Концепція аеродинамічної сепарації насіння сільськогосподарських культур та засоби її реалізації - Автореферат

У першому розділі “Стан проблеми та існуючі концепції підготовки насіння до сівби” дано аналіз відомих способів підготовки насіннєвого матеріалу до сівби та доведена перспективність підготовки насіння шляхом сепарування. Засновником наукових положень та первинних досліджень у галузі сепарування насіння у повітряних потоках був Гарячкін В.П., який ще на початку 20-того сторіччя проводив іспити сепараторів у повітряних потоках. єдиної теорії сепарації насіння в повітряних потоках, що встановлює взаємозвязок між конструктивно-технологічними параметрами сепараторів та параметрами поділяємих фракцій, з урахуванням характеру випадковості процесу міграції насіння по сусідніх фракціях не створено. У другому розділі “Концепція аеродинамічної сепарації насіння у повітряних потоках” наведено аналіз коефіцієнту передавання енергії Ксеп та обґрунтовано шляхи вдосконалення технологічного процесу сепарування насінин у повітряних потоках. Припустивши, що повітря по всьому перерізу сепарувальної камери горизонтального вентилятора рухається з однаковою швидкістю, та взявши середню величину швидкості, що насіння отримує в результаті взаємодії з повітряним потоком, в роботі визначено час дії на насіння горизонтального потоку при сепарації, за другим законом Ньютона.Обґрунтовано, що існуючі концепції підвищення ефективності аеродинамічної сепарації насіння - збільшення швидкості або розмірів повітряних потоків призводять до великих енерговитрат. Для збільшення гостроти поділу в горизонтальному потоці у 2 рази, потрібно збільшувати потужність вентилятора на 0.1КВТ (при збільшенні швидкості потоку), або на 0.453КВТ (при збільшенні висоти горизонтального потоку) для поділу двох насінин. Розроблено нову концепцію збільшення ефективності аеродинамічної сепарації насіння, що забезпечує взаємодію з горизонтальним потоком неякісного питомо-легкого насіння технічних фракції більший час, на відміну від якісного питомо-важкого насіння насіннєвої фракції І, що взаємодіє з потоком мінімальний час. Її суть - встановлення величини вертикальної швидкості насіння (при входженні у горизонтальний потік сепаратора) відповідно до власної маси окремих насінин, що забезпечує теоретичне збільшення загальної довжини сліду насіння після аеродинамічної сепарації у 2.8-14.8 разів. Створено кінетичну модель сепарації насіння сепараторами з вертикальним каналом та математичну модель руху насінини у зустрічному потоці, що враховує її взаємодію із іншими насінинами, різним за швидкістю повітряним потоком та стінками вертикального каналу.

1. Проаналізовано існуючі технології підготовки насіння до сівби. Визначено, що відбір із загальної маси тільки біологічно-цінних насінин шляхом сепарації та їх подальша сівба - перспективний метод збільшення врожайності сільськогосподарських культур на 15-25%. Обґрунтовано, що проблема підвищення ефективності аеродинамічної сепарації є актуальною.

2. Встановлено, що найбільш надійними та простими у роботі є сепаратори у повітряних потоках. Обґрунтовано, що існуючі концепції підвищення ефективності аеродинамічної сепарації насіння - збільшення швидкості або розмірів повітряних потоків призводять до великих енерговитрат. Для збільшення гостроти поділу в горизонтальному потоці у 2 рази, потрібно збільшувати потужність вентилятора на 0.1КВТ (при збільшенні швидкості потоку), або на 0.453КВТ (при збільшенні висоти горизонтального потоку) для поділу двох насінин.

3. Розроблено нову концепцію збільшення ефективності аеродинамічної сепарації насіння, що забезпечує взаємодію з горизонтальним потоком неякісного питомо-легкого насіння технічних фракції більший час, на відміну від якісного питомо-важкого насіння насіннєвої фракції І, що взаємодіє з потоком мінімальний час. Її суть - встановлення величини вертикальної швидкості насіння (при входженні у горизонтальний потік сепаратора) відповідно до власної маси окремих насінин, що забезпечує теоретичне збільшення загальної довжини сліду насіння після аеродинамічної сепарації у 2.8-14.8 разів.

4. Запропоновано вдосконалений технологічний процес аеродинамічної сепарації насіння, що не потребує значного збільшення загальних енерговитрат для досягнення високоефективної сепарації. Розроблено чотири варіанти високоефективних сепараторів насіння сільськогосподарських культур.

5. Запропоновано нову універсальну методику оцінки ефективності процесу сепарації - коефіцієнт передавання енергії. Доведено перевагу розроблених сепараторів над існуючими за коефіцієнтом передавання енергії (Ксеп) у 1.25-4.94 рази.

6. Розроблено алгоритмічні та структурні схеми роботи запропонованих аеродинамічних сепараторів. Створено кінетичну модель сепарації насіння сепараторами з вертикальним каналом та математичну модель руху насінини у зустрічному потоці, що враховує її взаємодію із іншими насінинами, різним за швидкістю повітряним потоком та стінками вертикального каналу. Створені системи рівнянь, що описують взаємозвязок між імовірністю потрапляння насіння до бічних стінок наелектризованого вертикального каналу та його конструктивно-технологічними параметрами. Розглянуто випадки постачання насіння біля задньої стінки та посередині вертикального каналу запропонованих аеродинамічних сепараторів.

7. Розроблено математичні моделі, методику та алгоритми для IBM PC для визначення раціональних конструктивно-технологічних параметрів запропонованих аеродинамічних сепараторів: - з наелектризованим вертикальним каналом: - швидкості зустрічного повітряного потоку;

- довжини, товщини та ширини наелектризованого вертикального каналу;

- середньої маси насіння та положення бункерів поділяємих фракцій;

- з похилим повітряно-сітчастим робочим органом: - швидкості повітряного потоку на поверхні сітки похилого робочого органу;

- довжини, ширини та кута нахилу похилого робочого органу;

- ширини постачання насіння живильником на поверхню верхньої частини сітки похилого робочого органу;

- з рухомою нескінченою стрічкою похилого робочого органу: - швидкості повітряного потоку на поверхні нескінченої стрічки похилого робочого органу;

- довжини та ширини нескінченої стрічки похилого робочого органу.

8. Визначено за допомогою IBM PC основні раціональні конструктивно-технологічні параметри запропонованих аеродинамічних сепараторів. Для сепарування фракції насіння з параметрами mx=0.07г та s=0.005-0.02г швидкість зустрічного потоку становить 3-8.20м/с. Встановлено, що для сепарування насіння різних сільськогосподарських культур з параметрами mx=0.00302-0,07г та s=0.005-0.01г (при продуктивності 400кг/год) необхідні: вертикальна швидкість 3.89-8.19м/с; товщина вертикального каналу 0.029-0.177м та ширина 0.133-0.19м. При цьому у фракції І отримується середня маса 1000 насінин 40.2-79.99г.

9. Визначено, що для кутів нахилу похилого повітряно-сітчастого робочого органу ? = 28°, 35° та 40° раціональна швидкість повітряного потоку на поверхні становить (0.85-1.0)Vпов. При раціональній швидкості і куті нахилу ? = 40° отримується: - найбільша різниця в часі проходження робочого органу питомо-важким та питомо-легким насінням;

- максимальна довжина сліду та найбільш пологе розподілення маси у сліді відсепарованого насіння;

- найменше середньоквадратичне відхилення розмірів (ширини, товщини та довжини) насінин в відсепарованому сліді;

- найменша кількість маловагомих (з власною масою, меншою за середню) насінин у фракції І;

- найбільші середні розміри (ширина, товщина та довжина) насінин у фракції І;

- найбільша середня маса питомо-важкого насіння у фракції І;

- найменшу кількість насінин у фракції І, які мають аеродинамічно-неправильну (геометричну) форму поверхні.

10. Досліджений процес розподілення швидкості повітряного потоку вздовж ширини робочого органу при мінімальній, середній та максимальній швидкості потоку та встановлено, що конструкція вирівнювача похилого робочого органу сепаратора забезпечує рівномірний повітряний потік на його поверхні. Ширина постачання насіння живильником на поверхню похилого робочого органа повинна становити 75-90% його ширини, для виключення імовірності потрапляння сепаруємих насінин до бічного обмежувача. Раціональна довжина похилого робочого органу становить 0.75-0.9м. Раціональна продуктивність сепаратора із похилим повітряно-сітчастим робочим органом збільшується зі збільшенням кута нахилу ? від 28° до 40°, за рахунок збільшення швидкості ковзання насіння. Раціональна продуктивність сепарації соняшнику складає 120-200кг/год, гречки 65-90 кг/год та цукрових буряків 45-65 кг/год. Досліджено раціональну продуктивність сепаратора з статичним вертикальним каналом, яка становить по соняшнику S-гибріді 320-360 кг/год, соняшнику сортів популяцій 350-400кг/год, гречці 125-150кг/год та цукровому буряку 95-130кг/год.

11. Доведено, що запропоновані аеродинамічні сепаратори за чіткістю відбору питомо-важкого насіння в фракцію І (за величиною середньоквадратичного відхилення маси насіння, при 10-кратних сепаруваннях у фракції І), в 1.9-4.7 рази кращі, ніж існуючі. Порівняно теоретичну та експериментальну якість роботи сепараторів, похибка становить 4.86%-34.2%.

12. Встановлено, що використання запропонованих аеродинамічних сепараторів, за рахунок кращої підготовки насіннєвого матеріалу в умовах насіннєвого пункту дозволяє отримати щорічно 7471.475-16456.957 тис.грн. Використання запропонованих сепараторів в умовах господарства з площею посіву соняшнику 1000га дозволяє отримати чистий дохід 47.119-104.219 тис.грн, а за 5 років - 235.599-521.096 тис.грн. Обґрунтовано, що при підготовці до сівби 1кг насіння, розроблені аеродинамічні сепаратори витрачають, у порівнянні з існуючими, на 9.9289-21.9537МДЖ енергії менше (в умовах насіннєвого пункту), та 9.8605-21.815МДЖ запропонованими сепараторами. Подана технічна документація та розпочата підготовка до серійного виробництва в ВАТ "Бердянські жниварки" (м. Бердянськ) та ТОВ НВФ "Дозатор" (смт. Славяносербськ) для виробництва серії з 10 штук.

СПИСОК НАДРУКОВАНИХ СТАТЕЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Єрмак В.П. Уточнена методика теоретичного визначення раціональної величини швидкості зустрічного потоку у вертикальному каналі для нового способу сепарування насінин у повітряних потоках / Єрмак В.П. // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. - 2004, - №. 34. - С. 120-124.

2. Єрмак В.П. Уточнена методика розрахунку раціональної товщини вертикального каналу для нового способу сепарування насінин у повітряних потоках / Єрмак В.П. // Механізація та електрифікація сільського господарства. - 2004. - № 88. - С. 166-173.

3. Єрмак В.П. Теоретичне обґрунтування раціональної ширини постачання насінин живильником бункеру для нових способів вирішення проблеми підготовки насінного матеріалу шляхом сепарації насінин у повітряних потоках / Єрмак В.П. // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. - 2004. - № 24. - С. 16-21.

4. Єрмак В.П. Теоретичне порівняння способів сепарування насіння у повітряних потоках / В.П. Єрмак // Сільськогосподарські машини. - 2004. - № 12. - С. 78-84.

5. Єрмак В.П. Теоретичне порівняння максимальної величини зміни вертикальної швидкості насінин для запропонованих шляхів вирішення проблеми підготовки насінного матеріалу та теоретичне порівняння якості роботи запропонованих способів сепарування / Єрмак В.П. // Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України. - 2004. - № 7(21). - С. 143-148.

6. Єрмак В.П. Шляхи збільшення ефективності сепарування насінин у горизонтальному повітряному потоці / В.П. Єрмак // Зб. наук. праць Луганського національного аграрного університету. - 2004. - №42 (54). - С. 66-72с.

7. Єрмак В.П. Уточнена методика обґрунтування раціональної ширини вертикального каналу для запропонованого способу вирішення проблеми підготовки насінного матеріалу шляхом сепарування / Єрмак В.П. // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - 2004. - № 23. - С. 106-114.

8. Єрмак В.П. Уточнена методика розрахунку раціональної довжини вертикального каналу для нового способу сепарування насінин у повітряних потоках / Єрмак В.П. // Вісник аграрної науки Причорноморя. - 2004. - № 1(25). - С. 184-188.

9. Єрмак В.П. Методика визначення раціональної величини кута нахилу похилого повітряно-сітчастого робочого органу для нового способу сепарування насінин у повітряних потоках / Єрмак В.П. // Вісник аграрної науки Причорноморя. - 2004. - № 3(27). - С. 208-215.

10. Єрмак В.П. Визначення середньої кількості та ваги насінин, які в результаті втрати рівноваги та потрапляння до наелектризованої поверхні бічних стінок вертикального каналу, при сепаруванні будуть вилучені із фракції ІІ до фракції ІІІ для нових засобів вирішення проблеми підготовки насінин / Єрмак В.П. // Вісник аграрної науки Причорноморя. - 2004. - № 4(28). - С. 221-229.

11. Єрмак В.П. Обґрунтування параметрів сепараторів насіннєвого матеріалу : матеріали І-ї Міжнародної науково-технічної конференції ["Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин"], (4-7 жовтня 2004р.) / В.П. Єрмак. - М-во аграр. політики, Тернопільский держ. техн. ун-т. ім Івана Пулюя. - Тернопіль: Тернопільский держ. техн. ун-т, 2004. - С.464-468.

12. Єрмак В.П. Порівняння енерговитрат сепаратору у горизонтальному потоці із іншими засобами вирішення проблеми підготовки насінного матеріалу та запропоновані шляхи його вдосконалення : матеріали Міжнародної науково-практичної конференції ["Агромех - 2004"], (22-24 вересня 2004р.) / В.П. Єрмак - М-во аграр. політики, Львівський держ. аграр. ун-т. - Львів: Львівський держ. аграр. ун-т, 2004. - С. 83-89.

13. Єрмак В.П. Шляхи економії енергії під час сепарування насіннєвого матеріалу у повітряних потоках / В.П. Єрмак // Сільськогосподарські машини. - 2005. - № 13. - С. 111-117.

14. Єрмак В.П. Дослідження розподілення швидкості повітряного потоку на поверхні похилого повітряно-сітчастого робочого органу сепаратора насінин у повітряних потоках / Єрмак В.П. // Збірник наукових праць Кримського державного аграрного університету. - 2005. - № 84. - С. 22-27.

15. Єрмак В.П. Методика обґрунтування середньої кількості насінин, які при проходженні вертикального каналу із раціональною швидкістю зустрічного потоку втратять рівновагу та в результаті потраплять до наелектризованої бічної стінки для запропонованого способу вирішення проблеми підготовки насінного матеріалу шляхом сепарування / Єрмак В.П. //Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. - 2005. - № 35. - С.316-321.

16. Єрмак В.П. Результати теоретичного дослідження коефіцієнта передавання енергії існуючих та запропонованих засобів підготовки насіннєвого матеріалу шляхом сепарування у повітряних потоках / В.П. Єрмак // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2005. - № 2. - С. 91-96.

17. Єрмак В.П. Визначення раціональної ширини нескінченої стрічки сепаратора насіння у повітряних потоках / Єрмак В.П. // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2005. - № 3. - С. 71-78.

18. Брагінець М.В. Методика визначення енергетичних показників та ефективності роботи коронного сепаратора насінин / Брагінець М.В., Єрмак В.П., Іванніков В.В., Василенко О.Д. // Зб. наук. праць Луганського національного аграрного університету. - 2005. - № 49(72). - С. 81-86. (Здобувачем розроблена методика та отримані показники енергетичної оцінки електросепараторів)

19. Брагінець М.В. Результати експериментальної перевірки отриманих значень швидкості повітряного потоку шляхом аналізу загальної якості роботи нового сепаратора насіння / Брагінець М.В., Єрмак В.П., Кюрчев С.В. // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - 2005. - № 26. - С. 87-94. (Здобувачем отримані та представлені основні експериментальні дані про якість роботи аеродинамічних сепараторів)

20. Брагінець М.В.. Результати дослідження впливу попереднього положення насіння у просторі на процес гальмування їх вертикальної швидкості, при роботі сепаратора із похилим повітряно-сітчастим робочим органом / Брагінець М.В., Єрмак В.П. // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. П.Василенка. - 2005. - № 40. - С. 153-156. (Здобувачем отримані та представлені експериментальні дані про вплив положення насінин на якість сепарації)

21. Брагінець М.В. Методика експериментальних досліджень раціональної швидкості потоку енергозберігаючого сепаратора насіння із похилим повітряно-сітчастим робочим органом / Брагінець М.В., Єрмак В.П. // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. П.Василенка. - 2006. - № 48. - С. 161-165. (Здобувачем розроблена методика досліджень аеродинамічних сепараторів та її завдання)

22. Брагінець М.В. Результати дослідження розподілення швидкості повітряного потоку в межах основної сепарувальної камери нового сепаратора насіння / Брагінець М.В., Єрмак В.П., Кюрчев С.В. // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - 2007. -№ 7. - Т. 1. - С. 22-25. (Здобувачем отримані та представлені експериментальні дані про розподілення повітряного потоку на поверхні сітки сепаратора)

23. Брагінець М.В. Уточнена методика теоретичного дослідження раціональної товщини вертикального каналу сепаратора з статичним каналом / Брагінець М.В., Єрмак В.П., Кюрчев С.В. // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - 2007. - № 7. - Т. 3. - С. 104-110. (Здобувачем розроблена та представлена методика та алгоритм визначення товщини вертикального каналу сепаратора)

24. Єрмак В.П. Визначення кількості насіння, яке в результаті дії сили Жуковського та розщеплення вертикальної траєкторії, потрапить до бічних стінок вертикального каналу сепаратора / Єрмак В.П. // Зб. наук. праць Луганського національного аграрного університету. - 2007. - №76 (99). - С. 139-145.

25. Єрмак В.П. Кінетична модель робочого процесу сепарування насіння сепаратором з вертикальним каналом / Єрмак В.П. // Наукові нотатки. - 2007. - № 19. - С. 109-115.

26. Брагінець М.В. Математичне визначення імовірності потрапляння насіння до бічних стінок вертикального каналу енергозберігаючого сепаратора / Брагінець М.В., Єрмак В.П. // Зб. наук. праць Луганського національного аграрного університету. - 2008. - № 91. - С. 68-76. (Здобувачем розроблена методика визначення імовірності потрапляння насіння до бічних стінок каналу при сепарації та створена система рівнянь, що її описує)

27. Єрмак В.П. Аналіз енергетичної ефективності використання запропонованих енергоощадних сепараторів насіння у повітряних потоках / Єрмак В.П. // Зб. наук. праць Львівського національного аграрного університету. - 2008. - №12. -Т.2. - С. 573-579.

28. Пат. №71704А Україна, МПК7 B 07 B 4/02. Спосіб сепарування та пристрій для його реалізації / Єрмак В.П., Брагінець М.В., Коваль В.Я. ; заявник та патентовласник Луганський нац. аграрн. ун-т. - № 2003065466.