повышение эффективности предпосевной обработки семян яровой пшеницы с использованием низкочастотного электрического

В диссертации приведена методика для экспериментального определения коэффициентов теоретической зависимости водопоглощения от напряженности электрического поля, а также экспериментальные зависимости для трех различных, распространенных в Алтайском крае, сортов яровой пшеницы при различных начальных параметрах зерна. Метод определения диэлектрической проницаемости основан на сравнении электрической емкости плоского конденсатора, внутрь которого помещается исследуемая проба зерна, с емкостью эталонного конденсатора.

Ниже приведены зависимости, по которым определялись параметры выражения (3). Коэффициент объемного расширения определяется как

. (4)

Коэффициент сжимаемости определяется по выражению:

, (5)

где – изменение линейного размера зерна вдоль его большей полуоси при температурах Т1 и Т2, соответственно (Т1

Диэлектрическая проницаемость зерна:

. (6)

Коэффициент определяется как

, (7)

а значение как

, (8)

где мм – радиус верхнего электрода; – относительная диэлектрическая проницаемость материала перегородки (гетинакс); h = 2 мм – толщина перегородки; С0 – емкость эталонного конденсатора; d – расстояние между обкладками; – угол отклонения стрелки гальванометра при измерении диэлектрической проницаемости зерна; – угол отклонения стрелки гальванометра при измерении емкости эталонного конденсатора.

Для определения n пользовались электрокалорическим эффектом, наблюдаемым при помещении диэлектриков во внешнее электрическое поле (2), из которого, с учетом количества теплоты поглощаемого зерном при нагревании:

, (9)

где – начальная температура зерна, К; – конечная температура зерна, К; с = 1,51 кДж/(кгК) – удельная теплоемкость зерна пшеницы; М – масса зерна; V – объем зерна.

По результатам проведенных экспериментов были рассчитаны параметры выражения (3) по формулам (4) - (9) и получено теоретическое значение напряженности электрического поля равное 1100-1200 В/м, при котором водопоглощение максимально.

Третий раздел посвящен проектированию и созданию установки для предпосевной обработки семян электрическим полем.

Ввиду распространенности ленточных конвейеров, используемых для транспортирования зерна при загрузке и разгрузке сельскохозяйственных агрегатов, установку для предпосевной обработки целесообразно также выполнить на основе ленточного транспортера. Такое решение позволяет сократить количество используемых в технологическом процессе устройств и избежать включения дополнительных производственных этапов.

Для эффективного функционирования установки необходимо определение точного значения напряженности электрического поля в области обработки посевного материала. Поскольку на распределение напряженности электрического поля в пространстве оказывает влияние пространственная конфигурация установки, возникает необходимость воспользоваться соответствующей математической моделью.

Конструктивно установку для предпосевной обработки семян электрическим полем можно представить как систему цилиндрических проводников круглого сечения. В общем случае установку можно заменить совокупностью из N цилиндрических проводников с длиной Lk с радиусами rэk, где k N. Заряд, наведенный на проводниках, не является постоянным по всей длине проводника и зависит от конкретной его точки. Общее число проводов обозначим Nпр. Линейный заряд на проводе не является постоянным по всей длине, и его обозначаем пр, а радиус провода – r0пр. Влияние заземленного металлического элемента заменим фиктивными зарядами, как для проводников k, так и для проводов пр.

Помещая точку наблюдения поочередно сначала на поверхность всех цилиндрических проводников и, учитывая, что потенциал всех проводников равен нулю, а затем, последовательно на поверхность всех проводов, получим систему интегральных уравнений:

(10)

где k(lk) – линейный заряд k-го проводника на его элементарном участке dlk; RkM – расстояние от элементарного участка dl k-го проводника до точки М; RkM – расстояние от элементарного участка dl зеркального изображения k-го проводника до точки М; – расстояние от v-го элементарного участка dl провода до точки М; – расстояние от элементарного участка dl зеркального изображения v-го провода до точки М; – длина проводника.

Решая систему (10) методом квадратурных формул, заменим ее системой линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), которая в матричной форме вида имеет вид:

(11)

где i – номер истока участка проводника с линейной плотностью i, j – номер узловой точки расчета, – приведенное значение потенциала (рисунок 1).

Поскольку СЛАУ получается высокой размерности, то для ее решения используется метод Холецкого с фазовой обработкой. После нахождения зарядов на каждом элементарном участке проводников напряженность в любой точке поля может быть найдена по принципу наложения. Предлагаемая система цилиндрических потенциальных электродов – источник поля для установки предпосевной обработки семян, показана на рисунке 2.

1 – изоляторы; 2 – рама устройства; 3 – система потенциальных электродов

Рисунок 2 – Расположение электродов в установке для предпосевной обработки

Установка (рисунок 3) состоит из загрузочного бункера 1 и выпускного лотка 2, ленточного подающего транспортера 3 с приводом 4. Верхняя ветвь ленты 3 транспортера расположена между заземленным плоским электродом 5 и источником поля, выполненным в виде системы 3-х цилиндрических потенциальных электродов 6, жестко закрепленных через изолирующие стойки 7 с нижней рамой 8 ромбового домкрата 9, верхняя рама 10 которого через изоляторы 11 жестко закреплена на раме 12 устройства. В свою очередь, нижняя рама 8 жестко связана с нижней плоскостью ромбового домкрата, а верхняя рама 10 – с верхней его плоскостью. Лента 3 транспортера имеет борта 13. Установка снабжена блоком управления 14, включающим частотный регулятор скорости привода 4, частотный преобразователь для питания системы потенциальных электродов 6 и регулятор напряжения.

Рисунок 3 – Установка для предпосевной обработки семян

Таким образом, разработанное устройство позволяет производить предпосевную обработку электрическим полем с необходимыми параметрами, без внесения существенных изменений в процесс подготовки семян яровой пшеницы к посеву.

В четвертом разделе получены экспериментальные зависимости относительного водопоглощения, всхожести, энергии прорастания зерен различных сортов яровой пшеницы от параметров электрического поля.

Биологическое действие электрического поля на зерно зависит от таких параметров, как напряженность поля Е, коэффициент поляризации Ф, времени воздействия ; так что эффект Э является сложной функцией перечисленных факторов:

(12)

Для получения уравнения регрессии и изучения отдельных факторов, влияющих на влагопоглощение, и определения значений этих факторов, при которых влагопоглощение достигает максимального значения, использовался план второго порядка, поскольку теоретическую зависимость можно приблизительно описать параболой. Кроме этого, он позволяет определить оптимальные условия эксперимента. Известно, что если целью эксперимента является поиск оптимальных условий, то наиболее часто применяются ротатабельные планы, с помощью которых коэффициенты уравнения регрессии определяются с одинаковой дисперсией. Таким образом, использовалось ротатабельное центральное композиционное планирование (РКЦП). Условия проведения опытов сведены в таблице 1.

Таблица 1 – Условия проведения эксперимента

Обозначение факторов	Стандартный масштаб	Натуральный масштаб
		Напряженность X1, В/м	Коэф. поляризации Х2	Время воздействия Х3, с
Основной уровень	0	1200	0,5	45
Верхний уровень	+1	1900	0,75	25
Нижний уровень	-1	500	0,25	65
Интервал варьирования	-	700	0,25	20
Звездные точки	+1,682 -1,682	2377 23	0,92 0,08	11,4 78,6

После определения оценок коэффициентов математической модели и проверки их на значимость, получена регрессионная модель водопоглощения, вида .

Адекватность полученной математической модели была проверена с помощью критерия Фишера. Теоретическое значение, которого при
, с числом степеней свободы для числителя 13 и знаменателя 45 – , расчетный – , таким образом, модель адекватна.

В результате исследования полученного выражения на экстремум получены значения факторов, при которых водопоглощение достигает максимума, их нормированные и фактические значения приведены в
таблице 2.

Таблица 2 – Значения факторов, при которых водопоглощение максимально

Обозначение факторов	Стандартный масштаб	Натуральный масштаб
Модуль напряженности X1, В/м	-0,199	1060
Коэффициент поляризации Х2	1,754	0,94
Время воздействия Х3, с	0,424	53,5

С целью исследования влияния напряженности электрического поля на относительное водопоглощение, всхожесть и энергию прорастания различных сортов пшеницы был проведен однофакторный эксперимент.

Группа семян была обработана в электрическом поле при различных напряженностях электрического поля, с коэффициентом поляризации 0,95 в течение 55 секунд. Опыты были проведены три раза в 4-кратной повторности в каждом опыте. Всхожесть и энергия прорастания определялись по ГОСТ 12036-85. Результаты эксперимента приведены на рисунках 4-6.

– сорт «Алтайская 325», – сорт «Ирень»,
– сорт «Алтайская 530», – аппроксимированные значения

Рисунок 4 – Зависимость энергии прорастания семян
пшеницы от напряженности электрического поля

• – сорт «Алтайская 325», – сорт «Ирень»,
  – сорт «Алтайская 530», – аппроксимированные значения

Рисунок 5 – Зависимость всхожести семян пшеницы

• – сорт «Алтайская 325», – сорт «Ирень»,
  – сорт «Алтайская 530», – аппроксимированные значения

Рисунок 6 – Зависимость удельного водопоглощения семян пшеницы

Анализ графиков показывает, что энергия прорастания и всхожесть семян увеличиваются при обработке их в электрическом поле напряженностью около 1100 В/м. Во всех трех сериях опытов наблюдается увеличение этих показателей при указанной напряженности электрического поля, что совпадает с областью максимального увеличения относительного водопоглощения семян при их обработке в электрическом поле.

Для подтверждения гипотезы о связи энергии прорастания, всхожести и скорости удельного водопоглощения была определена корреляция между этими характеристиками для различных сортов пшеницы. Результаты для зерна пшеницы сорта «Алтайская 530» представлены в таблицах 3, 4.

Таблица 3 – Связь между характеристиками обработанного зерна пшеницы сорта «Алтайская 530»

Характеристика зерна, уравнение аппроксимации,	Коэффициент корреляции			Экспериментальное значение Еэкс, В/м	Теоретическое значение Етеор, В/м	Погрешность, %
	Водопоглощение	Энергия прорастания	Всхожесть
1	2	3	4	5	6	7
Скорость водопоглощения y = 0,298x4 - 7,690x3 + + 61,09x2 - 149,2x + + 225,0 R = 0,911	1	0,934	0,954	1057	1100	4,1

Продолжение таблицы 3

Энергия прорастания y = 0,014x4 - 0,361x3 + 2,701x2 - 5,611x + 84,04 R = 0,994	0,934	1	0,985	1041		5,7
Всхожесть y = 0,013x4 - 0,346x3 + 2,572x2 - 4,924x + 85,83 R = 0,990	0,954	0,985	1	1039		5,9

Таблица 4 – Сравнение характеристик обработанного зерна пшеницы сорта «Алтайская 530» с контрольной группой

Характеристика зерна	Контроль		Опыт (обработка в электрическом поле), Е=1100 В/м		Прибавка, %
Энергия прорастания	82,25	5,56	88,25	1,70	7,3
Всхожесть	82	4,24	92,25	3,94	12,5