Обоснование конструктивных параметров установки для предпосевной СВЧ-обработки семян ячменя

Введение . Данные статистических изданий Росстата свидетельствуют о развитии сельского хозяйства в СевероЗападном федеральном округе, относящемся к зоне рискового земледелия, в том числе об увеличении валового сбора ячменя, составляющего 70% от объема валового сбора зерновых и зернобобовых культур [7]. Высокая приспособляемость культуры к условиям региона, высокие питательные свойства, легкая усвояемость животными способствуют расширению использования ячменя при приготовлении концентрированных кормов в молочном скотоводстве.

Фуражное зерно, составляя в рационе животных до 50%, обеспечивает увеличение продуктивности крупного рогатого скота молочно-мясного направления в условиях зоны рискового земледелия. Создание собственной кормовой базы в регионе способствует продовольственной независимости и стабильности развития животноводства [1, 6]. Повышение урожайности зерновых и зернобобовых культур создает предпосылки устойчивого развития кормопроизводства в Северо-Западном федеральном округе [2].

Стратегические приоритеты агропромышленного комплекса Российской

Федерации до 2035 года требуют разработки инновационных подходов выращивания зерновых культур, обеспечивающих производство зерна на корм скоту не менее 50 млн т при увеличении производства скота и птицы до 17 млн т.

В соответствии с подпрограммой «Развитие селекции и семеноводства зерновых культур Федеральной научнотехнической программы развития сельского хозяйства на 2017–2030 годы» (Постановление Правительства РФ № 872 от 13 мая 2022 года) необходимо разрабатывать технологии, способствующие снижению токсической нагрузки на агроценозы за счет полного исключения химических обработок, а также проводить исследования и разработки основных элементов беспестицидной защиты зерновых культур от вредителей и болезней.

Технология обработки семенного зерна микроволновым электромагнитным излучением, обеспечивая активизацию энергии роста в семенах, способствует повышению урожайности зерновых культур, в том числе за счёт устойчивости к вредителям и болезням [11, 15].

Предпосевная сверхвысокочастотная (далее СВЧ) обработка семенного материала относится к «зеленым технологиям», обеспечивающим снижение отрицательного влияния на окружающую среду при оптимизировании издержек на производство [12, 14]. Также, согласно Федеральной научно-технической программе развития сельского хозяйства на 2017–2030 годы, внедрение СВЧ-обработки семенного зерна относится к инновационным решениям, способствующим росту производства высококачественных кормов для всех групп животных. Это позволит применять безопасные технологии при выращивании зерновых культур и обеспечить устойчивое развитие отрасли [8, 13].

Целью проводимого исследования является обоснование конструктивных параметров экспериментальной установки для предпосевной СВЧ-обработки, повышающей качество семян ячменя. Предмет исследования – конструктивнотехнологические параметры установки для предпосевной СВЧ-обработки зерна, обеспечивающие повышение урожайности злаковых культур. Технологический процесс предпосевной обработки зерна в электромагнитном поле СВЧ-диапазона является объектом исследований.

Анализ теоретических исследований по вопросу СВЧ-обработки зерна позволяет сделать вывод о высокой эффективности воздействия на зерновой слой в псевдоожиженном и разряженном состоянии [3,  9]. Анализ технических средств для СВЧ-обработки зерна показал, что в существующих технологиях вопрос повышения равномерности СВЧ-воздействия решается механическим или конвективным способом для дополнительного перемешивания или создания разрыхленного слоя, что недостаточно эффективно в процессе обеспечения псевдоожижженого слоя для различных сельскохозяйственных культур, отличающихся по форме и размеру зерен [4]. К недостаткам рассмотренных установок относятся сложность конструктивного исполнения, многоступенчатость и связанная с ней трудоемкость процесса, высокая металлоемкость, сложность в регулировании времени СВЧ-воздействия [10].

Научная новизна исследования заключается в обосновании рациональных конструктивных и технологических параметров транспортирующего устройства установки для предпосевной СВЧ-обработки семян злаковых культур, обеспечивающих повышение качества семенного материла.

Материалы и методы исследования. Исследование проведено на основе системного подхода, при котором используется сочетание теоретических и экспериментальных методов, в том числе в лабораторных и производственных условиях. Экспериментальные исследования проводились на опытном образце установки, изготовленной на базе ФГБОУ Вологодская ГМХА в соответствии с конструктивно-технологической схемой согласно патенту на изобретение RU2754444C1.

Работа установки (рисунок 1) происходит следующим образом: зерно из бункера-питателя гравитационного типа со щелевым дозатором 1 поступает на желоб вибротранспортера 2, соединенный посредством пружинной подвески с поворотной рамой 8, изменяющей свое положение относительно горизонта с помощью механизма изменения угла наклона желоба 5. Зерно, находящееся в желобе вибротранспортера, за счет вибрации образует зерновой слой в псевдо-ожиженнном состоянии, который перемещается в СВЧ-камеру 3, где подвергается воздействию источника СВЧ-излучения, с последующим сходом обработанного материала в приемную тару. Поворотная рама 8 соединена через резиновые демпферы с П-образной рамой-остовом 9, которая установлена на анкерных болтах.

а a б b

1 – бункер-питатель гравитационного типа со щелевым дозатором; 2 – желоб вибротранспортера, установленный на пружинной подвеске; 3 – СВЧ-камера; 4 – электродвигатель с диаметрально установленными дисбалансными устройствами; 5 – механизм изменения угла наклона желоба;

6 – активатор первого источника СВЧ-излучения; 7 – активатор второго источника СВЧ-излучения;

8 – поворотная рама; 9 – П-образная рама-остов

Рисунок 1 - Экспериментальная установка (а) и ее конструктивно-технологическая схема (б)

1 – gravity feeder hopper with slot dispenser; 2 – vibrating conveyor tray mounted on spring suspension; 3 – microwave chamber; 4 – electric motor with diametrically mounted unbalance devices; 5 – mechanism for changing the tray angle; 6 – activator of the first microwave radiation source;

7 – activator of the second microwave radiation source; 8 – rotary frame; 9 – U-shaped frame-skeleton Figure 1 - Experimental setup (a) and its design and technological scheme (b)

К желобу вибротранспортера, установленному на пружинной подвеске, жестко прикрепляется электродвигатель с дисбалансным устройством (рисунок 2 а). Дисбаласное устройство представляет собой диаметрально и противоположно разнесенные по концам вала электродвигателя эксцентрики. Эксцен- трик состоит из двух одинаковых стержней (грузов), перпендикулярно расположенных к оси вала электродвигателя. Благодаря изменению угла между стержнями (грузами) осуществляется изменение эксцентриситета эксцентрика (рисунок 2 б) [2].

а a

б b

Рисунок 2 – Дисбалансное устройство (эксцентрик) на валу электродвигателя ( а ) и схема к определению угла между грузами-эксцентриками дисбалансного устройства ( б )

Figure 2 – Unbalance device (eccentric) on the electric motor shaft ( a )

and diagram for determining the angle between the eccentric weights of the unbalance device ( b )

В ходе исследовательской работы угол между стержнями изменялся от 600 до 1500 с шагом в 300 (таблица 1).

Таблица 1 – Параметры дисбалансного устройства усовершенствованной экспериментальной установки Table 1 – Parameters of the unbalance device of the improved experimental unit

Угол между грузами-эксцентриками Angle between eccentric weights	150°	120°	90°	60°
Эксцентриситет, мм Eccentricity, mm	3,92	7,8	11,21	13,86
Масса эксцентрика, г Eccentric mass, g	79

В предлагаемой конструкции проблема уменьшения неравномерности воздействия ЭМП СВЧ решается следующим образом (рисунок 3): эксцентрики 1, помимо продольных и вертикальных колебаний желоба за счет диаметрально противоположного положения на оси двигателя, вызывают колебания пружинной подвески 2 в поперечном сечении, а пружинная подвеска придает поперечным колебаниям дугообразные движения транспортера 3, формируя при этом поворотно-колебательные движения в плоскости поперечного сечения желоба.

1 – эксцентрики; 2 – пружинная подвеска; 3 – желоб вибрационного транспортера Рисунок 3 – Схема поворотно-колебательных движений желоба

1 – eccentrics; 2 – spring suspension; 3 – vibrating conveyor tray Figure 3 – Diagram of rotary and oscillatory movements of the tray

Программа экспериментальных исследований включала методики: проведения экспериментальных исследований влияния конструктивных параметров установки на время СВЧ-обработки и пропускную способность; оценки посевных свойств зернового материала; проведения полевого опыта.

Исследование влияния предпосевной обработки зерна в ЭМП СВЧ на качественные показатели возделывания зерновых культур с 2021 по 2024 гг. проводилось на учебно-опытном поле ФГБОУ ВО «Вологодская ГМХА», находящемся в Вологодском районе Вологодской области.

Результаты исследования и их обсуждение. На основании проведенных исследований распределения температуры на поверхности неподвижного и подвижного (псевдоожиженного) слоя зерна при воздействии СВЧ-излучения установлено, что применение псевдоожиженного слоя позволяет более плавно контролировать текущую и критическую температуру нагрева семян (рисунок 4). Также установлено, что при воздействии СВЧ-излучением с установленной мощностью 900 Вт наилучшие показатели энергии роста и всхожести семян получены при продолжительности обработки в течение 15 с (рисунок 5). Поэтому в ходе дальнейших исследований следует принять время СВЧ-обработки зерна в течение 15 с.

а a

б b

Рисунок 4 – Тепловизионные снимки неподвижного зернового слоя ( а ) и подвижного / псевдоожиженного слоя ( б ) после СВЧ-обработки

Figure 4 – Thermographic images of a stationary grain bed ( a ) and a moving/fluidized bed ( b ) after microwave treatment

yпс= -0,0563x2 + 2,0028x + 52,49

R² = 0,9847

yнс = -0,0532x2 + 1,9246x + 49,077

R² = 0,9894          ^

0      10     20     30     40     50

время обработки, с treatment time, s

yпс = -0,0659x2 + 2,1216x + 74,298 R² = 0,989

yнс = -0,0645x2 + 2,0459x + 72,22 R² = 0,9971

время обработки, с treatment time, s а a

+ Неподвижный слой Stationary grain bed

■ Подвижный /Псевдоожижженный слой

Moving/fluidized bed

б b

Полиноминальная (Неподвижный слой)

Polynomial (Stationary grain bed)

Полиноминальная (Подвижный слой) / Псевдоожижженный слой Polynomial (Stationary grain bed) / Fluidized bed

Рисунок 5 – Энергия прорастания ( а ) и всхожесть ( б ) семян в зависимости от продолжительности СВЧ-обработки подвижного / псевдоожиженного и неподвижного слоя

Figure 5 – Germinative energy ( a ) and germination rate ( b ) of seeds depending on the duration of microwave treatment of a moving/fluidized and stationary bed

Оценка качества семенного материала на всхожесть и энергию прорастания, проведенная в филиале ФГБУ «Российский сельскохозяйственный центр по Вологодской области», подтвердила полученные результаты.

Исследование влияния конструктивно-технологических параметров виб- ротранспортера на время движения зернового слоя проводилось с целью установления режимов работы вибротранспортера установки для СВЧ-обработки зерна злаковых культур, обеспечивающих получение максимальной производительности / минимального времени движения зернового материала.

Установление оптимальных конструктивно-технологических параметров вибротранспортера лабораторной установки, обеспечивающих максимальную производительность и среднее время облучения в 15 с, реализовано с помощью матрицы плана Бокса-Бенкина для четырех факторов (таблица 2).

Таблица 2 – Факторы и уровни их варьирования Table 2 – Factors and their levels of variation

СК аз с СО О а. "со _О ТО m О £ ^ Ф Ф 1 О	Наименование фактора, размерность, уровень варьирования и условное обозначение Factor, dimension, level of variation and symbol				Критерии оптимизации, размерность и условное обозначение Optimization criteria, dimensions and symbols
	x i	x2	x3	x4	У 1	У 2
	Зазор выгрузного окна, мм Discharge outlet gap, mm	Угол между грузами-эксцентриками, град. Angle between the eccentric weights, deg.	Угол наклона ложа /дна транспортера, град. Angle of inclination of bed/bottom of conveyor, deg.	Частота тока электродвигателя дисбалансно-го механизма, Гц Frequency of the current of the electric motor of the unbalance mechanism, Hz	Пропускная способность, кг/ч Throughput, kg/h	Среднее время облучения, с Average exposure time, s
1	18	150	7	70
0	12	120	11	60
-1	6	90	15	50

В результате статистической обработки полученных экспериментальных данных с последующим исключением факторов и их взаимодействий со стати- стической значимостью менее 5% получены математические модели рабочего процесса по критериям оптимизации.

y 1 = 105,86 + 28,18x 1 - 40,11x 2 - 40,48x 3 + 14,56x 4 - 50,19x 12 + +24,42x 2 x 3 - 26,0x 2 x 4 ,                               (1)

у₂ = 4,54 + 2,59x 1 + 1,30x 2 + 2,58x 3

Статистическая оценка подтверждает адекватность полученных математических моделей. Полученные результаты статистически значимы при уровне значимости α=0,05 и имеют достаточно хорошую (R-squared более 80%) функциональную зависимость между факторами x 1 , x 2 , x 3 и x 4 .

- 1,56x 4 + 1,93x 1 x 2 - 1,83x 3 x 4 . (2)

Оценку математических моделей по непосредственному воздействию факторов на критерии оптимизации y 1 и y 2 осуществляли с помощью графиков непосредственного влияния факторов, которые приведены на рисунке 6.

-1,0 л- 1,0 -1,0 х 1,0 -1,0 Xj 1,0 -1,0 Xj 1,0               -1,0 X; 1,0 -1,0 Л, 1,0 -1,0 Xj 1,0 -1,0 ^ 1,0

Диапазоны варьирования факторов                  Диапазоны варьирования факторов

Ranges of variability of factors                               Ranges of variability of factors

Рисунок 6 - Зависимости влияния факторов х 1 , х₂ , х₃ и х₄ на пропускную способность у 1 и среднее время облучения материала у₂

Figure 6 - Dependencies of the influence of factors х 1 , х₂ , х₃ and x₄ on the throughput y 1 and the average irradiation time of the material y₂

Для решения компромиссной задачи по достижению максимальной пропускной способности и обеспечению среднего времени облучения зернового материала в течение 15 с воспользовались функцией для решения оптимизационных задач пакета программ Statgraphics (таблица 3).

Таблица 3 – Значения факторов при оптимуме Table 3 – Values of factors at optimum

Фактор Factor		Значение Value
Условное обозначение Symbol	Наименование и размерность Name and dimension	Нормированное Normalized	Фактическое Actual
X 1	Зазор выгрузного отверстия, мм Discharge outlet gap, mm	0,71	16,24
x2	Угол между грузами-эксцентриками, град. Angle between the eccentric weights, deg.	1,0	150
x3	Угол наклона ложа /дна транспортера, град. Angle of inclination of bed/bottom of conveyor, deg.	1,0	7
x4	Частота вращения дисбалансного механизма, мин-1 (Частота тока электродвигателя, Гц) Frequency of the unbalance mechanism, min-1 (Frequency of the current of the electric motor, Hz)	-1,0	2940 (50)

Таким образом, минимально необходимые условия для нахождения зернового материала в зоне облучения в течение 15 секунд: зазор выгрузного отверстия 16 мм, угол между грузами-эксцентриками 150 град., угол наклона ложа /дна транспортера 7 град., частота тока электродвигателя дисбалансного механизма 50 Гц, при этом пропускная способность установки составит 55,95 кг/ч.

Для оценки влияния предпосевной СВЧ-обработки зерна на количество всходов и урожайность осуществлен полевой опыт с использованием ярового ячменя сорта «Сонет» с исходной всхожестью 92%. Весь объем подготовленного для посева зернового материала де- лился на три группы: обработанную в течение 15 с в ЭМП СВЧ с неподвижным зерновым слоем (группа 1); обработанную в течение 15 с в ЭМП СВЧ с подвижным (псевдоожиженным) зерновым слоем (группа 2); не подвергнутую предпосевной обработке (контроль).

Анализ динамики появления всходов для каждой группы показал, что у семян, подвергшихся предпосевной обработке в ЭМП СВЧ (группа 1 и 2), наблюдаются более дружные всходы, а количество появившихся ростков больше, чем в контрольной группе на протяжении всех наблюдений. При этом семена, подвергнутые обработке ЭМП СВЧ в подвижном слое, имеют большее количество всходов по сравнению с семенами, обработанными в неподвижном слое (от 3 до 8%).

Данные урожайности говорят о преимуществе посевов зерна, подвергнутого СВЧ-обработке, над контрольной группой без предпосевной обработки. Так, урожайность первой группы превышает контроль на 1,5–2,6 ц/га, а второй группы на 3,2–6,3 ц/га. При этом стоит отметить, что урожайность группы 2 (СВЧ-обработка с подвижным слоем зерна) превышает контроль на 8,6–16,8% и на 2,8–10,9% группу 1 (СВЧ-обработка с неподвижным слоем зерна).

Выводы. Разработана установка для СВЧ-обработки семенного зерна, обеспечивающая повышение качества семенного материала за счет равномерности воздействия электромагнитного излучения в результате создания псевдоожиженного слоя, отличающаяся возможностью регулировки продолжительности и условий обработки зерна. Экспериментально установлены рациональные конструктивно-технологические параметры установки для предпосевной обработки семян ячменя в электромагнитном поле СВЧ: зазор выгрузного отверстия 16 мм, угол между грузами-эксцентриками 150 град., угол наклона ложа / дна транспортёра 7 град. и частота тока электродвигателя дисбалансного механизма 50 Гц, для нахождения зерна в зоне облучения в течение 15 с при мощности СВЧ-излучателя 900 Вт. В ходе реализации полевого опыта нами было подтверждено превосходство предпосевной СВЧ-обработки зерна в подвижном зерновом слое над неподвижным, заключающееся в получении более дружного и равномерного появления всходов с увеличением их количества до 8% и увеличении урожайности ярового ячменя от 2,8 до 10,9%.