Повышение эффективности предпосевной обработки семян яровой пшеницы с использованием низкочастотного электрического поля
На правах рукописи
Старухин Роман Сергеевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ
СЕМЯН ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
НИЗКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Специальность 05.20.02 – Электротехнологии
и электрооборудование в сельском хозяйстве
Автореферат диссертации
на соискание ученой степени кандидата
технических наук
Барнаул - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»
Научный руководитель: доктор технических наук, профес сор О.И. Хомутов (ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный тех нический университет им. И.И. Пол зунова»)
Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник В.Н. Делягин «Сибирский научно (ГНУ исследовательский институт механи зации и электрификации сельского хозяйства» Россельхозакадемии);
кандидат технических наук, доцент А.В. Бастрон (ФГБОУ ВПО «Крас ноярский государственный аграрный университет»)
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новосибирский госу дарственный аграрный университет»
Защита диссертации состоится 22 мая 2012 года в 13 часов на заседа нии диссертационного совета Д 212.004.02 при Алтайском государствен ном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, факс (3852) 36-71-29, http://www.altstu.ru, e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского госу дарственного технического университета им. И.И. Ползунова.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Ва шего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.
Автореферат разослан «21» апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Л.В. Куликова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Разработка и широкое внедрение в различных областях современных электротехнологий на сегодняшний день является неотъемлемой и важной составляющей стратегического развития государ ства. К основным направлениям развития агропромышленного комплекса (АПК) регионов, и в частности Сибири, относятся: обеспечение сельскохо зяйственной отрасли современными средствами производства;
внедрение новых, наукоемких технологий в аграрное производство на всех его этапах:
от предпосевной обработки семян до глубокой переработки зерна. Одно из важнейших мест в комплексе мероприятий по повышению эффективности сельскохозяйственного производства, в частности урожайности возделы ваемых культур, занимает работа с семенами, поскольку они являются но сителями биологических и хозяйственных качеств растений и в значитель ной мере определяют качество и количество собираемого в итоге урожая.
Все большее распространение получают воздействия на семена фи зическими факторами с целью их стимуляции для ускорения роста, увели чения урожайности и повышения качества получаемой продукции. Особое место в ряду исследуемых физических воздействий занимают электрофи зические факторы. Многочисленными исследованиями (И.Ф. Бородин, Ф.Я. Изаков, Н.В. Цугленок, В.Н. Шмигель, Л.А. Азин, Г.П. Стародубцева, Н.В. Ксёнз, В.И. Клюка, М.Т. Серегина, Г.И. Цугленок, В.Г. Ботнарюк, Ш.А. Задгинидзе, Ф.А. Дедуль, С.Д. Кутис, В.А. Савельев, Л.И. Жидачев ский и др.) в данной области доказано положительное влияние электромаг нитных полей на посевные качества семян. Так в г. Красноярске в течение длительного времени успешно ведутся исследования учеными научной школы, созданной доктором технических наук, профессором Н.В. Цуглен ком. Ими найдены эффективные способы применения энергии электромаг нитных полей высокой и сверхвысокой частоты. В ЧГАА А.М. Басов, Ф.Я. Изаков c учениками в качестве фактора для обработки семян успешно применили электрическое поле постоянного тока.
В настоящее время разработано достаточно большое количество раз нообразных способов электрофизического воздействия на семена с целью увеличения урожайности и повышения эффективности сельскохозяйствен ного производства. Тем не менее, повсеместное их внедрение ограничено.
Основными причинами, тормозящими широкое распространение электро физических методов предпосевной обработки, являются высокая стоимость установок для стимуляции семян, а также значительное изменение сло жившейся технологии предпосевной обработки.
Основной целью названных видов предпосевной обработки является обеззараживание зерна. Тем не менее, на сегодняшний день в хозяйствах по-прежнему прибегают к протравливанию. Отчасти это объясняется тем, что руководители хозяйств не желают нарушать сложившиеся комплексы удобрений и обработки посевов, а также устоявшиеся правила севооборота.
Как известно, протравливание негативно отражается на жизнеспособности семян. Поэтому сохраняется необходимость в стимуляции семян, улучше нии их посевных свойств и компенсации угнетающего действия протрави телей.
Известно, что при различных значениях характеристик электромаг нитных полей, используемых для обработки посевного материала, меняют ся и эффекты его воздействия. При этом влияние оказывают силовые и энергетические характеристики полей, частота, характер изменения и вре мя воздействия, кроме того, влияние могут оказывать также некоторые со путствующие факторы.
Но если обработке постоянными, высокочастотными и сверхвысоко частотными полями посвящено достаточно большое количество работ, то сведения об эффектах воздействия на семена низкочастотных (НЧ) элек тромагнитных полей практически отсутствуют, хотя и встречаются свиде тельства того, что такого рода воздействие на посевной материал может давать существенный положительный эффект. Кроме того, имеющиеся на данном этапе исследований данные говорят о том, что обоснованное со вмещение предпосевного протравливания и стимуляции семян воздействи ем вращающимися НЧ электрическими полями может значительно улуч шить урожайные качества зерна. Таким образом, возникает необходимость дальнейшего исследования воздействия низкочастотного электромагнитно го поля на посевные качества семян и совершенствования методов их предпосевной обработки.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы явля ется создание технологии предпосевной обработки семян яровой пшеницы во вращающемся эллиптически поляризованном электрическом поле низ кой частоты.
Для достижения поставленной цели в диссертации решались сле дующие задачи:
- выбрать и обосновать характеристику семян в качестве критерия, позволяющего оценить эффективность предпосевной обработки;
- разработать модель водопоглощения зерна пшеницы на основе диффузионных процессов под действием внешнего электрического поля и получить закономерности протекания исследуемых процессов в установке для предпосевной обработки семян электрическим полем НЧ;
- разработать методику расчета электротехнических и конструктив ных параметров установки для предпосевной обработки семян электриче ским полем и на ее основе определить рациональные режимы работы и па раметры установки для предпосевной обработки с точки зрения выбранно го критерия;
- экспериментально проверить влияние напряжённости и типа поля ризации НЧ электрического поля на водопоглощение и посевные характе ристики семян яровой пшеницы;
- разработать электротехнологию для предпосевной обработки семян и определить технико-экономическую эффективность ее использования в условиях сельскохозяйственного производства.
Объект исследования. Объектом исследования являются процессы, протекающие в посевном материале под воздействием низкочастотного электрического поля.
Предмет исследования. Предметом исследования является получе ние зависимостей относительного водопоглощения, всхожести, энергии прорастания зерна яровой пшеницы от параметров воздействующего вра щающегося эллиптически поляризованного электрического поля низкой частоты.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием методов математического моделирования, математической статистики, математического анализа. Экспериментальная часть исследо вания выполнена с помощью компьютерного моделирования и натурных экспериментов.
Научная новизна. Научная новизна исследования состоит в сле дующем:
- выбрана и обоснована характеристика семян, величина которой по зволяет оценить эффективность предпосевной обработки;
- разработана модель водопоглощения зерна пшеницы на основе диффузионных процессов, протекающих в зерне под действием внешнего электрического поля НЧ;
- разработана электротехнология предпосевной обработки семян яровой пшеницы, в которой для стимуляции жизнеспособности семян впервые использовано эллиптическое электрическое поле низкой частоты;
- создана методика расчета параметров установки для предпосевной обработки семян электрическим полем.
На защиту выносятся:
- критерий, позволяющий характеризовать эффективность обработки семян яровой пшеницы на предпосевном этапе;
- математическая модель, связывающая относительное водопогло щение и напряженность воздействующего электрического поля низкой час тоты;
- методика расчета электротехнических и конструктивных парамет ров установки для предпосевной обработки семян электрическим полем;
- технология предпосевной обработки семян в эллиптически поляри зованном электрическом поле;
- зависимости относительного водопоглощения, всхожести, энергии прорастания семян яровой пшеницы от параметров воздействующего элек трического поля.
Практическая значимость и реализация работы.
1. Получены наиболее эффективные значения напряженности НЧ электрического поля для рассматриваемых сортов, приближающиеся к 1100 В/м.
2. Получены теоретические и экспериментальные зависимости, по зволяющие обоснованно подойти к проектированию установок для предпо севной обработки семян электрическим полем НЧ с различной конструкци ей электродов.
3. Разработанная установка для предпосевной обработки семян элек трическим полем, конструкция которой защищена патентом РФ на полез ную модель (№102172, опубликовано 20.02.2011 Бюл. №5), позволяет об рабатывать зерно с производительностью до 2 т/ч, при этом повышение урожайности достигает 17 %.
4. Технология предпосевной обработки семян яровой пшеницы элек трическим полем НЧ внедрена в сельскохозяйственных предприятиях Ал тайского края, а именно: ОАО «Племрепродуктор Чистюньский» Топчи хинского района, "Крестьянско-фермерское хозяйство Горлова С.В." с. Ко сиха, "Крестьянско-фермерское хозяйство Иванова А.Н." с. Контошино Ко сихинского района, СХПК «Союз» с. Шадринцево Тальменского района, ООО «Элита» р.п. Тальменка. Внедрение данной технологии позволило увеличить всхожесть и энергию прорастания пшеницы на 8-14 %. Методи ческие рекомендации по использованию разработанной технологии пере даны в управления по сельскому хозяйству Тогульского, Тальменского, Косихинского районов Алтайского края.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались, обсу ждались и получили одобрение: на ежегодной городской научно практической конференции молодых ученых («Молодежь-Барнаулу» в пе риод с 2006 по 2010 гг.), Всероссийской научно-технической конференции "Наука и молодежь" (г. Барнаул, в период с 2006 по 2010 гг.), Всероссий ской научно-практической конференции «Инновации в России: успехи, проблемы и перспективы» (г. Пенза, ноябрь 2008 г.), на международных научных конференциях «Оптимальные методы решения научных и практи ческих задач» (г. Таганрог, июнь 2005 г.), «Измерение контроль информа тизация» (г. Барнаул, июнь 2009 г.), международных научно-практических конференциях «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства» (г. Пенза, август 2010 г.), «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хо зяйства» (г. Пенза, октябрь 2010 г.), «Электроэнергетика в сельском хозяй стве» (г. Новосибирск – г. Барнаул, июнь 2011 г.).
Публикации. По материалам диссертационных исследований опуб ликовано 12 печатных работ, 4 из которых опубликованы в изданиях, ре комендованных ВАК. Получен патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы (из 115 наименований) и содержит 171 страницу основного текста, в том числе 14 рисунков и таблиц, также включает 2 приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования;
сформу лированы цель и задачи работы;
изложены основные положения диссерта ции, выносимые на защиту;
приведены сведения об апробации основных результатов работы.
Первый раздел посвящен анализу состояния вопроса, обзору эффек тов и гипотез о механизмах влияния электромагнитных полей на семена, определению критерия оценки жизнеспособности семян на предпосевном этапе, поиску возможных путей повышения эффективности предпосевной обработки, исследованию и анализу общего технологического процесса подготовки семян к посеву.
В настоящее время электротехнологии находят все более широкое применение в сельском хозяйстве, являясь действенным средством повы шения эффективности производства сельскохозяйственной продукции.
Существенный вклад в развитие исследований, связанных с приме нением электроэнергии в сельскохозяйственном производстве, внесли рос сийские ученые Н.В. Цугленок, И.Ф. Бородин, М.Г. Евреинов, П.Н. Листов, С.П. Лебедев, И.А. Будзко, В.А. Воробьев, А.А. Пястолов, Л.А. Саплин, А.Е. Немировский, Ф.Я. Изаков, А.И. Якобс, И.Ф. Кудрявцев, A.M. Мусин, В.В. Шмигель, P.M. Славин, В.Н. Делягин, Ю.А. Судник, О.К. Никольский, О.И. Хомутов, А.В. Бастрон, И.В. Белицын и многие другие.
Сегодня разрабатываются и совершенствуются различные электро физические методы стимуляции посевного материала. Анализ литератур ных источников показал, что воздействие на семена электрическим полем является одним из перспективных электрофизических методов предпосев ной обработки семян. Однако широкого распространения такой метод сти муляции не получил. Это связывается с высокой стоимостью и сложностью оборудования, высокими эксплуатационными издержками, а также необхо димостью привлечения дополнительных трудовых и материальных ресур сов, затрат времени. Кроме этого, отсутствие математической модели взаимодействия зерна с электрическим низкочастотным полем, делает под ход к определению параметров воздействующего электрического поля на жизнеспособность семян чисто эмпирическим.
Повышение всхожести, энергии прорастания и, как следствие, уро жайности после стимуляции семян в электрическом поле зависит от многих факторов. Среди основных можно назвать сорт и качество обрабатываемых семян, длительность обработки и напряженность электрического поля, час тоту и степень его поляризации. Эмпирический подход к выявлению по вышения урожайности после воздействия поля на семена предполагает большой объем исследований. Кроме того, полевой эксперимент, для непо средственного определения урожайности, продолжителен и обычно состав ляет не менее трех лет. Поэтому целесообразно ориентироваться на харак теристики семян на предпосевном этапе.
Многими исследователями интенсивность водопоглощения напря мую связывается с посевными качествами семян – с их полевой всхоже стью, а как следствие, и с урожайностью. Водопоглощение семян является важным свойством, характеризующим их жизнеспособность, а оно, как из вестно, протекает в два этапа. На первом этапе создаются предпосылки для выхода семени из состояния покоя и активации жизненных процессов. В этот период интенсивность протекающих процессов во многом определяет дальнейшее развитие и прорастание семени. На втором этапе происходит активное поглощение семенем солей, содержащихся в воде. Поэтому имен но водопоглощение было выбрано в качестве критерия, определяющего по тенциальную урожайность.
На основании проведенного анализа был сделан вывод о необходи мости разработки модели водопоглощения зерна пшеницы на основе диф фузионных процессов под действием внешнего НЧ электрического поля и разработки на ее основе установки и технологии для предпосевной обра ботки семян электрическим полем, позволяющих производить обработку без внесения существенных изменений в существующие технологические процессы при производстве зерна.
Во втором разделе, с использованием основных положений теории электромагнитного поля в диэлектриках и теории диффузионных процес сов, создана модель процессов, происходящих в зерне, находящемся во внешнем электрическом поле.
Поскольку форма зерновых частиц близка к трехосному эллипсоиду, то построение модели на основе поляризации диэлектрического эллипсои да было произведено в эллипсоидальной системе координат, на основе уравнений Максвелла, записанных в дифференциальной форме. В резуль тате были получены выражения для изменения объема диэлектрика, спра ведливые для переменного электрического поля низкой частоты. Приведем первое из них без доказательства:
V V0 0E 1, (1) n 1 nK n 1 n2 P T V где V0 – начальный объем диэлектрика;
V – объем диэлектрика при внесе нии его в электрическое поле;
– относительная диэлектрическая прони цаемость диэлектрика;
0 =8,8510-12 Ф/м – электрическая постоянная;
1 1V коэффициент сжимаемости тела;
Е – напряженность K V PT электрического поля;
n – коэффициент деполяризации;
– коэффици P T ент, характеризующий изменение относительной диэлектрической прони цаемости диэлектрика при изменении давления Р, при постоянной темпе ратуре Т.
Также при помещении зерна в НЧ электрическое поле, возникает электрокалорический эффект (теплота выделяющаяся в диэлектрике), опи сываемый выражением:
TV 0 E 2 1 (2) Q, 2 n 1n TP n 1n 1V где коэффициент теплового расширения;
– коэффи V TP TP циент, характеризующий изменение относительной диэлектрической про ницаемости диэлектрика при изменении температуры Т, при постоянном давлении Р.
При рассмотрении водопоглощения как диффузионного процесса, происходящего через оболочку семени по первому закону Фика, была по лучена связь величины относительного водопоглощения и напряженности электрического поля в виде:
2 0E J 1, (3) 1 J0 2 n 1 nK PT n 1n где J – водопоглощение зерна, помещенного в электрическое поле, J0 – во допоглощение зерна, не подвергшегося воздействию электрического поля.
Анализируя полученную функцию, можно определить значение на пряженности электрического поля, при котором предпосевная обработка будет наиболее эффективна.
В диссертации приведена методика для экспериментального опреде ления коэффициентов теоретической зависимости водопоглощения от на пряженности электрического поля, а также экспериментальные зависимо сти для трех различных, распространенных в Алтайском крае, сортов яро вой пшеницы при различных начальных параметрах зерна. Метод опреде ления диэлектрической проницаемости основан на сравнении электриче ской емкости плоского конденсатора, внутрь которого помещается иссле дуемая проба зерна, с емкостью эталонного конденсатора.
Ниже приведены зависимости, по которым определялись параметры выражения (3). Коэффициент объемного расширения определяется как а. (4) а(T2 T1 ) Коэффициент сжимаемости определяется по выражению:
а 3, (5) аP где а – изменение линейного размера зерна вдоль его большей полуоси при температурах Т1 и Т2, соответственно (Т1Т2);
а – длина зерна вдоль его большей полуоси;
Р – внешнее давление на зерно.
Диэлектрическая проницаемость зерна:
C0 d h( 2 R X h) 2П. (6) 2 RX RХ Коэффициент определяется как T P C0 d П h( 2 R X h) 2 2, (7) 2 T 0 0 RX (T2 T1 ) RХ P а значение как P Т C0 d h( 2 R X h) 2П 2, (8) 2 PТ 0 0 RX ( P2 P ) RХ где RX 25 мм – радиус верхнего электрода;
П 5 – относительная ди электрическая проницаемость материала перегородки (гетинакс);
h = 2 мм – толщина перегородки;
С0 – емкость эталонного конденсатора;
d – рас стояние между обкладками;
, 2, 1 – угол отклонения стрелки гальвано метра при измерении диэлектрической проницаемости зерна;
0 – угол отклонения стрелки гальванометра при измерении емкости эталонного конденсатора.
Для определения n пользовались электрокалорическим эффектом, наблюдаемым при помещении диэлектриков во внешнее электрическое по ле (2), из которого, с учетом количества теплоты поглощаемого зерном при нагревании:
8cM (T T0 ) 1 VE VП TE 2 0 T 1 P 1, (9) n 4cM (T T0 ) ( 1) ( 1) VE VП TE 2 где T0 – начальная температура зерна, К;
T – конечная температура зерна, К;
с = 1,51 кДж/(кгК) – удельная теплоемкость зерна пшеницы;
М – масса зерна;
V – объем зерна.
По результатам проведенных экспериментов были рассчитаны пара метры выражения (3) по формулам (4) - (9) и получено теоретическое зна чение напряженности электрического поля равное 1100-1200 В/м, при ко тором водопоглощение максимально.
Третий раздел посвящен проектированию и созданию установки для предпосевной обработки семян электрическим полем.
Ввиду распространенности ленточных конвейеров, используемых для транспортирования зерна при загрузке и разгрузке сельскохозяйственных агрегатов, установку для предпосевной обработки целесообразно также выполнить на основе ленточного транспортера. Такое решение позволяет сократить количество используемых в технологическом процессе уст ройств и избежать включения дополнительных производственных этапов.
Для эффективного функционирования установки необходимо опре деление точного значения напряженности электрического поля в области обработки посевного материала. Поскольку на распределение напряженно сти электрического поля в пространстве оказывает влияние пространствен ная конфигурация установки, возникает необходимость воспользоваться соответствующей математической моделью.
Конструктивно установку для предпосевной обработки семян элек трическим полем можно представить как систему цилиндрических провод ников круглого сечения. В общем случае установку можно заменить сово купностью из N цилиндрических проводников с длиной Lk с радиусами rэk, где k N. Заряд, наведенный на проводниках, не является постоянным по всей длине проводника и зависит от конкретной его точки. Общее число проводов обозначим Nпр. Линейный заряд на проводе не является постоян ным по всей длине, и его обозначаем пр, а радиус провода – r0пр. Влияние заземленного металлического элемента заменим фиктивными зарядами, как для проводников k, так и для проводов пр.
Помещая точку наблюдения поочередно сначала на поверхность всех цилиндрических проводников и, учитывая, что потенциал всех проводни ков равен нулю, а затем, последовательно на поверхность всех проводов, получим систему интегральных уравнений:
N пр прv (l v ) dl v прv (l v ) dl v N (l k )dl k (l k )dl k 1 k k 0 ;
4 Rk 1 Rk 1 rv1 rv k 1 Lk v 1 lпр 0 Lk Lv (10)...
N пр прv (l v ) dl v прv (l v ) dl v N (l k )dl k (l k )dl k 1 k k, Nпп 4 Rk NпN Rk NпN rvNпN rvNпN k 1 Lk v 1 lпр 0 Lk Lv где k(lk) – линейный заряд k-го проводника на его элементарном участке dlk;
RkM – расстояние от элементарного участка dl k-го проводника до точки М;
R kM – расстояние от элементарного участка dl зеркального изображения k-го проводника до точки М;
rvM – расстояние от v-го элементарного участ ка dl провода до точки М;
rvM – расстояние от элементарного участка dl зеркального изображения v-го провода до точки М;
lпр – длина проводника.
Решая систему (10) методом квадратурных формул, заменим ее сис темой линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), которая в матричной форме вида имеет вид:
0;
ij i (11), ij i i где i – номер истока участка проводника с линейной плотностью i, j – но мер узловой точки расчета, i 0 – приведенное значение потенциа i ла (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема для расчета потенциала электрического поля от проводника находящегося над проводящей поверхностью Поскольку СЛАУ получается высокой размерности, то для ее реше ния используется метод Холецкого с фазовой обработкой. После нахожде ния зарядов на каждом элементарном участке проводников напряженность в любой точке поля может быть найдена по принципу наложения. Предла гаемая система цилиндрических потенциальных электродов – источник по ля для установки предпосевной обработки семян, показана на рисунке 2.
1 – изоляторы;
2 – рама устройства;
3 – система потенциальных электродов Рисунок 2 – Расположение электродов в установке для предпосевной обработки Установка (рисунок 3) состоит из загрузочного бункера 1 и выпуск ного лотка 2, ленточного подающего транспортера 3 с приводом 4. Верхняя ветвь ленты 3 транспортера расположена между заземленным плоским электродом 5 и источником поля, выполненным в виде системы 3-х цилин дрических потенциальных электродов 6, жестко закрепленных через изо лирующие стойки 7 с нижней рамой 8 ромбового домкрата 9, верхняя рама 10 которого через изоляторы 11 жестко закреплена на раме 12 устройства.
В свою очередь, нижняя рама 8 жестко связана с нижней плоскостью ром бового домкрата, а верхняя рама 10 – с верхней его плоскостью. Лента транспортера имеет борта 13. Установка снабжена блоком управления 14, включающим частотный регулятор скорости привода 4, частотный преоб разователь для питания системы потенциальных электродов 6 и регулятор напряжения.
Рисунок 3 – Установка для предпосевной обработки семян Таким образом, разработанное устройство позволяет производить предпосевную обработку электрическим полем с необходимыми парамет рами, без внесения существенных изменений в процесс подготовки семян яровой пшеницы к посеву.
В четвертом разделе получены экспериментальные зависимости от носительного водопоглощения, всхожести, энергии прорастания зерен раз личных сортов яровой пшеницы от параметров электрического поля.
Биологическое действие электрического поля на зерно зависит от та ких параметров, как напряженность поля Е, коэффициент поляризации Ф, времени воздействия ;
так что эффект Э является сложной функцией пере численных факторов:
Э F ( E, Ф, ). (12) Для получения уравнения регрессии и изучения отдельных факторов, влияющих на влагопоглощение, и определения значений этих факторов, при которых влагопоглощение достигает максимального значения, исполь зовался план второго порядка, поскольку теоретическую зависимость мож но приблизительно описать параболой. Кроме этого, он позволяет опреде лить оптимальные условия эксперимента. Известно, что если целью экспе римента является поиск оптимальных условий, то наиболее часто приме няются ротатабельные планы, с помощью которых коэффициенты уравне ния регрессии определяются с одинаковой дисперсией. Таким образом, ис пользовалось ротатабельное центральное композиционное планирование (РКЦП). Условия проведения опытов сведены в таблице 1.
Таблица 1 – Условия проведения эксперимента Натуральный масштаб Стандартный Напря- Коэф. по- Время воз Обозначение факторов жен- ляризации действия масштаб ность Х2 Х3, с X1, В/м Основной уровень 0 1200 0,5 Верхний уровень +1 1900 0,75 Нижний уровень -1 500 0,25 Интервал варьирования - 700 0,25 +1,682 2377 0,92 11, Звездные точки -1,682 23 0,08 78, После определения оценок коэффициентов математической модели и проверки их на значимость, получена регрессионная модель водопоглощения, вида 2,048 0,858x1 0,106 x2 0,278x3 0,287 x12 0,28x3 0,4 x1 x3 0,25x2 x3.
Адекватность полученной математической модели была проверена с помощью критерия Фишера. Теоретическое значение, которого при 0,05, с числом степеней свободы для числителя 13 и знаменателя 45 – Fкр13 / 45 1,95, расчетный – Fрaс 1,6, таким образом, модель адекватна.
В результате исследования полученного выражения на экстремум по лучены значения факторов, при которых водопоглощение достигает мак симума, их нормированные и фактические значения приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Значения факторов, при которых водопоглощение максимально Стандартный Натуральный Обозначение факторов масштаб масштаб Модуль напряженности X1, В/м -0,199 Коэффициент поляризации Х2 1,754 0, Время воздействия Х3, с 0,424 53, С целью исследования влияния напряженности электрического поля на относительное водопоглощение, всхожесть и энергию прорастания раз личных сортов пшеницы был проведен однофакторный эксперимент.
Группа семян была обработана в электрическом поле при различных напряженностях электрического поля, с коэффициентом поляризации 0, в течение 55 секунд. Опыты были проведены три раза в 4-кратной повтор ности в каждом опыте. Всхожесть и энергия прорастания определялись по ГОСТ 12036-85. Результаты эксперимента приведены на рисунках 4-6.
– сорт «Алтайская 325», – сорт «Ирень», – сорт «Алтайская 530», – аппроксимированные значения Рисунок 4 – Зависимость энергии прорастания семян пшеницы от напряженности электрического поля – сорт «Алтайская 325», – сорт «Ирень», – сорт «Алтайская 530», – аппроксимированные значения Рисунок 5 – Зависимость всхожести семян пшеницы – сорт «Алтайская 325», – сорт «Ирень», – сорт «Алтайская 530», – аппроксимированные значения Рисунок 6 – Зависимость удельного водопоглощения семян пшеницы Анализ графиков показывает, что энергия прорастания и всхожесть семян увеличиваются при обработке их в электрическом поле напряженно стью около 1100 В/м. Во всех трех сериях опытов наблюдается увеличение этих показателей при указанной напряженности электрического поля, что совпадает с областью максимального увеличения относительного водопо глощения семян при их обработке в электрическом поле.
Для подтверждения гипотезы о связи энергии прорастания, всхожести и скорости удельного водопоглощения была определена корреляция между этими характеристиками для различных сортов пшеницы. Результаты для зерна пшеницы сорта «Алтайская 530» представлены в таблицах 3, 4.
Таблица 3 – Связь между характеристиками обработанного зерна пшеницы сорта «Алтайская 530»
Коэффициент корреляции Экспе- Теоре- По римен- тическое греш Характеристика зерна, тальное значение ность, Водо- Энер уравнение аппроксима- значе- Етеор, В/м Всхо- % погло- гия про ние жесть ции, R щение растания Еэкс, В/м 1 2 3 4 5 6 Скорость водопо 1 0,934 0,954 1057 1100 4, глощения y = 0,298x4 - 7,690x3 + + 61,09x2 - 149,2x + + 225, R = 0, Продолжение таблицы Энергия прорастания y = 0,014x4 - 0,361x + 2,701x2 - 5,611x + 0,934 1 0,985 1041 5, 84, R = 0, Всхожесть y = 0,013x4 - 0,346x + 2,572x2 - 4,924x + 0,954 0,985 1 1039 5, 85, R = 0, Таблица 4 – Сравнение характеристик обработанного зерна пшеницы сорта «Алтайская 530» с контрольной группой Характери- Контроль Опыт (обработка в электри- Прибавка, % стика зерна ческом поле), Е=1100 В/м mx,% x,% mx,% x,% Энергия 82,25 5,56 88,25 1,70 7, прорастания Всхожесть 82 4,24 92,25 3,94 12, Таким образом, полученные теоретические зависимости удовлетво рительно согласуются с результатами опыта.
В результате разработана технология предпосевной обработки семян с целью увеличения их жизнеспособности, включающая в себя метод и ме сто обработки в процессе подготовки зерна к посеву путем воздействия эл липтическим электрическим полем НЧ (а именно, непосредственно перед протравливанием, поскольку эффект стимуляции постепенно ослабевает с течением времени);
установку для реализации разработанного метода, ме тодику расчета оптимальных параметров установки (высота электродов, расстояние между электродами, скорость транспортерной ленты и др.) в за висимости от требуемой производительности установки.
В пятой главе произведена оценка технико-экономического эффек та, который можно ожидать, при использовании разработанной установки для предпосевной обработки семян электрическим полем.
Для сравнения инвестиционных проектов разработаны различные по казатели, характеризующие конкретный проект с определенной стороны.
Основными показателями, используемыми для расчетов эффективности инвестиционных проектов, являются: чистый доход;
чистый дисконтиро ванный доход;
внутренняя норма доходности;
индексы доходности затрат и инвестиций;
срок окупаемости.
Окончательная стоимость оборудования определялась как K C Рм Рн Н п, (13) где C – стоимость комплектующих, руб.;
Рм – стоимость монтажа и налад ки, руб.;
Рн – величина накладных расходов, руб.;
Нп – величина плановых накоплений, руб.
Величина затрат определялась в виде И э З А Т р Сэ П, (14) где З – заработная плата обслуживающего персонала с начислениями, руб.;
А – годовые амортизационные отчисления, руб.;
Тр – отчисления на техни ческое обслуживание и ремонт, руб.;
Сэ – годовые затраты за потреблен ную электроэнергию, руб.;
П – прочие прямые затраты, руб.
Экономический эффект будет равен:
Эt Рt Зt, (15) где Рt, – стоимостная оценка результатов за расчетный период t, руб.;
Зt, – стоимостная оценка затрат на мероприятия по разработке, внедрению и освоению новой техники и технологии за расчетный период t, руб.
Годовой экономический эффект новой техники и технологии опреде лялся как:
Энт (Збаз Знов ) ВПнов [(Сбаз Ен К баз ) (Снов Ен К нов )] ВПнов, (16) где Збаз – приведенные затраты на производство единицы продукции с по мощью базового варианта техники и технологии, руб.;
Знов – приведенные затраты на производство продукции с помощью новой техники и техноло гии, руб.;
ВПнов – годовой объем производства продукции с помощью новой техники и технологии, ед.;
Сбаз – себестоимость продукции базового вари анта, руб.;
Снов – себестоимость продукции на основе новой техники и тех нологии, руб.;
Кбаз – капиталовложения на ед. продукции базового вариан та, руб.;
Кнов – капиталовложения на единицу продукции на основе новой техники и технологии, руб.;
Ен – нормативный коэффициент эффективно сти.
Для определения экономической эффективности внедрения разрабо танной установки предпосевной обработки семян были рассмотрены не сколько вариантов: базовый, разработанный и аналог.
В качестве базового рассматривался вариант, предполагающий про травливание семян перед посевом с помощью протравителя семян ПС-10, при этом предпосевная стимуляция семян не предполагается. Проектируе мый вариант предполагает предпосевную обработку посредством предла гаемой установки с последующим протравливанием фунгицидом в протра вителе ПС-10.
В качестве варианта для сравнения (аналога) выбрана установка для предпосевной обработки семян в электростатическом поле, разработанная на базе Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии, которая после воздействия физического фактора предполагает протравли вание семян.
Результаты технико-экономического сопоставления рассматривае мых вариантов представлены в таблице 5.
Таблица 5 – Сводная таблица показателей экономической эффективности предпосевной обработки семян Наименование показателя Сравниваемые варианты Рассматриваемый вариант Базовый Разработан- Аналог ный Годовой выход продукции, ц 7380 7875 Дополнительные капиталовло - 128744,89 15150, жения, руб.
Эксплуатационные издержки, 74261,09 121377,7 89376, руб.
в т.ч. оплата труда, руб. 2886,184 6821,889 8833, амортизационные отчисления, 25300 41393,11 26966, руб.
отчисления на ремонт, руб. 36800 57399,18 39224, затраты на электроэнергию, 2523,9 4729,18 6227, руб.
Удельные эксплуатационные за 10,06 15,41 11, траты, руб./ц Доход от повышения урожая, - 126122,3 68123, руб.
Чистый доход, руб. - 31141255,11 34382349, Чистый дисконтированный до - 321676,2 122369, ход, руб.
Срок окупаемости дополни тельных капитальных вложе- - 0,96 2, ний, лет Индекс доходности дополни - 2,5 8, тельных капитальных вложений Внутренняя норма доходности, - 35,2 27, % Анализ показателей, представленных в таблице 5, позволил заклю чить, что предлагаемый вариант требует увеличения производственных и удельных затрат, по сравнению с базовым и сопоставляемым вариантами.
Тем не менее, данный вариант имеет большую величину чистого дисконти рованного дохода, а также меньший срок окупаемости. Кроме того, он име ет большую норму доходности и, следовательно, является более предпоч тительным.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 1. Произведенный и обоснованный выбор в качестве характеристики се мян относительного водопоглощения дал возможность оценить эффектив ность предпосевной обработки яровой пшеницы и использовать водопо глощение в качестве критерия оценки эффективности предпосевной обра ботки зерна (коэффициенты корреляции между водопоглощением и энер гией прорастания принимали значения до 0,9343, а также, между скоро стью водопоглощения и всхожестью – до 0,9540).
2. На основании анализа полученной математической модели водопогло щения зерна пшеницы определено наиболее эффективное значение напря женности электрического поля, равное 1100 В/м. Расхождение результатов эксперимента 1002-1215 В/м для рассмотренных случаев с данными, полу ченными на основе математической модели, не превышает 10 %.
3. Полученные экспериментальные и теоретические зависимости позво лили заключить, что функция водопоглощения зерна от напряженности электрического поля имеет выраженный максимум. При обработке семян низкочастотным электрическим полем с напряженностью, близкой к наи более эффективному значению, наблюдается увеличение всхожести до 16,7 % и энергии прорастания семян до 25 % по отношению к контролю.
4. Разработанная технология предпосевной обработки семян яровой пше ницы электрическим полем НЧ, включающая методику расчета электро технических и конструктивных параметров устройства и установку, даю щую возможность реализовать предложенную технологию, обеспечивает предпосевную стимуляцию посевного материала без существенного изме нения сложившегося процесса подготовки зерна к посеву.
5. На основании полученных теоретических и экспериментальных зави симостей для опытной установки предпосевной обработки семян электри ческим полем определены рациональные для максимального водопоглоще ния параметры: время воздействия 54 с;
коэффициент поляризации элек трического поля 0,94;
модуль напряженности электрического поля В/м, что позволяет существенно увеличить водопоглощение до 2,5 раз.
6. Технико-экономический расчет показал, что экономический эффект от внедрения предложенной электротехнологии предпосевной обработки се мян составил 445 руб. (в ценах 2010 года) на 1 га площадей посева.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
Публикации в изданиях по перечню ВАК 1. Старухин, Р. С. Повышение эффективности электротехнологии предпосевной обработки семян [Текст] / Р. С. Старухин // Ползуновский вестник. – 2010. – №4-2. – с. 77–85.
2. Старухин, Р. С. Влияние электрического поля на интенсивность водопоглощения семян [Текст] / Р. С. Старухин // Ползуновский вестник. – 2011. – №2-1. – с. 160–165.
3. Старухин, Р. С. Метод предпосевной обработки семян с использо ванием эллиптического электромагнитного поля [Текст] / Р. С. Старухин, И. В. Белицын, О. И. Хомутов // Ползуновский вестник. – 2009. – № 4. – с. 97–103.
4. Старухин, Р. С. Эллиптическое электрическое и магнитное поле электроустановок и метод их расчета [Текст] / Р. С. Старухин, И. В. Бели цын, А. В. Макаров, Б. С. Компанеец // Естественные и технические науки.
– 2006. – № 6. – с. 189–192.
Публикации в других изданиях 5. Старухин, Р. С. Расчет линейных плотностей зарядов системы ци линдрических проводников [Текст] / Р. С. Старухин, И. В. Белицын, С. А. Урвачев // Измерения, автоматизация и моделирование в промыш ленности и научных исследованиях: Межвузовский сборник. – Бийск, 2005.
– с. 48 –51.
6. Старухин, Р. С. Перспективные методы расчета и моделирования, электромагнитных полей установок высокого напряжения [Текст] / Р. С. Старухин, И. В. Белицын, С. А. Урвачев // Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах: сборник статей VII Международной научно-практической конференции. – Пенза, 2006.
– с. 221–223.
7. Старухин, Р. С. Аналитический метод расчета полуосей напря женности эллиптического плоскопараллельного электрического поля, соз даваемого ВЛЭП [Текст] / Р. С. Старухин, И. В. Белицын / Молодежь – Барнаулу: Материалы IX городской научно-практической конференции молодых ученых. – Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2007. – с. 71–73.
8. Старухин Р. С. Разработка установки для обработки зерна элек трическим полем [Электронный ресурс] / Р. С. Старухин, И. В. Белицын // 7-я Всероссийская научно-техническая конференция "Наука и молодежь 2010" / Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова. – Электрон, дан. – Барнаул : АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2000 –. – Режим доступа: http://edu.secna.ru/media/f/epp.zip. – Загл. с экрана.
9. Старухин, Р. С. Анализ факторов влияющих на урожайность зер новых культур [Текст] / Р. С. Старухин, И. В. Белицын, Е. А. Котугин // Экология и ресурсо и энергосберегающие технологии на предприятиях на родного хозяйства: X Международная научно-практическая конференция. – Пенза, 2010. – с. 160–164.
10. Старухин, Р. С. Поведение зерна пшеницы в электромагнитном поле [Текст] / Р. С. Старухин, И. В. Белицын, Е. А. Котугин // Экология и ресурсо и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хо зяйства: X Международная научно-практическая конференция. – Пенза, 2010. – с. 164–168.
11. Старухин, Р. С. Установка и метод обработки зерна в электриче ском поле [Текст] / Р. С. Старухин, И. В. Белицын, Е. А. Котугин // Инно вации в России: успехи, проблемы и перспективы: III Всероссийская науч но-практическая конференция. – Пенза, 2010. – с. 80–84.
12. Старухин, Р. С. Результаты применения технологии обработки посевного материала в электрическом поле [Текст] / Р. С. Старухин, И. В. Белицын, Е. А. Котугин // Инновации в России: успехи, проблемы и перспективы: III Всероссийская научно-практическая конференция. – Пен за, 2010. – С. 84–88.
13. Пат. 102172 Российская Федерация, МПК А01С 1/00. Устрой ство для предпосевной обработки семян в электрическом поле [Текст] / Р.С. Старухин [и др.]. – №2010136572/21;
заявл. 31.08.2010;
опубл.
20.02.2011, Бюл. №5.
Подписано в печать 18.04.2012. Формат 60х84 1/16.
Печать – цифровая. Усл.п.л. 1,23.
Тираж 100 экз. Заказ 2012 - Отпечатано с оригинал-макета заказчика в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, тел.: (8–3852) 29–09– Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД №28–35 от 15.07.97 г.