Повышение эффективности предпосевной обработки семян яровой пшеницы с использованием низкочастотного электрического поля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат технических наук Старухин, Роман Сергеевич

• Старухин, Роман Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Старухин, Роман Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Актуальность исследования.

1.2 Анализ работ по предпосевной обработке.

1.3 Обоснование научной гипотезы и технических средств, повышающих эффективность предпосевной обработки семян.

Выводы.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ СЕМЯН В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

2.1 Описание электрического поля зерновой частицы в эллиптических координатах.

2.2 Определение изменения термодинамических свойств вещества семян в процессе обработки.

2.3 Определение оптимальных параметров электрического поля при предпосевной обработке семян.

2.4 Построение теоретической зависимости водопоглощения.

Выводы.

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН.

3.1 Обзор методов расчета электрических полей.

3.2 Метод расчета электрического поля электроустановки на основе решения интегрального уравнения Фредгольма первого рода.

3.3 Характеристики эллиптического электрического поля.

3.4 Компоновочные решения установки предпосевной обработки зерна.

Выводы.

4 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

4.1 Методика экспериментальных исследований.

4.2 Экспериментальные данные и их анализ.

Выводы.

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

5.1 Расчет капитальных вложений.

5.2 Определение годовых эксплуатационных затрат.

5.3 Технико-экономическая оценка эффективности проектируемого технического решения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности предпосевной обработки семян яровой пшеницы с использованием низкочастотного электрического поля»

Планомерное повышение эффективности сельскохозяйственных производителей и обеспечение возрастающей потребности в продуктах питания являются важнейшими задачами развития агропромышленного комплекса. Одной из основных целей растениеводства является повышение урожайности сельскохозяйственных культур, увеличение объемов производства зерна, кормов и другой продукции.

Зерно на сегодняшний день, представляет собой основной источник производства продуктов питания для человека, кормов для сельскохозяйственных животных, служит сырьем для промышленности, а также является ресурсом для производства биоэнергии. Зерновые культуры в мире занимают около 35 % пашни. Ввиду многочисленности и разнообразия видов, форм и сортов яровых и озимых зерновых культур выращивание их возможно при разных почвенных и климатических условиях.

Значение зерновых культур в сельскохозяйственном производстве трудно переоценить, особенно если учитывать, что на нужды животноводства приходится большая часть фуражного зерна. Зерно являет собой основной источник протеина, витаминов группы В и минеральных веществ.

Работа по повышению урожайности возделываемых культур проводится на всех этапах жизненного цикла растений и направлена на совершенствование как технологических, так и организационных мероприятий. Одно из важнейших мест в этом комплексе мероприятий занимает семеноводство, поскольку семена являются носителями биологических и хозяйственных качеств растений и в значительной мере определяют качество и количество собираемого в итоге урожая.

В связи с этим, использование для посева высококачественного посевного материала является важным условием для достижения сельхозпроизводителями высоких результатов их хозяйственной деятельности.

На ценность семян как посевного материала оказывает влияние целый комплекс факторов. Урожайные свойства определяются не только наследственностью, но и модификационной изменчивостью под влиянием условий окружающей среды. Воздействие ее на формирование свойств семян огромно, что необходимо учитывать при семеноводстве и заготовках. Ряд свойств семян, имеющих особенно важное агрономическое значение, регламентируется нормативными документами, отражается в государственных стандартах и нормируется комплексом показателей, которые определяются в семенных лабораториях.

Снижение или вовсе потеря всхожести семян могут быть вызваны замораживанием влажного зерна, перегревом зерна при сушке, развитием различных микроорганизмов, в результате негативного воздействия насекомых-вредителей, травмирования при механической обработке и транспортировании. Снижение всхожести, т. е. жизнеспособности семян, приводит к значительным экономическим потерям, вызванным необходимостью повышать нормы высева. Кроме того, в почву бессмысленно вносится несколько миллионов тонн высококачественного пищевого материала.

Поэтому специалистами сельскохозяйственного производства постоянно ведется работа по поиску средств и способов повышения посевных качеств семян.

Воздействие на семена физическими факторами призвано с целью их стимуляции - ускорения роста, увеличения урожайности и повышения качества получаемой продукции.

Физические мероприятия обработки семян получают распространение в экологическом земледелии. Это является весьма перспективным направлением развития сельскохозяйственных технологий, поскольку современное общество предъявляет повышенные требования не только к потребительским качествам производимой пищевой продукции, но и к ее биологической и экологической безопасности.

К настоящему моменту накоплен обширный материал по положительному воздействию тепловых, электромагнитных и иных физических воздействий на семена. Особое место в ряду исследуемых физических воздействий занимают электрофизические факторы. Их влиянию на биологические объекты, в том числе и на семена растений, посвящено большое количество научных исследований.

Несмотря на то, что в настоящее время существует большое количество разнообразных способов применения электрофизических факторов с целью увеличения урожайности и повышения эффективности сельскохозяйственного производства, широкого применения на практике большинство из них не получило. Это связывается с высокой стоимостью и сложностью оборудования, высокими эксплуатационными издержками, а также необходимостью привлечения дополнительных трудовых и материальных ресурсов, затрат времени. Основным фактором, тормозящим широкое внедрение электрофизических методов предпосевной обработки в производство, является тот факт, что механизмы воздействия электромагнитного поля на семена и растения сельскохозяйственных культур до конца остаются невыясненными.

Результаты исследований, проводимых различными учеными, говорят о том, что ответ семян на один и тот же фактор, воздействующий при обработке, может носить различный характер. Эффект, производимый при обработке, зависит от многих факторов. В ряду таких можно назвать сорт и качество обрабатываемых семян, длительность обработки и характеристики воздействующего фактора, время обработки до момента высева семян в почву, а также от прочих внешних факторов. В связи с этим, получение однозначного ответа об эффективности того или иного метода обработки, а также поиск путей их дальнейшего совершенствования представляется весьма трудно разрешимой задачей.

Кроме этого, отсутствующая математическая модель взаимодействия зерна с электрическим низкочастотным полем, делает подход к определению параметров воздействующего электрического поля на жизнеспособность семян чисто эмпирическим.

Эмпирический подход к выявлению повышения урожайности после воздействия поля на семена предполагает большой объем исследований. Кроме того, полевой эксперимент, для непосредственного определения урожайности, продолжителен и обычно составляет не менее трех лет. Поэтому целесообразно ориентироваться на характеристики семян на предпосевном этапе.

Многими исследователями интенсивность водопоглощения напрямую связывается с посевными качествами семян - с их полевой всхожестью, а как следствие, и с урожайностью. Водопоглощение семян является важным свойством, характеризующим их жизнеспособность, а оно, как известно, протекает в два этапа. На первом этапе создаются предпосылки для выхода семени из состояния покоя и активации жизненных процессов. В этот период интенсивность протекающих процессов во многом определяет дальнейшее развитие и прорастание семени. На втором этапе происходит активное поглощение семенем солей, содержащихся в воде. Поэтому водопоглощение было выбрано в качестве критерия, определяющего потенциальную урожайность.

Отсутствие достоверных сведений о механизмах воздействия электромагнитных полей на биологические объекты и, как следствие, параметров оценки этого воздействия препятствует получению теоретически обоснованных характеристик воздействующих электрофизических факторов. Получение математических моделей, описывающих взаимодействие электромагнитных полей с семенами, а также связывающих параметры этих полей с эффектом воздействия -изменением урожайности напрямую, либо посредством других показателей является перспективным направлением исследований.

Таким образом, разработка научно обоснованных методов воздействия на сельскохозяйственные культуры различными физическими факторами, оказывающими стимулирующее влияние на рост и развитие растений и, в конечном итоге, на урожайность культур является крайне актуальной.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание технологии предпосевной обработки семян яровой пшеницы во вращающемся эллиптически поляризованном электрическом поле низкой частоты.

Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи: выбрать и обосновать характеристику семян - критерий, позволяющий оценить эффективность предпосевной обработки; разработать модель водопоглощения зерна пшеницы на основе диффузионных процессов под действием внешнего электрического поля и получить закономерности протекания исследуемых процессов в установке для предпосевной обработки семян электрическим полем НЧ; разработать методику расчета электротехнических и конструктивных параметров установки для предпосевной обработки семян электрическим полем и на ее основе определить рациональные режимы работы и параметры установки для предпосевной обработки с точки зрения выбранного критерия; - экспериментально проверить влияние напряжённости и типа поляризации НЧ электрического поля на водопоглощение и посевные характеристики семян яровой пшеницы; разработать электротехнологию для предпосевной обработки семян и определить технико-экономическую эффективность ее использования в условиях сельскохозяйственного производства.

Объект исследования. Объектом исследования являются процессы, протекающие в посевном материале под воздействием низкочастотного электрического поля.

Предмет исследования. Предметом исследования является получение зависимостей относительного водопоглощения, всхожести, энергии прорастания зерна яровой пшеницы от параметров воздействующего вращающегося эллиптически поляризованного электрического поля низкой частоты.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием методов математического моделирования, математической статистики, математического анализа. Экспериментальная часть исследования выполнена с помощью компьютерного моделирования и натурных экспериментов.

Научная новизна. Научная новизна исследования состоит в следующем: выбрана и обоснована характеристика семян, величина которой позволяет оценить эффективность предпосевной обработки; разработана модель водопоглощения зерна пшеницы на основе диффузионных процессов, протекающих в зерне под действием внешнего электрического поля НЧ; разработана электротехнология предпосевной обработки семян яровой пшеницы, в которой для стимуляции жизнеспособности семян впервые использовано эллиптическое электрическое поле низкой частоты; создана методика расчета параметров установки для предпосевной обработки семян электрическим полем.

На защиту выносятся: критерий, позволяющий характеризовать эффективность обработки семян яровой пшеницы на предпосевном этапе; математическая модель, связывающая относительное водопоглощение и напряженность воздействующего электрического поля низкой частоты; методика расчета электротехнических и конструктивных параметров установки для предпосевной обработки семян электрическим полем; технология предпосевной обработки семян в эллиптически поляризованном электрическом поле; зависимости относительного водопоглощения, всхожести, энергии прорастания семян яровой пшеницы от параметров воздействующего электрического поля.

Практическая значимость и реализация работы.

1. Получены наиболее эффективные значения напряженности НЧ электрического поля для рассматриваемых сортов, приближающиеся к 1100 В/м.

2. Получены теоретические и экспериментальные зависимости, позволяющие обоснованно подойти к проектированию установок для предпосевной обработки семян электрическим полем НЧ с различной конструкцией электродов.

3. Разработанная установка для предпосевной обработки семян электрическим полем, конструкция которой защищена патентом РФ на полезную модель (№102172, опубликовано 20.02.2011 Бюл. №5), позволяет обрабатывать зерно с производительностью до 2 т/ч, при этом повышение урожайности достигает 17 %.

4. Технология предпосевной обработки семян яровой пшеницы электрическим полем НЧ внедрена в сельскохозяйственных предприятиях Алтайского края, а именно, ОАО «Племрепродуктор Чистюньский» Топчихинского района, "Крестьянско-фермерское хозяйство Горлова C.B." с. Косиха, "Кресть-янско-фермерское хозяйство Иванова А.Н." с. Контошино Косихинского района, СХПК «Союз» с. Шадринцево Тальменского района, ООО «Элита» р.п. Тальменка. Внедрение данной технологии позволило увеличить всхожесть и энергию прорастания пшеницы на 8-14 %. Методические рекомендации по использованию разработанной технологии переданы в управления по сельскому хозяйству Тогульского, Тальменского, Косихинского районов Алтайского края.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение: на ежегодной городской научно-практической конференции молодых ученых («Молодежь-Барнаулу» в период с 2006 по 2010 гг.), Всероссийской научно-технической конференции "Наука и молодежь" (г. Барнаул, в период с 2006 по 2010 гг.), Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в России: успехи, проблемы и перспективы» (г. Пенза, ноябрь 2008 г.), на международных научных конференциях «Оптимальные методы решения научных и практических задач» (г. Таганрог, июнь 2005 г.), «Измерение контроль информатизация» (г. Барнаул, июнь 2009 г.), международных научно-практических конференциях «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства» (г. Пенза, август 2010 г.), «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства» (г. Пенза, октябрь 2010 г.), «Электроэнергетика в сельском хозяйстве» (г. Новосибирск - г. Барнаул, июнь 2011 г.).

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 12 печатных работ, 4 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК. Получен патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы (из 115 наименований) и содержит 175 страниц основного текста, в том числе 14 рисунков и 19 таблиц, также включает 2 приложения.