CC BY
19
МЕХАНИЗАЦИЯ
УДК 631.354.2
Влияние конструктивно-технологических параметров вытирающе-скарифицирующего устройства на качество скарификации
Александр Иванович Бурков, доктор техн. наук, профессор, зав. лабораторией, Максим Васильевич Симонов, кандидат техн. наук, ст. научный сотрудник, Валентин Юрьевич Мокиев, младший научный сотрудник ГНУ НИИСХ Северо-Востока г. Киров, Россия
E-mail: [email protected]
Однофакторными экспериментами исследовано влияние частоты пб вращения барабана, зазора 8 свь1х между рифом терочной поверхности барабана и скарифицирующей поверхностью на выходе, подачи цс исходного материала в скарифицирующее устройство, зернистости Z скарифицирующей поверхности на энергию Е прорастания, всхожесть В, степень С скарификации и степень Пувеличения количества проросших семян. Методом планирования многофакторного эксперимента изучено совместное влияние наиболее значимых параметров: зернистости Z, частоты пб и подачи qc на показатели качества скарификации С и П. Определена область рациональных значений параметров, при которых обеспечивается степень скарификации семян С > 95 % при степени увеличения количества проросших семян П = 34...36 % и отсутствии дробления d: высота рифов терочной поверхности барабана h = 2,9 мм; зазоры между рифом терочной поверхности барабана и декой 8вх = 6 мм, 8раб = 4 мм, 8свЫх = 3.4 мм; зернистость скарифицирующей поверхности Z = 50 мкм; частота вращения барабана пб =1400.1500 мин'1; подача исходного материала q,, = 0,10.0,15 т/ч.
Ключевые слова: семена трав, скарификация, вытирающе-скарифицирующее устройство
Высококачественный посевной материал бобовых трав является важным фактором в системе кормопроизводства для удовлетворения потребностей отрасли животноводства [1]. Процесс послеуборочной обработки и подготовки твердых семян бобовых трав, имеющих высокую прочность поверхностной пленки, предусматривает их скарификацию (механический способ снижения твердости и твердокаменности) [2]. Применяемые для этой цели скарификаторы часто имеют высокие скорости рабочих органов, что приводит к повреждению семян и ухудшению их качества. Кроме того, кратковременное использование скарификатора только на одной технологической операции (за 2-3 недели перед посевом) снижает эффективность их применения. Для увеличения годовой загрузки машины в НИИСХ Северо-Востока разработано вытирающе-скарифи-цирующее устройство (рис. 1), отличительной особенностью которого является возможность работы на вытирании пыжины в послеуборочный период и скарификации твердых семян в предпосевной период. На первом этапе исследования определено влияние основных конструктивных пара-
метров, частоты пб вращения барабана и подачи q пыжины на степень вытирания и дробление семян [3].
Цель исследований - определить влияние конструктивно-технологических параметров вытирающе-скарифицирующего устройства на качество скарификации и их оптимальное сочетание.
Материал и методы. Исследования проводили на экспериментальной установке, выполненной согласно схеме (рис. 1), шириной рабочей части 0,1 м и диаметром барабана 0,2 м.
Скарифицирующее устройство работает следующим образом. Обрабатываемые семена засыпают в загрузочный бункер 1. При вращении питающего валика 2 семена поступают в загрузочную горловину 3, затем под действием силы тяжести падают в пространство между шестигранным прокатом 5 барабана 4 и скарифицирующей поверхностью 7 деки 8. При вращении барабана 4 материал захватывается его терочной поверхностью и протаскивается по скарифицирующей поверхности 7. При движении по абразивной поверхности твердая оболочка семян разрушается. После обработки семена движутся по инерции вверх
в выходной патрубок 10, скользят по его криволинейной стенке и выводятся наружу.
Конструкция устройства позволяет изменять зазор между декой и рифом терочной поверхности барабана на входе (бвх), в средней части (брав) и выходе (8свЫх, 8'выХ). Частоту пб вращения барабана изменяли с помощью частотного преобразователя. Подачу дс
исходного материала регулировали изменением частоты вращения питающего валика 2. При работе устройства в режиме скарификации надставка 9 установлена вертикально, зазор б'вых = 10 мм. Дека 8 покрыта сверху шлифовальной шкуркой средней зернистости по ГОСТ 3647-80, выполняющей роль скарифицирующей поверхности 7.
—■--движение исходного материала
——•--движение перетертого материала
Рис. 1. Схема вытирающе-скарифицирующего устройства: 1 - загрузочный бункер; 2 - питающий валик; 3 - загрузочная горловина; 4 - барабан; 5 - прокат шестигранный;
6 - прокат круглый; 7 - скарифицирующая поверхность; 8 ходной патрубок; 11 - вал; 12 - корпус
При проведении экспериментальных исследований использовали семена галеги восточной (козлятника восточного), соответствующие требованиям ГОСТ Р 523252005 для репродукционных семян на семенные цели. Изучаемыми параметрами являлись частота пв вращения барабана, подача дс исходного материала в скарифицирующее устройство, зазор 5'вых между рифом терочной поверхности барабана и скарифицирующей поверхностью на выходе, зернистость Z скарифицирующей поверхности. Исследования проводили при зазорах бвх = 6 мм, браб = 4 мм. Высота рифов терочной поверхности барабана к = 2,9 мм (размер шестигранника А = 10 мм).
Качество процесса скарификации оценивали степенью С скарификации, дроблением ё, степенью П увеличения количества
дека; 9 - надставка; 10 - вы-
проросших семян, всхожестью В и энергией Е прорастания семян. Отбор проб исходного и обработанного материала, определение всхожести, энергии прорастания и количества твердых семян выполняли по ГОСТам 12036-85 и 12038-84, а определение дробления семян по ГОСТ 12037-81.
Энергию прорастания определяли по выражению:
Е = — -100, %, (1)
N
где А - количество проросших семян по истечении 3 суток, шт.; N - количество семян, закладываемое в пробе, шт.
Всхожесть определяли по уравнению:
(Б + К)
N
где Б - общее количество проросших семян по истечении 14 суток, шт.; К - количество твердых семян, шт.
В =
-100, %,
(2)
Степень скарификации определяли как отношение разности количества твердых семян в пробе до и после обработки к количеству твердых семян в пробе до обработки:
с = -fcb).i00 , 0%, (3)
ki
где К1 и К2 - количество твердых семян до и после обработки, шт.
Степень П увеличения количества проросших семян определяли как отношение разности количества проросших семян в пробе до и после обработки к количеству проросших семян в пробе после обработки:
П = .100, %, (4)
б2
где Б1 и Б2 - количество проросших семян в пробе до и после обработки, шт.
Дробление семян определяли по выражению:
d = m .100, %, (5)
m
где md и m - масса дробленых семян и масса всех семян в пробе, г.
Результаты и их обсуждение. Одно-факторными экспериментами изучено влияние частоты пб вращения барабана, зазора дсвых между рифом терочной поверхности барабана и скарифицирующей поверхностью на выходе, подачи qc исходного материала в скарифицирующее устройство, зернистости Z скарифицирующей поверхности на показатели качества скарификации: энергию Е прорастания, всхожесть В, степень С скарификации, степень П изменения количества проросших семян и дробление d семян (рис. 2, 3, 4, 5).
Частота пб вращения барабана оказывает сильное влияние на степень С скарификации семян (рис. 2). С увеличением пб от 700 до 1900 мин- степень С скарификации семян возрастает от 60,6 до 99,5%. Наиболее существенное повышение С наблюдается при увеличении пб до 1500 мин- (на 35%). Дальнейшее увеличение пб до 1900 мин- приводит к незначительному росту С (на 4%).
Энергия Е и всхожесть В при увеличении пб снижаются. Наиболее значительное их снижение наблюдается при пб >1500 мин-1, что обусловлено механическим повреждением семян. Зависимость П = У(пб) имеет максимум при пб =1300 мин-1 (П = 30,5%). При
увеличении пб от 700 до 1300 мин-1 П возрастает от 24,6 до 30,5% вследствие большего количества скарифицированных семян. Дальнейшее увеличение пб до 1900 мин-1 снижает П до 22,7%, что вызвано уменьшением количества жизнеспособных семян вследствие механических повреждений. Дробление d семян во всей изученной области изменения частоты пб отсутствует.
;_ в/
\с
о ^
- Д <
-
700 900 1100 1300 1500 иймин' 1900
Рис. 2. Зависимости показателей качества скарификации от частоты пб вращения барабана при цс = 0,1 т/ч; 5свьх = 3 мм; Z = 25 мкм
Из проведенного анализа полученных данных следует, что оптимальный диапазон значений частоты вращения барабана при qc = 0,1 т/с, 5свых = 3 мм, Z = 25 мкм составляет пб = 1000.. .1500 мин-1.
Зазор 5свых оказывает меньшее влияние на изучаемые показатели (рис. 3). Изменение зазора 5свых от 3 до 6 мм при qc = 0,1 т/ч, Z = 25 мкм, пб = 1000 мин-1 из-за уменьшения силового воздействия снижает степень С скарификации семян на 8% (от 75 до 67%). На остальные показатели зазор 5свых влияет незначительно. При этом степень П начинает уменьшаться при 8свых >5 мм. Исходя из наилучшей степени С скарификации и с учетом значений Е, В и П зазор 5свъгх целесообразно устанавливать 3.4 мм.
Так же незначительно влияет на показатели качества скарификации изменение подачи qc исходного материала в пределах от 0,05 до 0,25 т/ч при 5 свъх = 3 мм, Z = 25 мкм и пб = 1000 мин-1 (рис. 4). Наиболее высокие значения степени скарификации (С = 70.74%) достигаются при qc= 0,10.0,15 т/ч. Остальные показатели находятся практически на одном уровне, что обусловлено малыми удельными подачами исходного материала.
в, с,. п,%
;
в/
1 \с - " к 1 <
) "
/
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
6,0
Рис. 3. Зависимости показателей качества скарификации от зазора бсеых между рифом терочной поверхности барабана и скарифицирующей поверхностью на выходе при цс= 0,1 т/ч; 2 = 25 мкм и пб = 1000 мин-1
100
я, % 80
70
60
50
40
30
20
/ '
я/
\с 1
< > < )
> 1
п
• •
0,05 0,10 0,15 т/ч 0,25
Рис. 4. Зависимости показателей качества скарификации от подачи qс исходного материала в скарифицирующее устройство при д сеых = 3 мм; 2 = 25 мкм и пб = 1000 мин-1
100
В,С,Е П,% 80
70
60
50
40
30
20
в/
0= И )
1
п
/
15
20
25
2, мкм
40
Рис. 5. Зависимости показателей качества скарификации от зернистости 2 скарифицирующей поверхности при qс = 0,1 т/ч; д свых = 3 мм; и пб = 1000 мин-1
Зернистость 2 скарифицирующей поверхности при qc = 0,1 т/ч, б свых = 3 мм, пб = 1000 мин-1 оказывает существенное влияние на степень С скарификации семян (рис. 5). Так, при увеличении 2 от 16 до 32 мкм степень С скарификации возрастает от 66 до
79%. При этом кривая не имеет перегиба в изучаемой области 2. Поэтому при дальнейшем исследовании зернистость следует увеличить. Степень П изменения количества проросших семян с увеличением 2 возрастает от 17% при 2 = 16 мкм до 25% при 2 = 25 и 32 мкм. Всхожесть В и энергия Е прорастания семян при 2 = 16.. .32 мкм изменяются незначительно ввиду малой глубины канавок, образуемых шлифовальной шкуркой.
С целью более полного изучения совместного влияния наиболее значимых параметров (зернистость Ъ скарифицирующей поверхности, частота пв вращения барабана, подача qc исходного материала) на показатели качества скарификации математическими моделями был реализован полный факторный эксперимент первого порядка для трех факторов [4].
Факторы, уровни и интервалы их варьирования (табл.) выбраны на основании результатов однофакторных экспериментов. Опыты проводили в трехкратной повторно-сти при 8Свых = 3 мм.
Реализация плана 23 и обработка результатов эксперимента позволили получить адекватные с 95% вероятностью математические модели процесса скарификации семян (%): Ус = 86,18 + 4,7*1 + 8,0х2 - 1,1х3 - 1,8х1х2 + + 0,6*1 -х3 - 0,36х2 -х3; (6)
УП = 30,87 + 1,95*1 + 1,29х2 - 1,29х3 +
+ 0,16*1- х2 + 0,7*1 -х3 + 1,13х2 -х3. (7) После исключения незначимых коэффициентов регрессии и пересчета оставшихся коэффициентов модели (6) и (7) принимают вид:
Ус = 86,18 + 4,7*1 + 8,0*2 - 1,1*3 - 1,8*1*2; (8)
Уп = 30,87 + 1,95*1 + 1,29*2 - 1,29*3 +
+ 0,7х1х3+ 1,13х2х3. (9)
Анализ математической модели (8) методом двумерных сечений поверхности отклика (рис. 6) позволил определить влияние факторов на степень С скарификации. Наиболее существенное влияние на изменение степени С скарификации семян оказывают два фактора: частота пб вращения барабана и зернистость 2 скарифицирующей поверхности. Увеличение частоты пб вращения барабана повышает степень С при любых значениях зернистости 2 и подачи qc, располо-
женных в изученной области. Так, например, изменение пб от 1000 до 1500 мин-1 при 2 = 50 мкм и qc = 0,1 т/ч (рис. 6, а) повышает степень С на 12,4% (от 85,8 до 98,2%). Увеличение зернистости Z от 25 до 50 мкм при qc = 0,1 т/ч и пб = 1500 мин-1 повышает сте-
Таблица
Факторы, уровни и интервалы их варьирования
пень С на 5,8 % (от 92,4 до 98,2%). Менее существенно на показатель С влияет подача qc исходного материала. Например, изменение подачи qc от 0,1 до 0,2 т/ч при Z = 50 мкм и пб = 1500 мин-1 (рис. 6, б) снижает степень скарификации на 2,2% (от 98,2 до 96,0%).
Кодированное обозначение факторов Название факторов, их обозначение и единица измерения Уровни факторов Интервалы варьирования
-1 +1
хх Зернистость 2 скарифицирующей поверхности 25 50 25
Частота пб вращения барабана, мин-1 1000 1500 500
хз Подача qc исходного материала, т/ч 0,1 0,2 0,1
мин
о/1
N>:
1000L
0,2 Яс, / о VO* 7
т/ч
од
25 2, мкм
Рис. 6. Линии равных значений при = 0,1 т/ч
Максимальное значение степени скарификации семян Стах = 98,2% достигается при следующем сочетании изучаемых факторов: х1 = 1 (2 = 50 мкм); х2 = 1 (пб = 1500 мин-1); х3 = -1 (qc = 0,1 т/ч).
Анализ математической модели (9) показал (рис. 7), что степень П изменения количества проросших семян достигает своего максимального значения (Птах = 36%) при том же сочетании изучаемых факторов, что и максимум функции С = Д22, пб, qc): х1 = 1 (2 = 50 мкм); х2 = 1 (пб = 1500 мин-1); х3 = -1 ^ = 0,1 т/ч). При этом все три фактора оказывают влияние на степень П примерно одинаковое значение (3.5%).
Область высоких показателей качества скарификации С = 95. 98% и П = 34.36% достигается при следующем сочетании изучаемых факторов: 2 = 50 мкм; пб = 1500 мин-1; qc = 0,1 т/ч. Следует также отметить, что при
п6, мин" 1500
степени С скарификации семян (%) (а) и Z = 50 мкм (б)
проведении всех опытов дробления d семян не обнаружено.
Вывод. Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследований выявлено влияние конструктивно-технологических параметров вытирающе-скарифицирующего устройства на качество скарификации и определена область рациональных значений параметров, при которых обеспечивается степень скарификации семян С > 95 % при степени увеличения количества проросших семян П = 34. 36% и отсутствии дробления d: высота рифов терочной поверхности барабана h = 2,9 мм; зазоры между рифом терочной поверхности барабана и декой 5вх = 6 мм, 5раб = 4 мм, 5 свых = 3.4 мм; зернистость скарифицирующей поверхности Z = 50 мкм; частота вращения барабана пб = 1400.1500 мин-1; подача исходного материала qc = 0,10.0,15 т/ч.
15001
мин
1000L
Z, мкм 50 25
Z, мкм 50
Рис. 7. Линии равных значений степени П изменения количества проросших семян (%)
при дс = 0,1 т/ч (а) и п = 1500 мин-1 (б)
Список литературы
1. Фигурин В.А., Кислицына А.П., Сунцо-ва Н.П., Вяткина А.А. Создание продуктивных агрофитоценозов на сенокосах // Достижения науки и техники в АПК. 2010. №3. С. 42-44.
2. Вятские клевера /Н.П.Киселев, А.Д. Кормщиков, Е.В. Никифорова [и др.]. Киров: ГИПП "Вятка", 1995. 276 с.
3. Бурков А.И., Симонов М.В., Мокиев В.Ю. Результаты исследований вытирающе -скарифицирующего устройства при вытирании семян из пыжины клевера //Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2013. № 3. С. 59-64.
4. Мельников С.В., Алешкин В.Р., Ро-щин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Колос, 1980. 168 с.
Influence of design-technological parameters of grater-scarification unit on quality of scarification Burkov A., Simonov M., Mokiev V.
Influence of rotation frequency of barrel, gap between riff of grater surface of barrel and scarificator surface, input of initial material into scarificator, granularity of scarificator on germinating energy, germinating ability, degree of scarification and increasing of amount of germinating seeds was studied at one-factorial experiments. Mutual influence of most important factors (granularity, rotation frequency of barrel, and input of initial material) on parameters of quality of scarification was investigated by means of multi-factorial experiments. Region of rational means of parameters is determined at which 95% degree of scarification is obtained with simultaneously increasing of amount of germinated seeds by 34-36% and lack of crushing: high of riffs of grater surface of barrel h = 2.9 mm; gaps between riff of grater surface of barrel and scarificator surface 5BX = 6 mm, 5pa6 = 4 mm, 5 cBtIX = 3.. .4 mm; granularity of scarificator surface Z = 50 micrometer; rotation frequency of barrel =1400.1500 min-1; input of initial material qc = 0.10.0.15 t/hour.
Ключевые слова: grass seeds, scarification, grater-scarification unit
