Совершенствование технологического процесса очистки семян мелкосеменных культур: на примере льна и моркови

Рост производства сельскохозяйственной продукции в настоящее время неразрывно связан с проблемой повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Дело в том, что увеличение посевных площадей при недостатке денежных средств невозможно ввиду отсутствия достаточного количества сельскохозяйственной техники.

Одним из путей повышения урожайности является применение посевного материала с высокими урожайными свойствами (всхожесть, сила роста, выживаемость, энергия прорастания, энергия кущения и т. д.). Кроме этого, варьирование урожайности одного и того же сорта обусловлено разнокачественностью семян и выросших из них растений.

Развитию семеноводства, как отрасли сельского хозяйства, уделялось большое внимание в нашей стране во второй половине двадцатого века. Полностью удовлетворить потребности страны в семенах, значительно повысить качество, снизить себестоимость и создать стабильные запасы посевного материала в нужных количествах возможно только при переводе семеноводства на промышленную основу, базирующуюся на специализации и концентрации.

Организация семеноводства на промышленной основе требует создания соответствующей материально-технической базы послеуборочной обработки и хранения семян, эффективного использования поточных семеобрабатывающих линий и машин заводского производства. Однако темпы внедрения поточных технологий послеуборочной обработки семян остаются довольно низкими. В восьмидесятые годы прошлого столетия в СССР по поточной технологии обрабатывалось около 20% семенного фонда, остальные семена очищались на разрозненном оборудовании при высоких затратах труда и средств [1,2]. В настоящее время положение не улучшилось.

Особенно остро эта проблема проявляется при подготовке посевного материала мелкосеменных культур (овощи, травы, лекарственные, цветочные, некоторые технические и др.).

Отечественная промышленность не выпускает специальных технологических линий для их очистки. Выпускавшиеся комплекты машин и оборудования линий для обработки семян трав КОС-0,5, КОС-0,5 М и КОС-2, во-первых, оснащаются зерноочистительными машинами производства Германии, во-вторых, недостаточно эффективно работают при обработке даже семян трав. Поэтому в хозяйствах используется разрозненное оборудование отечественного производства и импортирующееся оборудование из Германии.

Федеральная целевая программа «Машиностроение для АПК России» [3] предусматривает разработку и внедрение в производство новых машин, а также модернизацию имеющейся сельскохозяйственной техники. Однако, как показывает анализ, реализация программы, охватывающая 1994;98 годы, привела к внедрению в производство лишь нескольких марок машин общего назначения для послеуборочной обработки зерна и подготовки семян.

Очистка семян мелкосеменных сельскохозяйственных культур имеет ряд особенностей, которые значительно затрудняют доведение этих материалов до посевных кондиций на серийных воздушно-решетно-триерных машинах и влекут за собой значительные потери семян основной культуры в отходы [4,5]. Например, при очистке семян многолетних трав теряется от 30 до 50% их валового сбора [6]. Особенно недопустимо это в настоящее время, когда производство семян всех мелкосеменных культур снизилось. Например, производство сортовых семян овощных культур в России снизилось со 125 тыс. т. до 9 тыс. т. в 2000 году [7].

Из-за отсутствия достаточного количества качественного посевного материала мелкосеменных культур хозяйства вынуждены вести посев некондиционными семенами [8,9]. Это приводит к засорению посевов и, в конечном итоге полей, так как большинство сорняков имеют огромный коэффициент размножения, затрудняет возможность полной механизации полевых работ, особенно в овощеводстве и льноводстве, требует значительных затрат ручного труда при уходе за посевами и уборке, усложняет послеуборочную обработку и сохранность урожая, особенно семян, снижает урожайность и качество продукции, увеличивает потери урожая [10,11].

С течением времени усложняется получение кондиционного семенного материала из-за приспособления семян сорных растений, постепенно изменяющих те признаки делимости, по которым ранее отличались от семян основной культуры. Так, засоренность семян льна семенами плевела привела к ежегодному увеличению посева некондиционных семян льна в России до 75% [8].

Резко снизились сортовые и посевные качества семян овощных культур, как отечественных, так и импортных [7].

Овощеводческие хозяйства, выращивающие товарную продукцию, терпят колоссальные убытки из-за низких сортовых качеств семян. В Московской и соседних областях в 1996 году вместо столовой свеклы Бордо 237 на больших площадях выросли гибриды столовой, кормовой и сахарной свеклы, в 1997 году столовая свекла оказалась непригодна к хранению. В СПК «Ждановский» Нижегородской области в 1999 году на 26 га посевов товарной моркови более 50% составляли гибриды с дикой морковью. Убыток хозяйства более 2 млн руб. [7].

В России семенами овощных культур 1 класса было засеяно не более 1520% площади, а некондиционными — 20% [7].

Большое количество разновидностей мелкосеменных смесей и несовершенство технологических процессов семеочистительных машин вызывает необходимость фракционирования обрабатываемого материала и насыщения технологических линий для послеуборочной обработки семян специальными семеочистительными машинами для доочистки. Это приводит к увеличению себестоимости семенного материала, усложняет настройку семеочистительных линий, часто снижает их производительность и не всегда обеспечивает получение высококондиционной продукции.

Решение проблемы улучшения качества семян связано с созданием новых высокоэффективных средств их очистки и сортирования. К таким средствам следует отнести, наряду с некоторыми другими, вибрационные семеочистительные машины, применение которых открывает возможности совершенствования технологических процессов очистки и сортирования семян. Исследованиями установлено, что способ сепарации по комплексу физико-механических свойств (фрикционные, упругие, форма) на неперфорированных шероховатых колеблющихся поверхностях позволяет выделять из семенных смесей трудноотделимые семена сорных растений и примеси, которые во многих случаях не поддаются выделению на выпускаемых промышленностью зерноочистительных и специальных семеочистительных машинах.

Нами были проведены исследования рабочего процесса фрикционной плоскости, совершающей прямолинейные гармонические колебания под углом к горизонту, и блока последовательно установленных плоскостей при очистке семян льна от плевела и моркови от проса куриного. Также исследовалась возможность совместной работы в общем колеблющемся стане фрикционных плоскостей и плоских решет для обеспечения одновременно с очисткой семенного материала сортирования его по размерам.

Исследования по теме диссертационной работы проводили в соответствии с планом НИР Курской государственной сельскохозяйственной академии имени проф.И. И. Иванова (тема № 11, «Технологическое и техническое совершенствование механизированных процессов АПК, эксплуатации и ремонта техники" — номер государственной регистрации 01.9.20.005402) и соответствует специальности 05.20.01 — «Технологии и средства механизации сельского хозяйства».

Целью работы является повышение качества очистки семян мелкосеменных культур, засоренных трудновыделимыми примесями, путем совершенствования процесса разделения на колеблющихся фрикционных плоскостях, а также плоскостях, работающих совместно с плоскими решетами в общем колеблющемся стане.

Объект исследования — технологический процесс очистки и сортирования семян мелкосеменных культур фрикционными колеблющимися плоскостямя и плоскими решетами по базовой и усовершенствованной схемам.

Предмет исследований — закономерности процесса очистки и сортирования семян фрикционными плоскостями, плоскими решетами и экранами-отражателями над ними в общем колеблющемся стане.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Проведены теоретические исследования процессов очистки семян мелкосеменных культур от трудновыделимых засорителей на фрикционных колеблющихся плоскостях.

2. Проведены теоретические исследования установочных параметров экрана-отражателя над плоскими решетами, работающими в общем колеблющемся стане с фрикционными плоскостями.

3.Установлены закономерности влияния технологических свойств материала на процесс очистки и сортирования.

4. Определены кинематические параметры фрикционной плоскости при очистке семян льна и моркови.

5. Определены установочные параметры экрана-отражателя над решетами, работающими совместно с фрикционными плоскостями в общем колеблющемся стане при сортировании семян льна и моркови.

6. Предложен способ и разработана конструкция рабочих органов для очистки семян льна и моркови.

Научная гипотеза. Сделано предположение, что процесс очистки (сепарации) семян льна и моркови при совместной работе фрикционных плоскостей и плоских решет обеспечит полное выделение трудновыделимых сорняков и увеличит производительность машины.

Методика исследования. В работе используется оптимизационно-имитационный метод при определении кинематических параметров одиночной колеблющейся плоскости, блока последовательно установленных плоскостей и установочных параметров экрана-отражателя, а также анализ и синтез, пассивное и активное планирование экспериментов.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждена сходимостью результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными в лабораторных и производственных условиях и подтверждена актом о внедрении результатов исследований в производство.

На защиту выносится следующее:

1. Теоретические разработки по определению кинематических параметров фрикционной плоскости, совершающей прямолинейные гармонические колебания под определенным углом к горизонту, при очистке семян мелкосеменных культур от трудновыделимых засорителей, отличающихся свойствами поверхности.

2. Теоретические разработки по определению установочных параметров экрана-отражателя над плоскими решетами, работающими совместно с фрикционными плоскостями в режимах с подбрасыванием, с целью улучшения выделения проходовой фракции.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Внедрение результатов исследований позволяет улучшить качество семян льна и моркови, получить семена льна и моркови класса ОС и ЭС по содержанию в них трудновыделимых семян плевела и проса куриного соответственно. Совместная работа в общем колеблющемся стане фрикционных плоскостей и плоских решет с экранами над ними позволяет удалить щуплые мелкие семена основной культуры, что положительно сказывается на посевных качествах семян.

Материалы исследований могут быть использованы в сельскохозяйственных предприятиях, конструкторских бюро и на заводах сельскохозяйственного машиностроения при проектировании семеочистительных машин. Это подтверждено качеством работы изготовленной нами машины для очистки малых партий семян моркови в условиях ордена «Знак Почета» Льговской опытной селекционной станции.

Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Курской государственной сельскохозяйственной академии (1977 — 2005 гг), Челябинского ИМЭСХ (1978 г), Белорусского ИМСХ (Минск, 1979 г), Ленинградского СХИ (1980 г), Харьковского ИМЭСХ (1980 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей, из них 3 во всероссийских журналах, в том числе 2 работы без соавторов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и рекомендаций производству, списка использованных источников из 101 наименования, в том числе 14 на иностранном языке и 12 приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ.

1 .Фрикционная плоскость, совершающая прямолинейные гармонические колебания под углом к горизонту, обеспечивает эффективную очистку семян мелкосеменных культур от трудновыделимых засорителей по комплексу физико-механических свойств.

2.Теоретическими исследованиями условий движения материальной точки по колеблющейся плоскости установлено, что разделение семян льна и плевела, моркови и проса куриного может происходить при угле направленности колебаний в пределах от е’р до, при величине показателя кинематического режима к > к, при угле наклона плоскости к горизонту & «(р'т in. Наиболее эффективного разделения следует ожидать в режимах с подбрасыванием.

3.Экспериментальные исследования подтвердили эффективность кинематических режимов работы колеблющейся плоскости, обоснованных в результате теоретического анализа. Стабильно процесс разделения семян льна и плевела проходит на листовой резине марки 1847. Полное выделение плевела (77 = 1,0) при потерях семян 41% достигается при угле наклона плоскости к горизонту, а = 0,21 рад, угле направленности колебаний ?=-0,505 рад, амплитуде г = 0,007 м и частоте колебаний CD = 65 рад/с.

Наилучшие показатели по полноте выделения проса куриного из моркови (V = 0,99 при потерях 70%) получены на листовой резине марки 1847 соответственно при & = 0,33 рад,? =-0,64 рад, Г = 0,007 м и СО = 62,8 рад/с.

4.Установка нескольких последовательно работающих плоскостей в общем колеблющемся стане позволяет значительно снизить потери семян льна и моркови.

При установке трех плоскостей в блоке получено 92% семян льна с содержанием плевела 23 шт/кг, что значительно выше требований ГОСТ Р 52 325 — 2005 на семена класса ОС и ЭС.

При очистке моркови при установке в блоке трех плоскостей получено 91% семян с засоренностью 1810 шт/кг, что соответствует требованиям ГОСТ Р 52 171 — 2003 на семена класса РС (1 -2). Семена моркови класса ЭС и РС1 можно получить, используя две плоскости. При этом выход их составит 62% при засоренности 717 шт/кг.

5.Установка экрана-отражателя над решетами, работающими совместно с фрикционными плоскостями, позволяет улучшить выделение проходовой фракции у решет как с круглыми, так и с продолговатыми отверстиями.

Установка плоского алюминиевого экрана над решетом с круглыми отверстиями диаметром 1,6 мм при сортировании семян моркови позволяет получить полноту разделения rjp= 0,762 при высоте установки экрана относительно решета в начале его 6.7 мм и в конце — 5 мм. Установка жалюзийного экрана с шириной пластин 30 мм при высоте их в начале пластин 7 мм, в конце — 5 мм относительно поверхности решета позволяет увеличить полноту разделения до rjp = 0,86.

При установке плоского алюминиевого экрана с высотой 8 мм в начале и 6 мм в конце решета полнота разделения семян льна составила т]р = 0,74. Установка жалюзийного экрана с шириной пластин 30 мм при высоте их в начале пластины 8 мм, в конце — 6 мм относительно поверхности решета позволила достигнуть полноты разделения гр = 0,83.

6.Проведенные на ордена «ЗНАК ПОЧЕТА» Льговской опытной селекционной станции (Курская область) испытания опытного образца машины производительностью 12 кг/час показали возможность получения семян моркови класса ЭС и РС1 по содержанию проса куриного.

Годовая экономия прямых затрат составляет 1 1332,8 руб.