На правах рукописи
ХНЫКИНА Анна Георгиевна
ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
И РЕЖИМОВ НИЗКОВОЛЬТНОГО АКТИВАТОРА ДЛЯ
ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ЛУКА
Специальность: 05.20.02 – Электротехнологии и
электрооборудование в сельском хозяйстве
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Краснодар - 2014 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет»
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Рубцова Елена Ивановна
Официальные оппоненты: Курзин Николай Николаевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет», кафедра «Физики», заведующий кафедрой Федорищенко Михаил Геннадиевич кандидат технических наук, доцент, Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет», кафедра «Безопасность технологических процессов и производств», доцент
Ведущая организация: Государственное научное учреждение «СевероКавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» Российской академии сельскохозяйственных наук (г. Зерноград)
Защита диссертации состоится «30» сентября 2014 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, корпус факультета энергетики и электрификации, ауд. № 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» http://kubsau.ru/.
Автореферат разослан «» _ 2014 года и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak2.ed.gov.ru и на сайте ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» http://kubsau.ru/
Ученый секретарь диссертационного совета, Курасов Владимир Станиславович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Повышение посевных качеств и адаптивных свойств семян сельскохозяйственных культур при их предпосевной обработке, наряду с обычными агротехническими приемами, имеет существенное значение в решении проблемы увеличения производства продукции растениеводства.
Как показывают исследования, наиболее стабильный положительный эффект на семена сельскохозяйственных культур достигается воздействием электрического поля. Положительное воздействие электрического поля на семена обусловлено количественно дозированным энергетическим воздействием. В исследовании эффекта воздействия на семена электрического поля использовались небольшие объемы семенного слоя, что позволяло свободно оперировать широким спектром сигналов воздействия. При переходе на промышленный уровень, в активаторе обработке подвергается большой объем слоя семян, поэтому параметры источника питания, активатора, а также слоя семян ограничивают диапазон электрических параметров возможных воздействий. Поэтому для промышленного освоения данных электротехнологий необходимо корректировать ранее определенные параметры режимов обработки семян.
Поскольку известные установки по предпосевной обработке семян импульсным электрическим полем (ИЭП) созданы на основе активаторов, работающих при больших амплитудах импульсов напряжения и потребляющих значительные электрические мощности в пиковом режиме зарядки его электрической емкости, то снижение амплитуды импульсов напряжения позволило бы значительно уменьшить энергопотребление активатора и установки ИЭП в целом, сделать ее малогабаритной и применимой в полевых условиях.
Диссертационная работа выполнена согласно плану НИР Ставропольского ГАУ по госбюджетной тематике 2011-2012 гг. (гос. контракт № 9363р/ на выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по проекту № 15132, заявка № 11-3-Н5.1-0802 от 30.05.2011 г.) и 2011-2015 гг.
(раздел № 1.1 «Исследование влияния физических факторов и озона на посевные качества семян сельскохозяйственных культур»).
Научная гипотеза состоит в том, что повышение посевных качеств семенного материала может быть достигнуто за счет его обработки низковольтными импульсами напряжения, обеспечивающими требуемую дозу воздействия.
Целью диссертационной работы является обоснование параметров и режимов обработки слоя семян импульсным электрическим полем с разработкой низковольтного активатора для повышения их посевных качеств.
Для достижения поставленной цели работы сформулированы следующие задачи исследований:
Разработать конструкцию и исследовать электротехнологические 1.
режимы низковольтного активатора установки для предпосевной обработки семян импульсным электрическим полем.
Исследовать влияние электротехнологических режимов активатора 2.
на предпосевную обработку семенного материала лука ИЭП, стабильно улучшающих его посевные качества. На основании полученных результатов разработать инженерную методику определения рациональных режимов работы указанного активатора.
Построить математические модели методом регрессионного анализа, описывающие экспериментальные результаты исследований влияния параметров импульсного электрического поля и времени обработки на посевные качества семенного материала лука.
Подготовить техническое задание на изготовление макетного образца установки и выполнить технико-экономическое обоснование с целью внедрения способа предпосевной обработки семян низковольтным импульсным электрическим полем в хозяйствах края.
Объекты исследования: электротехнологические параметры, режимы работы, конструкция низковольтного активатора, семена лука.
Предмет исследования: зависимость физических и электрических свойств слоя семян, их посевных качеств (на примере семян лука) в объеме низковольтного активатора.
Методы исследования основываются на известных теоретических положениях и экспериментальных данных технологии предпосевной обработки семян импульсным электрическим полем, математическом моделировании и математической статистике.
Научную новизну работы составляют:
Конструктивные, электрические параметры и режимы работы низковольтного активатора ИЭП, обеспечивающие требуемые дозы воздействия для улучшения посевных качеств семенного материала (на примере семян лука).
Регрессионные модели влияния параметров ИЭП (времени обработки, напряжения, частоты и длительности импульсов) на изменение посевных качеств семенного материала (на примере семян лука).
Амплитудная доза воздействия импульсного электрического поля для высоковольтной и низковольтной обработки семян в рациональных режимах имеют близкие значения, что качественно объясняет возможность применения низковольтного активатора для предпосевной обработки.
Теоретически рассчитанные и подтвержденные экспериментально результаты исследования физических и электрических характеристик семенного слоя позволяющие добиться однородности предпосевной обработки с требуемой напряженностью электрического поля и дозой воздействия.
Практическую значимость работы составляют:
Конструктивные, электрические параметры и режимы работы низковольтного активатора ИЭП, обеспечивающие повышение посевных качеств семенного материала (на примере семян лука);
Рациональные режимы и параметры ИЭП, повышающие посевные качества семенного материала и снижающие патогенную микофлору;
Макетный образец установки для предпосевной обработки семян различных культур ИЭП низкого напряжения, позволяющий сократить время предпосевной обработки семян, повысить урожайность и тем самым обеспечить возможность создания непрерывной технологической линии подготовки семян в производственных условиях.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Электротехнологические режимы и параметры низковольтного активатора установки для предпосевной обработки семян ИЭП.
Регрессионные модели влияния параметров ИЭП низкого напряжения на посевные качества семенного материала (на примере семян лука).
Экспериментальные результаты исследования физических и электрических характеристик семенного слоя (на примере семян лука).
Технико-экономическое обоснование использования способа предпосевной обработки семян ИЭП низкого напряжения.
Реализация результатов работы. Разработанная экспериментальная установка для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур импульсным электрическим полем внедрена в ЗАО «Совхоз имени Кирова»
Труновского района Ставропольского края для испытаний рациональных режимов. Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет».
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались: на международной научно-технической конференции «Наука и образование – 2010» (Мурманск, 2010 г.), V международной научно-практической конференции «Альянс наук: ученый-ученому»
(Днепропетровск, 2010 г.), 6-й Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК» (Ставрополь, 2011 г.), Всероссийской научной конференции «Научно-техническое обеспечение АПК Юга России» (Зерноград, 2011 г), Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» (Москва, 2011-2013 г.), Биотехнологической выставке-ярмарке «РосБиоТех» (Санкт-Петербург, 2011-2013 г.), II-й международной научной заочной конференции «Естественнонаучные вопросы технических и сельскохозяйственных исследований» (Москва, 2011 г.), выставке «РусьАгро», (Москва, 2012-2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано: 19 научных работ, в том числе 1 патент РФ, 3 статьи в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК РФ. Общий объем публикаций – 9,5 п. л., из которых 3,8 п. л. принадлежат лично автору.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего наименований и приложения. Общий объем диссертации: 169 страниц машинописного текста, включая 42 рисунка, 20 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы, выдвигаются научная и рабочая гипотезы, формулируется цель, объект и предмет исследований, излагаются научная новизна, практическая значимость работы и положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены электротехнологические параметры и режимы устройств для предпосевной обработки семян, электротехнологические способы, воздействие электрического поля на микофлору, физические характеристики слоя семян и оценка степени заполнения ими объема активатора.
Одним из эффективных способов, обладающих одновременно стимулирующим и бактерицидным действием, является предпосевная обработка семян ИЭП, что подтверждено результатами исследований ученых Ставропольского ГАУ. Необходимо расширять исследования в этом направлении на большее число сельскохозяйственных культур с целью определения рациональных режимов обработки семян ИЭП и выяснения механизмов воздействия поля на них. Актуальной задачей также является уменьшение амплитуды напряжений ИЭП, что позволит создавать активаторы по обработке семян с меньшим энергопотреблением, более безопасными в работе, более компактными и мобильными для использования их в полевых условиях.
Сформулированы задачи исследований.
Во второй главе теоретически показано влияние неоднородности толщины воздушной прослойки на изменение напряженности электрического поля в слое семян, рассмотрены электрические схемы замещения активатора для определения режимов его работы, а также обоснован технологический процесс перемещения семян лука в рабочей зоне активатора.
Рассмотрим сечение вертикальной плоскостью активатора с реальным слоем семян при наличии воздушной прослойки (рисунок 1). Электрическое поле в межэлектродном пространстве на интервале х плоскопараллельное.
Рисунок 1 – Сечение вертикальной поверхности электродов активатора и поверхности слоя семян, то значения напряженностей поля в воздушном промежутке Eв и в слое семян Eсл обратно пропорциональны их диэлектрическим проницаемостям:
где сл и в - диэлектрические проницаемости слоя семян и слоя воздуха соответственно.
Из соотношений (4) и (5) следует, что напряженность электрического поля в слое воздуха больше, чем в слое семян, поскольку в сл. При изменении толщины слоя семян существенно изменяется напряженность поля внутри него.
Дифференцированием соотношения (5) получаем выражение для относительного изменения напряженности электрического поля в слое семян в зависимости от его толщины d1:
Наряду с конструктивной формой активатора существенное значение для режимов его работы имеют электрические характеристики семян лука, из которых в первую очередь необходимо выделить диэлектрическую проницаемость и электропроводность семян.
Помимо электрофизических свойств семян необходимо исследовать и электрические процессы в активаторе во время работы. Для этого необходимо рассмотреть схемы замещения активатора.
Для того чтобы получить наибольшее равномерное влияние электрического поля, исключим из рассмотрения слой воздуха. Соответствующая электрическая схема замещения представлена на рисунке 2. Для простоты расчетов рассмотрим случай, когда последовательным сопротивлением контактов и индуктивностью L подводящего кабеля пренебрегаем.
также напряжение Uc на конденсаторе. В конечРисунок 2 – Упрощенная схема замещения активатора при индуктивности L процесс зарядки конденсатора, приводится к неоднородному линейному дифференциальному уравнению первого порядка:
После преобразования (7) получаем следующие соотношения для токов:
По информации разработчиков генератора импульсов напряжения, выходное сопротивление генератора в диапазоне частот повторения импульсов 100 1000 Гц можно взять равным Rист 100 Ом. Тогда для постоянной времени из соотношения (7) получаем: 1,5 10 8 с, т.е. она мала. В силу этого также мала величина времени нарастания напряжения на электрической емкости активатора, которая равна фр 2,2 Сэкс R ут 39нс.
Проанализируем работу системы «источник-активатор» с учетом индуктивности соединительного кабеля, которая может значительно влиять на значение тока источника iист. Схема замещения в этом случае представлена на Рисунок 3 – Схема замещения системы «источник – активатор со слоем семян»
Из системы уравнений (10) получаем линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка для изменения напряжения на емкости С:
где - коэффициент затухания колебаний, 1/с; 0 - частота собственных колебаний, Гц.
Rист / 2L, т.е. процессом разряда электрической емкости активатора через шунтирующее сопротивление утечки можно пренебречь при оценке времен зарядки и разрядки емкости активатора ( фр и среза ). Например, фр 2,2 / нс.
Решение уравнения (11) получаем классическим методом, и оно имеет вид:
Изменение тока источника в процессе зарядки электрической емкости активатора выражается соотношением:
Необходимо отметить, что процессы разряда электрической емкости конденсатора активатора при включении импульса напряжения совершенно похожи на процессы зарядки емкости активатора и описываются практически теми же дифференциальными уравнениями, только с другими начальными условиями для напряжения источника Здесь также рассматриваем идеальный случай, т.е. длительностью среза импульса напряжения пренебрегаем (не учитываем).
Из уравнений (12) и (13) получаем соотношения для напряжения на емкости и тока через нее во время процесса разрядки:
Необходимо отметить, что схемотехнические компоненты выходной цепи генератора импульсов напряжения могут содержать дополнительные индуктивности, значительно превосходящие индуктивность кабеля. По информации разработчиков индуктивность выходного каскада генератора импульсов напряжений может составлять величины 250-350 мкГн. Поэтому для времен фронта и среза импульсов напряжений получаем оценку: 2,2 / 2,2( Rист / L) 5,5 7,7 мкс.
Рассмотренные динамические процессы в активаторе позволяют оценить его энергетические характеристики: пиковую мощность потребления, среднюю потребляемую мощность.
За счет уменьшения амплитуды импульсного напряжения до 200 В в рациональном режиме обработки семян предлагаемая установка «УПОС-1» при достаточно высокой производительности (Q=1000 кг/с) и однородности предпосевной обработки семян импульсным электрическим полем имеет энергетические преимущества в сравнении с аналогами, что наряду с небольшими габаритами и массой делает ее предпочтительной для применения в полевых условиях.
Скорость движения семян в активаторе зависит от угла наклона и начальной скорости 0 и может быть оценена по соотношению:
При умеренной скорости перемещения семян внутри объема активатора, т.е. 1 м/с и не очень большом угле его наклона 20 0 коэффициент сопротивления активатора f c можно оценить по выражению:
Экспериментально установлено, что оптимальное время обработки семян в зоне активатора составляет 6…8 с, а скорость движения семенного слоя внутри активатора экспериментально подобрана из соображений устранения травмирования и разрушения семян. Она существенно меньше величин скоростей, получаемых по соотношению (16), и составляет 5…15 см/с. Чтобы замедлить движение семян в активаторе на его выходе установлен барабан с регулируемой скоростью вращения.
Угол наклона активатора рассчитан по следующему соотношению Здесь обозначили A=2/2gH и учли, что при =1,0…0,5 см/с, l =1,2 м, Тогда из (18) получаем, что для обеспечения движения семян в активаторе угол его наклона должен удовлетворять условию:
При указанных выше параметрах из (19) получаем, что 210.
В третьей главе рассмотрены общие положения, программа и методика экспериментальных исследований, определены угол наклона активатора, его производительность, измерены временные характеристики генератора импульсов напряжения и исследованы электрические характеристики слоя семян лука и влияние ИЭП на их посевные качества.
Для изучения электрических характеристик семенного слоя была использована конструкция в виде плоского конденсатора с регулируемым зазором.
Для исследования использованы кондиционные семена с нормативной влажностью. Для визуального контроля заполнения семенами активатора боковые стенки выполнены прозрачными. Экспериментальная оценка коэффициента трения скольжения семян лука выполнена для двух металлических поверхностей: стали и фольгированного медью текстолита Полученные экспериментальные результаты измерений, представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Критические углы наклона кр и соответствующие им коэффициенты трения скольжения f c для поверхностей нескольких материалов Для лабораторной установки «УПОС-1» имеющей размеры: ширина – 0,2 м, длина – 0,4 м, толщина – 0,05 м, скорость движения семян лука в активаторе равна 0,05 м/с. При этом частота вращения барабана равна 1,25 об/с.
Производительность активатора установки «УПОС-1» рассчитана по следующему соотношению:
и равна 1112 кг/ч.
Для разрабатываемой промышленной установки «УПОС-2», имеющей большие размеры активатора: ширина – 0,75 м, длина – 1,2 м, толщина – 0,05 м и соответствующую скорость движения семян равную 0,15 м/с. Производительность существенно больше и равна 3,5 кг/с (12500 кг/ч).
Для изучения формы импульсов, создаваемых генератором, был изготовлен делитель напряжения с коэффициентом деления К=6400 (рисунок 4). Выходной усилительный каскад высоковольтного импульсного генератора напряжения обеих полярностей, следующие поочередно друг за другом с одинаРисунок 4 - Электрическая схема рези- ковой скважностью. Необходимо сторного делителя напряжения отметить, что времена зарядки и разрядки электрической емкости активатора определяются постоянной времени LRист-цепочки выходного каскада генератора, которая рассчитывается по соотношению:
На рисунке 5 изображены осциллограммы импульсов положительной (а) и отрицательной (б) полярностей амплитудами U1000 В, частотой повторения импульсов =1000 Гц и длительностью 50 мкс. В качестве второго примера на рисунке 6 представлены осциллограммы импульсов меньшей длительности имп=40 мкс, =600 Гц, U200 В.
Рисунок 5 – Осциллограммы импульсов напряжения: а) положительного;
б) отрицательного: имп =50 мкс, f =1000 Гц, U=1000 В (коэффициент ослабления (деления) напряжения – 6400, масштабы: по горизонтали – х=10мкс/дел; по вертикали – у=5мВ/дел) Рисунок 6 – Осциллограммы импульсов напряжения: а) положительного;
б) отрицательного: имп =40 мкс, f =600 Гц, U=200 В (коэффициент ослабления (деления) напряжения – 6400, масштабы: по горизонтали – х=10мкс/дел; по вертикали – у=5мВ/дел) Оценка характерных времен фронта и среза по рассмотренным осциллограммам дает величины: фр=3 мкс и среза=8 мкс, что количественно согласуется с приведенными теоретическими оценками. Таким образом, при расчете длительности импульсов напряжений следует учитывать длительности фронта и среза, т.е. добавлять их полусумму к номинальной длительности импульсов.
На рисунке 7 представлены данные экспериментов по исследованию диэлектрической проницаемости слоя семян лука. Из рисунка 7 видно, что Диапазон изменения диэлектрической проницаемости слоя семян указывает на обязательность учета ее величины при разработке Рисунок 7 – Зависимость диэлектрической проницаемости от высоты сопротивление утечки влияет на рабочий ток активатора и постоянную времени цепи, то учет его значения необходим при проектировании параметров активатора. Экспериментальные данные представлены на рисунке 8. Оно также зависит от высоты слоя, и кроме этого от величины рабочего напряжения. Существенное снижение сопротивления утечки при высокой напряженности значительно увеличивает диэлектрические потери.
«