CC BY
86
Научная статья
УДК 621.373.8
doi: 10.37670/2073-0853-2022-95-3-131-134
Устройство лазерной предпосевной обработки семян
Сергей Иосифович Юран1, Марат Рафисович Зарипов2,
Михаил Николаевич Вершинин1
1 Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, Ижевск, Россия
2 Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН, Ижевск, Россия
Аннотация. Использование лазерного низкоинтенсивного излучения как альтернативного способа проведения предпосевной обработки семян в настоящее время осуществляется различными устройствами лазерной стимуляции растительных организмов. Проведённые лабораторные исследования показали, что лазерное излучение способно качественно повлиять на функциональную активность растительных организмов. На основании условий проявления эффекта лазерной стимуляции, анализа существующих технических решений, а также опытных результатов предложено устройство предпосевной обработки семян лазерным излучением с использованием полупроводникового лазера. Рабочим органом лазерной установки был выбран лазерный модуль MDL-XD-650/655, излучающий в красной области спектра с длиной волны 650/655 нм. Для реализации процесса облучения была разработана оптическая система, которая позволяет создавать поверхность лазерного излучения необходимой площади и плотности излучения. Предложенное устройство обеспечивает управление дозой лазерного облучения семян с достаточно высокой точностью в конвейерном технологическом цикле с помощью автоматической коррекции.
Ключевые слова: лазерное излучение, облучательная установка, предпосевная обработка семян, оптическая система.
Для цитирования: Юран С.И., Зарипов М.Р., Вершинин М.Н. Устройство лазерной предпосевной обработки семян // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 3 (95). С. 131 - 134. https://doi.org/10.37670/2073-0853-2022-95-3-131-134.
Original article
A device for laser pre-sowing treatment of seeds
Sergey I. Yuran1, Marat R. Zaripov2, Mikhail N. Vershinin1
1 Izhevsk State Agricultural Academy, Izhevsk, Russian Federation
2 Udmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russian Federation
Abstract. Laser irradiation can be used as an alternative method of irradiating seeds. Different devices are used for laser irradiation of plants. Laboratory studies have shown the effectiveness of using laser stimulation on plant objects. The effect of laser stimulation, technical solutions and experimental data has been studied. A device for laser stimulation of plants using a semiconductor laser was proposed. The laser module MDL-XD-650/655 emitting in the red region of the spectrum with a wavelength of 650/655 nm was chosen as the working object of the laser installation. The optical system was developed. The optical system creates a laser emission surface of the required area and radiation density. The device controls the laser dose with high precision in automatic mode. This parameter allows the use of the device in a continuous process cycle.
Keywords: laser radiation, irradiation device, seed treatment before sowing, optical system
For citation: Yuran S.I., Zaripov M.R., Vershinin M.N. A device for laser pre-sowing treatment of seeds. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 95(3): 131-134. (In Russ.). https://doi.org/10.37670/2073-0853-2022-95-3-131-134.
Наиболее чистым и экологически безопасным способом повышения продуктивности сельскохозяйственных культур является оптическое излучение видимой области спектра. Среди оптических способов воздействия на растительные организмы выделяют лазерное излучение. Многие исследователи в данной отрасли отмечают благотворное воздействие лазерного излучения на биологические объекты растительного происхождения [1 - 4].
Среди способов использования лазерного излучения выделяют лазерную предпосевную обработку семян. Исследователи отмечают достоверное увеличение урожайности до 30 % при облучении семян с невысокой контрольной всхожестью, большую энергию прорастания и
толерантность к неблагоприятным условиям внешней среды [3 - 7].
В большинстве устройств лазерной предпосевной обработки семян используют газовый гелий-неоновый (Не-№) лазер с длиной волны 632,8 нм [1, 4, 5]. Использование лазера с длиной волны 632,8 нм объясняется тем, что лазерное излучение воздействует на фитохром, который является главным фоторегулирующим хром-протеидом растительной клетки. Максимальное возбуждение фитохрома лежит в красной области спектра (600 - 690) нм, при этом растительная клетка поглощает 70 - 80 % излучения [1].
Конкуренцию газовым лазерам составляют полупроводниковые лазеры. Возможность использования полупроводниковых лазеров в
устройствах предпосевной обработки семян является актуальным вопросом.
Цель исследования - разработка устройства для предпосевной обработки семян лазерным излучением с использованием полупроводникового лазера.
Материал и методы. Проведение анализа литературы выявило, что использование полупроводникового лазера также может оказывать стимулирующий эффект на растительные клетки [3 - 9]. Данный факт также был подтверждён при создании макета облучательной установки [10]. Согласно проведённым опытам удалось повысить энергию прорастания на 15 % по сравнению с необлучёнными образцами [11].
Так как именно красный свет больше всего влияет на фоторегулирующие процессы в растительных клетках, был выбран лазерный модуль MDL-XD-650/655, излучающий в красной области спектра с длиной волны 650/655 нм.
Для определения технических характеристик разрабатываемого устройства был проведён энергетический расчёт.
Определены следующие параметры.
1. Плотность энергии на определённой площади лазерного пучка:
Е р„ч "=?=—■ (1)
где Н - плотность энергии;
Е - энергия лазерного излучения;
Б - площадь лазерного пучка.
2. Распределение плотности мощности в поперечном сечении лазерного гауссова пучка на поверхности воздействия:
F(r) = F0 exp
—г
-exp
т
(2)
г^) тпу
где ^о - пиковая плотность мощности в центре пучка;
г - радиальная координата от оси пучка; гу - энергетическая ширина лазерного пучка на поверхности воздействия; Р - полная мощность излучения. 3. Плотность мощности в центре пятна: Р
Fop —
М™ 6ХР Gfc?) ' 6ХР (г>Й dxdy
(3)
'/* / \'Гу
4. Время облучения семян: - Н
Р Р0р
Особое внимание было уделено оптической системе, которая позволяет создавать облучаемую поверхность необходимой площади и плотности излучения. Результатом расчёта оптической системы является схема расположения линз оптических систем х и у (рис. 1).
Результаты и обсуждение. После определения технических и энергетических параметров была предложена своя модель устройства лазерной облучательной установки (рис. 2) [12].
Устройство состоит из загрузочного бункера с сеткой-отделителем и разбрасывателем, после
(1/ю«юсть
(Л
I !
йоздейстАия
3 2
_ 20 _
А
1 3 2
Пю1к<хтъ iojiJeikmiui?
Лазер
« —-----
_ 7й4 1 го toi
Г
Б
Рис. 1 - Схема расположения линз оптических систем х и у:
А - плоскость направления формирования пучка вдоль направления движения семян; Б - плоскость направления формирования пучка поперёк направления движения семян; 1 - первая линза оси х; 2 - вторая линза оси х; 3 - линза оси у
Рис. 2 - Устройство для предпосевной обработки семян:
1 - загрузочный бункер; 2 - сетка-отделитель; 3 - шестерёнчатый разбрасыватель; 4 - транспортёрная лента; 5 - электропривод; 6 - ременная передача; 7 - переворачиватель зерна; 8 - пылезащищённые диагностические окна; 9 - направляющие; 10 - источник лазерного излучения; 11 - рассеивающие линзы; 12 - блок управления; 13 - каркас
которого семена падают на транспортёрную ленту. Над транспортёрными лентами расположены пы-лезащищённые диагностические окна, в которых установлены источники лазерного излучения. Для равномерного облучения семян используется двухуровневая система транспортёров и пере-ворачиватель зерна. Контроль технологическим циклом осуществляется блоком управления. Продолжительность облучения зависит от времени движения и выдержки семян под источниками лазерного излучения.
Выводы. Лазерное облучение позволяет семенам проявить весь свой генетический потенциал, выражающийся в повышении энергии прорастания и толерантности к неблагоприятным внешним условиям. Предложенное устройство позволяет управлять дозой лазерного облучения с достаточно высокой точностью при конвейерном технологическом цикле с помощью автоматической коррекции дозы лазерного облучения.
Список источников
1. Будаговский А.В., Будаговская О.Н. Лазерная техника и технологии в растениеводстве // Научно-информационное издание. Тамбов, 2011. 38 с.
2. Hamandez M., Michtchenko A. Stimulation of three biological systems using low level laser radiation. RISCE Revista Internacional de Sistemas Computacionales y Electronicos. 2011; 83: 30-33.
3. Долговых О.Г., Красильников В.В., Газтдинов Р.Р. Влияние лазерной обработки на семена яровой пшеницы Ирень // Инженерный вестник Дона. 2012. N° 5. С. 15 - 18.
4. Асварова Т.А., Гаджимусиева Н.Т., Насурлаева З.Ю. Влияние лазерного и инфракрасного излучения на рост и развитие растений пшеницы // Мониторинг: наука и технологии. 2011. № 5. С. 60 - 64.
5. Батян А.Н., Кравченко В.А., Клюев А.П. Стимулирующий эффект лазерного излучения на начальные этапы онтогенеза пшеницы озимой // Экологический вестник. 2017. № 2 (40). С. 123 - 129.
6. Долговых О.Г., Крылов О.Н., Газтдинов Р.Р. Анализ эффективности лазерной обработки семян яровой пшеницы сорта «Иргина» // Инженерный вестник Дона. 2016. № 3. С. 32 - 36.
7. Hasan M., Hanafiah M.M., Aeyad Taha Z. Laser Irradiation Effects at Different Wavelengths on Phenology and Yield Components of Pretreated Maize Seed. Applied Sciences. 2020; 13(3): 1189-1201.
8. Навроцкая Л.В., Загинайлов В.И., Навроцкая С.Р. Воздействие лазерного излучения на семена сельскохозяйственных культур // Международный технико-экономический журнал. 2018. № 1. С. 74 - 79.
9. Гаджимусиева Н.Т., Асварова Т. А., Абдулаева А.С. Эффект воздействия инфракрасного и лазерного излучения на всхожесть семян пшеницы // Фундаментальные исследования. 2014. № 11. С. 1939 - 1943.
10. Вершинин М.Н., Зарипов М.Р., Юран С.И. Лабораторный стенд для выявления влияния лазерного
излучения на биологические объекты растительного происхождения // Прикладная оптика - 2020: матер. Междунар. конф. СПб. 2020. С. 65 -67.
11. Юран С.И., Зарипов М.Р., Вершинин М.Н. Влияние монохроматического излучения различного спектрального состава на растительные клетки // Вестник НГИЭИ. 2021. № 7 (122). С. 16 - 25. https://doi. org/10.24412/2227-9407-2021-7-16-25
12. Пат. на изобретение № 2764194 UI. Российская Федерация, МПК A01C 1/00. Устройство для предпосевной обработки семян: № 2021110198 / С.И. Юран, М.Р. Зарипов, М.Н. Вершинин; заявл. 12.04.2021; заявит. ФГБОУ ВО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»; опубл. 14.01.2022.
References
1. Budagovskij A.V., Budagovskaya O.N. Laser equipment and technologies in crop production // Scientific information publication. Tambov, 2011. 38 p.
2. Harnandez M., Michtchenko A. Stimulation of three biological systems using low level laser radiation. RISCE Revista International de Sistemas Computacionales y Electronicos. 2011; 83: 30-33.
3. Dolgovyh O.G., Krasil'nikov V.V., Gaztdinov R.R. Influence of laser treatment on the seeds of spring wheat Iren. Engineering journal of Don. 2012; 5: 15-18.
4. Asvarova T.A., Gadzhimusieva N.T., Nasurlaeva Z.Yu. Influence of laser and infrared radiation on the growth and development of wheat plants. Monitoring. Science and Technologies. 2011; 5: 60-64.
5. Batyan A.N., Kravchenko V.A., Klyuev A.P. Stimulating effect of laser radiation on the initial stages of ontogenesis of winter wheat. Ecological bulletin. 2017; 40(2): 123-129.
6. Dolgovyh O.G., Krylov O.N., Gaztdinov R.R. Analysis of the effectiveness of laser treatment of seeds of spring wheat variety «Irgina». Engineering journal of Don. 2016; 3: 32-36.
7. Hasan M., Hanafiah M.M., Aeyad Taha Z. Laser Irradiation Effects at Different Wavelengths on Phenology and Yield Components of Pretreated Maize Seed. Applied Sciences. 2020; 13(3): 1189-1201.
8. Navrockaya L.V., Zaginajlov V.I., Navrockaya S.R. Effects of laser radiation on crop seeds. The International Technical-Economic Journal. 2018; 1: 74-79.
9. Gadzhimusieva N.T., Asvarova, T.A., Abdulaeva A.S. Effect of Infrared and Laser Radiation on Wheat Seed Germination. Fundamental research. 2014; 11: 1939-1943.
10. Vershinin M.N., Zaripov M.R., Yuran S.I. Laboratory stand for detecting the effect of laser radiation on biological objects of plant origin // Applied Optics - 2020: Proceedings of the International Conference. St. Petersburg, 2020. P. 65-67.
11. Yuran S.I., Zaripov M.R., Vershinin M.N. Effect of Monochromatic Radiation of Different Spectral Composition on Plant Cells. Bulletin NGIEI. 2021; 122 (7): 16-25. https://doi.org/10.24412/2227-9407-2021-7-16-25.
12. Patent for Invention No. 2764194 UI Russian Federation, IPC A01C 1/00. Device for pre-sowing seed treatment: No. 2021110198 / S.I. Yuran, M.R. Zaripov, M.N. Vershinin; declared 12.04.2021; will declare.Izhevsk State Agricultural Academy; publ. 14.01.2022.
Сергей Иосифович Юран, доктор технических наук, профессор, yuran-49@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-9236-7154
Марат Рафисович Зарипов, научный сотрудник, zaripov.istu@gmail.com, https://orcid.org/0000-0001-5703-2626
Михаил Николаевич Вершинин, аспирант, verchinin777@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-4339-6864
Sergey I. Yuran, Doctor of Technical Sciences, Professor, yuran-49@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-9236-7154
Marat R. Zaripov, researcher, zaripov.istu@gmail.com, https://orcid.org/0000-0001-5703-2626 Mikhail N. Vershinin, postgraduate, verchinin777@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-4339-6864
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests. Статья поступила в редакцию 10.04.2022; одобрена после рецензирования 11.05.2022; принята к публикации 11.05.2022.
The article was submitted 10.04.2021; approved after reviewing 11.05.2022; accepted for publication 11.05.2022. -♦-
Научная статья УДК 631.33.024
Результаты лабораторных исследований автоматической системы управления глубиной посева
Сергей Николаевич Кокошин, Анатолий Сергеевич Кизуров
Государственный аграрный университет Северного Зауралья, Тюмень, Россия
Аннотация. При посеве сельскохозяйственных культур к качеству процесса предъявляются высокие требования, в том числе и к соблюдению глубины посева. Существующие системы слежения глубины не позволяют регулировать отклонения сошника при движении агрегата, что отрицательно сказывается на равномерности посева и в итоге приводит к снижению урожайности. В данной работе представлены результаты лабораторных исследований системы управления глубиной посева дисковыми сеялками с применением регулятора жёсткости, выполненного на основе гибкого трубчатого элемента. При проведении эксперимента фиксировались гидравлическое давление, подаваемое в полость регулятора жёсткости, перемещение сошника под действием силы регулятора и время процесса полного перемещения. Было установлено, что при увеличении давления перемещение сошника в вертикальной плоскости имеет зависимость, близкую к линейной. Максимальное перемещение сошника при использовании давления в пределах прочности материала регулятора жёсткости составляет более 50 мм. При моделировании ситуации, когда сошник выходит за пределы установленного диапазона глубины, процесс возврата его в исходное состояние не превышает 1,8 с. Полученные результаты позволят выполнить настройки системы при её практическом применении в процессе посева.
Ключевые слова: сеялка, глубина, управление, автоматизация, гидравлика.
Для цитирования: Кокошин С.Н., Кизуров А.С. Результаты лабораторных исследований автоматической системы управления глубиной посева // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 3 (95). С. 134 - 140.
Original article
The results of laboratory studies of the automatic seeding depth control system
Sergey N. Kokoshin, Anatoly S. Kizurov
Northern Trans-Ural State Agricultural University, Tyumen, Russia
Abstract. When sowing crops, high demands are placed on the quality of the process. Including the observance of the depth of sowing. Existing depth tracking systems do not allow adjusting the coulter deviations during the movement of the unit, which negatively affects the uniformity of sowing and ultimately leads to a decrease in yield. This paper presents the results of laboratory studies of the sowing depth control system for disc seeders using a stiffness regulator made on the basis of a flexible tubular element. During the experiment, the hydraulic pressure supplied to the cavity of the stiffness regulator, the movement of the coulter under the action of the force of the regulator, and the time of the complete movement process were recorded. It was found that with increasing pressure, the movement of the coulter in the vertical plane has a dependence close to linear. The maximum coulter travel when applying pressure within the stiffness of the stiffener material is more than 50mm. When simulating the situation when the coulter goes beyond the set depth range, the process of returning it to its original state does not exceed 1.8 s. The results obtained will allow you to configure the system in its practical application in the sowing process.
Keywords: seeder, depth, control, automation, hydraulics.
For citation: Kokoshin S.N., Kizurov A.S. The results of laboratory studies of the automatic seeding depth control system. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 95(3): 134-140. (In Russ.).
