CC BY
45
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
УДК 631.362.36:633
В.И. Тарушкин, доктор техн. наук
Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕПАРИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ
ская проницаемость е^, эффективная поверхность
Три характерных участка, по которым проходят части общего потока электрической индукции в рабочем органе диэлектрических сепарирующих устройств (ДСУ), изображены на рис. 1 [1]. Первый — соприкасающиеся между собой части изоляции электродов. Этот участок характеризуется диэлектрической проницаемостью еи, эффективной поверхностью еи, через который проходит поток электрической индукции, и длиной /и. Второй участок — семена. У каждого семени своя диэлектриче-
Рис. 1. Элемент рабочего органа ДСУ:
1, 2 — электроды; 3 — изоляция; 4 — семена
на которой возникают поляризованные заряды и через которую проходят части потока электрической индукции. Путь прохождения потока по соответствующему зерну равен /з;. Третий — воздушное межэлектродное пространство, характеризуется параметрами ев, >5в, /в.
На рис. 2 изображена идеализированная схема замещения элемента рабочего органа ДСУ при наличии на нем трех семян. Общая емкость рассматриваемого рабочего органа
С = С +
С " С
^иэ^в
С" + С
иэ в
С' + С
Сиэ ^ Сз: СИэ + Сз-
С' С
иэ з2
СИэ + Сз2
С С
(1)
з3
СИэ + Сзз'
где Си, Св, Сз — частичные емкости, образованные электродами и слоями изоляции, плотно прилегающими к друг другу, электродами и воздушными пространством, зерном; Сиэ, Сиэ — эквивалентные емкости, образованные двумя слоями изоляции, контактирующими с зерном и воздушным пространством.
Выражение (1) можно представить в таком
виде:
С = Си + Св + Сз1 + Сз2 + Сз3,
(2)
где Сз1, Сз2, Сз3 — емкости, обусловленные зернами.
С' 11и .Сз3 С' 11 и
С' 11 и .Сз2 Г Л
I I С' II и I I ,,Сз1 11 С' 11и
С 1 1 и
С" —и-2- 11 С 1 1 в С"
-0 ~и 0-
Рис. 2. Схема замещения рабочего органа ДСУ (с тремя семенами) без учета активной проводимости семян и изоляции электродов
Если учесть, что ДСУ питаются синусоидальным напряжением, общая емкость рабочего органа такова:
С = . (3)
—и
Тогда с учетом формул (2) и (3) сила общего тока, потребляемого рабочим органом ДСУ, следующая:
1 = 4 + 4 + /з1 + 1з2 + 4з,
(4)
где /и, 1в — силы токов, протекающих через емкости, образованные изоляцией и воздухом; 1з1,1з2,1з3 — силы токов, протекающих через емкости, образованные зернами.
Чтобы установить связи между Q, Еи, Ез, Ев, еи, ез, ев, 8и, 8з, 8в, воспользуемся теоремой Гаусса [2]. На основании этой теоремы поток вектора электрического смещения через замкнутую поверхность равен находящемуся внутри этой поверхности заряду:
О = Бя ^ +Х Б.а Ба, (5)
1
где Ви, £и, Бв, Sв — потоки индукции электрического поля, линии которого проходят через изоляцию и среду (1-й и 3-й участки, см. рис. 1); Бз1, Бз{ — потоки индукции электрического поля, линии которого проходят через семена, находящиеся на рабочем органе (2-й участок, см. рис. 1).
Но так как Б = гЕ, выражение (5) можно представить в ином виде:
3
0 = Ени ^и ги + Енв г а + X Енз1г з1 ^з1, (6)
I = 1
где Ени, Енв, Енз1 — нормальные составляющие напряженности электрического поля, силовые линии которого проходят через изоляцию, воздух, семена.
В общем виде уравнения (4) и (6) с учетом (3) для ДСУ с зернами можно записать в таком виде:
3
0 = Ени ^и ги + Енв ^в г в + X Енз1 ^з1г з1; (7)
I = 1
I = ]-Сяи + си + X ]-Сзи. (8)
I = 1
Таким образом, основные процессы, происходящие в рабочих органах ДСУ, описываются теоремой Гаусса (7) и уравнением (8), синтезирующим закон Ома и первый закон Кирхгофа.
Анализ уравнений (7) и (8) позволяет выявить способы, которые совершенствуют диэлектрические сепарирующие устройства и повышают их эффективность.
Некоторые выводы, вытекающие из уравнения (7).
1. Чем больше эффективная площадь поверхности семени, через которую проходит поток
вектора электрического смещения, тем больший на этой поверхности сосредоточивается заряд Qi, который, взаимодействуя с зарядом электрода, создает и большую поляризационную силу, притягивающую зерно к электродам. Следовательно, увеличение площади — один из приемов повышения эффективности ДСУ.
2. Чем больше диэлектрическая проницаемость зерна, тем больше заряд на его эффективной поверхности и больше сила, прижимающая зерно к электродам. Поскольку диэлектрическая проницаемость зерен связана с их влажностью, биохимическим составом, зрелостью и другими показателями, с помощью ДСУ можно получить материал с лучшим посевным качеством, чем традиционными методами разделения [3].
3. При прочих равных условиях у семян, имеющих плоскую форму, в отличие от округлых семян, больше эффективная площадь £з*. Как видно из выражения (7), с ростом растет заряд, а следовательно, и сила, с которой семена притягиваются к электродам. Благодаря этому на ДСУ можно очищать основную культуру от семян сорных растений, отличающихся по форме, а также разделять семена одной культуры по этому признаку. Разделять семенную смесь по форме и размерам частиц необходимо не только для поддержания сортовых свойств семян (семена, отличающиеся по форме, отличаются и по технологическим качествам, и по продуктивности) [4], но и для обеспечения лучшей работы сеялок точного высева) [3].
4. Чем больше диэлектрическая проницаемость Еи изоляции, тем больше заряд Q и сила, притягивающая зерно к электроду. При увеличении диэлектрической проницаемости изоляции электрическое поле в большей степени «выталкивается» из изоляции в рабочую зону ДСУ, т. е. с увеличением еи напряженность Еи в изоляции уменьшается, а в воздушной среде (в рабочей зоне ДСУ) увеличивается.
5. Изменяя напряжение на электродах, можно управлять силовым воздействием на семена. С увеличением повышается напряженность Ев, которая вызывает рост Q. Рост же заряда на поверхности семени приводит к увеличению действующей на него силы.
6. Поскольку общий заряд Q рабочего органа ДСУ складывается из зарядов, сосредоточенных на различных эффективных поверхностях £з, £и, ^В, его можно перераспределять и тем самым повышать эффективность ДСУ.
7. Так как сила взаимодействия зерна с электродами зависит от зарядов, участвующих в этом взаимодействии, необходимо стремиться к тому, чтобы без повышения напряжения заряды на зерне были наибольшими.
Из анализа уравнения (8) вытекает следующее:
1. Рабочий орган ДСУ с находящимися на нем семенами можно рассматривать как устройство емкостью С, к которому электрически присоединена постоянно меняющаяся дополнительная емкость АС.
2. При проектировании ДСУ нужно стремиться к снижению емкости, образуемой системой электродов, поскольку в этом случае уменьшаются общий ток установки и потребляемая мощность. Следовательно, целесообразно напряжение подавать только на ту часть рабочего органа, на которой разделяется семенная смесь.
3. Основа диэлектрической сепарации семян — их поляризация, которая зависит от напряженности электрического поля, создаваемого системой электродов. Напряженность, в свою очередь, зависит от подаваемого на электроды напряжения. Но увеличение напряжения может привести к корониро-ванию электродов, уменьшению срока службы изоляции и др. Кроме того, в данном случае возрастают сила общего тока и потребляемая мощность установки. Поэтому при создании рабочих органов ДСУ нужно стремиться к тому, чтобы система «семена-электроды» обеспечивала наибольшую силу, при-
жимающую зерно к электродам, при минимальном напряжении.
4. ДСУ энергоэкономичны при невысокой частоте напряжения. Наиболее эффективно напряжение промышленной частоты, поскольку в этом случае довольно проста электрическая схема ДСУ. Однако с увеличением частоты напряжения у ДСУ появляется новая функция — подсушивание семян, а также более дифференцированное воздействие на них электрического поля. Последнее важно при отборе семян с заданными свойствами. Экспериментально установлено, что с повышением частоты можно несколько снизить подаваемое на электроды напряжение.
5. Всякое изменение качества и количества сепарируемого материала, как видно из выражения (8), приводит к изменению емкости ДСУ, что в свою очередь изменяет общий ток установки. Следовательно, в ДСУ заложена принципиальная возможность автоматизации процесса, а сам рабочий орган выполняет одновременно и функцию датчика тока.
Список литературы
1. Тарушкин, В.И. Инновационная техника отбора биологически ценных семян сельскохозяйственных культур / В.И. Тарушкин, А.П. Козлов // Техника и оборудование для села. — 2005. — № 8. — С. 27-30.
2. Поливанов, К.М. Теоретические основы электротехники. Теория электромагнитного поля / К.М. Поливанов. — М.: Энергия, 1965. — 208 с.
3. Клёнин, Н.И. Сельскохозяйственные машины. Элементы теории рабочих процессов, расчет регулировочных параметров и режимов работы / Н.И. Клёнин, И.Ф. Попов, В.А. Сакун. — М.: Колос, 1970. — 456 с.
4. Овчаров, К.Е. Разнокачественность семян и продуктивность растений / К.Е. Овчаров, Е.Г. Кизилова. — М.: Колос, 1966. — 160 с.
УДК 66.047.3.085.1: 633.85 Н.А. Зуев
С.П. Рудобашта, доктор техн. наук
Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина Г.А. Зуева, доктор физ.-мат. наук
Ивановский государственный химико-технологический университет Е.Ю. Зотова, канд. с.-х. наук
Ивановская государственная сельскохозяйственная академия Д.К. Беляева
СТИМУЛЯЦИЯ СЕМЯН ЛУКА МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОЙ ИНФРАКРАСНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ
Свойства всех будущих растений во многом определяются состоянием семени: запасом питательных веществ, энергией прорастания, наличием или отсутствием возбудителей болезней. Заботясь о будущем урожае и качестве растений, можно влиять на эти факторы еще на стадии подготовки семян к посеву
(предпосевная стимуляция семян). Увеличить запас питательных веществ семени уже невозможно. Однако повысить всхожесть, усилить энергию прорастания и предотвратить развитие многих болезней можно.
Эффективным физическим способом стимуляции семян является их электрообработка перед
9
