повышение эффективности предпосевной обработки семян яровой пшеницы с использованием низкочастотного электрического

На правах рукописи

Старухин Роман Сергеевич

повышение эффективности предпосевной обработки семян яровой пшеницы с использованием низкочастотного электрического поля

Специальность 05.20.02 – Электротехнологии

и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Барнаул - 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный
технический университет им. И. И. Ползунова»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профес-сор О.И. Хомутов (ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»)

доктор технических наук, старший научный сотрудник В.Н. Делягин (ГНУ «Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» Россельхозакадемии);

кандидат технических наук, доцент А.В. Бастрон (ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»)

ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет»

Защита диссертации состоится 22 мая 2012 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.02 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038,
г. Барнаул, пр. Ленина, 46, факс (3852) 36-71-29, http://altstu.ru ,
e-mail: ntsc@desert.secna.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «21» апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Л.В. Куликова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка и широкое внедрение в различных областях современных электротехнологий на сегодняшний день является неотъемлемой и важной составляющей стратегического развития государства. К основным направлениям развития агропромышленного комплекса (АПК) регионов, и в частности Сибири, относятся: обеспечение сельскохозяйственной отрасли современными средствами производства; внедрение новых, наукоемких технологий в аграрное производство на всех его этапах: от предпосевной обработки семян до глубокой переработки зерна. Одно из важнейших мест в комплексе мероприятий по повышению эффективности сельскохозяйственного производства, в частности урожайности возделываемых культур, занимает работа с семенами, поскольку они являются носителями биологических и хозяйственных качеств растений и в значительной мере определяют качество и количество собираемого в итоге урожая.

Все большее распространение получают воздействия на семена физическими факторами с целью их стимуляции для ускорения роста, увеличения урожайности и повышения качества получаемой продукции. Особое место в ряду исследуемых физических воздействий занимают электрофизические факторы. Многочисленными исследованиями (И.Ф. Бородин, Ф.Я. Изаков, Н.В. Цугленок, В.Н. Шмигель, Л.А. Азин, Г.П. Стародубцева, Н.В. Ксёнз, В.И. Клюка, М.Т. Серегина, Г.И. Цугленок, В.Г. Ботнарюк, Ш.А. Задгинидзе, Ф.А. Дедуль, С.Д. Кутис, В.А. Савельев, Л.И. Жидачевский и др.) в данной области доказано положительное влияние электромагнитных полей на посевные качества семян. Так в г. Красноярске в течение длительного времени успешно ведутся исследования учеными научной школы, созданной доктором технических наук, профессором Н.В. Цугленком. Ими найдены эффективные способы применения энергии электромагнитных полей высокой и сверхвысокой частоты. В ЧГАА А.М. Басов,
Ф.Я. Изаков c учениками в качестве фактора для обработки семян успешно применили электрическое поле постоянного тока.

В настоящее время разработано достаточно большое количество разнообразных способов электрофизического воздействия на семена с целью увеличения урожайности и повышения эффективности сельскохозяйственного производства. Тем не менее, повсеместное их внедрение ограничено. Основными причинами, тормозящими широкое распространение электрофизических методов предпосевной обработки, являются высокая стоимость установок для стимуляции семян, а также значительное изменение сложившейся технологии предпосевной обработки.

Основной целью названных видов предпосевной обработки является обеззараживание зерна. Тем не менее, на сегодняшний день в хозяйствах по-прежнему прибегают к протравливанию. Отчасти это объясняется тем, что руководители хозяйств не желают нарушать сложившиеся комплексы удобрений и обработки посевов, а также устоявшиеся правила севооборота. Как известно, протравливание негативно отражается на жизнеспособности семян. Поэтому сохраняется необходимость в стимуляции семян, улучшении их посевных свойств и компенсации угнетающего действия протравителей.

Известно, что при различных значениях характеристик электромагнитных полей, используемых для обработки посевного материала, меняются и эффекты его воздействия. При этом влияние оказывают силовые и энергетические характеристики полей, частота, характер изменения и время воздействия, кроме того, влияние могут оказывать также некоторые сопутствующие факторы.

Но если обработке постоянными, высокочастотными и сверхвысокочастотными полями посвящено достаточно большое количество работ, то сведения об эффектах воздействия на семена низкочастотных (НЧ) электромагнитных полей практически отсутствуют, хотя и встречаются свидетельства того, что такого рода воздействие на посевной материал может давать существенный положительный эффект. Кроме того, имеющиеся на данном этапе исследований данные говорят о том, что обоснованное совмещение предпосевного протравливания и стимуляции семян воздействием вращающимися НЧ электрическими полями может значительно улучшить урожайные качества зерна. Таким образом, возникает необходимость дальнейшего исследования воздействия низкочастотного электромагнитного поля на посевные качества семян и совершенствования методов их предпосевной обработки.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание технологии предпосевной обработки семян яровой пшеницы во вращающемся эллиптически поляризованном электрическом поле низкой частоты.

Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

- выбрать и обосновать характеристику семян в качестве критерия, позволяющего оценить эффективность предпосевной обработки;

- разработать модель водопоглощения зерна пшеницы на основе диффузионных процессов под действием внешнего электрического поля и получить закономерности протекания исследуемых процессов в установке для предпосевной обработки семян электрическим полем НЧ;

- разработать методику расчета электротехнических и конструктивных параметров установки для предпосевной обработки семян электрическим полем и на ее основе определить рациональные режимы работы и параметры установки для предпосевной обработки с точки зрения выбранного критерия;

- экспериментально проверить влияние напряжённости и типа поляризации НЧ электрического поля на водопоглощение и посевные характеристики семян яровой пшеницы;

- разработать электротехнологию для предпосевной обработки семян и определить технико-экономическую эффективность ее использования в условиях сельскохозяйственного производства.

Объект исследования. Объектом исследования являются процессы, протекающие в посевном материале под воздействием низкочастотного электрического поля.

Предмет исследования. Предметом исследования является получение зависимостей относительного водопоглощения, всхожести, энергии прорастания зерна яровой пшеницы от параметров воздействующего вращающегося эллиптически поляризованного электрического поля низкой частоты.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием методов математического моделирования, математической статистики, математического анализа. Экспериментальная часть исследования выполнена с помощью компьютерного моделирования и натурных экспериментов.

Научная новизна. Научная новизна исследования состоит в следующем:

- выбрана и обоснована характеристика семян, величина которой позволяет оценить эффективность предпосевной обработки;

- разработана модель водопоглощения зерна пшеницы на основе диффузионных процессов, протекающих в зерне под действием внешнего электрического поля НЧ;

- разработана электротехнология предпосевной обработки семян яровой пшеницы, в которой для стимуляции жизнеспособности семян впервые использовано эллиптическое электрическое поле низкой частоты;

- создана методика расчета параметров установки для предпосевной обработки семян электрическим полем.

На защиту выносятся:

- критерий, позволяющий характеризовать эффективность обработки семян яровой пшеницы на предпосевном этапе;

- математическая модель, связывающая относительное водопоглощение и напряженность воздействующего электрического поля низкой частоты;

- методика расчета электротехнических и конструктивных параметров установки для предпосевной обработки семян электрическим полем;

- технология предпосевной обработки семян в эллиптически поляризованном электрическом поле;

- зависимости относительного водопоглощения, всхожести, энергии прорастания семян яровой пшеницы от параметров воздействующего электрического поля.

Практическая значимость и реализация работы.

1. Получены наиболее эффективные значения напряженности НЧ электрического поля для рассматриваемых сортов, приближающиеся к
1100 В/м.

2. Получены теоретические и экспериментальные зависимости, позволяющие обоснованно подойти к проектированию установок для предпосевной обработки семян электрическим полем НЧ с различной конструкцией электродов.

3. Разработанная установка для предпосевной обработки семян электрическим полем, конструкция которой защищена патентом РФ на полезную модель (№102172, опубликовано 20.02.2011 Бюл. №5), позволяет обрабатывать зерно с производительностью до 2 т/ч, при этом повышение урожайности достигает 17 %.

4. Технология предпосевной обработки семян яровой пшеницы электрическим полем НЧ внедрена в сельскохозяйственных предприятиях Алтайского края, а именно: ОАО «Племрепродуктор Чистюньский» Топчихинского района, "Крестьянско-фермерское хозяйство Горлова С.В." с. Косиха, "Крестьянско-фермерское хозяйство Иванова А.Н." с. Контошино Косихинского района, СХПК «Союз» с. Шадринцево Тальменского района, ООО «Элита» р.п. Тальменка. Внедрение данной технологии позволило увеличить всхожесть и энергию прорастания пшеницы на 8-14 %. Методические рекомендации по использованию разработанной технологии переданы в управления по сельскому хозяйству Тогульского, Тальменского, Косихинского районов Алтайского края.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение: на ежегодной городской научно-практической конференции молодых ученых («Молодежь-Барнаулу» в период с 2006 по 2010 гг.), Всероссийской научно-технической конференции "Наука и молодежь" (г. Барнаул, в период с 2006 по 2010 гг.), Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в России: успехи, проблемы и перспективы» (г. Пенза, ноябрь 2008 г.), на международных научных конференциях «Оптимальные методы решения научных и практических задач» (г. Таганрог, июнь 2005 г.), «Измерение контроль информатизация» (г. Барнаул, июнь 2009 г.), международных научно-практических конференциях «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства» (г. Пенза, август 2010 г.), «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства» (г. Пенза, октябрь 2010 г.), «Электроэнергетика в сельском хозяйстве» (г. Новосибирск – г. Барнаул, июнь 2011 г.).

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 12 печатных работ, 4 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК. Получен патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы (из 115 наименований) и содержит 171 страницу основного текста, в том числе 14 рисунков и 18 таблиц, также включает 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования; сформулированы цель и задачи работы; изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту; приведены сведения об апробации основных результатов работы.

Первый раздел посвящен анализу состояния вопроса, обзору эффектов и гипотез о механизмах влияния электромагнитных полей на семена, определению критерия оценки жизнеспособности семян на предпосевном этапе, поиску возможных путей повышения эффективности предпосевной обработки, исследованию и анализу общего технологического процесса подготовки семян к посеву.

В настоящее время электротехнологии находят все более широкое применение в сельском хозяйстве, являясь действенным средством повышения эффективности производства сельскохозяйственной продукции.

Существенный вклад в развитие исследований, связанных с применением электроэнергии в сельскохозяйственном производстве, внесли российские ученые Н.В. Цугленок, И.Ф. Бородин, М.Г. Евреинов, П.Н. Листов, С.П. Лебедев, И.А. Будзко, В.А. Воробьев, А.А. Пястолов, Л.А. Саплин, А.Е. Немировский, Ф.Я. Изаков, А.И. Якобс, И.Ф. Кудрявцев, A.M. Мусин, В.В. Шмигель, P.M. Славин, В.Н. Делягин, Ю.А. Судник, О.К. Никольский, О.И. Хомутов, А.В. Бастрон, И.В. Белицын и многие другие.

Сегодня разрабатываются и совершенствуются различные электрофизические методы стимуляции посевного материала. Анализ литературных источников показал, что воздействие на семена электрическим полем является одним из перспективных электрофизических методов предпосевной обработки семян. Однако широкого распространения такой метод стимуляции не получил. Это связывается с высокой стоимостью и сложностью оборудования, высокими эксплуатационными издержками, а также необходимостью привлечения дополнительных трудовых и материальных ресурсов, затрат времени. Кроме этого, отсутствие математической модели взаимодействия зерна с электрическим низкочастотным полем, делает подход к определению параметров воздействующего электрического поля на жизнеспособность семян чисто эмпирическим.

Повышение всхожести, энергии прорастания и, как следствие, урожайности после стимуляции семян в электрическом поле зависит от многих факторов. Среди основных можно назвать сорт и качество обрабатываемых семян, длительность обработки и напряженность электрического поля, частоту и степень его поляризации. Эмпирический подход к выявлению повышения урожайности после воздействия поля на семена предполагает большой объем исследований. Кроме того, полевой эксперимент, для непосредственного определения урожайности, продолжителен и обычно составляет не менее трех лет. Поэтому целесообразно ориентироваться на характеристики семян на предпосевном этапе.

Многими исследователями интенсивность водопоглощения напрямую связывается с посевными качествами семян – с их полевой всхожестью, а как следствие, и с урожайностью. Водопоглощение семян является важным свойством, характеризующим их жизнеспособность, а оно, как известно, протекает в два этапа. На первом этапе создаются предпосылки для выхода семени из состояния покоя и активации жизненных процессов. В этот период интенсивность протекающих процессов во многом определяет дальнейшее развитие и прорастание семени. На втором этапе происходит активное поглощение семенем солей, содержащихся в воде. Поэтому именно водопоглощение было выбрано в качестве критерия, определяющего потенциальную урожайность.

На основании проведенного анализа был сделан вывод о необходимости разработки модели водопоглощения зерна пшеницы на основе диффузионных процессов под действием внешнего НЧ электрического поля и разработки на ее основе установки и технологии для предпосевной обработки семян электрическим полем, позволяющих производить обработку без внесения существенных изменений в существующие технологические процессы при производстве зерна.

Во втором разделе, с использованием основных положений теории электромагнитного поля в диэлектриках и теории диффузионных процессов, создана модель процессов, происходящих в зерне, находящемся во внешнем электрическом поле.

Поскольку форма зерновых частиц близка к трехосному эллипсоиду, то построение модели на основе поляризации диэлектрического эллипсоида было произведено в эллипсоидальной системе координат, на основе уравнений Максвелла, записанных в дифференциальной форме. В результате были получены выражения для изменения объема диэлектрика, справедливые для переменного электрического поля низкой частоты. Приведем первое из них без доказательства:

(1)

где V0 – начальный объем диэлектрика; V – объем диэлектрика при внесении его в электрическое поле; – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; =8,8510-12 Ф/м – электрическая постоянная; коэффициент сжимаемости тела; Е – напряженность электрического поля; n – коэффициент деполяризации; – коэффициент, характеризующий изменение относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика при изменении давления Р, при постоянной температуре Т.

Также при помещении зерна в НЧ электрическое поле, возникает электрокалорический эффект (теплота выделяющаяся в диэлектрике), описываемый выражением:

(2)

где  коэффициент теплового расширения; – коэффициент, характеризующий изменение относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика при изменении температуры Т, при постоянном давлении Р.

При рассмотрении водопоглощения как диффузионного процесса, происходящего через оболочку семени по первому закону Фика, была получена связь величины относительного водопоглощения и напряженности электрического поля в виде:

, (3)

где J – водопоглощение зерна, помещенного в электрическое поле, J0 – водопоглощение зерна, не подвергшегося воздействию электрического поля.

Анализируя полученную функцию, можно определить значение напряженности электрического поля, при котором предпосевная обработка будет наиболее эффективна.