862
.pdf11
мым к семенам той или иной культуры, то предложенная схема очистки может быть принята.
В противном случае следует изменить значения хв и хн по тому или иному признаку разделения или ввести новые рабочие органы для определения того сорняка, который не отделяется по предложенной схеме.
Практическое использование данной методики в значительной мере затруднено целым рядом причин.
Прежде всего, это высокая трудоемкость построения вариационных кривых при большом количестве компонентов смеси и признаков разделения, тем более, что далеко не для всех компонентов известны числовые характеристики.
Во-вторых, это сложность расчетов по определению вероятностных характеристик очистки по ряду возможных схем обработки исходного вороха.
Для устранения этих затруднений на кафедре сельскохозяйственных машин Пермской ГСХА разработаны компьютерные программы и база данных о свойствах семян культурных растений и сорняков [1.4].
Эти программы предусматривают возможность построения и анализа вариационных кривых основной культуры и 8 видов семян сопутствующих сорняков. Очистка может быть осуществлена по пяти признакам (с учетом различий по аэродинамическим свойствам, толщине, ширине, длине семян и плотности).
Примеры расчета представлены на рис. 1.2;1.3;1.4 и 1.5.
Рис. 1.2 Состав исходной смеси и взаимное расположение вариационных кривых
12
Рис. 1.3 Результаты очистки семян сахарной свеклы только воздушным потоком со скоростью 4 м/с
Рис. 1.4 Результаты расчетов, связанных с выделением фракции семян свеклы
3,5 …4,5 мм
13
Рис. 1.5 Результаты расчетов, связанных с выделением фракции семян свеклы 4,5…5,5 мм
Существенным недостатком рассмотренного метода определения возможных результатов очистки является использование предположения о независимости вероятности попадания в конечный продукт при использовании различных признаков разделения семян (1.10). Соотношения между размерами семян не могут быть чисто случайными.
Крупные семена, как правило, имеют не только большую длину, но и более высокие значения ширины и толщины.
Известно, что зависимость между случайными величинами, во всяком случае ее линейная составляющая, может быть охарактеризована коэффициентами корреляции:
rху |
К ху |
, |
(1.17) |
|
х у |
||||
|
|
|
где Кxy - корреляционный момент (момент связи) случайных величин Х и У;x, y - средние квадратические отклонения величин Х и У.
Корреляционный момент представляет собой математическое ожидание произведения центрированных значений случайных величин Х и У:
|
|
|
|
|
|
М (х m ) ( у m |
) |
|
|
К |
ху |
М |
X Y |
|
(1.18) |
||||
|
|
|
|
|
х |
у |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Совместное распределение двух случайных величин может быть описано двумерным законом распределения.
Если каждая из случайных величин Х и Y имеет нормальное распределение, то закон распределения системы этих величин представляет собой так называемый нормальный закон на плоскости или двумерное нормальное распределение.
14
В общем случае плотность нормального распределения двух случайных величин выражается формулой:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
( x mx )2 |
|
2r ( x mx )( y my ) |
|
( y my )2 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
f( x. y) |
|
|
|
|
|
е |
|
2(1 r2 ) |
x2 |
|
x y |
|
y2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
(1.19) |
||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
y |
1 r 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где mx, x, my, y - числовые характеристики распределений случайных величин Х и У;
r – коэффициент корреляции между Х и Y.
Поверхность f(x,y) двумерного нормального распределения представляет собой холмообразную поверхность, называемую иногда палаткой Гаусса (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Изображение двумерного нормального распределения
Сечение этой поверхностной плоскости х = mх (перпендикулярно оси Ох) и у = mх (перпендикулярно оси Оу) имеют формулу кривых обычных нормальных распределений с центрами, лежащими на линии регрессии Y по Х и Х по Y, и средними квадратическими отклонениями, равными
х 1 r2 и y 1 r2 .
Сечение поверхности двумерного нормального распределения плоскостью Z = C (где 0 < С < ƒ(x,y)), параллельной плоскости Оху, представляет собой эллипс, называемый эллипсом рассеяния (рис.1.7)
Рис.1.7. Эллипс рассеяния двумерного нормального распределения
(х mx )2 |
2r |
(x mx ) y my |
|
( y my )2 |
a |
2 |
, |
(1.20) |
||||
2 |
|
x |
|
y |
|
2 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
x |
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
15
где a2 2(1 r2 )ln(2 c x y 1 r2 )
Центр эллипса находится в точке mх и my, а его оси образуют с осью Ох угол α и π/2+α, где α определяется из условия
tg2 |
2r x y |
(1.21) |
||
2 |
2 |
|||
|
|
|||
|
x |
y |
|
При моделировании двумерного распределения полезными оказываются условные законы распределения:
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
е |
1 |
( |
y m y |
|
r |
x mx |
) |
2 |
|||
f |
|
|
|
|
|
|
|
|
2(1 r 2 ) |
y |
|
x |
(1.22) |
|||||||||
( y| x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
1 r 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
y |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
е |
|
1 |
( |
|
x mx |
r |
|
y m y |
) |
2 |
|
f |
( x| y) |
|
|
|
|
|
|
|
2(1 r 2 ) |
|
x |
|
y |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 r 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.23) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если, например, выбрать какое-то значение Х, то выражение (1.22) можно привести к виду
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
y |
2 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
y m y r |
|
( x mx ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
2(1 r 2 ) y2 |
x |
||||
f( y| x) |
|
|
|
|
|
|
е |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
1 r 2 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
y |
2 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
,
(1.24)
которое представляет собой плотность нормального распределения с центром рассеяния
m |
|
m |
|
|
y |
(x m |
) |
(1.25) |
y|x |
y |
|
||||||
|
|
|
|
x |
|
|
||
|
|
|
|
|
x |
|
|
и средним квадратическим отклонением
y|x y |
1 r 2 |
(1.26) |
Интересно отметить, что в условном законе распределения величины Y при фиксированном значении Х = х, от этого значения зависит только математическое ожидание, но не дисперсия.
Величина mу|х является условным математическим ожиданием величины Y при данном х.
Зависимость (1.25) можно отобразить на плоскости ХОY, откладывая условное математическое ожидание mу|х по оси ординат. Получается прямая, которую называют линией регрессии Y на Х.
Аналогично прямая
x m |
x |
r x |
( y m |
y |
) |
(1.27) |
|
y |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
является линией регрессии Х на Y.
Линии регрессии совпадают только при наличии линейной функциональной зависимости Y от Х.
16
При независимых Х и Y линии регрессии параллельны координатном
осям.
Если задачу о распределении физических свойств семян обобщить на n параметров (например, учесть взаимную зависимость толщины, ширины, длины семян, аэродинамических свойств, плотности и др.), то необходимо исполь-
зовать n-мерное нормальное распределение, |
плотность которого имеет вид |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
n |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kij( |
1) ( xi mi )( x j m j ) |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
||||
f( x x |
|
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
|
е |
i 1 |
j 1 |
, |
(1.28) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
x |
|
... x |
|
2 n / 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
n |
| K |
|
| |
|
|
|
||||||||||
1 |
2 |
|
3 |
|
|
i j |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где mi – математическое ожидание одномерной составляющей Хi(i=1,2….n) |Кij| - определитель ковариационной матрицы (Кij) случайной величины
(Х1, Х2,…Хn)
|
K11 |
K12 |
... |
K1n |
|
|
Kij |
K21 |
K22 |
... |
K2n |
(1.29) |
|
... ... ... ... |
||||||
|
|
|||||
|
Kn1 |
Kn2 |
... |
Knn |
|
Кij – элементы матрицы, обратной по отношению к ковариационной матрице (Кij).
При n = 2 совместная плотность (1.28) имеет вид (1.19) совместной плотности двумерного нормального распределения, а свойства n-мерного нормального распределения аналогичны свойствам двумерного.
Использование n-мерного нормального распределения вместо одномерного может существенно повысить точность вероятностных расчетов по проектируемой схеме очистки семян. Наличие современных компьютерных программ двумерного и n-мерного распределений в значительной мере снижает вычислительные трудности.
Основным препятствием освоения этой методики является неизученность корреляционной зависимости между параметрами физикомеханических свойств как у семян культурных растений, так и у сорняков.
Работа по исследованию этих зависимостей практически только начата и потребует значительного времени.
Для реализации предварительно составленной с помощью ЭВМ схемы очистки и сортирования семян необходим набор машин с соответствующими рабочими органами.
Затруднения в выборе состоят в том, что для адаптивных технологий возделывания овощных культур и кормовых корнеплодов (где в первую очередь и предполагается внедрение пунктирного посева) нужны сравнительно небольшие партии семян, районированных например для Урала, Се- веро-Востока и Западной Сибири (для южных и центральных регионов возможны заводские технологии).
Широко используемые в хозяйствах машины с производительностью 5..10…20 т/ч для обработки малых партий вообще не пригодны из-за отно-
17
сительно значительных потерь, низкой степени загрузки и недостаточного уровня универсальности.
Лабораторные машины, выпускаемые опытными партиями для работ по селекции и семеноводству, как правило, имеют очень низкую производительность (0,05…0,15 т/ч). Они не приспособлены для установки в технологическую линию, требуют индивидуального обслуживания и, как следствие, обработка семян на них связана с очень высокой трудоемкостью.
Расчеты, проведенные на кафедре сельскохозяйственных машин Пермской ГСХА, по технико-экономической оценке технологических операций послеуборочной обработки семян [1.5] показали, что для снижения себестоимости очистки малых партий семян объемом до 300 т за сезон целесообразно иметь комплексы производительностью 0,5…1 т/ч, реализующих как прямоточные, так и фракционные схемы разделения смесей. В этом случае себестоимость очистки снижается на 37…44% за счет меньших затрат на приобретение и эксплуатацию технических средств [1.6].
В связи с этим в Пермской ГСХА разработан целый ряд машин с такой производительностью. Так многолетние исследования д-ров техн. наук В.Д. Галкина и А.Д. Галкина по очистке семян в увлажненных зонах России и, частности, Уральском регионе показали высокую эффективность зерноочистительной машины с цилиндрическими решетами [1.7].
Для условий малотоннажной переработки семян создана малогабаритная машина. На машине установлены два цилиндрических решета. Диаметр наружного 500 мм, а внутреннего – 310 мм.
Длина решет 900 мм, частота вращения 95 мин-1. Для удаления легких примесей на машине установлена воздушная система с каналом дорешетной аспирации. Производительность машины в зависимости от вида обрабатываемых семян и исходной засоренности составляет от 0,5 до 1т/ч. На машине можно производить как очистку, так и сортирование (в том числе калибровку) как обычных, так и дражированных семян. Для сушки небольших партий семян (в том числе и дражированных) разработана малогабаритная сушилка [1.8].
Для нагрева воздуха используется электрокалорифер мощностью 8 кВт, позволяющий изменить температуру теплоносителя от 28,5 до 62 С.
Количество подавляемого воздуха можно регулировать в пределах от
0,054 до 0,302 м3/с.
Сушилка, оснащенная системой датчиков, позволяет проводить измерения статистического и динамического напора воздуха, температуры нагрева зерна и теплоносителя, их влажности на всех этапах технологического процесса. Производительность сушилки – до 100 кг/ч.
В сотрудничестве с предпринимателями Пермского края изготовлены разработанные в ПГСХА опытные образцы малогабаритной воздушнорешетной машины с трехъярусным решетным станом [1.10] и триера. На воздушно-решетной машине установлены решета размером 990 350 мм. Испытания показали, что производительность машины в режиме фракционной очистки составляет 1 т/ч, а в режиме вторичной очистки 0,5 т/ч.
18
Вмалогабаритном триере установлены два цилиндра диаметром D=230 мм и длиной L = 600 мм.
При параллельной работе цилиндров производительность триера составляет 0,5 т/ч.
Кинематический режим работы триера может быть ориентирован в пределах 0,3…0,5.
Для обработки очень малых партий семян, подбора решет, выбора режима работы машин успешно используется модернизированная лабораторная машина К-294 фирмы «Petkus» и решетный классификатор.
Вмодернизированной машине установлен электродвигатель постоянного тока, кривошип с изменяемой величиной эксцентриситета, шатун регулируемой длины, дозатор семян. В результате этого амплитуда колебаний может быть установлена в пределах 0…14 мм, частота колебаний
0…470 мин-1, угол направленности колебаний 0…-30 , угол наклона решет от 0 до 10 , подача семян от 0 до 100 кг/ч.
Для выделения фракций семян с высокими посевными свойствами разработан лабораторный пневмосортировальный стол (рис.1.8).
Рис. 1.8. Лабораторный пневмосортировальный стол
Пневмосортировальный стол может быть использован как самостоятельно работающая машина, так и включенный в состав семяочистительной приставки (рис. 1.9) [1.10].
Отличительной особенностью приставки является наличие решета 21 с неперфорированной частью поверхности 22 на начальном участке и направление схода решета на пневмосортировальный стол.
Фракционирование вороха на начальном участке 22 решета 21 позволяет направить на пневмостол только часть всего потока семян, тем самым повысить полноту разделения смеси и производительность линии.
При разработке комплекса машин для очистки малых партий [1.5] использовано значительное количество оригинальных предложений, защищенных патентам РФ на изобретение и полезные модели [1.11], [1.12], [1.13], [1.14], [1.15].
19
Рис. 1.9. Схема технологического процесса работы семяочистительной приставки
1 – малогабаритный пневмосортировальный стол; 2 – ветрорешетная зерноочистительная машина; 3 – устройство ввода семян; 4 – питающий валик; 5, 6, 7 – аспирационные каналы; 8, 9 – осадочные камеры; 10, 11, 12 – решета; 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 – поддоны с поперечным лотками; 21 – дополнительное решето с неперфорированной поверхностью 22; 23 – поперечный лоток
1.2. Шлифование семян
Одним из способов предпосевной обработки семян является шлифование их поверхности.
Шлифование обеспечивает снижение шероховатости семян, придание им округлой формы, что, в конечном итоге, улучшает работу сеялок и снижает процент многоростковости (например, у многоплодных сортов свеклы).
Для шлифования может быть использовано большое количество разнообразных технических средств. Это всевозможные шасталки (например ШСС-0,5), модернизированные варианты дисковых, вальцедековых, конусных шелушильных или шлифовальных машин.
Ряд таких устройств был испытан в Пермской ГСХА при разработке индустриальной технологии выращивания кормовой свеклы в Пермском крае, выполненной совместно с Пермским НИИСХ и НПО «Предуралье». Большой вклад в проведение этой работы внесли сотрудники ПГСХА Б.С. Гордеев и А.И. Федорович [1.5], [1.16].
При обработке семян свеклы на шасталке ШСС-0,5 несколько снижается коэффициент трения, повышается процент одноростковости, но округлую форму семена не приобретают.
В 1988 г. была испытана машина барабанного типа (рис.1.10) Машина состоит из рамы 1, на которой шарнирно смонтирован ци-
линдрический корпус 2. Внутри него установлен цилиндр 3, покрытый с
20
внутренней поверхности абразивным материалом, и вал 4, на котором с помощью втулок 5 жестко закреплены шлифовальные круги 7. С одной из торцевых поверхностей корпуса 2 размещен бункер 8 для семян с заслонкой 9, а с другой – патрубок 10 для удаления запыленного воздуха из внутренней полости цилиндра 3 и лоток 11 для выгрузки готовых семян. Угол наклона цилиндра можно регулировать винтом 12. Шлифование семян происходит за счет их взаимодействия с абразивными поверхностями цилиндра 3 и шлифовальных кругов 6. Запыленный воздух отсасывается из шлифовальной камеры с помощью вентиляционной установки.
Рис.1.10. Схема установки для шлифования семян
Испытания машины показали, что она вполне работоспособна, обеспечивает более качественное шлифование семян по сравнению с шасталкой и не выбивает плоды из клубочков. Семена, прошедшие обработку на ней имеют более округлую форму, чем после шасталки.
Наиболее высокое качество шлифования семян в наших опытах обеспечило устройство, представленное на рис. 1.11.
Рис.1.11. Схема рабочего процесса наклонной двухдисковой машины: 1 – корпус; 2 – обечайка; 3 – неподвижный наждачный круг; 4 – подвижный наждачный круг; 5 – подшипник; 6 – эксцентрик; 7 – вал; 8 – бункер; 9 – выгрузной патрубок