ЦЕНТРОБЕЖНОЕ СОРТИРОВАНИЕ СЕМЯН СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР ПО ПЛОТНОСТИ

АННОТАЦИЯ

Работа освещает проблему подготовки посевных семян сельскохозяйственных культур, в частности оголённых семян хлопчатника. Наилучшим признаётся сортирование по такому показателю, как плотность семян, очень хорошо коррелирующую с полевыми показателями роста и развития растений. Предлагается и обосновывается метод сортирования, основанный на использовании центробежной силы инерции семени. Метод позволяет многократно увеличить точность разделения семян непосредственно по плотности посредством сортирования семян в конусной вращающейся камере с множественным сортированием по сечениям камеры.

ABSTRACT

The work sheds light on the problem of preparation of sowing seeds of agricultural crops, in particular, bare cotton seeds. Sorting is recognized as the best according to such an indicator as seed density, which correlates very well with field indicators of plant growth and development. The method of sorting based on the use of the centrifugal force of inertia of the seed is proposed and substantiated. The method makes it possible to multiply the accuracy of separating seeds directly by density by sorting seeds in a conical rotating chamber with multiple sorting along the sections of the chamber.

Ключевые слова: посевные семена хлопчатника, сортирование, плотность семян, всхожесть семян, центробежная сила, псевдосжиженное состояние.

Keywords: sowing cotton seeds, sorting, seed density, seed germination, centrifugal force, pseudo-liquefied state.

Научное исследование имеет конечной целью повышение урожайности хлопчатника путём проведения исследований для повышения качества,  оголённых (со снятым подпушком) посевных семян высокой внутренней плотности и на основании их разработать современную, высокоэффетивную конструкцию сортировщика семян.

Наиболее эффективный и прогрессивный метод - посев оголёнными семенами, то есть семенами с которых снят волокнистый слой – подпушек [5]. Нормы высева оголёнными семянами более низкие, чем опушённых семян (рис.1) , так как появляется возможность точного их высева. Норма высева оголённых семян 25-30 кг/га. Норма высева опушённых семян 50-60 кг/га [1].

а)                                                       б)

Рисунок 1. а) опушённые семена, б) оголённые семена

Существуют различные виды и способы сортирования семенного материала по всевозможным признакам и их комбинациям - размерам, массе, плотности, аэродинамическому, фрикционным, магнитным и электрическим свойствам, цвету и другим [2,3]. Но все эти способы проводят однократную сортировку в различных средах, то есть семена подвергаются один раз разделительному воздействию в машине. Кроме того они не сортируют семена непосредственно по плотности семян, а косвенно по другим признакам .

Теоретические предпосылки для нового способа сортирования семян.

У метода сортировки семян по плотности есть свои проблемы. Масса каждого отдельного семени в общем случае очень небольшая - 0,08÷0,11 г [4]. Масса семени сильно коррелирует с его плотностью и можно утверждать характеризует весьма близко и его плотность. Как видим, абсолютная разница семян по массе несущественна, по абсолютным величинам между самыми плотными и самыми лёгкими максимум достигает 0,03 г, а на граничной области сортирования всего 0,01 г. Если мы увеличим разницу в параметре рассортировки семян, то естественно улучшатся технические условия для сортирования и увеличится эффективность рассортировки семян. Возникает потребность при сортировании увеличить сепарационную способность и параметрическую разницу полных семян с пустыми семенами. Для этого предлагается использовать центробежную силу семян. При вращательном движении семян по некоторой окружности сила его переноса из центра, центробежная сила может в несколько раз превышать массу семени, тем самым также увеличивается разница в параметре сортировки. Чем больше разница в параметрах сортирования, тем выше его точность.

Для достижения таких условий выбрана схема вращающейся сортировочной камеры . Для сортирующей камеры выбрана конусообразная форма (рис.2).

Рисунок 2. Схема сил, действующих на семя при сортировке

Центробежная сила F_ц, действующая на семена во вращающейся сортировочной камере и сила веса семени G действуют в центре тяжести семени S. Тангециальная составляющая F_t центробежной силы служит для передвижения семян по поверхности конусной камеры вверх. Пренебрегая радиусом семени, равным смещению ∆R=2÷3 мм , по сравнению с радиусом сортировочной камеры R=150÷ 300мм за радиус вращения семени примем величину радиуса R точки соприкосновения семени с камерой. Тогда центробежная сила, действующая на семя определится из выражения

F_ц= m ω² R

Здесь,

F_ц - центробежная сила семени; m- масса семени; R – радиус окружности вращения семени, кривизны поверхности; ω– угловая скорость вращения.

Скорость вращения можно выбирать исходя из начальных условий постановки задачи. Примем скорость вращения n = 300 об./ мин, тогда, ω = 31,4 1/с . Радиус вращения в сортировочной камере переменный. В среднем сечении камеры R = 0,18 м. Примем массу семени m = 0,1 г (0,1·10^-3 кг), тогда центробежная сила, развиваемая отдельным семенем равна

F _ц = mω²R =0,1· 10^-3 ·31,4²· 0,18 = 0.0177 N = 1,77 г.

Отсюда видно, что центробежная сила, действующая на отдельное семя, в k раз больше, чем сила его сила его веса

k = F_ц / G = 1,77 / 0,1 = 17.

Это означает, что точность сортировки и условия для рассортировки семян могут быть увеличены в 17 раз по сравнению с сортированием только по силе веса, а также в сравнении с другими параметрами сортировки. Назовём k параметрическим коэфициентом сортировочной камеры.

Конструкция сортировочного устройства разработана на основе изложенных выше соображений. Семенам необходимо придать определенное вращательное движение внутри сортировочной камеры. С началом вращательного движения появляется центробежная сила, действующая на семена, величина которой различна в зависимости от веса и плотности семян. На семена лёгкие действует центробежная сила меньшей величины , чем на семена высокой плотности и массы.

Если масса лёгкого семени m_Л =0,09 г, действующая на него центробежная сила

F_ЦЛ = m_Лω²R= 2,5 г

Если масса полноценного тяжёлого посевного семени m_Т=0,11г, действующая на него центробежная сила - F_ЦТ = 3,0 г

Отсюда разница в центробежных силах

∆F = F_ЦТ - F_ЦЛ = 3,0 – 2,5 = 0,5 г.

Для сравнения, разница сил веса тяжёлого и лёгкого семян

∆G = G_Т - G_Л = 0,11-0,09 = 0,02 г.

Как видим, разница в параметрах сортирования по действующей центробежной силе и, если бы мы сортировали только по силе веса семян, возросла с 0,02г до 0,5г, или на абсолютную величину ∆F - ∆G =0,5-0,02=0,48 г , а относительная разница в сортирующих параметрах по весу ∆G и по центробежной силе ∆F , которая непосредственно влияет на эффективность сортировки семян по фракциям, была увеличена в ∆F / ∆G = 0,5 / 0,02 = 25 раз.

Значит надо ожидать и значительное увеличение точности и эффективности рассортировки семян по фракциям. Мы рассмотрели процесс на основе одного семена. В основном, то же самое можно сказать и о всей массе семян, находящейся внутри сортировочной камеры.

Центробежные силы рассортировывают массу семян на слои. Ближе к стенке конической камеры сортировщика собираются семена тяжелой посевной фракции, обладающие большей плотностью и большей центробежной силой, а в середине камеры собираются пустые легкие семена. Причём плотность семян постепенно снижается от края камеры с середине, к центру вращения. Более плотные семена своей большей центробежной силой инерции выдавливают более лёгкие семена из своей среды в направлении обратном направлению этой силы к центру сортирующей камеры.

Ситуация, в которой происходит это разделение, особенная. Чтобы семена могли изменить свое положение относительно друг друга в сортировочной камере, они должны находиться в псевдосжиженном состоянии. В псевдосжиженном состоянии семена частично приобретают свойства жидкой среды, включая свойства текучести .

 Для создания псевдосжиженного состояния на стенках конической камеры были размещены полки высотой 16 мм. Эти полки вращаются вместе с коническим барабаном, вращают семена и, распространяя микроволны, перемешивают семена. Во всасывающем патрубке посередине имеются фиксированные полки. Они также перемешивают семена внутри камеры. В результате обеих волн семена переходят в псевдосжиженное состояние, а тяжелая и легкая фракции внутри камеры легко отделяются друг от друга.

Для движения семян вверх конусной камеры, если в первом приближении пренебречь незначительностью силы веса семени, то должно выполняться условие превышения тангенциальной составляющей F_t силы инерции над силой трения F_тр. семян об поверхность конуса (рис.2) -

F_t > F_тр.; F_Ц cosα> F_Ц sin α tg β ;

или  

ctg α > tg β,

здесь, α- угол наклона образующей конуса к горизонтали,

β- угол трения семени об стальную поверхность конуса.

Коэффициент трения оголенных семян об стальную поверхность tg β = 0,25 [6]. Тогда ctg α > 0,25. Для выполнения этот условия и для движения семян вверх конуса угол α должен быть менее 78 , α< 78°. С некоторым запасом, примем α = 60°.

Структура сортировочного устройства. Сортировщик семян, созданный на основе центробежных, внутренних сил инерции, показан на рисунке 3. Сортировочная рабочая камера выполнена в виде полой конической камеры 1. На внутренней стенке камеры смонтированы 12 полок 2. В середине камеры установлена ​​труба 8, служащая для подачи семян в камеру . Вверху камеры находится лоток 6 для технических семян, в который собираются пустые семена. Для вывода технической фракции семян установлена ​​дополнительная труба 7.

Лоток 9 установлен для выхода посевной фракции. В зоне выхода посевной фракции имеются устройства 10 для регулирования их выхода.

Привод 16.17 установлен для вращения корпуса сортировочной камеры 1. Вал 14, на котором закреплён корпус 1 конического барабана, установлен на опорных подшипниках15 вала 14.

Рисунок 3 . Сортировочное устройство 

1-сортировочный конус, 2-полки, 3- течка для выпуска технических семян, 4-затвор, 5- ручка, 6- лоток технических семян, 7- выпускная труба для технических семян, 8-труба подачи семян в устройство, 9-лоток выхода посевной фракции семян, 10- регулирующее устройство, 11- фиксированные полки на трубе подачи, 12-крепёжная гайка, 13- шайба, 14- вал, 15- корпус подшипника, 16- ремень, 17-шкив.

Процесс работы сортировщика. Исходные семена через трубу подачи 8 (рис.3) поступают на дно вращающейся сортировочной камеры сортировщика. Там семена полками 2 и под действием центробежной силы отбрасываются на периферию сортировочного барабана. После наполнения барабана семенами начинается процесс сортировки. Вследствии низкой центробежной силы лёгкие семена выдавливаются к середине камеры. Обладающие большей центробежной силой тяжелые семена высокой плотности собираются по краю камеры.

Для осуществления процесса разделения семян по фракциям семена должны постоянно находиться в своём относительном колебательном движении. Это движение создают подвижные и неподвижные полки (2 и 11). Размер полок имеет большое значение. Полки не должны удерживать семена в образовавшихся между ними бороздках. В противном случае семена не перемешаются. Высота полок принята в 16 мм. При таком размере слои семян сдвигаются друг относительно друга. При встрече семян с полками генерируются микроволны. Микроволны распространяются внутри камеры и тем самым создаётся псевдосжиженное состояние слоёв семян. Коническая конструкция барабана даёт возможность семенам вращаться на высоких скоростях и перемещаться вверх сортировочной камеры. Скорость вращения и величины других регулируемых параметров определяются по мере испытаний опытным путём в зависимости от вида сортируемого посевного материала и агротребований к качеству и допустимой доли отходов.

Легкие семена собираются в центре сортирующей камеры вокруг подающей трубы 8 и совершают восходящее вверх движение под действием тангенциальных составляющих центробежных сил инерции семян. Направляющая труба 7 служит для отделения семенных фракций друг от друга. Легкая фракция семян попадает в трубу 7, поднимается по ней и переходит в лоток 6 для технических, лёгких семян. Лоток устанавливается откосно и направляет семена в течку 3 в зоне выхода. Нормирование выхода отходов осуществляется затвором 4.  

Посевная, высокой плотности фракция семян заполняет конусный барабан, пересыпается в приемный лоток 9 посевных семян и выводится из машины через регулирующее устройство 10.

Выводы и рекомендации. Урожайность, скороспелость хлопчатника, технологические и эксплуатационные свойства хлопковой продукции в большой степени зависят от качества высеваемых семян.

Разработанное устройство предназначено для сортировки оголённых хлопковых семян, обладающих высокой степенью сыпучести. Однако, при соответствущем подборе параметров сортировщика можно сортировать и другие семена обладающие сыпучестью.

В используемых в настоящее время различных сортировочных способах процесс сортировки выполняется однократно в сортировочном устройстве, то есть семена подвергаются воздействию эффекта сортирования один раз в сортировочной камере. В результате эффект сортировки будет недостаточно точным.

Целью создания новой сортировочной машины было уменьшение неопределенности сортирования, увеличении точности разделения на фракции семян.

Разработанный новый способ и устройство позволили создать сортировочную машину по плотности, удельному весу и наполненности семян. Для рассортировки используется центробежная сила семян в результате их принудительного вращения в конической сортировочной камере. При этом достигается и используется увеличенная разница в генерируемых центробежных силах тяжёлых и лёгких семян по сравнению с разницей в их массе в десятки раз. Увеличивается точность разделения семян по фракциям. Причём, этот процесс разделения по плотности происходит многократно в сечениях сортировочной камеры, которую можно разделить на секции дополнительными дисками.

Список литературы:

1. Арифов У.А. , Кулагин А.И., Парилис Э.С., Хармац Д.Е. Оголение семян хлопчатника: -Ташкент: АН УзССР,1962 -332с.
2. Кагаловский С.П. Сортирование семян хлопчатника на хлопкоочистительных заводах: Автореферат диссертации канд. техн. наук. -Ташкентский текстильный институт, 1958.-20с.
3. Машины и оборудование для очистки и сортирования зерновых и зернобобовых культур : учебно-методическое пособие / сост.: А. В. Кузьмицкий и др. – Минск : БГАТУ, 2012. – 100 с.
4. Мирошниченко Г.И и др. “Основы проектирования машин первичной обработки хлопка- сырца”:учеб. для вузов.- М.: “Машиностроение”, 1976.-486с.
5. Пахтани дастлабки ишлаш бўйича справочник: -Тошкент: “Ворис - нашриёт”, 2008.-650с.