, (6) p4 = Fe 41 Р e 42 Е e 43 S, (7) p5 = Fe51 Р e 52 Е e 53 D, (8) p6 = Fe61 Р e 62 Е e 63 m, (9) Каждое из уравнений записали в размерном виде, преобразовали урав нения, определили показатели степени, получили решение системы и опреде лили p- критерии:
p1 = F 3P -2 E -2 r p 2 = F -1P 0 E 0 k (10) (11) p 4 = F -1E S p3 = F 2E 2 R (12) (13) z 3 E 2 P -2 E 2 m p5 = D p6 = F (14) (15) F Уравнение процесса в безразмерных величинах принимает вид:
F 3r k E ES Е m, F2 L=f( 2 2,, R z,,D ), (16) PE F FF F РЕ где L–травмирование семянки при силовом воздействии.
Значение параметров, входящих в уравнение (1) для различных куль тур, представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Значения параметров, принятых для определения p-критериев r, Культура L, F, P, Е, k, Rz, S, D размер m, кгм/с2 кгм/с 105 кгм/с2 10 10-6 10-3м 10- кг/м м кг/м2 - м м кг Пшеница 0,0014 5,90 0,50 80 996,8 3,06 40 1,02 6,73,42,7 0, Горох 0,0017 6,40 0,42 65 1031,7 3,64 35 0,50 6,8 0, Тритикале 0,0032 7,80 0,35 51 1180,0 3,97 40 1,30 8,01,91,7 0, Кукуруза 0,0037 8,25 0,30 44 1201,9 4,45 45 0,89 11,58,05,3 0, Рожь 0,0042 8,50 0,29 38 1323,0 4,50 25 1,89 8,02,62,5 0, Нами предложен прием получения нелинейного уравнения регрессии с использованием ограниченного числа наблюдений. На первом этапе приво дятся поиски адекватного уравнения регрессии для определения величины L в зависимости от каждого отдельного параметра (F, P, E, r, k). Для этого ис пользовали линейную, степенную, экспоненциальную, обратную квадратич ную и логарифмическую зависимости. Для каждой зависимости и каждой пе ременной качество модели определяли по критерию Фишера.
Для параметров F и Р лучшие результаты дает cтепенная модель;
для Е и k – логарифмическая и для r – линейная.
Были определены факториальные уравнения регрессии для определе ния зависимостей величины L от отдельных параметров и значения досто верных апроксимаций, для следующих переменных: F L(F ) = 6, 43 10 -6 ( F ) 3,02 R 2 = 0,997 (17) P L( P) = 0,003( P) -2.0897 R 2 = 0, (18) Е L ( E ) = -0,0041 ln( E ) + 0,0658 R 2 = 0, (19) L( r ) = 9 10 -6 ( r ) - 0,0076 R 2 = 0, (20) k L ( k ) = 0,007 ln( k ) - 0, R 2 = 0,981 (21) По данным значениям F, P, E, r, k (таблица 2) вначале нашли прогно зируемые значения параметра L.
Таблица 2 – Прогнозируемые значения параметров L(F) L(P) L(E) L(k) L(r) -3 -3 -4 - 1,33·10- 1,37·10 1,28·10 6,3·10 1,47· 1,75·10-3 1,84·10-3 1,48·10-3 1,79·10-3 2,54·10- 3,18·10-3 2,69·10-3 2,48·10-3 3,14·10-3 3,15·10- 3,77·10-3 3,71·10-3 3,08·10-3 3,33·10-3 3,95·10- 4,12·10-3 3,99·10-3 3,68·10-3 4,44·10-3 4,03·10- На основании данных таблицы 2 получили систему линейных уравне ний, определили коэффициенты линейной комбинации данных функций (таблица 3), и провели оценку их значений по критерию Фишера.
Таблица 3 – Коэффициенты линейных уравнений С1 С2 С3 С4 С - -4,626 0,940 -0,020 0,167 -0, После подстановки коэффициентов линейных уравнений в уравнение (2) искомое уравнение регрессии имеет вид L( F, P, E, r, k ) = 6,044 10 - 6 ( F ) 3, 02 - 6 10 -6 (P ) - 2, + 1,897 10 - ln (E ) + 1.597 10 - 6 (r ) - 5,53 10 - 4 ln (k ) - 0, (22) Используя значения таблицы 1, получаем теоретические значения сум марной длины микротрещин семян, представленные в таблице 4.
Таблица 4 – Теоретические значения суммарной длины микротрещин Культура Теоретические значения суммарной длины микротрещин, м Пшеница 0, Горох 0, Тритикале 0, Кукуруза 0, Рожь 0, Сравнительная оценка теоретических и экспериментальных значений суммарной длины микротрещин представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Гистограмма суммарной длины микротрещин для пяти культур Величинами X1, X2, X3, X4, X5 обозначим теоретические значения сум марной длины микротрещин для пшеницы, гороха, тритикале, кукурузы и гороха, а величинамиY1, Y2, Y3, Y4, Y5 – экспериментальные значения суммар ной длины микротрещин соответственно, найдем среднее квадратическое от (Yi - Y ) = 0, клонение по формуле (23) s= 5, где Y – среднее значение величины экспериментальных данных.
Д (Х ) s, то урав Найдем значение корня из дисперсии Д(Х), если нение (22) достаточно хорошо согласуется с результатами опыта. Если, Д ( Х ) s то экспериментальные и теоретические значения имеют расхождения.
(X - Yi ) i Д= = 0, 5 (24) 0,000630,0349.
Полученное по уравнению (22) значение суммарной длины микротре щин достаточно хорошо согласуется с результатами опытных данных. Урав нение пригодно для оценки травмирования семян рабочими органами машин для послеуборочной обработки.
С учетом сделанных теоретических предпосылок для разработки прак тических рекомендаций по снижению микротравмирования семян при после уборочной обработке необходимо экспериментально определить характери стики микротравм (длину, ширину микротрещины, их количество) при воз действии на семянку внешних и внутренних факторов и изменении физико механических свойств семянки, предложить усовершенствованную методику оценки микротравм, оценить изменение физико-механических свойств семян при статическом нагружении в зависимости от длительности хранения.
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных иссле дований» изложены программа и методика проведения экспериментальных исследований и обработки полученных результатов, описаны приборы и ус тановки, которые были использованы при проведении экспериментальных исследований.
Программой экспериментальных исследований предусматривалось:
изучить механизм деформирования семянки при взаимодействии с абсолют но жесткой поверхностью и выявить предельные значения усилия разруше ния, изучить влияние контрповерхностей на степень повреждения семянки при различных кинематических и силовых режимах, усовершенствовать ме тодику оценки микротравмирования, установить влияния сроков хранения на всхожесть травмированных семян.
Экспериментальные исследования проводили по схеме однофакторного эксперимента на зерновках озимой пшеницы твердых сортов «Мелянопус»
(Melanopus), «Безунчукская 139», «Степь 3» и мягких сортов «Альбидум», «Волгоградская 84», «Воронежская 7», ржи Волгоградской, тритикале Ам фидиплоид 209, кукурузе Воронежская №7 и бобовых семенах гороха неосы пающегося №1.
Для исследования параметров микротравмирования при кинематиче ских и силовых режимах нами разработана и изготовлена маятниковая уста новку, которая представлена на рисунке 4.
На штативе 1 закрепляли ось с подшипниками 3. К оси прикрепляли стальной маятник 2 и шкалу 4, для определения угла взлета маятника a. В.
нижней части штатива закрепляли кронштейн 7 и контртело 8. В нижней час ти маятника в специальном приспособлении 6 закрепляли семянку и систему грузов. Контрповерхностью при силовом воздействии семянки принимали образец шероховатости. В ходе эксперимента изменяли угол взлета маятника, что соответствовало скорости разрушения при силовом воздействии и уси лию разрушения. Усилие определяли методом тензометрирования. Усилия воздействия на семянку выбирали в пределах от 0,5 до 20 Н с целью опреде ления усилий воздействия, при которых семянка имела минимальные меха нические повреждения.
Семянку закрепляли в специально изготовленной матрице 6, которая была жестко закреплена в кронштейне. Матрица позволяла стабилизировать место силового воздействия. Матрицу вместе с семянкой помещали на пред метный столик микроскопа МПС-2 для дальнейшего определения парамет ров микротравмирования при различных силовых режимах. Проводили ме таллографические исследования зерновок пшеницы, тритикале, семян гороха при увеличении 10, 16, 26, 40, 50, 80 раз на партии 50 зерен.
1– штатив, 2 – маятник, 3 – ось с подшипниками, 4 – шкала, 5 – система грузов, 6 – устройство для крепления семянки (матрица), 7 – кронштейн, 8 – контртело Рисунок 4 – Экспериментальная установка Для определения параметров микротравм при статическом нагружении использовали специальную установку, изготовленную на кафедре «Техноло гии конструкционных материалов, метрологии, стандартизации, сертифика ции» ВГАУ изображенную на рисунке 5.
Матрицу вместе с семянкой 1 помещали на предметный столик твер домера Шора. По индикаторной шкале 2 определяли величину статической нагрузки. Величину статического усилия изменяли: 30, 40, 51, 60, 84 Н. Экс перимент проводили более года, параметры микротравмирования фиксиро вали каждый месяц.
При взаимодействии рабочих органов на семянку возможны как стати ческие, так и динамические воздействия. Нами разработана методика и про ведены исследования по определению микротравм при сложных динамиче ских воздействиях, сочетающих нормальное силовое воздействие и относи тельное движение контактирующей поверхности семянки.
Исследовали зависимость параметров микротравм от шероховатости поверхности трения: сталь (Ст.3), дерево мягких пород, металлопластик. Ше роховатость стальной поверхности Rа изменяли в пределах 0,2 – 6,3.
1 – система грузов, 2 – индикатор, 3 – матрица с семянкой Рисунок 5 – Установка для определения параметров микротравмирования при статическом нагружении Исследовали зависимость параметров травм от числа соударений, от влажности семян. Число соударений изменяли от одного до пяти, влажность семян от 12 до 22%.
Отбор образцов, их анализ и обработку полученных результатов про водили по стандартным методикам в соответствии с требованиями ГОСТов с использованием современных приборов и оборудования (ГОСТ 12036-85).
При анализе образцов определяли длину, ширину, количество микро трещин, усилие разрушения и усилия, при котором интенсивно появляются микротрещины для различных культур, энергию прорастания и лаборатор ную всхожесть семян (ГОСТ 12038-84, ГОСТ 12039-82).
В четвертой главе «Экспериментальные исследования параметров микротравмирования при послеуборочной обработке семян» приведены ре зультаты лабораторных исследований влияния кинематических и силовых режимов на длину, ширину микротравм и их количество, дана оценка микро травмирования в зависимости от кратности увеличения объекта.
Исследования показали, что увеличение в 10 и 16 раз дает только об щую картину разрушения семян (макротрещины), плохо видны локальные участки и микротрещины. При увеличении в 50 раз хорошо видны локальные участки, микротрещины (трещины, не видимые при увеличении в 10 раз), вмятины. Увеличения в 50 и 80 раз, по нашему мнению, непригодно для ис следования, т. к. не позволяет наблюдать общую картину разрушения, при таком увеличении поверхность должна быть отшлифована и объект наблю дения должен располагаться в одной плоскости, что невозможно для семян.
При увеличении в 26 раз, хорошо видны общая картина разрушения, характер распространения макро- и микротрещин.
Исследования показали (рисунок 6), что силовое воздействие на семена не должно превышать предельного усилия разрушения (для ржи – 11,18 Н, мягкой пшеницы, тритикале, кукурузы, гороха – 14,9 Н.
1 – суммарная длина микротрещин, мм, 2 – ширина микротрещины, мм Рисунок 6 – Зависимость суммарной длины и ширины микротрещин от усилия воздействия При силовом воздействии 5,96 Н разрушение гороха, тритикале и куку рузы не происходило, не наблюдали видимых микротрещин.
При силовом воздействии 2,98 Н, разрушение зерновок ржи и мягкой пшеницы не происходило.
Интенсивное появление микротрещин наблюдается:
– для ржи, пшеницы при силовом воздействии 5,96 Н, – для тритикале, кукурузы, гороха при силовом воздействии 8,25 Н.
При взаимодействии рабочих органов сельскохозяйственных машин с семенами они подвергаются как статическим, так и динамическим воздействия.
На основании исследований при сложном динамическом воздействии скорость взаимодействия поверхности рабочих органов на семянку для пше ницы и ржи не должна превышать 4,71 м/с. Дальнейшее увеличение скорости приводит к разрушению зерновки.
При работе сельскохозяйственных машин имеют место несколько воз действий на семянку. Исследованиями установлено что, при одно и двукрат ном воздействии рабочих органов на семянку ширина и длина микротрещин не значительны. При трехкратном воздействии наблюдается резкое увеличе ние ширины трещины до 0,22 мм (рисунок 7), возрастают суммарная длина и количество микротрещин, а микротрещины переходят в макротрещины. Это необходимо учитывать, при получении качественного семенного материала.
Анализ экспериментальных данных (рис. 8, 9, 10) показывает, что при взаимодействии зерна с металлопластиком по сравнению с взаимодействием с деревянной поверхностью наблюдается резкое увеличение ширины микро трещин (более чем в 3 раза).
Рисунок 7 – Зависимость ширины микротрещины от количества силовых воздействий Рисунок 8 – Гистограмма зависимости Рисунок 9 – Гистограмма зависимости количества микротрещин от поверхности длины микротрещины от поверхности взаимодействия взаимодействия Рисунок 10 – Гистограмма зависимости ширины микротрещины от поверхности взаимодействия При взаимодействии с металлической поверхностью ширина микро трещин достигала критического значения, при котором зерновки ржи разру шаются.
Для оценки значений параметров микротравм мягких и твердых сортов пшеницы нами принимались условия: подбор семян одного срока уборки, ручного способа обмолота, усилие воздействия 6 Н, влажность семян была близкой к кондиционной 14%.
Исследования (таблица 5) показали, что наиболее стойкие к механиче ским воздействиям являются зерновки твердых сортов пшеницы, и особенно пшеница сорта Безунчукская 139. Наибольшие значения показателей микро травм наблюдаются у мягких сортов пшеницы: Волгоградская 84, Воронежская 7.
Таблица 5 – Количественная оценка травмирования мягких и твердых сортов пшеницы Сорт Доля зерновок Суммарная Ширина микро- Количество полностью раз- длина микро- трещин, мм микротре рушеных, % трещин, мм щин, шт.
Мягкие сорта Альбидум 5,4 1,7 0,033 1, Волгоградская 6,0 1,83 0,044 1, Воронежская 7 5,2 1,78 0,037 1, Твердые сорта Мелянопус 4,0 2,06 0,032 1, Степь 3 5,0 2,10 0,040 1, Безунчукская 3,5 1,45 0,030 0, Результаты зависимости параметров травмирования (суммарного коли чества трещин, длины трещин, ширины) от влажности представлены на ри сунках 11 и 12.
При влажности зерновок до 15% суммарное количество и длина тре щин растут незначительно, при влажности от 15 до 18% наблюдается резкое увеличение количества микротрещин и их суммарной длины;
микротрещины переходят в макротрещины, на некоторых участках зерновки наблюдается вздутие оболочки. При влажности 14–16% зерновка переходит от хрупко упругого состояния в вязко-пластичное, что приводит к повышению внут ренних напряжений, а следовательно, снижает прочность. При влажности 18% и более количество трещин не увеличивается, имеющиеся трещины уве личиваются в длине. Ширина микротрещин увеличивается по линейной зави симости при повышении влажности.
Рисунок 11 – Влияние влажности на 1 – суммарной длины трещин, мм, суммарную трещиноватость 2 – ширина трещин, мм Рисунок 12 – Влияние влажности на длину и ширину трещин Из выше изложенного следует что, при послеуборочной обработке и хранении зерен с микроповреждениями влажность не должна превышать 16 %.
На основании исследований микротравм пшеницы при их статическом нагружении (рисунки 13, 14) установлено, для того чтобы получить качест венные семена, срок их хранения не должен быть более 31 недели, величина статической нагрузки должна быть не более 50 Н.
1 – 84 Н, 2 – 61 Н, 3 – 50 Н, 4 – 40 Н, 5 –30 Н Рисунок 13 – Оценка суммарной длины микротрещин от длительности хранения при статическом усилии Анализ лабораторной всхожести и энергии прорастания целых зерен и зерен с микроповреждениями показал, для того чтобы получить качествен ный посевной материал, микроповрежденные зерна не должны храниться бо лее 11 недель. Это объясняется тем, что при большем сроке хранения зерна поражаются вредными бактериями и грибковыми заболеваниями, микроор ганизмами, которые проникают через микротрещину, плесневеют.
1 – 84 Н, 2 – 61 Н, 3 – 50 Н, 4 – 40 Н, 5 –30 Н Рисунок 14 – Оценка количества микротрещин от длительности хранения при статическом усилии В пятой главе «Реализация результатов исследований и их экономиче ская эффективность» дана сравнительная оценка методики определения уровня травмирования обработкой индигокармином, промывкой и разделе нием по 6 видам травм и усовершенствованной методики.
Усовершенствованная методика позволяет определить динамику разви тия микротрещины, оценить количественные и качественные характеристики микротравм, повышает точность оценки микротрещин.
На основании проведенных исследований разработаны рекомендации по прогнозированию и снижению травмирования семян при послеуборочной обработке.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ Проведенные теоретические и экспериментальные исследования по зволили сделать следующие выводы:
1. Получена теоретическая модель, для определения зон деформирова ния и предельных напряжений в зерновке в зависимости от точки приложе ния усилия на семянку, внутренних и внешних факторов.
2. Предложено уравнение, позволяющее определить суммарную длину микротрещин в зависимости от совокупного влияния на семянку внешних факторов (усилия воздействия, импульса силы) и внутренних факторов (фи зико-механических свойств семянки: модуля упругости, плотности и жестко сти оболочек);
3. Усовершенствованная методика оценки микротравмирования семян, за счет 26-кратного увеличении объекта травмирования обеспечивает более точное определение характера микротрещин, обладающих фрактальной структурой.
4. Установлено, что интенсивное появление микротрещин наблюдается при усилии воздействия: для ржи, пшеницы 5,96 Н;
тритикале, кукурузы, го роха 8,25 Н. Предельные усилия разрушения для данных культур соответст венно составляют 11,18 Н и 14,9 Н. Увеличение кратности воздействия более трех приводит к резкому росту суммарного микротравмирования, а затем пе реходу микротравм в макротравмы.
5. Размерные характеристики микротравм зависят от физико механического состояния зернового материала, влажности зерновок и вида контрповерхности. При взаимодействии зерновок с поверхностью рабочих органов машин для послеуборочной обработки шероховатость контртела не должна превышать Rа1,6, влажность зернового материала – 16%;
скорость перемещения семян по поверхности контакта должна быть не более 4,71 м/с.
Для получения качественных семян величина статической нагрузки должна быть не более 50 Н, а срок хранения не более 31 недели.
6. Разработаны рекомендации по прогнозированию и снижению трав мирования семян при послеуборочной обработке, утвержденные Департа ментом аграрной политики Воронежской области (протокол № 2 от « 17 » декабря 2009 г.) и защищенные свидетельством о государственной регистрации компьютерной программы (№ 2010611851).
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Кузнецов В.В. Предельное силовое воздействие на зерновку при по слеуборочной обработке / В.В. Кузнецов, С.З. Манойлина С.З.// Тракторы и сельхоз машины. – 2008. - №7. - С.45.
Рекомендации производству 2. Кузнецов В.В., Манойлина С.З., Винников А.Н. Рекомендации по прогнозированию и снижению травмирования семян при послеуборочной обработке / ФГОУ ВПО ВГАУ. – 2010. - С.1-11.
Программа-алгоритм 3. Кузнецов В.В., Манойлина С.З., Программа-алгоритм прогнозирова ния травмирования зерновых и бобовых культур по физико-механическим свойствам семян и параметрам силового воздействия. Свидетельство о госу дарственной регистрации программы для ЭВМ, № 2010611851,зарегистрирована 11.03.2010.
Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций 4. Кузнецов В.В. Устройство для разделения зерновых смесей / В.В.
Кузнецов, С.З. Манойлина, В.С. Науменко // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сер висе и ремонте:Сб. науч.тр. / Воронежская государственная лесотехническая Академия. - 2006, С. 134-137.
5. Кузнецов В.В. Оценка микроповреждений зерновок в зависимости от количества силовых воздействий / В.В. Кузнецов, С.З. Манойлина, О.С.
Мальчикова // Вестник ВГАУ. – 2007. - №7 (52). - С. 18-20.
6. Кузнецов В.В. Совершенствование методики оценки микроповреж дения зерновок / В.В. Кузнецов, С.З. Манойлина // Вестник ВГАУ. - 2007. №14. - С. 121-135.
7. Кузнецов В.В. Оценка микроповреждений зерновок при взаимодей ствии с различными контрповерхностями / В.В. Кузнецов, С.З. Манойлина // Мировой опыт и перспективы развития сельского хозяйства: Сб. науч. тр. / Воронежский госагроуниверситет. – 2008. - С.189-191.
8. Кузнецов В.В. Изменение микроповреждения зерновок от влажности / В.В. Кузнецов, С.З. Манойлина, В.С. Науменко // Инновационные техноло гии механизации сельскохозяйственного производства: Сб. науч. тр. / Воро нежский госагроуниверситет.- 2009. - С.15-17.
9. Кузнецов В.В. Влияние внешних и внутренних факторов на процесс травмирования зерна / В.В. Кузнецов, С.З. Манойлина // Вестник ВГАУ. 2009. - №2, - С. 39-44.
10. Кузнецов В.В. Оптимизация технологической схемы линии для по слеуборочной обработке семян / В.В. Кузнецов, С.З. Манойлина // Вестник ВГАУ. – 2010. - Выпуск 1 (24). - С. 27-34.
11. Манойлина С.З. Влияние срока хранения на всхожесть пшеницы Альбидум / С.З. Манойлина // Инновационные технологии механизации сельскохозяйственного производства. Сб. науч. тр. / Воронежский госагро университет.- 2009. - С. 48-50.
Подписано в печать 17.11.2010 г. Формат 60х801/16. Бумага кн.-журн.
П.л. 1,0. Гарнитура Таймс. Тираж 100 экз. Заказ № 4607.
Типография ФГОУ ВПО ВГАУ 394087, Воронеж, ул. Мичурина,