CC BY
4УДК 621.317.329: 621.359.7
:№ 3(19), 2015
Хныкина А. Г. , Рубцова Е. И., Копылова О. С., Хайновский В. И. Khnikina A. G., Rubtsova E. I., Kopylova O. S., Khainovsky V. I.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ АКТИВАТОРА ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ.
ELECTRIC AND MECHANICAL PARAMETERS OF ACTIVATOR OF IMPULSIVE ELECTRIC-FIELD
В статье рассматриваются результаты экспериментального измерения временных параметров импульсов электрического поля, формируемых генератором импульсных напряжений для активатора установки предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур (крупносеменных и мелкосеменных). Экспериментально установлено, что рациональный угол наклона корпуса активатора к горизонтальной опоре равен 22-23 градуса, а соответствующий коэффициент трения скольжения - 0,40.
Ключевые слова: импульсное электрическое поле, частота и амплитуда импульсов напряжения.
In the article the results of experimental measurement of time parameters of electric field pulses generated by the pulse voltage generator activator for installation of presowing treatment of seeds of agricultural crops (large-seeded and small-seeded). It was established experimentally that a rational angle to horizontal flat equal to 22-23 degrees, and the corresponding coefficient of sliding friction is - 0,40.
Key words: pulsed electric field, the frequency and amplitude of the voltage pulses.
Хныкина Анна Григорьевна -
кандидат технических наук, ассистент кафедры физики
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8-928-314-0684
E-mail: ssau@mail.ru
Рубцова Елена Ивановна -
кандидат технических наук, доцент кафедры физики
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8-988-702-73-30
E-mail: ssau@mail.ru
Копылова Оксана Сергеевна -
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8-918-867-45-64
E-mail: ssau@mail.ru
Хайновский Владимир Иванович -
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8-906-489-41-08
E-mail: vl.khain@ yandex./ru
Khnikina Anna -
candidate of technical Sciences, assistant of the Department of physics of the Stavropol state agrarian University Stavropol
Tel.: 8-928-314-0684 E-mail: ssau@mail.ru
Rubtsova Elena -
candidate of technical Sciences, associate Professor of physics Department of the Stavropol state agrarian University Stavropol
Tel.:8-988-702-73-30 E-mail: ssau@mail.ru
Kopylova Oksana -
candidate of physico-mathematical Sciences, associate
Professor of physics
Stavropol state agrarian University
Stavropol
Tel.: 8-918-867-45-64 E-mail: ssau@mail.ru
KhainovskyVladimir -
candidate of physico-mathematical Sciences, associate
Professor of physics
Stavropol state agrarian University
Stavropol
Tel. 8-906-489-41-08 E-mail: vl.khain@ yandex.ru
На кафедре физики Ставропольского государственного аграрного университета в течении последних 15 лет проводятся исследования по предпосевной обработке семя сельскохозяйственных культур импульсным электрическим полем [1-8]. Для этого применялся ряд установок: установка, изготовленная на ЗАО «НПО ФИД - Техника» ( г. Санкт-Петербург), Спектр-1 и УПОС-1. В предлагаемой работе представлены результаты исследований электрических и механических параметров установки УПОС-1. Уста-
новка для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур импульсным электрическим полем УПОС-1 была разработана и изготовлена сотрудниками кафедры физики СтГАУ совместно с конструкторским отделом ООО «Электроавтоматика». Ее основные электрические параметры следующие: амплитуда импульсного напряжения - 2001600 В, длительность импульсов напряжения - 5-50 мкс., частота повторения импульсов - 20-300 Гц. Экспериментальный стенд для ее исследования представлен на рис. 1.
56
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
Рисунок1 - Исследовательский макет установки УПОС-1.
Измерения временных характеристик генератора sliding friction is 0.40, высоковольтных импульсов напряжения, предназначенного для работы активатора.
Экспериментальное исследование
электрических параметров активатора
Для изучения формы импульсов, создаваемых генератором, был изготовлен делитель напряжения с коэффициентом деления (т.е. уменьшения) К=6400 (рисунок 3.5)
Рисунок 2 - Электрическая схема резисторного делителя напряжения. Коэффициент ослабления
К=6400; Я2= И3= Я4=4,7 кОм; И5=5,1 Ом; Я7=75 Ом; Ь=90^120 мкГн, Я1=100 Ом - соответственно индуктивность и сопротивление выходного каскада генератора
Поскольку исследуемые импульсы напряжения имели большую амплитуду (до и=1600 В), то делитель напряжения изготовлен на основе керамических резисторов, способных рассеивать достаточно большие тепловые мощности. С делителя напряжения сигнал подавался на осциллограф марки WON-7102 (Ттах<100 МГц) через соответствующий выходной кабель (щуп), уменьшающий входную емкость осциллографа в 10 раз (до 4 пФ).
Выходной усилительный каскад высоковольтного импульсного генератора создан на основе высоковольтного импульсного трансформатора. Поэтому формируются высоковольтные импульсы напряжения обеих полярностей, следующие поочередно друг за другом с одинаковой скважностью.
Необходимо отметить, что времена зарядки и разрядки электрической емкости активатора определяются постоянной времени LRист-цепочки выходного каскада генератора, которая рассчитывается по соотношению:
( Ь Л т = 2,2 Ь
R
V ист У
1
По оценкам (информации) от разработчиков генератора импульсов (ОАО «Электроавтоматика») индуктивность выходного каскада генератора составляет величины 250^350 мкГн. Этому соответствует диапазон постоянных времени LRист-цепочки: 5,5 мкс < т < 7,7 мкс.
При подключении к генератору активатора по обработке семян влиянием СRут-цепочки, т.е. разрядом емкости активатора - С через шунтирующее ее сопротивление утечки Rут можно пренебречь, поскольку соответствующая постоянная времени разряда очень велика - в 5000 раз превосходит постоянную времени LRист-цепочки.
Действительно при Rут=120 мОм для и=200 В и d=0,05 м и С=148 п получаем:
т = 2,2 • Яут • С - 39 нс (2) На рисунке 3 изображены осциллограммы импульсов положительной (а) и отрицательной (б) полярностей амплитудами И-1600 В, частотой повторения импульсов у=1000 Гц и длительностью 50 мкс. В качестве второго примера на рисунке 4 представлены осциллограммы импульсов меньшей длительности тимп=40 мкс, у=600 Гц, И-1600 В.
Рисунок 3 - Осциллограммы импульсов напряжения: а) положительного; б) отрицательного: тимп=50 мму, у=600 Гц, и=1600 В (коэффициент ослабления (деления) напряжения - 6400, масштабы: по горизонтали - х=10мкс/дел; по вертикали - у=5мВ/дел)
в
естник АПК
Ставрополья
:№ 3(19), 2015
а)
imjllll
i i \ nvjimWin ТШ ТШ j,l. p ••••¡••••ir-- un mi mi mi
mMiiwuiwiimijmijmi
Mll|ll»int1 1 iiiiinn
' Т i 1 isnliiii 1 i
J
i t 1 1 |
б)
Рисунок 5 - Определение углов наклона активатора: Ь - длина, испытываемой поверхности образца, И - высота подъема
Для определения углов наклона измеряли высоту подъема И (рисунок 3.4) и вычисляли углы по соотношению
ос„.
h
= arcsini — (3.i;
Рисунок 4 - Осциллограммы импульсов напряжения: а) положительного; б) отрицательного: т^=40 мкс,/=600 Гц, и=1600 В (коэффициент ослабления (деления) напряжения - 6400, масштабы: по горизонтали - х=10мкс/дел; по вертикали - у=5мВ/дел)
Характерной особенностью формы импульсов является спад вершины положительных импульсов, особенно проявляющийся на меньших длительностях импульсов напряжений. Кроме того, имеются «хвостовые» выбросы во время разрядки конденсатора активатора, увеличивающие время Тррзаа.
С учетом указанных особенностей импульсов напряжений генератора оценка характерных времен фронта и среза по рассмотренным осциллограммам дает величины: тфр=3 мкс и тсреза=10 мкс, что количественно согласуется с приведенными теоретическими оценками.
Таким образом, при установке длительности импульсов напряжений следует учитывать длительности фронта и среза, т.е. добавлять их полусумму к номинальной длительности импульсов. Например, при тимп=30 мкс для оптимального режима обработки семян лука добавляем 6,5 мкс, так что в качестве реальной длительности импульсов следует брать величину Тимп~36 мкс.
Экспериментальное определение коэффициента трения скольжения семян
лука. Производительность активатора.
Экспериментальная оценка коэффициента трения скольжения семян лука была выполнена в опытах для двух металлических поверхностей: стали и фольгированнного медью текстолита (рисунок 3.4). Для качественного сравнения аналогичные опыты были выполнены для поверхностей гладкой (шлифованной) фанеры и писчей бумаги.
Опыты заключались в следующем: на выбранный образец поверхности, расположенный горизонтально, помещали семена лука на расстоянии Ь=300 мм от нижнего края поверхности. Затем испытываемый образец медленно поднимали за противоположный край. При достижении соответствующего критического угла наклона -акр семена лука начинали просыпаться вниз. Их просыпание заканчивалось при несколько большем угле наклона.
Поскольку, согласно (2.40) имеем:
fc
sinaKp =
(3)
(4)
то отсюда получаем выражение для оценки соответствующего коэффициента сопротивления активатора -fc семян лука:
sin am
i = , " . (5)
4
1 - sin2 a.
кр
Полученные экспериментальные результаты измерений, представлены в таблице 1.
Анализ этих результатов показывает, что значения углов акр и величин коэффициента / для металлических поверхностей соответствуют теоретическим значениям.
Необходимо также подчеркнуть, что коэффициент трения скольжения определяет скорость свободного движения («падения») семян по наклонной плоскости, однако в предлагаемой конструкции активатора эта скорость меньше и определяется линейной скоростью вращения тормозящего барабана, установленного в нижней части активатора.
58
,,„ „„„,„,„,„„,„„. Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
Таблица 1 - Критические углы наклона акр и соответствующие им коэффициенты трения скольжения / для поверхностей нескольких материалов
Материал Металл (сталь) Медный фольгированный текстолит Гладкая фанера Писчая бумага
h, мм 100-125 95-12 0 150-180 125-140
sina 0,33-0,417 0,317-0,40 0,5-0,6 0,417-0,467
акр, 19,3-25,5 18,5-23,6 30-37 24,7-27,8
a ° 22,4 21,1 33,5 26,3
fc 0,35-0,46 0,334-0,436 0,58-0,75 0,464-0,53
fc кр 0,41 0,39 0,67 0,50
Для лабораторной установки «УПОС-1» имеющей размеры: ширина - 0,2 м, длина - 0,4 м, толщина - 0,05 м, скорость движения семян лука в активаторе равна:
^ = = 0,05м / с, (6)
для времени обработки 8 с на частоте 600 Гц.
Поскольку диаметр тормозящего барабана равен d=0,08 м, то линейная скорость его вращения должна быть равна 0,05 м/с. При этом частота вращения барабана равна: 0,05 м
п =-= 1,25об / с. (7)
0,04м ■ с
Оценку соответствующей производительности активатора установки «УПОС-1» сделаем по соотношению:
Ч = Я попер -Реем 'А (8)
где £„„„^,=0,2-0,05=0,01 - поперечное сечение активатора, м2; рсем=950 - плотность семян лука, кг/м3; (3=0,65 - коэффициент заполнения объема активатора. Тогда получаем:
Ч = 0,31кг / с = 1112кг / ч. (9)
Для разрабатываемой промышленной установки «УПОС-2», имеющей большие размеры активатора: ширина - 0,75 м, длина - 1,2 м, толщина - 0,05 м и соответствующую скорость движения семян равную 0,15 м/с. Производительность существенно больше и равна 3,5 кг/с (12500 кг/ч).
Литература
1. Хайновский В. И., Стародубцева Г. П., Рубцова Е. И. Предпосевная стимуляция семян сои импульсным электрическим полем // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 10. С. 17-18.
2. Хайновский В. И., Копылова О. С. Определение диэлектрической проницаемости семян по емкости плоского измерительного конденсатора // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2009. № 3. С. 13-14.
3. Хайновский В. И., Копылова О. С. Конструктивные особенности установки для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур импульсным электрическим полем // Альманах современной науки и образования. 2009. № 12-1. С.135-137.
4. Копылова О. С. Особенности движения капли магнитной жидкости в магнитном и электрическом полях: диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук / Ставропольский государственный аграрный университет. Ставрополь, 2006.
5. Хайновский В. И., Козырев А. Е. Оценка степени заполнения семенами сельскохозяйственных культур измерительного объема // Вестник АПК Ставрополья. 2011. № 2 (2). С. 41-42.
6. Козырев А. Е., Хайновский В. И., Копылова О. С., Никитин П. В. Определение ди-
References
1. Haynovsky V. I., Starodubtseva G. P., RubtsovE. I. Presowing stimulation of soybean seeds pulsed electric field // Mechanization and electrification of agriculture. 2007. № 10. C. 17-18.
2. Haynovsky V. I., Kopylov O. S. Determination of the dielectric constant of the seed container flat measuring capacitor // Mechanization and electrification of agriculture. 2009. № 3. C. 13-14.
3. Haynovsky V. I., Kopylov O. S. Structural features of the plant for pre-treatment of crop seeds pulsed electric field // Almanac of modern science and education. 2009. № 12-1. P. 135-137.
4. Kopylova O. S. Features of the drop of the magnetic fluid in the magnetic and electric fields: the dissertation for the degree of candidate of physical and mathematical sciences / Stavropol State Agrarian University. Stavropol, 2006.
5. Haynovsky V. I., Kozyrev A. E. Assessment of the degree of filling the seed crop volume measurement // Herald of agribusiness Stavropol. 2011. № 2 (2). S. 41-42.
6. A. E. Kozyrev, Haynovsky V. I., Kopylov O. S., Nikitin P. V. Determination of the dielectric parameters of seed crops, taking into account the side effects of the electric field of the measuring capacitor // multidisciplinary network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2013. № 85.
:№ 3(19), 2015
электрических параметров семян сельскохозяйственных культур с учетом эффектов бокового электрического поля измерительного конденсатора // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2013. № 85. С.33-42.
7. Хайновский В. И., Копылова О. С., Козырев А. Е. Расчет доз воздействия импульсного электрического поля на семенной материал // Аграрная Россия. 2012. № 9. С. 37-40.
8. Хайновский В. И., Козырев А. Е. Копылова О. С., Никитин П. В. Расчет статической диэлектрической проницаемости дисперсных систем со сферическими включениями // Научное обозрение: теория и практика. 2013. № 1. С. 3-10.
C. 33 - 42.
7. Haynovsky VI Kopylov OS Kozyrev AE Calculation of doses of pulsed electric field on seed // Agrarian Russia. 2012. №9. Pp 37 - 40.
8. Haynovsky VI, Kozyrev AE Kopylov OS, Nikitin PV Calculation of the static dielectric permittivity of disperse systems with spherical inclusions // Scientific Review: Theory and Practice. 2013. №1. S. 3 - 10.
