Обоснование геометрических характеристик вороха клещевины

Введение. Клещевина является высокомасличной технической культурой, основным продуктом переработки которой является касторовое масло, используемое в химической, электротехнической, медицинской, авиационной и других отраслях народного хозяйства [1–6].

Наиболее важным и сложным этапом в системе мероприятий по переработке семян клещевины являются операции её послеуборочной обработки, а именно: очистка, сушка и сортировка вороха. Проведение послеуборочной обработки вороха определяет выход и качество продукции, идущей на дальнейшую переработку [7]. Соответственно задачей процесса очистки является отделение примесей и обмолот коробочек семян клещевины сначала на третинки, а затем обмолот третинок с последующим отделением чистых семян.

Однако, по сравнению с другими техническими и зерновыми культурами, клещевина имеет комплекс специфических особенностей: многокомпонентность её состава, неравномерность по влажности, высокую масличность ядра, хрупкость оболочек, большую засоренность, необходимость шелушения элементов её вороха и т.д. Следствием таких специфических особенностей клещевины является невозможность эффективного применения существующей техники для её послеуборочной обработки [8]. Специальная техника при проведении операций очистки крайне ограничена. Соответственно, при использовании существующей техники не учитываются специфические особенности клещевины. Так, например, во время операции шелушения третинок клещевины может травмироваться высокомасличное ядро. Следствием это- го является замасливание рабочих элементов очистных машин (машин для шелушения и разделения) вороха клещевины, а также замасливание самого вороха. В результате этого, во-первых, нарушается весь процесс послеуборочной обработки, и такие семена клещевины не могут быть полностью отделены на существующих очистных машинах, а во-вторых, в дальнейшем происходит снижение выхода и качества ценного продукта – касторового масла в технологическом процессе переработки семян клещевины.

Повысить же эффективность процесса послеуборочной обработки клещевины в каждой технологической операции можно путем применения в такой технологии специальных машин с обязательным учетом физико-механических свойств компонентов клещевины. Одним из важных свойств являются геометрические размеры компонентов вороха семян клещевины: коробочек и третинок. Такие характеристики нужны при определении конструктивных параметров и технологических режимов машин для отделения вороха семян клещевины от примесей, а также в лущильных машинах, отделяющих семена клещевины от их вороха.

Как правило, существующие исследования геометрических характеристик клещевины в мире касаются региональных особенностей, которые сложно применить для сортов клещевины, которые можно выращивать на территории Запорожской области. Так, например, в работе [9] исследованы геометрические характеристики семян клещевины, выращенной в Нигерии. В работе [10] исследования касались местных сортов клещевины, выращенных в Паки- стане, и сорта клещевины DS-30 Variety. В работе [11, 12] исследования касались местных семян, выращенных в Иране и купленных на рынке в Тегеране. Кроме этого, локальные климатические условия, почва и сезонные особенности выращивания будут в дальнейшем влиять на геометрические размеры вороха клещевины. В работе [13] исследования касались только аэродинамических характеристик вороха клещевины, которые непосредственно связаны с его геометрическими характеристиками.

Материалы и методы исследования. Параметрами геометрических характеристик компонентов вороха семян клещевины являются: длина и толщина коробочек клещевины (рисунок 1); длина, ширина и толщина третинок клещевины (рисунок 2).

При определении геометрических характеристик исследовали следующие сорта клещевины: Донская, Афродита, Олеся, Хортычанка,

ВНИИМК-165, Гибрид ранний, Хортицкая 1, Хортицкая 3, Хортицкая 7.

Для измерений использовали штангенциркуль электронный MIOL 15-241 с длиной шкалы 150 мм и точностью измерений 0,01 мм (рисунок 3).

Методика исследований была следующей:

• 1.    Из общего количества клещевины одного сорта отбиралась коробочка клещевины. При помощи штангенциркуля измерялись её длина и толщина. Значения фиксировались. Затем брали другую коробочку и повторяли такие же измерения. Общее количество составляло 100 измерений. Измерения проводили для каждого сорта клещевины.

• 2.    Коробочку клещевины разделяли на третинки. У каждой третинки измеряли с помощью штангенциркуля длину, ширину и толщину. Общее количество измерений составляло 100 для каждого сорта клещевины.

  
  
  

l – длина коробочки; δ – толщина коробочки Рисунок 1 – Общий вид коробочки клещевины l – length of a pod; δ – thickness of a pod Figure 1 – General view of a castor bean pod

а а                                      б b а – вид сверху; б – вид сбоку; l – длина третинки; b – ширина третинки; δ – толщина третинки Рисунок 2 – Общий вид третинки клещевины а – top view; б – side view; l – length of a third; b – width of a third; δ – thickness of a third Figure 2 – General view of a castor bean third

Рисунок 3 – Штангенциркуль электронный MIOL 15-241 с клещевиной Figure 3 – Electronic caliper MIOL 15-241 with castor bean

3. Для построения интервального ряда

определяли величину интервала, устанавливали полную шкалу интервалов, в соответствии с ней группировали результаты наблюдений. Для определения оптимальной величины интервала h , при которой ряд не был бы слишком громоздким и в то же время позволил бы обнаружить характерные черты случайной величины х , использовали формулу Стер-Джесса [14]:

Т_ х -=        .

п

Дисперсию S^*2 определяли по

һ =

хтм хтіп

1 + 3,3221дп’

где х_тах , _тіп - максимальный и минимальный вариант соответственно;

n – количество опытов.

За начало первого интервала рекомендует-

ся принимать величину, равную [14]:

тогда [14]:

где i = 2, 3, 4 … .

Һ °¹ = х 2тіп ’

а_і = а_і-1 + һ ,

Построение интервалов продолжали до

тех пор, пока начало следующего по порядку интервала не будет равным или больше х_тах .

Характеристики распределения случайной величины x оценивали с помощью характеристик выборки (характеристик вариационных рядов), которые при увеличении n сходятся по

вероятности соответствующих характеристик x и при достаточно большом n могут быть приблизительно равны им [14].

К основным характеристикам вариационных рядов относят: выборочную среднюю арифметическую - х , исправленную дисперсию – S^*2 , среднее квадратичное отклонение – S^* , коэффициент вариации – V , размах вариации – R , асимметрию - A_s , эксцесс - E x .

Выборочную среднюю х арифметическую определяли по формуле [14]:

[14]:

^*2 _ Z ? (X j —x) 2

.

п-1

(4) формуле

Среднее квадратичное отклонение S^* (эмпирический стандарт) определяли по формуле [14]:

5 * = <8 *2 = \ ^{№l х)} 2

yj п-1

.

Коэффициент вариации по среднему

квадратичному отклонению ^ определяли по формуле [14]:

У = 7 • 100% .            (7)

Размах вариации R рассчитывали по формуле [14]:

[14]:

R = тах х_і — тіп х_і .      (8)

Асимметрию A_s определяли по формуле

A s =

Z i (x i -x) ³ п^*³   '

Эксцесс Е_х определяли по формуле [14]:

Е_х = ^-^ — з .       (io)

^х        n^S * ⁴

Средние величины являются обобщаю-

щими количественными характеристиками совокупности однотипных явлений за варьирующимся признаком. Среднее арифметическое характеризует среднее значение, близко к которому группируются возможные значения случайной величины. Дисперсия есть мера разбросанности этих значений относительно среднего. Среднее квадратичное отклонение является мерой колебания, но в отличие от дисперсии представляет собой абсолютную величину, которая выражена в тех же единицах, что и варианты. Коэффициент вариации является относительным показателем колебания. Вариацион-

ный размах (или широта распределения) неустойчивая, чрезвычайно зависимая от случайностей величина, служащая приблизительной оценке вариации. Асимметрия и эксцесс являются показателями отклонения функции распределения f(x) для x от нормального закона распределения. Если A_s = 0, то кривая для f(x) симметричная, при A_s * 0 - асимметричная. При A_s > 0 правая часть распределения длиннее левой, A_s < 0 - наоборот. Эксцесс характеризует крутизну кривой и распределения. Если Е_х * 0, то вершина кривой для f(x) находится либо выше (при Е_х > 0), либо ниже (при Е_х < 0) вершин и кривой нормального распределения.

Линейные размеры масличных культур всегда подчиняются закону нормального распределения [15], который определяется с уче-

том характеристик вариационных рядов и исхо-

дя из типичной зависимости [15]:

Ф =

\ ' \2л

(—к — • е⁽   2-s‘2 )

.

Результаты исследования и суждение. При проведении измерений

(11) их об- геомет-

рических характеристик коробочек и третинок клещевины обнаружено, что размеры отдель-

ных сортов имеют практически одинаковые значения. Согласно сказанному, в процессе исследований сорта клещевины были разбиты на три

группы: мелкие, которые соответствовали сортам: Олеся, Хортычанка, Хортицкая 7; средние – для сортов ВНИИМК-165, Гибрид ранний, Хортицкая 1; большие – для сортов Донская, Афродита, Хортицкая 3.

Длина, мм

Length, mm

Рисунок 4 – Вариационные ряды распределения коробочек клещевины по длине Figure 4 – Variational distribution series of castor bean pods in length

Толщина, мм

Thickness, mm

Рисунок 5 – Вариационные ряды распределения коробочек клещевины по толщине Figure 5 – Variational distribution series of castor bean pods in thickness

Рисунок 6 – Вариационные ряды распределения третинок клещевины по длине Figure 6 – Variational distribution series of castor bean thirds in length

Ширина, мм Width, mm

Рисунок 7 – Вариационные ряды распределения третинок клещевины по ширине Figure 7 – Variational distribution series of castor bean thirds in width

В результате проведенных исследований установлены вариационные ряды распределения коробочек клещевины по: длине (рисунок 4), толщине (рисунок 5); вариационные ряды распределения третинок по: длине (рисунок 6), ширине (рисунок 7) и толщине (рисунок 8).

С учетом экспериментальных зависимостей (рисунки 1–5) и формул (4)–(10) определены характеристики вариационных рядов коробочек и третинок сортов клещевины (таблицы 1–3). Рассчитанные значения параметров выборочной средней арифметической каждого ва-

риационного ряда (таблицы 1–3) должны быть учтены в технологических процессах и конструкциях машин при разделении коробочек клещевины и шелушении её третинок. Центрирование вариационных рядов, полученных в процессе исследований (рисунки 1–5), осуществляли путем определения закона нормального распределения ряда согласно формуле (11). Для этого необходимо учесть результаты характеристик вариационных рядов распределения геометрических параметров компонентов вороха клещевины (таблицы 1–3).

Рисунок 8 – Вариационные ряды распределения третинок клещевины по толщине Figure 8 – Variational distribution series of castor bean thirds in thickness

Таблица 1 – Характеристики вариационных рядов для мелкой группы сортов клещевины Table 1 – Characteristics of variation series for a small group of castor bean seed varieties

Характеристики Characteristics	Коробочки Pods		Третинки Thirds
	По длине By length	По ширине By width	По длине By length	По ширине By width	По толщине By thickness
Выборочная средняя арифметическая, х Sample arithmetic mean, х	13,65	14,48	13,3	8,83	6,45
Дисперсия, S*2 Variance, S*2	1,56	1,54	1,38	0,39	0,44
Среднее квадратичное отклонение, S* Standard deviation, S*	1,25	1,24	1,18	0,62	0,66
Коэффициент вариации, V Coefficient of variation, V	9,15	8,58	8,83	7,03	10,27
Размах вариации, R Range of variation, R	5,67	5,35	6,31	3,24	3,71
Асимметрия, As Asymmetry, As	-0,07	-0,55	0,56	0,18	-0,45
Эксцесс, Ex Kurtosis, Ex	-0,41	-0,16	1,39	-0,03	0,85

Таблица 2 – Характеристики вариационных рядов для средней группы сортов клещевины Table 2 – Characteristics of variation series for the middle group of castor bean seed varieties

Характеристики Characteristics	Коробочки Pods		Третинки Thirds
	По длине By length	По ширине By width	По длине By length	По ширине By width	По толщине By thickness
1	2	3	4	5	6
Выборочная средняя арифметическая, х Sample arithmetic mean, х	16,27	16,36	15,27	9,55	7,76
Дисперсия, S*2 Variance, S*2	1,66	0,78	1,17	0,92	0,44
Среднее квадратичное отклонение, S* Standard deviation, S*	1,29	0,88	1,08	0,96	0,66

Окончание таблицы 2

1	2	3	4	5	6
Коэффициент вариации, V Coefficient of variation, V	7,92	5,4	7,09	10,03	0,49
Размах вариации, R Range of variation, R	5,8	4,1	6	4,4	3,7
Асимметрия, As Asymmetry, As	-0,066	-0,82	0,69	0,09	-0,46
Эксцесс, Ex Kurtosis, Ex	-0,45	0,52	1,93	-0,6	0,89

Таблица 3 – Характеристики вариационных рядов для большой группы сортов клещевины Table 3 – Characteristics of variation series for a large group of castor bean seed varieties

Характеристики Characteristics	Коробочки Pods		Третинки Thirds
	По длине By length	По ширине By width	По длине By length	По ширине By width	По толщине By thickness
Выборочная средняя арифметическая, x Sample arithmetic mean, x	18,78	17,44	18,38	10,39	8,84
Дисперсия, S*2 Variance, S*2	1,82	1,3	1,14	0,5	0,26
Среднее квадратичное отклонение, S* Standard deviation, S*	1,35	1,14	1,07	0,71	0,51
Коэффициент вариации, V Coefficient of variation, V	7,19	6,54	5,81	6,83	5,76
Размах вариации, R Range of variation, R	6	5,0	6	3,5	3,1
Асимметрия, As Asymmetry, Ax	-0,067	-0,64	0,25	0,2	-0,56
Эксцесс, Ex Kurtosis, Ex	-0,5	-0,009	1,71	-0,33	1,72

Результаты расчетов законов нормально-   по длине, ширине и толщине для разных сортов го распределения вариационных рядов распре-   клещевины приведены в таблице 4.

деления коробочек по длине и ширине; третинок

Таблица 4 – Законы нормального распределения вариационных рядов распределения: коробочек по длине и ширине; третинок по длине, ширине и толщине для различных групп (сортов) клещевины Table 4 – Laws of normal distribution of variational distribution series: pods in length and width; thirds in length, width and thickness for different groups (varieties) of castor beans

Геометрические характеристики коробочек и третинок клещевины Geometric characteristics of castor bean pods and thirds
1	2                                       3
Коробочки по длине Pods by length
Мелкая Small	Средняя Average	Большая Large
/ x-13,65\ Ф = 0,32 ■ e (   3,12 )	/ x-16,27\ Ф = 0,31 ■ e (   3,32 )	/ x-18,78\ Ф = 0,296 ■ e (   3,64 )
Коробочки по ширине Pods by width
Мелкая Small	Средняя Average	Большая Large
/ x-14,48\ Ф = 0,323 ■ e (   3,08 )	/ x-16,36\ Ф = 0,454 ■ e (   1,56 )	/ x-17,44\ Ф = 0,35 ■ e (   2,6  )

Окончание таблицы 4

1	2                                       3
Третинки по длине Thirds length
Мелкая Small	Средняя Average	Большая Large
/ Х-13,3\ Ф = 0,338 ■ е (  2,76 )	/ Х-15,27\ Ф = 0,37 ■ е (   2,34 )	/ Х-18,38\ Ф = 0,373 ■ е (   2,28 )
Третинки по ширине Thirds in width
Мелкая Small	Средняя Average	Большая Large
/ Х-8,83\ Ф = 0,644 ■ е (  0,78 )	/ т—9,55\ Ф = 0,416 ■ е (  1,84 )	Ф = 0,562 ■ е (10,39-ж)
Третинки по толщине Thirds by thickness
Мелкая Small	Средняя Average	Большая Large
/ х-6,45\ Ф = 0,605 ■ е (  0,88 )	/ х-7,76\ Ф = 0,605 ■ е (  0,88 )	/ Х-8,84\ Ф = 0,783 ■ е (  0,52 )

По размерным характеристикам можно рассчитать объем, площадь поверхности и коэффициент формы вороха семян клещевины. Таким образом, вариационные кривые представляют собой универсальные характеристики смеси вороха по их размерам, что важно при исследовании процессов отделения семян от вороха.

Выводы. В результате проведенных исследований геометрических характеристик компонентов вороха клещевины установлено следующее:

• 1.    Геометрические размеры вороха клещевины зависят от сорта клещевины и колеблются в достаточно широком диапазоне: по длине коробочек: 10,55–22,5 мм, по ширине коробочек: 11,5–20,2 мм, по длине третинок: 10,86– 22,5 мм, по ширине третинок: 7,36–12,3 мм, по толщине третинок: 4,8–10,2 мм. Процентное соотношение размеров вороха клещевины обуславливается ее сортовыми особенностями.

• 2.    Для повышения эффективности разделения коробочек и шелушения её третинок, в зависимости от группы сортов клещевины, установлены следующие геометрические размеры: длина коробочки: мелкой – 13,65 мм; средней – 16,27 мм; большой – 18,78 мм; ширина коробочки: мелкой – 14,48 мм; средней – 16,36 мм; большой – 17,44 мм; длина третинки: мелкой – 13,3 мм; средней – 15,27 мм; большой – 18,38 мм; ширина третинки: мелкой – 8,83 мм; средней – 9,55 мм; большой – 10,39 мм; толщина третинки: мелкой – 6,45 мм; средней – 7,76 мм; большой – 8,84 мм. Указанные параметры необходимо учитывать в соответствующих технологи-

• ческих процессах переработки клещевины и конструкциях машин.

• 3.    Для каждого вариационного ряда распределения компонентов вороха клещевины с учетом соответствующей группы сортов клещевины обеспечено центрирование путем установления закона нормального распределения соответствующего вариационного ряда.