автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование предпосевной подготовки семян свеклы с обоснованием конструктивно-технологических параметров устройства для барботирования кислородом

КУЗНЕЦОВ Александр Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРЕДПОСЕВНОЙ ПОДГОТОВКИ

СЕМЯН СВЕКЛЫ С ОБОСНОВАНИЕМ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ БАРБОТИРОВАНИЯ КИСЛОРОДОМ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского

хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

О О г ■ . п 7Г'»?

и і. ¿и^

Саранск 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО НГСХА)

Научный руководитель:

кандидат сельскохозяйственных наук профессор

Козлов Александр Васильевич

Официальные оппоненты:

Савельев Анатолий Петрович

доктор технических наук профессор ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности;

Чаткин Михаил Николаевич

доетор технических наук профессор ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» заведующий кафедрой сельскохозяйственных машин

Ведущая организация: ГНУ «НИИСХ Северо-Востока

Россельхозакадемии»

Защита состоится «22» марта 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 при ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по адресу: 430904, г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. М. Бахтина ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» и на сайтах www.mrsu.ru.vak2.ed.gov.ru.

Автореферат разослан «А?» февраля 2012 г.

Учёный секретарь л Л

диссертационного совета Комаров Владимир Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В сельскохозяйственном производстве возделывает-ся свекла столовая, сахарная и кормовая. Столовая свекла используется как продукт питания, сахарная - в промышленности для производства сахара, кормовая - для скармливания животным.

В настоящее время производство всех видов свеклы испытывает значительные трудности. Цены на энергоносители, тракторы, сельскохозяйственную технику, минеральные удобрения и пестициды, с каждым годом повышаются, а

закупочные цены на свеклу остаются на низком уровне.

Преодоление этих трудностей возможно путем совершенствования технологических операций, связанных с выращиванием свеклы, и не в последнюю очередь операций, направленных на повышение всхожести и сокращение продолжительности прорастания семян. Большое внимание сегодня уделяется способам предпосевной подготовки, позволяющим получить экологически чистые продукты растениеводства. Некоторые способы предпосевной подготовки семян сложны в осуществлении и требуют применения пестицидов в период вегетации. Это связано с большими экономическими затратами на подготовку семян, а пестициды неблагоприятно влияют на окружающую среду и здоровье человека.

Перспективным является способ барботирования семян кислородом и создание машин, работающих с минимальными экономическими затратами на

проведение этой операции.

Работа выполнялась в соответствии с планом,научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Нижегородская ГСХА» на 2010-2015 годы, номер государственной регистрации 01.200-005768,- по теме «Усовершенствование технологий и средств механизации возделывания овощных культур и свеклы в условиях Нижегородской области».

Цель исследования. Повышение урожайности свеклы путём разработки устройства для предпосевной подготовки семян барботированием кислородом.

Объект исследования. Технологический процесс предпосевной подготовки семян свеклы способом барботирования и устройство для его осуществления.

Методика исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений законов и методов классической механики, гидравлики и математики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях в соответствии с действующими стандартами, а также методиками, разработанными с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Обработка результатов расчётов и экспериментов выполнялась на ПЭВМ с использованием программ Visual BASIC в среде VBA и Statistica.

Научная новизна работы:

- теоретически обоснованы основные параметры устройства для обработки семян перед посевом;

- получены оптимальные конструктивно-технологические параметры рабочего процесса устройства для барботирования семян.

Практическая значимость и реализация результатов исследований:

- разработано устройство для барботирования семян кислородом (патенты РФ №103438, №86382 на полезную модель);

- разработана математическая модель процесса барботирования семян в предложенной установке;

- выполнены лабораторные и производственные испытания устройства для предпосевной подготовки семян свеклы и получены рекомендации для его внедрения в производство.

Лабораторно-производственная установка изготовлена и прошла опытно-производственную проверку в КФХ «Балабин Владимир Викторович» Арзамасского района и в СПК «Колхоз «Красный маяк»» Городецкого района Нижегородской области.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-практических конференциях: ФГБОУ ВПО «Московский ГАУ» (г. Москва, 2010 - 2011 г.); ФГБОУ ВПО «Нижегородский ГИЭИ» (г. Княгинино, 2010 г.); ФГБОУ ВПО «Нижегородская ГСХА» (г. Н.Новгород, 2010 г.); Нижегородская сессия молодых ученых (г. Н.Новгород, 2010 г.); участие во 2-м туре Всероссийского конкурса научных работ (г. Уфа, 2011 г.); участие в молодежном научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» (г. Н.Новгород, 2010 - 2011 г.); ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» (г. Саранск, 2011 г.); ГНУ «НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии» (г. Киров, 2011г.).

На защиту выносятся следующие положения:

- математическая модель процесса барботирования семян в разработанном устройстве;

- конструктивно-технологическая схема устройства для барботирования семян кислородом;

- результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний устройства для барботирования семян свеклы кислородом;

- экономическая эффективность от использования предлагаемого устройства для барботирования семян свеклы в условиях крестьянских (фермерских) хозяйств. i

Публикации. По основным положениям диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 Патента РФ на полезную модель, 3 статьи опубликованы в изданиях, рекомендуемых «Перечнем.. .ВАК».

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа содержит 150 страниц машинописного текста, 48 рисунков, 13 таблиц и 8 прило-

жений. Список литературы включает 99 наименования, из которых 3 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и её практическая значимость, а также представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» представлен аналитический обзор существующих способов и машин, осуществляющих предпосевную подготовку семян. На основании изучения способов предпосевной подготовки семян, описанных в литературных источниках, были выявлены их положительные и отрицательные стороны. Такие способы как сортирование, дражирование, калибрование, нашли широкое применение в сельскохозяйственной практике. Другие - оббезараживание, обработка в магнитном поле, в электрическом поле, ультразвуком, изучены недостаточно и не-вполне отвечают требованиям по экологии. _

В трудах учёных Мухина В. Д., Кононкова П. Ф., Губкина В. Н., Пантиеле-ва Я. X., Галуцкой Н. И., Тараканова Г. И., Медведева В. Г., Петрова Г. Д. и других показано, что использование способа барботирования семян в воде кислородом существенно повышает посевные качества семян, позволяет получить ранние и дружные всходы, не ухудшая питательной, ценности продукции. Ранние и дружные всходы барботированных семян увеличивают вегетационный период растений, повышая в конечном итоге урожай.

В большинстве известных устройств для барботирования семян отсутствует возможность управления процессом барботирования. Это связано с неконтролируемым расходом аэратора при обработке.

Предложена схема устройства, в котором отсутствуют отмеченные недостатки, это следующие факторы:

- предпосевная обработка семян осуществляется при использовании относительно малого количества кислорода за весь период процесса барботарова-ния;

- интенсифицируется процесс предпосевной подготовки семян за счет непрерывного насыщения воды кислородом.

Указанные факторы предложенного устройства обеспечивают наиболее благоприятные условия для предпосевной подготовки семян способом барботирования. Реализация этих возможностей требует решения следующих задач исследований:

- разработать математическую модель и выполнить расчетно-аналитические исследования процесса барботирования семян;

- разработать конструктивно-технологическую схему устройства для барботирования семян свеклы кислородом;

- провести экспериментальные исследования с целью оптимизации технологических параметров исследуемого устройства;

- определить экономические показатели работы устройства при барботи-ровании семян,свеклы кислородом.

Во второй главе «Теоретическое обоснование технологического процесса барботирования семян» представлена схема установки, разработана математическая модель и выполнено расчётно-аналитическое исследование процесса барботирования семян кислородом.

Принципиальная схема установки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема установки для барботирования семян

Обозначения параметров установки, приведенных на рисунке 1: Ск,с,в- сила тяжести кассеты, наполненной семенами и водой, Н; Би, Ртр - центробежная сила, сила инерции и сила трения соответственно, действующие на кассету, воду и семена, Н; V к - скорость перемещения кассеты, м/с; со - угловая скорость вращения ёмкости, мин*1.

В процессе барботирования ёмкость установки вращается вокруг горизонтальной оси с угловой скоростью со. При вращении, кассета, наполненная семенами и водой, перемещается вдоль продольной оси ёмкости. Это перемещение происходит под действием силы тяжести самой кассеты, воды и наполняющих кассету семян - С к, с, в.

При перемещении кассеты, объём полости 3 уменьшается, а полости 1 -увеличивается. Такое изменение объёмов полостей установки приводит к вытеснению кислорода из полости 3 в полость 1 через кассету. Перемещение кислорода происходит так как, при вращении ёмкости сила тяжести кассеты увеличивает давление кислорода в полости 3. В это же время давление кислорода в полости 1 уменьшается из-за увеличения объёма. При истечении кислорода через отверстия нижнего решета образуются пузырьки кислорода, контактирую-

Пузырьки кислорода 6 боде Семена с бодай

щие с семенами и насыщающие кислородом воду. Процесс периодически повторяется при каждом последующем повороте ёмкости.

К преимуществам устройства можно отнести то, что необходимое для бар-ботирования количество кислорода закачивается в ёмкость один раз в процессе подготовки к работе, это позволяет экономно его расходовать.

В таком устройстве для барботирования контакт семян, воды и кислорода происходит непрерывно. Благодаря непрерывности контакта интенсифицируются процессы насыщения семян кислородом и вымывание из них ингибиторов

(замедлителей прорастания семян).

Эффективность процесса барботирования семян, в рассмотренной схеме установки, определяется рядом факторов, наиболее важными из которых являются время перемещения кассеты из одного крайнего положения в другое и размеры пузырьков кислорода. Эти параметры зависят от давления кислорода при наполнении ёмкости установки, от количества и диаметра отверстии в ре-

шётах.

аЛ.

Отметим, что скорость опускания кассеты в ёмкости зависит от проходного сечения решёт кассеты и давления кислорода в ёмкоста при известных геометрических параметрах ёмкости и кассеты. Оптимальному выбору этих параметров соответствует определённая угловая скорость вращения ёмкости.

Математическая модель процесса барботирования представлена системой уравнений 1-11. Модель записана для произвольного положения емкости установки (угол наклона ёмкости с горизонтальной плоскостью равен а).

Г УК-0;

/>(г = 0) = Р2(г = 0) = Р0; . (2)

У1-(1Р1+Р]-с1¥1=к-с1М,; (3)

У1-(1Р2 + Р1-с1У}=к-<1М1-, (5)

(6)

р,'-р'>-</г: (7)

Рг

.¿г.

* >

Рг

' 4-(0.+Л'-У) , + , р. (10)

Р> =-^-+ (1-АЯ ( '

где Vk — скорость перемещения кассеты вдоль оси ёмкости, м/с; Pj, Р2, Рз — давление кислорода, соответственно, в полости ёмкости 1, полости кассеты 2 и полости ёмкости 3, МПа; V/, V2, Уз - объёмы газа, соответственно, в полости ёмкости 1, полости кассеты 2 и полости ёмкости 3, м3; М;, Мь М3 — масса кислорода, соответственно, в полости ёмкости 1, полости кассеты 2 и полости ёмкости 3, кг; Ро - давление кислорода в ёмкости при подготовке устройства к работе, МПа; Pi - давление, действующее на нижнее решето в кассете, создаваемое водой, семенами и кислородом, МПа; т - время процесса, отсчитываемое от его начала, с; цотв - коэффициент расхода газа через отверстия решета; к - постоянная величина, Дж/кг; Snpox - суммарная площадь отверстий решета, м2; AS — относительное значение площади поперечного сечения отверстий решета; р/, р/ - плотность'кислорода, соответственно, в полости 2 и полости 3, кг/м3.

' Выполним анализ этой системы уравнений.

Истечение кислорода через отверстия решёт описано дифференциальными уравнениями 7 и 8. Решение системы требует определения начальных условий. Начальному условию соответствует горизонтальное положение оси ёмкости (угол а = 0), когда скорость перемещения кассеты равна нулю, а давление кислорода во всех полостях одинаковое и равно значению давления при наполнении ёмкости кислородом (уравнения 1 и 2).

Уравнения 3, 4 и 5 системы получены дифференцированием уравнения Клапейрона - Менделеева для идеального газа. По мере опускания кассеты в ёмкости, в полостях изменяются объёмы, давление и масса кислорода. Поэтому справедливо продифференцировать уравнение состояния Клапейрона - Менделеева для идеального газа по трём переменным.

Смысл уравнения, связывающего изменения объёмов кислорода в полостях над кассетой и под ней, очевиден. Изменения этих объёмов равны по абсолютному значению и противоположны по знакам, что описывается уравнением 6.

Изменение количества кислорода в кассете описано уравнением 9.

Уравнения давлений Р2 и Р3, входящие в систему, необходимы для расчёта количества кислорода, проходящего через нижнее решето (уравнение 8). Разность этих давлений позволяет рассчитать расход кислорода через нижнее и верхнее решёта.

Решить полученную нелинейную дифференциальную систему уравнений аналитически не представляется возможным, она была решена численным методом конечных разностей. Для решения была разработана программа расчёта, написанная в языковой среде VBA в программной оболочке AutoCad.

На рисунке 2 приведена блок-схема алгоритма разработанной программы. В основе программы лежит замкнутый цикл. По каждому шагу во времени вы-полняётся расчёт перемещения масс кислорода из одной полости в другую, а также изменения давлений и объемов в них.

йонше дм расчета I ферме I прогромт/ 1

Арифметической поЗгапобко

доиних

Ночолная подготовка иглло

■Н •Н

( Начало Л птгоапны у

! Вйод исходных " 1 данних I

] Подготойм * осной/юну ии*Щ

0

Рисунок 2. Блок-схема программы решения математической модели Реализация устройства для барботиования семян позволяет принять следующие геометрические и технологические параметры, используемые в качестве исходных данных математической модели: высота ёмкости - 700 мм; диаметр ёмкости - 400 мм; высота кассеты - 500 мм; диаметр кассеты - 400 мм; манометрическое давление кислорода в ёмкости - 0,5 МПа; частота вращения

ёмкости - 10 мин'. __„,„„,„

Выполнено исследование процесса барботирования анализом построенных

в процессе работы программы графиков (рисунок 3 и 4).

е Шенк иглчюЛ. «й> _

ю Я) п 05 06 07 08 0.1 10 ПК v Н ч 16 17 19 19 2.0 2.) 22 v 2.1 2.1 16 v 2.9 19 3 0.2 аз и а> ио и/ и» и» ■< ^п^мд.г/шм»»»" «м'1

' - „ И ,, 30 х и и я 60 и 12 76 и »«ип»яиаги«ик» м т во

о 6 12 V я Ш х> ы ™ ™ ¡^юйо/хтсшвст.фй?.

Рисунок 3. Изменение давления кислорода в верхней и нижней полостях по мере опускания кассеты в ёмкости

ОБшпшостт. и1

ш о.2 аз о» 0.5 и ол в.в м го и и ¡з и и и п и !» го и2.2 гз и и и п г» г» з

В/етайортетхт, С ¡чатт Правят ЮтГ/

в б в в я за 36 *2 и я 60 66 п я « ж ж «2 4в ж

¡км поборота енают. гра^/с.

Рисунок 4. Изменение объёма нижней и верхней полостей ёмкости при движении кассеты

На графиках вдоль горизонтальной оси отложено время процесса, от его начала, соответствующее горизонтальному положению оси установки. Графики показывают изменение параметров работы установки при непрерывном перемещении кассеты из одного крайнего положения - в другое, сопровождающееся переходом кислорода через кассету с семенами.

Приведенные результаты получены подбором следующих конструктивных параметров решёт кассеты: диаметр отверстий на решётах кассеты - 1 мм; межцентровое расстояние отверстий — 6 мм.

В третьей главе «Программа и методика проведения экспериментальных исследований» представлена программа и методика экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях.

В задачу экспериментальных исследований входила проверка теоретических положений, а также обоснование оптимальных конструктивно-технологических параметров работы предложенного устройства с целью повышения посевных качеств семян.

Одним из основных показателей качества семян является энергия прорастания (У). Именно на этом показателе было сконцентрировано внимание при исследовании в лабораторных условиях устройства.

С целью проверки теоретических исследований проведены экспериментальные исследования на установке (рисунок 5).

На рисунке 5 представлены схема и общий вид лабораторно-производственной установки для барботирования семян кислородом.

Рисунок 5. Лабораторно-производственная установка для барботирования семян кислородом: а - схема установки, б - общий вид. 1 - манометр; 2 - ёмкость; 3, 8 - крышка и дно кассеты решётчатые; 4 - кассета; 5 - механизм привода ёмкости; 6 - цапфа поворотная; 7 - стойка опорная; 9 - баллон с кислородом; 10"- кран запорно-проходной; 11 - дно ёмкости; 12 -крышка ёмкости; 13 - клапан предохранительный.

Задачей оптимизации технологических параметров являлось достижение режимов работы устройства для барботирования семян, при которых выходной параметр (У) достигал бы своего наибольшего значения.

В качестве варьируемых факторов были приняты: XI - частота вращения ёмкости (п, мин"1); Х2 - величина давления кислорода в момент подготовки устройства к работе (Р, МПа); ХЗ - продолжительность барботирования (т, ч).

Факторы, уровни и шаги их варьирования выбирались на основании полученных теоретических данных, литературных источников и представлены в

таблице 1.

Таблица 1. Факторы и уровни варьирования параметров технологического _процесса_______

Наименование Значения

Наименование фактора Частота вращения ёмкости XI, мин"' Давление кислорода в ёмкости Х2, МПа Про до лж ител ьность барботирования ХЗ, ч

Базовый уровень (0) 10 0,5 8

Интервал варьирования 2,2 0,3 4

Верхний уровень фактора(+1) 12,2 0,8 12

Нижний уровень фактора (-1) 7,8 0,2 4

Функция отклика У - энергия прорастания семян, %

Частота вращения ёмкости изменялась цепным редуктором с изменяемым передаточным отношением. Величина давления кислорода контролировалась манометром. Продолжительность барботирования семян при проведении лабораторных исследований регистрировалась таймером, управляющим обмоткой контактора электродвигателя привода ёмкости.

В экспериментах барботировали семена столовой свеклы сорта «Красный шар». Исследуемый нами показатель качества семян определяли путём проращивания семян в растильнях в лабораторных условиях (рисунок 6).

Рисунок 6. Растильня с разложенными семенами Энергию прорастания вычисляли в процентах. Подсчёт проросших семян осуществляли на 4-е сутки.

В четвёртой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены результаты проведённых лабораторных экспериментов многофакторных испытаний по определению оптимальных параметров устройства для барботирования семян, а также результаты полевых испытаний.

Многофакторный эксперимент проводили по трехуровневому плану второго порядка Бокса-Бенкина.

Расчет коэффициентов математической модели осуществляется при помощи компьютерной программы Statgraphics plus version 2.1 for Windows.

В результате расчета была получена математическая модель процесса барботирования семян в устройстве:

Y = 82,333 + 3,5Хг + 12,25Х3 - 1,575Х,Х3 - 2,205Х,2 - 4,554Х22 - 12,854Х32 Для нахождения максимума полученной функции приравнивали нулю её частные производные. В результате дифференцирования функции отклика по факторам получили следующую систему уравнений:

= -1,575Х,- 4,4 Щ =0;

дХл

■ --— = 3,5 - 9,108^ = 0; — = 12,25-1,575*,-25,708*з = 0.

Решение этой системы даёт следующие координаты точки максимума: Х: -- 0,174; Хг = 0,384; Хз = 0,487.

Перейдя к натуральным значениям факторов, получили: частота вращения ёмкости п = 9,62 мин"1; давление кислорода в ёмкости Р = 0,61 МПа; продолжительность барботирования г = 9 ч. 57 мин. Энергия прорастания семян столовой свеклы сорта «Красный шар» при данных значениях параметров равна 85,9 %.

Для наглядности результатов и более углублённого изучения области оптимума были построены двумерные сечения поверхности отклика, представленные на рисунке 7.

-1 -0.6 -02 02 0.6 1

1 -0.6 -02 0.2 0.6 1

Частота ¡ращения

Рисунок 7. Двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие энергию прорастания семян столовой свеклы сорта «Красный шар» Графоаналитический анализ математической модели по двумерным сечениям позволил определить оптимальные диапазоны значений факторов: частота вращения ёмкости от 9,3 до 10 мин'1; давление кислорода в ёмкости от 0,58 до 0,65 МПа; продолжительность барботирования от 8,96 до 11,16 ч.

Для подтверждения результатов лабораторных исследований образцы семян, барботируемые при найденных оптимальных параметрах устройства, намоченные и сухие, были направлены в независимую лабораторию ФГБУ «Нижегородский референтный центр федеральной службы по ветеринарному и фи-тосанитарному надзору». В таблице 2 представлены результаты испытаний, проведённых лабораторией по определению энергии прорастания и всхожести семян.

Таблица 2. Результаты лабораторных исследований

Определение посевных качеств семян Сухие семена Намоченные семена Барботирован-ные семена НД на методы испытаний

Энергия прорастания 43% 54% 81% ГОСТ 12038-84

Всхожесть 73% 77% 85%

Анализируя таблицу 2, можно сделать вывод, что энергия прорастания барботированных семян на 38% превышает энергию прорастания сухих и на 27% энергию прорастания намоченных семян. Из таблицы также видно, что всхожесть барботированных семян выше всхожести намоченных семян и сухих.

Таким образом, можно сделать следующий вывод: использование способа барботирования семян кислородом должно обеспечить получение более дружных и выровненных всходов на посевах.

Для определения временной разницы по всходам, а также урожайности барботированных и сухих семян, осуществляли их посев на производственном участке хрестьянско-фермерского хозяйства «Балабин Владимир Викторович» в Арзамасском районе Нижегородской области.

Проведя полевые испытания, получили следующие показатели: всходы барботированных семян появились на 9-е сутки, всходы не барботированных семян - на 14-е сутки.

Учёт урожая проводили методом взвешивания всего урожая с обеих делянок по отдельности. Учитывали каютоварную, так и нетоварную продукцию.

Полевые испытания дали следующие результаты: урожай столовой свеклы с делянки, засеянной не барботированными семенами, составил 2055 кг (на 1 га - 29357 кг), а с делянки, засеянной барботированными семенами - 2170 кг (на 1 га-31000 кг).

В пятой главе «Экономическая эффективность использования устройства для барботирования семян свеклы кислородом» производился расчет экономической эффективности устройства сравнением двух технологий:

- возделывание столовой свеклы барботированным семенным материалом;

- возделывание столовой свеклы по классической технологии (посев сухими семенами).

Лабораторно-производственная установка позволяет вместить 10 кг семян свекль;. Инвестиции в изготовление установки составляют 38.390 руб. Продолжительность хранения барботированных семян - до одного месяца. При норме высева столовой свеклы 8 кг/га и площади посева 31 га общий годовой экономический эффект от использования устройства - 101.126 руб. (в ценах 2011 г). Срок окупаемости инвестиций в изготовление устройства составляет 10 дней его эксплуатации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель и выполнены расчетно-аналитические исследования процесса барботарования, что позволило определить следующие конструктивно-технологические параметры устройства: манометрическое давление кислорода в ёмкости - 0,5 МПа; частота вращения емкости - 10 мин"1; диаметр отверстий на решётах кассеты - 1 мм; межцентровое расстояние отверстий - 6 мм.

2. Разработана конструктивно-технологическая схема устройства для барботарования семян свеклы кислородом, позволяющая снизить расход кислорода на обработку семян на 93,3% и интенсифицирующая процесс за счет непрерывного насыщения воды кислородом. ;

3. В результате экспериментальных исследований получены оптимальные значения технологических параметров устройства для барботарования семян свеклы: частота вращения ёмкости от 9,3 до 10 мин' ; давление кислорода в емкости от 0,58 до 0,65 МПа; продолжительность барботарования от 8,96 до 11,16

ч.

4. Испытания в хозяйственных условиях показали преимущества разработанного устройства для барботарования семян. Всходы барботированных и сухих семян появились соответственно на 9-е и 14-е сутки.

Результаты лаборатории ФГБУ «Нижегородский референтный центр федеральной службы по ветеринарному и фитосанитарному надзору» показали, что влияние кислорода на прорастание семян существенно. Энергия прорастания барботированных семян выше энергии прорастания сухих семян и намоченных соответственно на 38% и 27%. Всхожесть барботированных семян выше всхожести сухих семян и намоченных соответственно на 12% и 8%.

5. Расчётный годовой экономический эффект от использования устройства при барботировании семян столовой свеклы составил 101.126 руб. на площади посева 31га. Расчётный срок окупаемости инвестиций в изготовление устройства составляет 10 дней его эксплуатации.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ

1. Кузнецов А. В. Устройство для барботарования семян / А. В. Кузнецов // Сельский механизатор,-2010,-№11.-С. 11.

2 Кузнецов А. В.' Оптимизация параметров установки для предпосевной подготовки семян овощных культур / А. В. Кузнецов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - №1. - С. 3 - 4.

3 Кузнецов А. В. Теоретическое обоснование режимов работы устройства для барботарования семян / А. В. Кузнецов // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - 2011. - №2, часть 2. - С. 32 - 36.

Статьи в других изданиях, включая труды научно-технических конференций

4. Козлов А. В. Предпосевная обработка семян - барботирование кислородом / А. В. Козлов, В. Н. Забелин, А. В. Кузнецов // Совершенствование технологий производства и повышение качества продукции растениеводства. Сборник научных трудов. - Н.Новгород: НГСХА, 2008. - С. 211 - 216.

5. Кузнецов А. В. Барботирование кислородом - эффективный способ предпосевной подготовки семян / А. В. Кузнецов, А. В. Козлов // Проблемы сельскохозяйственного производства. Сборник материалов научно-практической конференции студентов и преподавателей по итогам 2008 - 2009 учебного года. - Н.Новгород: НГСХА, 2009. - С. 45 - 48.

6. Козлов А. В. Результаты теоретических исследований основных процессов, происходящих в устройстве для предпосевной подготовки семян овощных культур способом барботирования / А. В. Козлов, А. В. Кузнецов // Проблемы сельскохозяйственного производства. Сборник материалов научно-практической конференции студентов и преподавателей по итогам 2009 - 2010 года. - НБовгород: НГСХА, 2010. - С. 55

7. Козлов А. В. Применение барботажа для предпосевной подготовки семян овощных культур / А. В. Козлов, А. В. Кузнецов // Ресурсосберегающие технологии и технические средства в агропромышленном комплексе. Сборник материалов международной научно-практической конференции. - Н.Новгород: НГСХА, 2010. - С. 288 - 291.

8. Козлов А. В. Увеличение размеров пузырьков кислорода при прохождении объёма жидкости / А. В. Козлов, А. В. Кузнецов // Ресурсосберегающие технологии и технические средства в агропромышленном комплексе. Сборник материалов международной научно-практической конференции. - Н.Новгород: НГСХА, 2010. - С. 292 - 295.

9. Кузнецов А. В. Устройство для предпосевной подготовки семян овощных культур методом барботирования / А. В. Козлов, А. В. Кузнецов // Сборник материалов XIV Нижегородской сессии молодых ученых. Технические науки. -Н.Новгород, 2010. - С. 15 - 16.

10. Козлов А. В. Поиск оптимальных параметров установки для барботирования семян / А. В. Козлов, А. В. Кузнецов // От Великой Победы - к современности: инновационный путь развития АПК. Материалы международной научно-практической конференции. - Княгинино: НГИЭИ, 2010. - С. 220.

Патенты

11. Патент РФ на полезную модель №86382 МПК А01С1/00. Устройство для подготовки семян к посеву / А. В. Козлов, Е. И. Кистанов, А. В. Кузнецов (РФ). -№2009101628; Заявлено 19.01.2009, Опубл. 10.09.2004, Бюл. №31.

12. Патент РФ на полезную модель №103438 МПК А01С1/00. Устройство для подготовки семян к посеву / А. В. Кузнецов, А. В. Козлов, Е. И. Кистанов, (РФ). -№2010138878/21; Заявлено 21.09.2010, Опубл. 20.04.2011, Бюл. №11.

13. Патент РФ на полезную модель №110220 МПК А01С7/20. Сошниковая секция овощцой сеялки / А. И. Новожилов, Е. И. Кистанов, А. В. Козлов, М. В. Ошурков, А. В. Кузнецов, Ю. А. Вайсман (РФ). - №2011113053; Заявлено 05.04.2011, Опубл. 20.11.2011, Бюл. №32.

Подписано в печать 15.02.2012 Формат 60x84 1/16. Печать офсетная Печ.л. 1 Тираж 100 экз. Заказ-№ 55 Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия 603107, г. Нижний Новгород, проспект Гагарина, 97

Типография НГСХА

ФГБОУ ВПО «НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

61 12-5/1745

На правах рукописи Кузнецов Александр Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРЕДПОСЕВНОЙ ПОДГОТОВКИ

СЕМЯН СВЕКЛЫ С ОБОСНОВАНИЕМ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ БАРБОТИРОВАНИЯ КИСЛОРОДОМ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат сельскохозяйственных наук, профессор А.В. Козлов

Нижний Новгород 2012 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.................. 9

1.1 Предпосевная подготовка семян свеклы - важнейший элемент агротехники..................................................................................... 9

1.2 Анализ существующих способов и устройств для предпосевной подготовки семян свеклы............................................................. 11

1.2.1 Отбор семян по величине, массе и жизнеспособности....................13

1.2.2 Обеззараживание семян..................................................................................................17

1.2.3 Обработка семян ультразвуком..............................................................................19

1.2.4 Применение электрического поля........................................................................20

1.2.5 Применение магнитного поля....................................................................................21

1.2.6 Облучение лазером............................................................................................................22

1.2.7 Воздействие ионизирующими излучениями..............................................23

1.2.8 Дражирование семян............................................................................................................24

1.2.9 Термическая обработка семян....................................................................................26

1.2.10 Намачивание и проращивание семян............................... 27

1.2.11 Барботирование семян................................................ 28

1.3 Классификация существующих устройств для барботирования семян 31 Задачи научных исследований................................................... 38

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА БАРБОТИРОВАНИЯ СЕМЯН СВЕКЛЫ........................................... 39

2.1 Объект исследования и принцип его работы............................. 39

2.2 Расчётно - аналитическое исследование устройства для барботирования семян................................................................................. 40

2.2.1 Основные обозначения и начальное положение устройства.... 40

2.2.2 Основные допущения и требования к расчёту и работе устройства.................................................................................... 42

2.2.3 Математическая модель при вертикальном расположении оси ёмкости устройства................................................................... 44

2.2.3.1 Зависимости, описывающие силы тяжести элементов установки и давления кислорода в полостях ёмкости........................... 52

2.2.3.2 Особенности компоновки отверстий в решете............... 53

2.2.4 Математическая модель при непрерывно вращающейся ёмкости

устройства...............................................................................................55

2.2.4.1 Математическое описание сил, действующих на кассету 56

2.2.4.2 Коэффициент расхода газа через отверстия решета................58

2.3 Описание программы расчёта математической модели..................................61

2.3.1 Особенности программы расчёта математической модели................63

2.3.2 Начальные значения параметров математической модели................65

2.4 Результаты исследования процесса барботирования семян в устройстве для предпосевной подготовки полученные путём расчётов................. 67

2.4.1 Изменение давлений в полостях ёмкости установки............... 67

2.4.2 Изменение количества кислорода в полостях ёмкости установки и изменение объёмов её полостей................................................ 70

Выводы по разделу........................................................................ 72

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................................................................................................73

3.1 Программа экспериментальных исследований........................................................73

3.2 Лабораторно-производственная установка для барботирования семян кислородом................................................................................................................................................................74

3.3 Методика лабораторных исследований..........................................................................81

3.4 Метод многофакторного планирования..........................................................................82

3.5 Экспериментальные исследования в производственных условиях.... 87

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................89

4.1 Результаты планирования эксперимента............................................................................89

4.2 Результаты лабораторных испытаний проведённых в ФГБУ «Нижегородский референтный центр»....................................................................................................................98

4.3 Результаты полевых испытаний..........................................................................................100

Выводы по разделу............................................................................................................................................101

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСТРОЙТ-СВА ДЛЯ БАРБОТИРОВАНИЯ СЕМЯН СВЕКЛЫ КИСЛОРОДОМ...... 103

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

108

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

109

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................... 119

Приложение 1. Патенты РФ на полезные модели.

Приложение 2. Текст программы расчёта математической модели процесса барботирования в исследуемом устройстве.

Приложение 3. Заключение испытательной лаборатории ФГУ «Нижегородский референтный центр федеральной службы по ветеринарному и фитоса-нитарному надзору» и аттестат аккредитации.

Приложение 4. Акты внедрения.

Приложение 5. Расчёт экономической эффективности устройства для барботирования семян.

Приложение 6. Фотографии устройств, осуществляющих регулировки технологических параметров работы установки.

Приложение 7. Фотографии процесса высева семян на производственном участке и наглядная разница всходов столовой свеклы сорта «Красный шар».

Приложение 8. Грамоты за участие на научных конференциях.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

В сельскохозяйственном производстве возделывается свекла столовая, сахарная и кормовая. Столовая свекла используется как продукт питания, сахарная - в промышленности для производства сахара, кормовая - для скармливания животным.

В настоящее время производство всех видов свеклы испытывает значительные трудности. Цены на энергоносители, тракторы, сельскохозяйственную технику, минеральные удобрения и пестициды, с каждым годом повышаются, а закупочные цены на свеклу остаются на низком уровне.

Преодоление этих трудностей возможно путем совершенствования технологических процессов, связанных с выращиванием свеклы, и не в последнюю очередь операций, направленных на повышение всхожести и сокращение продолжительности прорастания семян. Большое внимание сегодня уделяется способам предпосевной подготовки, позволяющим получить экологически чистые продукты растениеводства. Некоторые способы предпосевной подготовки семян сложны в осуществлении и требуют применения пестицидов в период вегетации. Это связано с большими экономическими затратами на подготовку семян, а пестициды неблагоприятно влияют на окружающую среду и здоровье человека.

Перспективным является способ барботирования семян кислородом и создание машин, работающих с минимальными экономическими затратами на проведение этой операции.

Работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Нижегородская ГСХА» на 2010-2015 годы, номер государственной регистрации 01.200-005768 - по теме «Усовершенствование технологий и средств механизации возделывания овощных культур и свеклы в условиях Нижегородской области».

Цель исследования

Повышение урожайности свеклы путём разработки устройства для предпосевной подготовки семян барботированием кислородом.

Объект исследования

Технологический процесс предпосевной подготовки семян свеклы способом барботирования и устройство для его осуществления.

Методика исследования

Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений законов и методов классической механики, гидравлики и математики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях в соответствии с действующими стандартами, а также методиками, разработанными с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Обработка результатов расчётов и экспериментов выполнялась на ПЭВМ с использованием программ Visual BASIC в среде VBA и Statistica.

Научная новизна работы:

- теоретически обоснованы основные параметры устройства для обработки семян перед посевом;

- получены оптимальные конструктивно-технологические параметры рабочего процесса устройства для барботирования семян.

Практическая значимость и реализация результатов исследований:

- разработано устройство для барботирования семян кислородом (патенты РФ №103438, №86382 на полезную модель);

- разработана математическая модель процесса барботирования семян в предложенной установке;

- выполнены лабораторные и производственные испытания устройства для предпосевной подготовки семян свеклы и получены рекомендации для его внедрения в производство.

Лабораторно-производственная установка изготовлена и прошла опытно-производственную проверку в КФХ «Балабин Владимир Викторович» Арзамасского района и в СПК «Колхоз «Красный маяк»» Городецкого района Нижегородской области.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-практических конференциях: ФГБОУ ВПО «Московский ГАУ» (г. Москва, 2010 - 2011 г.); ФГБОУ ВПО «Нижегородский ГИЭИ» (г. Княгинино, 2010 г.); ФГБОУ ВПО «Нижегородская ГСХА» (г. Н.Новгород, 2010 г.); Нижегородская сессия молодых ученых (г. Н.Новгород, 2010 г.); участие во 2-м туре Всероссийского конкурса научных работ (г. Уфа, 2011 г.); ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» (г. Саранск, 2011 г.); ГНУ «НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии» (г. Киров, 2011 г.).

Результаты исследований представлялись в качестве инновационного проекта на молодежном научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, «Н.Новгород» (2010-2012г.), в результате которого заключены государственные контракты на выполнение НИОКР по теме диссертационной работы.

Основные положения диссертации опубликованы в 13 научных работах, в т. ч. в 3 патентах РФ на полезные модели.

На защиту выносятся следующие положения:

- математическая модель процесса барботирования семян в разработанном устройстве;

- конструктивно-технологическая схема устройства для барботирования семян кислородом;

- результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний устройства для барботирования семян свеклы кислородом;

- экономическая эффективность от использования предлагаемого устройства для барботирования семян свеклы в условиях крестьянских (фермерских) хозяйств.

Публикации. По основным положениям диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 Патента РФ на полезную модель, 3 статьи опубликованы в изданиях, рекомендуемых «Перечнем.. .ВАК».

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа содержит 150 страниц машинописного текста, 48 рисунков, 13 таблиц и 8 приложений. Список литературы включает 99 наименования, из которых 3 на иностранном языке.

Ключевые слова: семенной материал, предпосевная подготовка, устройство для барботирования семян.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Предпосевная подготовка семян свеклы- важнейший элемент

агротехники

Выращивание растений - длительный и очень сложный процесс. Много разнообразных работ приходится выполнить, пока соберут урожай и свезут его в закрома, но всегда выращивание урожая начинается с посева семян в почву. К нему готовятся задолго, чтобы как можно быстрее провести сев. В цикле сельскохозяйственных работ видно, что о семенах заботятся непрерывно в течение всего года [26]. Многолетний опыт показывает - предпосевная подготовка семян свеклы является важнейшим резервом повышения урожайности, снижения себестоимости продукции и улучшения ее качества [68]. Сильные, ранние, дружные всходы оптимальной густоты появляются одновременно. Это способствует облегчению ухода за посевами, повышает урожайность и снижает угне-таемость растений сорняками [40].

Семена высеваются в почву, в которой растут, размножаются, борются между собой за место и за пищу разнообразные животные организмы, личинки многих насекомых, черви и др. Семена, попавшие в почву, подвергаются воздействию множества микроорганизмов, которые стремятся использовать запасные вещества семени для собственного питания. Если семя устоит против такого угнетения, то всходы появятся, если победят микроорганизмы, оно погибнет. Поэтому, необходимо широко использовать приёмы, способствующие повышению устойчивости семян свеклы и проростков к опасным микроорганизмам, живущим в почве [26].

Семена свеклы относятся к тугорослым, т.е. имеют низкую энергию прорастания и всхожесть. Преодолеть это удаётся с помощью различных мер предпосевной подготовки семян, таких как: обработкой различными стимуляторами, воздухом или кислородом, намачиванием.

Посевы семян свеклы нередко бывают изреженными, либо загущенными [59]. Во избежание этого осуществляют такие мероприятия для повышения

урожайности как: равномерный и точный посев, дражирование семян, использование тёрочных машин. Другие способы подготовки семян свеклы к посеву -сортирование, обеззараживание, облучение семян, также нашли широкое применение в сельскохозяйственной практике.

Значение предпосевной подготовки семян при выращивании свеклы трудно переоценить. Очень важно получить всходы в ранние сроки после посева. Результат - повышенная устойчивость культурных растений к сорнякам, увеличенный вегетационный период растений, а в конечном итоге урожайность. Некоторые приёмы предпосевной подготовки позволяют ослабить влияние неблагоприятных погодных условий, помогая в период весеннего похолодания или высокой температуры начать процессы роста благодаря искусственному пробуждению зародыша в семенах.

На прорастание семян свеклы влияют различные свойства почвы, главные из которых - температура, влажность, воздушный режим и физико-механический состав. Наряду с благоприятными свойствами почвы, на семена воздействуют и негативные, особенно ярко проявляющиеся при некачественной предпосевной подготовке почвы, что нередко происходит на практике. При этом не всегда создаются оптимальные условия для пробуждения семян, в результате затягивается период их прорастания.

В таких условиях особенно важны приёмы подготовки семян, которые обеспечивают лучшую адаптацию проростка к неблагоприятным полевым условиям, ускоряют появление всходов [40].

При выращивании свеклы в производственных условиях, индивидуального огорода, крестьянских (фермерских) и личных подсобных хозяйствах, предпосевная подготовка семян - один из важнейших элементов агротехники, позволяющий сократить время появления всходов, повысить всхожесть, а в конечном итоге - урожайность растений. Словом, справедливо высказывание «Урожай начинается с семян» [59].

Принимая во внимание вышеизложенное, делаем вывод о том, что различные приёмы предпосевной подготовки семян свеклы позволяют оздоровить

растительный организм - повышая устойчивость растений к болезням и другим негативным воздействиям среды, в итоге увеличивая урожай культуры. Некоторые существующие методы требуют тщательного рассмотрения процесса предпосевной подготовки и поиска наилучших способов, удовлетворяющих требованиям проращивания семян свеклы при этом, не причиняя вреда окружающей среде, жизни и здоровью людей.

1.2 Анализ существующих способов и устройств для предпосевной подготовки семян свеклы

В растениеводстве в условиях крестьянских (фермерских) хозяйств, свекловоды используют различные способы предпосевной подготовки семян. Разнообразие этих способов объясняется физиологическими особенностями семян, требованиями к их подготовке, а также эффективностью устройств, обеспечивающих высокие технико-экономические требования и отвечающие условиям безопасной эксплуатации.

На основе анализа литературных источников [3, 14, 30, 40, 59, 60, 78, 87], различают следующие способы предпосевной подготовки семян свеклы (рисунок 1.1):

- отбор семян по величине, массе и жизнеспособности;

- обеззараживание семян;

- обработка семян ультразвуком;

- применение электрического поля;

- применение магнитного поля;

- облучение лазером;

- воздействие ионизирующими излучениями;

- дражирование семян;

- термическая обработка семян;

- намачивание и проращивание семян;

- барботирование семян.

Ниже приводится описание применения способов подготовки семян к посеву.

я

о ^

Я о я

I

«

и р

о о я

s «

р

а

я »

о

я

о

о

о

о\

о

и

а hö cd to Я о о cd w Я О

я<

я о

to

<-¡

о н о

и «

я о

cd

s

Я

1.2.1 Отбор семян по величине, массе и жизнеспосо�