УДК 631.331:633.521

Н.М. Беспамятнова, д-р техн. наук, проф.

В.В. Реутин, мл. науч. сотр., аспирант

ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии

ПЕРСПЕКТИВЫ ВИБРАЦИОННОГО ПОСЕВА

СИЛЬНОСЫПУЧИХ СЕМЯН

Аннотация: Рассмотрен процесс вибрационного высева сильносыпучих семян (льна) в микропсевдоожиженном слое. Установлены оптимальные режимы частоты колебаний вибратора, при которых как бы изменяется коэффициент видимого сухого трения и создается дополнительная подъемная сила к потоку. Неравномерность и неустойчивость высева соответствуют агротехническим требованиям.

Ключевые слова: Вибрационный высев, сильносыпучие семена, микропсевдоожиженный слой, подъемная сила.

Нормы высева мелкосыпучих семян очень малы: мак высевают от 2 до 6 кг/га, сафлор 6-8, амарант 6-8, рапс 12-17, кенаф – до 21, горчица 6-12, лен долгунец 60-120 кг/га.

При посеве сильносыпучих семян истечение из семенного ящика за счет текучести происходит стремительно, что делает невозможным дозирование, семена сыплются через зазоры сплошным потоком, вследствие чего агротехнические требования не выполняются.

На рисунке 1 кривым 1 и 2 соответствуют неравномерность и неустойчивость высева семян льна самоистечением: как видно, показатели значительно выше допустимых агротребований и составляют 10-25% в диапазонах нормальной нормы высева.

Малые нормы высева льна, по сути дела, не успевают создавать ни динамические, ни статические своды в потоке истечения семян, т.к. происходит изолированное истечение каждого семени. При увеличении нормы высева семена начинают соприкасаться друг с другом, и на первой стадии собственный малый коэффициент трения еще позволяет проскальзывать им относительно друг друга. Но при увеличении нормы высева за 150 кг/га происходит более плотное соприкосновение семян, а также возникают элементы нормального сводообразования при истечении уже потока семян, и появляется подобие равномерности истечения (8-10%). Однако такое явление появляется далеко за пределами агротехнических норм высева семян льна, которые составляют 60-120 кг/га.

В предлагаемой работе повышение равномерности истечения льна из бункера достигается путем использования вибрационной интенсификации процессов массообмена [1, 2], при которой возникает эффект видимого повышения сухого трения под воздействием вибрации. Эффект резкого повышения и линеаризации сухого трения проявляется в потере устойчивости истечения потока, когда сыпучая среда при вибрации приобретает свойства вязкой жидкости. Этот эффект называется вибрационным псевдоожижением сыпучей среды [3].

Аппроксимируя экспериментальные данные, получим:

где х – параметр (норма высева).

Н₁ – значение каждой отдельной точки неравномерности высева на графике;

Н₂ – значение каждой отдельной точки неустойчивости высева на графике.

Еще И.В. Мещерский в 1897г. в своей диссертации «Динамика точки переменной массы» отмечал, что эффект взаимодействия между точкой и отделяемой от нее или присоединяемой к ней частицей осуществляется в виде ударной импульсной силы [4]. Созданную общую теорию динамики точки переменной массы Мещерский применял к решению конкретных задач, в частности, к восходящему движению ракеты, вертикальному движению аэростата и т.д.

Рисунок 1 – Агротехнические показатели высева семян льна

универсальной высевающей системой при различных нормах высева (Q): 1,2 – соответственно неравномерность и неустойчивость высева семян льна

при самоистечении; 3,4 – то же при создании подъемной силы с частотой ω_λ под воздействием внешнего воздействия вибратора на поток семян ω₀

Поскольку семена мелкосыпучих даже без дополнительного импульса истечения скорости вытекают из бункера самотеком, возникает излишняя скорость истечения семян за счет их малого трения между собой. Чтобы убрать излишнюю скорость истечения семян необходимо в поток ввести подъемную силу, противостоящую вредному для данного процесса эффекту.

Схема создания микропсевдоожиженного слоя семян в потоке представлена на рисунке 2.

В диапазоне 0<∆D_Q<F будет поддерживаться постоянство скорости U_Q (истечения семени), причем каждому значению силы ∆D_Q соответствует определенная скорость истечения U_Q. Иными словами при создании псевдоожиженного слоя потока семян необходимо поддерживать дополнительную подъемную силу ∆D_Q, превышающую скорость истечения семян U_Q, обеспечивающую норму высева Q.

а)

UQ t б)

Рисунок 2 – Схема создания микропсевдоожиженного слоя семян в

потоке: а) схема движения зерна по зерну; б) график зависимости

истечения семени U от периода t

Академик А.Н. Крылов предложил зависимость подъемной силы для упругих систем [5]:

(1)

где (для исследуемого нами процесса) (рис. 2, 3)

m – приведенная масса системы:

m_c – доза высева семян в единицу времени на пластине вибратора;

m_пл – масса пластины вибратора

ω₀ – частота свободных колебаний зерна на пластине вибратора:

с – коэффициент жесткости системы, равный:

с_с – коэффициент жесткости зерна;

с_пл – коэффициент жесткости пластины;

ω_λ – внешнее воздействие вибратора на поток семян;

τ – переменная интегрирования, имеющая размерность времени.

Проинтегрировав (1), получим:

Здесь

– скорость изменения силы (вибрационная скорость).

Если заменить силу U_Q на последовательность бесконечных малых импульсов ω(τ)d(τ), то

Величина имеет размерность силы и представляет собой наибольшее приращение силы U за промежуток времени где – полупериод свободных колебаний, обеспечивается открытием вибратора (ω_λ).

Например: минимальная норма высева семян льна для сеялки СЗП-3,6 – 6 кг/га, максимальная – 200 кг/га. Рассчитанная доза составила 0,25 г/сек для одного сопла, для аппарата – 1,2 г/сек. Следовательно, диапазон доз может составить от 1 г/сек до 40 г/сек.

В ходе лабораторных исследований были установлены особенности высева универсальной высевающей системой при указанных нормах высева. При повышении внешней частоты ω_λ колебаний вибратора свыше 14 Гц неравномерность и неустойчивость высева семян льна не превышает агротехнических требований (до 10%) и составляет от 0,4 до 2,1% неустойчивости общего высева и до 3% для неравномерности. В мировой практике таких показателей для высева семян льна еще не отмечено. В свою очередь, катушечные аппараты высевают лен с неравномерностью более 20%, что выходит за рамки агротребований [6].

Аппроксимируя полученные данные, найдем зависимости неравномерности (Н₃) и неустойчивости (Н₄) истечения семян льна в указанном диапазоне норм высева (рисунок 1, кривые 3,4):

где х – параметр (норма высева).

Н₃ – значение каждой отдельной точки неравномерности высева на графике;

Н₄ – значение каждой отдельной точки неустойчивости высева на графике,

е – постоянная экспоненты (обычно 2,7).

Из графика следует, что зависимость неравномерности истечения семян из микропсевдоожиженного слоя имеет вид экспоненты, а неустойчивость – вид параболы с перегибом в диапазоне 90-120 кг/га.

Таким образом, подъемную силу , создающую эффект псевдоожиженного слоя в потоке семян льна, можно представить ограниченным интегралом:

.

Если подъемная сила ∆D_Q приравнивается к потоку истекающих семян, то возникает торможение потока, как бы создается большее трение между семенами. При ∆D_Q > 0, поток семян приостанавливается, семена как бы витают над пластиной (рис. 3г).

Исходя из этого, внешняя частота ω_λ, генерируемая вибратором для создания подъемной силы потока семян и псевдоожиженного слоя, должна определяться зависимостью:

где Q_н и Q_к – начальное и конечное значение диапазона нормы высева семян.

Расчетные зависимости изменения собственной частоты ω₀ потока семян на выходе вибратора и частоты ω_λ, генерируемой вибратором, представлены на графике (рис. 4), при диапазоне высева семян льна от 6 до 200 кг/га.

Q, кг/га

ω_, Гц

ω₀

ω_λ

Рисунок 4 – Зависимость создания внешнего воздействия вибратора ω_λ для границы подъемной силы псевдоожиженного потока и собственной

частоты ω₀ потока семян от нормы высева Q семян льна

Аппроксимация данных будет иметь вид:

следовательно, происходит экспоненциальное поддержание истекающего потока семян ω₀ для всех норм высева при создании псевдоожиженного потока подъемной силой, создаваемой вибратором с частотой ω_λ

Создание подъемной силы в потоке семян переводит вид зависимости истечения мелкосыпучих семян в экспоненциальный закон, что и придает семенам более упорядоченное управляемое истечение. В полном соответствии с лабораторными исследованиями при высеве семян льна превышать внешнюю частоту вибратора свыше 10 Гц не следует.

На рисунке 3в представлен процесс псевдоожижения сильносыпучего материала при создании подъемной силы потока при частоте ω_λ равной 8 Гц.

При создании дополнительной подъемной силы истекающему потоку семян льна (при ω_λ ≈ 8 Гц в данном случае) удалось полностью исключить описанные явления и придать ему равномерное истечение при заданных нормах высева от 12 до 200 кг/га в пределах 2-5%.

Таким образом, эффект воздействия вибрации на поток сильносыпучего материала (льна) проявляется в потере устойчивости истечения потока, сыпучая среда приобретает свойства вязкости жидкости и поддается управлению дозированием потока.

Литература

1. Беспамятнова, Н.М. Вибрации в технологических процессах / Н.М. Беспамятнова. – Зерноград: ВНИПТИМЭСХ, 2010. – 228 с.

2. Болотов, И.Н. Комплексная механизация льноводства / И.Н. Болотов. Ленинград-Москва: Сельхозиздат, 1962. – 356 с.

3. Бауман, В.А. Вибрационные машины и процессы в строительстве: учебное пособие для студентов строительных и автомобильно-дорожных вузов / В.А.Бауман, И.И.Быховский. – Москва: «Высшая школа», 1977. – 255 с.

4. Григорьян, А.Т. История механики твердого тела /А.Т.Григорьян, Б.Н.Фрадлин. – Москва: «Наука», 1982. – 296 с.

5. Пановко, Я.Г. Устойчивость и колебания упругих систем / Я.Г Пановко, И.И. Губанова. – Москва: «Наука», 1964. – 336 с.

6. Реутин, В.В. Повышение равномерности высева семян льна / В.В. Реутин // «Сельский механизатор».- 2010.- №11.- С. 18-19.