CC BY
5
Vestnik of OmskSAU, 2022, no. 4(48) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
Научная статья УДК 631.362.5
DOI 10.4813 6/2222-03 64_2022_4_223
Теоретические и экспериментальные исследования пневматического скарификатора
А.П. Шевченко1, М.А. Бегунов2®1, В.С. Коваль2, Д.Н. Коростелев2
Университетский колледж агробизнеса Омского государственного аграрного университета имени П.А. Столыпина, Омск, Россия
Тарский филиал Омского государственного аграрного университета имени П.А. Столыпина, Тара, Россия
Аннотация. Статья посвящена исследованию движения семенного материала и его скарификации в пневматическом скарификаторе. При выращивании дефицитных семян бобовых высокобелковых кормовых культур для питания скота одной из главных проблем является наличие твердокаменности и высокой прочности поверхностной пленки, сдерживающей прорастание семян, что приводит к снижению качественных всходов семян и их повышенному расходу при посеве. Для предотвращения задержек и уменьшения сроков появления всходов, а также снижения потерь части высеянных семян из-за того, что некоторые из них не смогли своевременно прорасти, предложена конструкция пневматического скарификатора. Поскольку интенсивность скарификации зависит от степени взаимодействия семян с рабочими органами устройства, новая модель способствует увеличению этой интенсивности. По результатам теоретических и практических исследований, можно отметить, что для увеличения числа всходов и уменьшения сроков появления семян применение пневматических скарификаторов положительно отражается на качественных и количественных показателях всхожести, а повышение таких показателей является весьма актуальным вопросом. Применение пневматических машин для скарификации - наиболее распространенный прием при предварительной подготовке семенного материала. В данной статье предложена модель пневматической машины для скарификации семенного материала - это техническое устройство, в котором семена, подхватываемые воздушным потоком, поступают в рабочую камеру с абразивными поверхностями, образованной днищем диска, витками спирали и крышкой. Под действием воздушного потока и центробежной силы семена прижимаются к стенкам и подвергаются скарификации путем взаимодействия с шероховатыми поверхностями рабочих органов скарификатора, затем перемещаются к центру рабочей камеры. В центре рабочей камеры семена попадают через выходное отверстие в осадочную камеру, где через выходное отверстие поступают в упаковочную тару.
Ключевые слова: пневматический скарификатор, семенной материал, воздушный поток
Original article
Theoretical and experimental studies of the pneumatic scarifier
A.P. Shevchenko1, M.A. Begunov2®, V.S. Koval2, D.N. Korostelev2
1University College of Agribusiness of Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin,
Omsk, Russia
2
Tara Branch of Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Tara, Russia
Abstract. The article is devoted to the study of seed material movement and its scarification in a pneumatic scarifier of the proposed design. When growing scarce seeds of legumes of high-protein fodder crops for livestock nutrition, one of the main problems is presence of hard surface film which inhibits seed germination, decreases the number of high-quality seed shoots and increases seed consumption during sowing. To prevent
© Шевченко А.П., Бегунов М.А., Коваль В.С., Коростелев Д.Н., 2022
Vestnik of OmskSAU, 2022, no. 4(48) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
delays and reduce the time necessary for shoots to grow, as well as to reduce losses of sown seeds due to the fact that some of them could not germinate in a timely manner, the design of a pneumatic scarifier was proposed. Since the intensity of scarification depends on seeds interaction with the scarifier working elements, the proposed model of the pneumatic scarifier contributes to an increase in this intensity. According to the results of theoretical and practical studies, the use of pneumatic scarifiers positively affects qualitative and quantitative rates of germination, and improving these rates is a very topical issue. The use of pneumatic machines for scarification is the most common technique in the preliminary preparation of seed material. In the article we proposed a model of a pneumatic machine for seed scarification. The pneumatic scarifier is a technical device in which the seeds picked up by the air flow enter the working chamber with abrasive surfaces, formed by the bottom of the disk, the spiral turns and the lid. Air flow and centrifugal force press the seeds against the walls, and they get scarified by interacting with the rough surfaces of the working elements of the scarifier, then they move to the center of the working chamber. In the center of the working chamber, the seeds enter the storage chamber through the outlet. After that, they enter the packing container through the outlet in the storage chamber.
Keywords: pneumatic scarifier, seed material, air flow
Введение
Применение высококачественных высокобелковых кормов из всевозможных зла-ково-бобовых культур для кормления молочного стада крупного рогатого скота ведет к повышению их продуктивности.
Проблема при выращивании зернобобовых кормовых культур заключается в том, что вследствие твердости оболочки ростки не могут пробиться через нее и вырасти в указанные сроки. Это приводит к перерасходу посевного материала и запаздыванию всходов [1].
Указанное выше явление резко снижает урожайность и величину растительной массы при уборке [2].
В настоящее время известно несколько способов разрушения твердой оболочки семян: механическое и химическое разрушение, обработка теплом и холодом, а также электромагнитные способы [3].
Согласно предварительным анализам, мы считаем, что самым удобным и простым будет механический метод скарификации [4]. Данный метод легко осуществим, а также поддается несложным методикам анализа и не слишком затратен по ресурсам. Исходя из существующих аналогов, мы выбрали ряд их недостатков: жесткие рабочие органы, высокая скорость и низкая точность прохода семенного материала. Все это приводит к слишком сильному повреждению объектов обработки.
С целью устранения отмеченных недостатков возникает необходимость совершенствования механических скарификаторов семян и проектирования новых конструкций, основанных на применении воздушного потока и перемещения семян относительно неподвижных абразивных частей скарификатора.
Объекты и методы
Предыдущими исследованиями доказано [5], что форма рабочих органов и скорость движения зернового материала напрямую влияют на качество скарификации.
Предлагаемый нами скарификатор пневматического типа [8] состоит из следующих отделов (рис. 1):
I - емкость с дозирующим устройством;
II - зона скарификации;
III - емкость под осадочные отложения.
Предлагаемая модель работает следующим образом: семенной материал подается в первый отдел, а затем под действием воздушного потока, созданного вентилятором, подается в запорно-дозирующее устройство. Второй отдел скарификатора имеет спиралевидный канал, сходящийся к центру от периферии. Стенки его покрыты абразивным материалом (днище и витки спирали). Семена с твердой оболочкой прижимаются
Vestnik of OmskSAU, 2022, no. 4(48) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
к днищу и стенкам в процессе движения и скарифицируются. В центральной части второго отдела имеется выходное отверстие (3), через которое материал поступает в осадочную камеру (2), где его скорость резко снижается и наступает режим свободного падения. Окончание падения материала происходит в упаковочной таре. Попутные продукты скарифицирования (части оболочки) попадают в выходное отверстие (4) и следом - в емкость для непригодного семенного материала и продуктов скарификации.
Воздушный поток
_ Семенной материал
Воздушно-семенная смесь
семена
£ _ Примеси и продукты сксрификации
Рис. 1. Схема пневматического скарификатора предложенной конструкции: 1 - рабочая камера; 2 - осадочная камера; 3 - выходное отверстие осадочной камеры для скарифицированных семян; 4 - выходное отверстие осадочной камеры для продуктов скарификации
Рис. 2. Схема движения семенного материала в осадочной камере пневматического скарификатора (компьютерная модель): А - зона пониженного давления, В - зона повышенного давления; 1 - входное отверстие; 2 - корпус осадочной камеры; 3 - выходное отверстие для продуктов скарификации; 4 - выходное отверстие для скарифицированных семян; 5 - скарифицированные семена;
6 - продукты скарификации
Vestnik of OmskSAU, 2022, no. 4(48) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
Осадочная камера у предлагаемой модели служит для очистки семенного материала от грязи, пыли, шелухи и всевозможных прочих объектов. Конструктивно имеет строение схожее с диффузором, у которого закрыто основание. Работает осадочная камера следующим образом: легкие примеси и продукты скарификации проходят через входное отверстие (7) и двигаются вдоль корпуса осадочной камеры (2) совместно с попавшими в осадочную камеру семенами (5). За счет большой плотности и повышенного давления семена падают в выходное отверстие (4), а продукты скарификации -в выходное отверстие для продуктов скарификации (3) (рис. 2).
При работе предложенной модели распределение скорости в осадочной камере будет иметь вид представленный на рис. 3.
Рис. 3. Схема распределения давления и скоростей воздушного потока в различных зонах осадочной камеры пневматического скарификатора
Поскольку величина расхода воздуха по высоте осадочной камеры - величина постоянная, то отношение скоростей потока к сечениям, в которых они замерены, - обратно пропорционально. В результате получено соотношение:
.2
п- r3
V = S3 = = г3
V3 Si п- ri3 r1
2 , (1)
2
где V1 - скорость потока на входе в осадочную камеру; V3 - скорость потока на выходе из осадочной камеры; r1 - размер отверстия 4;
r3 - радиус отверстия выхода скарифицированного материала из осадочной камеры. Радиус нижнего основания найдем, руководствуясь рис. 3, по формуле:
r3 = l • sin Р + r , (2)
где l - длина образующей конуса осадочной камеры, м; в - угол раствора конуса,
Учитывая формулу (2) и что l = H/ cosP, находим по формуле (3):
Г3 = HK • tgP + rb (3)
С учетом формул (1) и (2) определяем среднюю скорость движения воздуха V3 в осадочной камере:
Vestnik of Omsk SAU, 2022, no. 4(48) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
V, ■ r,2
V3 =7-. (4)
(HK ■ tgß+r,2)
Для получения нужного разделения семенного материала необходимо определить скорость воздушного потока, которую можно получить, изменяя геометрические параметры камеры.
Далее рассмотрим сечение и геометрические параметры выходящего из осадочной камеры воздушного потока.
Для наглядности развернем осадочную камеру на 90° и ось ординат расположим вдоль оси конического канала, как это показано на рис. 4.
Рис. 4. Схема распределения давления и скоростей воздушного потока в различных зонах осадочной камеры пневматического скарификатора: А - граница воздушной струи; R0 - радиус входного отверстия; Rв - радиус выходного отверстия; х - расстояние от выпускного отверстия до рассматриваемого сечения струи; Rх - радиус струи в рассматриваемом сечении (на расстоянии х от впускного отверстия); у - боковой угол расширения струи на начальном участке
Относительный радиус струи найдем по формуле (5):
-х = ^ = Ко^ЛУп = , + х (5)
Ко —0
где — - радиус входного отверстия, м;
х - расстояние от выпускного отверстия до рассматриваемого сечения струи, м;
х = х/— - относительная координата;
Ях - радиус струи в рассматриваемом сечении (на расстоянии х от впускного отверстия), м;
у - боковой угол расширения струи на начальном участке, °С. Оптимальный режим работы осадочной камеры будет при условии (6):
Яв ^-х, (6)
где Яв - радиус выходного отверстия, м.
Благодаря формуле под номером (5) и условию (6), мы можем определить Яв, пригодный для лучшего прохода скарифицированного семенного материала.
Для наилучшей оценки эффективности нами было принято решение использовать параметр «М» - убыль массы при обработке материала %, позволяющий оценить, в какой степени семена подверглись воздействию рабочих органов скарификатора [9].
Для того, чтобы определить взаимосвязь между всеми параметрами по отношению к степени потери массы семян «М» применялись стандартные методики определе-
Vestnik of OmskSAU, 2022, no. 4(48) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
ния необходимых нам параметров. Результаты проведения исследований представлены на рис. 5.
100
М,%. * т
Рис. 5. Зависимость полевой всхожести «П», энергии прорастания «Е», травмирования «К», числа твердых семян «Т» и степени скарификации семян <ф> от степени потери массы семян «М»,
в процентном соотношении
Результаты исследований
Проведенный анализ позволил определить наилучшие характеристики для дальнейшего использования посевного материала, все полученные параметры занесены в таблицу.
Наилучшие посевные характеристики
Степень потери массы «М» Полевая всхожесть семян «П» Энергия прорастания семян «Е» Травмирование семян «К» Степень скарификации «4» Число твердых семян «Т»
15-25% 77,1-93,8% 64,8-84,14% 1,3-8,9% 89,8-94,4% 1,3-6,8%
На основе полученных нами результатов на примере семян козлятника восточного (галеги) были выявлены оптимальные значения параметров пневмоабразивного механического скарификатора. Таковыми являются: скорость воздушного потока на входе в сепаратор, размер шероховатости абразивной поверхности R = 32 мкм, длина спирали пневматического канала (по центру) L = 1600 мм, ширина спиралевидного канала d = 80 мм, часовая подача семян - Q = 50 кг.
Vestnik of OmskSAU, 2022, no. 4(48) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
Заключение
Механическая скарификация подразумевает под собой увеличение всхожести и скорости прорастания семенного материала за счет разрушения твердой корки семян путем трещин и изломов. При анализе результатов проводившихся до нас исследований выяснено, что интенсивные режимы скарификации семян несут в себе значительные повреждения семенной оболочки, влияющие на полевую всхожесть. При низкой интенсивности скарификации значительное количество семян остается с неразрушенной твердой оболочкой, что также неприемлемо для сельского хозяйства [8], следовательно, требуемый результат по увеличению всхожести будет не достигнут.
В результате проведенной нами работы выяснено, что наиболее рациональный показатель убыли материала по массе составляет 15-25%.
Дальнейшее исследование указывает на то, что уменьшение или увеличение параметра «М» приводит лишь к недостаточной скарификации или наоборот более сильному травмированию семенного материала и, как следствие, - снижению посевных качеств.
Полученные данные можно использовать для создания и усовершенствования пневматических скарификаторов и расчета их характеристик под конкретные культуры и необходимые параметры.
Список источников
1. Kimura E., Islam M.A. Seed scarification methods and their use in forage legumes. Research journal of seed science. 2012;5:38-50.
2. Jones C.D., Stevens M.R., Jolley V.D., Hopkins B.G., Jensen S.L., Turner D., Stettler J.M. Evaluation of thermal, chemical, and mechanical seed scarification methods for 4 great basin lupine species. Native plants journal. 2016;17(1):5-17.
3. Маскулов Д.И., Мухаметгалиева Ч.И. Эффективность применения предпосевной подготовки семян и технических средств для их осуществления // Сб. статей Междунар. науч.-практ. конф. 2017. С. 163-166.
4. Katherine M. Ghantous, Hilary A. Sandler Mechanical scarification of dodder seeds with a handheld rotary tool. Weed technology. 2012;26(3):485-489.
5. Шевченко А.П., Банкрутенко А.В., Коваль В.С., Бегунов М.А., Демчук Е.В. Скарификация семян как повышающий элемент продуктивности многолетних бобовых трав // Журнал физики: серия конференций 9. Cep. «IX международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в машиностроении». 2018. C. 120-135.
66. Luo J., Sun J., Yang L., Dong Z. Design and experiment of type 9bqs-3.0 pneumatic scarifying and sowing compound operation machine. Nongye Jixie Xuebao. Transactions of the Chinese society for agricultural machinery. 2013;44(1):51-66.
7. Черняков А.В., Шевченко А.П., Коваль В.С., Бегунов М.А., Евченко А.В., Исследование кольцевой подачи зерна на коническую поверхность // Вестник Красгау. 2018. № 3(138). С. 83-87.
8. Кшникаткин С.А., Аленин П.Г., Воронова И.А., Карпов Н.А., Коннов И.А., Светлички-
References
1. Kimura E., Islam M.A. Seed scarification methods and their use in forage legumes. Research journal of seed science. 2012;5:38-50.
2. Jones C.D., Stevens M.R., Jolley V.D., Hopkins B.G., Jensen S.L., Turner D., Stettler J.M. Evaluation of thermal, chemical, and mechanical seed scarification methods for 4 great basin lupine species. Native plants journal. 2016;17(1):5-17.
3. Maskulov D.I., Mukhametgalieva Ch.I. The effectiveness of the use of pre-sowing preparation of seeds and technical means for their implementation in the collection: technical sciences in the service of creation and progress. Sb. statey Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. = Collection of articles of the international scientific and practical conference. 2017; S. 163-166. (In Russ.).
4. Katherine M. Ghantous, Hilary A. Sandler Mechanical scarification of dodder seeds with a handheld rotary tool. Weed technology. 2012;26(3):485-489.
5. Shevchenko A.P., Bankrutenko A.V., Ko-val V.S., Begunov M.A., Demchuk E.V. Seed scarification as an increasing element of the productivity of perennial leguminous grasses. Zhurnal fiziki: seriya konferentsiy 9. Cepiya. "IX mezhdunarodnaya nauch-no-prakticheskaya konferentsiya "Innovatsionnyye tekhnologii v mashinostroyeniiU = Journal of Physics: Conference Series 9. Series. "IX International Scientific and Practical Conference "Innovative Technologies in MechanicalEngineeringO. 2018; 120-135. (In Russ.).
6. Luo J., Sun J., Yang L., Dong Z. Design and experiment of type 9bqs-3.0 pneumatic scarifying and sowing compound operation machine. Nongye Jixie Xuebao. Transactions of the Chinese society for agricultural machinery. 2013;44(1):51-66.
Vestnik of OmskSAU, 2022, no. 4(48) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS
на К.С. Скарификатор для предпосевной обработки семян бобовых трав // Нива Поволжья. 2021. № 3(60). С. 126-134.
9. Карасева Т.Н., Захарченко А.Н. Скарификаторы для предпосевной обработки семян бобовых трав // Приоритетные направления развития АПК и сельских территорий : материалы науч.-практ. конф., Великие луки. 2021. С. 102-104.
10. Хасанов Э.Р., Маскулов Д.И., Мусин Р.З. Обоснование показателей качества работы скарификатора семян козлятника // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2019. № 3(51). С. 114-120.
Для цитирования: Шевченко А.П., Бегунов М.А., Коваль В.С., Коростелев Д.Н. Теоретические и экспериментальные исследования пневматического скарификатора // Вестник Омского ГАУ. 2022. № 4 (48). С. 223-230. DOI 10.48136/22220364 2022 4 223.
7. Chernyakov A.V., Shevchenko A.P., Ko-val V.S., Begunov M.A., Evchenko A.V. Investigation of the annular supply of grain to a conical surface.
Vestnik Krasgau = Bulletin of Krasgau. 2018; 3(138):83-87. (In Russ.).
8. Kshnikatkin S.A., Alenin P.G., Vorono-va I.A., Karpov N.A., Konnov I.A., Svetlichkina K.S. Scarifier for pre-sowing treatment of seeds of legumes. Niva PovolzhUya = Niva of the Volga region. 2021;3(43):126-134. (In Russ.).
9. Karaseva T.N., Zakharchenko A.N. Scarifiers for pre-sowing treatment of seeds of legumes. Priori-tetnyye napravleniya razvitiya APK i selUskikh territoriy : materialy nauch.-prakt. konf. Velikiye luki = In the collection: priority directions for the development of the agro-industrial complex and rural areas : Materials of the scientific-practical conference. Great bows. 2021:102-104. (In Russ.).
10. Khasanov E.R., Maskulov D.I., Musin R.Z. Substantiation of performance indicators of the scarifier of goat □ s rue seeds. Vestnik Bashkirskogo gosu-darstvennogo agrarnogo universiteta = Bulletin of the Bashkir State Agrarian University. 2019;3(51):114-120. (In Russ.).
For citation: Shevchenko A.P., Begunov M.A., Koval V.S., Korostelev D.N. Theoretical and experimental studies of the pneumatic scarifier. Vestnik of Omsk SAU. 2022;4(48):223-230. DOI 10.48136/22220364 2022 4 223.
Информация об авторах
Шевченко Анатолий Павлович, канд. техн. наук, доц., ap.shevchenko@omgau.org;
Бегунов Максим Алексеевич, канд. техн. наук, доц., ma.beguшv@omgau.orgн;
Коваль Владимир Сергеевич, канд. техн. наук, доц., vs.koval@omgau.org;
Коростелев Денис Николаевич, ассистент кафедры агрономии и агроинженерии, dn.koroste-lev@omgau.org.
Статья поступила в редакцию 14.07.2022.
Information about the authors
Shevchenko Anatoly P., Cand. of Techn. Sci., Ass. Prof., ap.shevchenko@omgau.org;
Begunov Maksim A., Cand. of Techn. Sci., Ass. Prof., ma.begunov@omgau.orgH;
Koval Vladimir S., Cand. of Techn. Sci., Ass. Prof., vs.koval@omgau.org;
Korostelev Denis N., Assistant of the Department of Agronomy and Agroengineering, dn.koroste-lev@omgau.org.
The article was submitted 14.07.2022.
