Обоснование структуры электрооборудования и системы автоматизированного управления установки сепарации зерновых культур

Постановка проблемы. В технологических процессах сепарации зерна разделение посевного материала по удельному весу следует считать основным агрономическим приемом прогнозированного повышения урожайности зерновых культур. Качество семян является важнейшим фактором повышения урожайности всех сельскохозяйственных культур. Только при высоком качестве семян могут быть реализованы все потенциальные возможности сорта. Однако не все показатели качества семян имеют прямое отношение к уровню урожайности. Энергия прорастания, всхожесть и особенно сила роста имеют прямое отношение к урожайности. Семена, обладающие высокой энергией прорастания, способны давать урожай на 30–38% выше, чем другие семена [1, 2].

Анализ последних исследований. Существуют наиболее распространенные способы сепарации зерна: механический, воздушный, аэродинамический, способ сухой магнитной сепарации слабомагнитных материалов, сепарация в поле коронного разряда, сепарация в электрическом поле. На практике получили распространение механический, механико-воздушный способ сепарации зерна [3]. Для такой очистки используют машины, которые включают пневмосепарирующие или решетные рабочие органы, а в ряде случаев и комбиниро- ванные воздушно-решетные сепараторы. Определенной тенденции в последовательности очистки вороха сепарирующими рабочими органами этих машин не наблюдается. Существуют зерносемяочиститель-ные машины, в которых в начале технологического процесса используются как пневмосепарирующие, так и решетные системы.

Система мер сепарации обеспечивает благоприятную зимовку и высокую урожайность озимой пшеницы, первостепенное значение имеют семена с высокими посевными качествами. Начиная еще с середины XIX века в научной литературе делаются попытки характеризовать качество семян по определению их удельного веса, что указывает на зрелость и степень созревания семян.

Комплексным признаком, наиболее полно характеризующим ценность семян озимой пшеницы, многие исследователи считают морфологию зародыша. Между удельным весом и типом зародыша существует зависимость. По классификации В.П. Шевченко существует шесть типов зародышей. Только зерновки со вторым типом зародыша формируются преимущественно в средней части колоса и в первых цветках нижней и верхней части колоса. Они обладают большим удельным весом (≈ 1,328 г/м и выше), и существует зависи- мость между типом зародыша и местом формирования зерновки и ее удельным весом. После обмолота колоски зерновки обезличиваются, вследствие чего уже невозможно определить по внешнему виду место формирования их в колосе, а следовательно, дать заключение об их биологической ценности. Используемая зерноочистительная техника на сегодняшний день не позволяет настолько точно разделить семена по удельному весу [1, 2].

Формулировка целей статьи. Целью статьи является обоснование структуры управления электроприводом установки сепарации зерновых культур, исследование закономерностей процесса сепарации семян в аэродинамическом потоке с целью повышения качества сепарирования.

Основная часть. Одним из способов сепарации является аэродинамическое разделение семян по фракциям. Учеными выполнен ряд исследований по сепарации семян озимой пшеницы РП-1. На сепараторе САД-10 зерно было разделено на 4 равные фракции и у каждого определяли удельный вес семян. Результаты приведены в таблице 1 и на рисунке 1 [1, 4].

Таблица 1 – Результаты показателей качества семян озимой пшеницы

Средние значения по повторности
Показатели качества семян озимой пшеницы	Фракции
	Исходный материал	2	3	4	5
Удельный вес, г/мл	1,29	1,38	1,37	1,29	1,18
Энергия прорастания, %	69	92	93	71	65
Всхожесть, %	78	97	96	74	67
Пораженность семян, %
Твердая головня	3,0	0,1	0,1	2,0	4,2
Пыльная головня	0,1	0	0	0	0,1
Фузариум (корневой)	0,5	0,1	0,1	1,4	1,6
Фузариум (колосовой)	2,4	0	0	0,9	2,9
Альтернария	7,2	0,9	1,9	6,9	9,6
Гельминтоспориоз	3,3	1,6	2,3	3,8	5,8
Плесень зеленая	0,8	0	0	0,2	1,6
Плесень черная	0,3	0,1	0,1	0,2	0,4
Плесень мукоровая	1,4	1,1	0,9	1,4	1,6
Общая пораженность, %	19,0	3,9	5,4	16,8	27,8
HCP 0,5	0,2	0,05	0,05	0,1	0,12

Имея общую пораженность образца 19%, сепарация позволила уменьшить ин-фицированность твердой головни с 3% до 0,1%, что соответствует классу семенного материала.

Не нужно забывать и о таком понятии, как зимостойкость растений озимой пшеницы. Жизнеспособность узла кущения, устойчивость его к вымерзанию является важным показателем зимостойкости пшеницы. Крупные семена с большим удельным весом характеризуются большой жизнеспособностью, а узел кущения закладывается в более глубоких слоях почвы. Размер, или крупность семян, определяется линейными измерениями. Термин «круп- ность семян» относится только к размерным понятиям, и его не следует отождествлять с весом семян. Более четким показателем качества семян является удельный вес семян или плотность.

Рисунок 1 – Зависимость физических свойств зерна от его класса

Большая, более полноценная фракция семян у озимой пшеницы формируется, как правило, в средней части колоса. В нижней и верхней части формируются семена с низкими посевными качествами. Однако при подготовке зерна к посеву выделить из него наиболее качественную фракцию по существующим технологиям довольно трудно, в связи с чем семенной материал разделяют по фракциям [2, 4].

Уже в самом семенном материале заложено варьирование глубины залегания узла кущения в почве. Аэродинамический сепаратор марки САД позволяет из массы посевного материала выделить наиболее ценные фракции, способные к формированию у проростков озимой пшеницы укороченного подземного междоузлия. Разделе- ние посевного материала по удельному весу следует считать основным агрономическим приемом по углублению узла кущения озимых культур. Посевные качества семян второй и третьей фракции позволяют значительно улучшать условия перезимовки озимой пшеницы. Возможности машины САД, разделяющей посевной материал по удельному весу, могут быть использованы в селекции для производства элитных семян, а также семян первой и второй репродукций. Сепарация по удельному весу по сравнению с сепарацией по размерам позволяет более точно разделить семена по биологической ценности, что подтверждается результатами исследований [5] (таблица 2, рисунок 2).

Таблица 2 – Результаты показателей качества сепарации зерна

Культура	Входящие показатели качества	Показатели качества на выходе фракции
Пшеница		1	2	3	4	5 + аспир.	Выход (аспир.)
	Засоренность примесей – 0,2%	–	0,08	0,06	0,12	32,60	–
	Зерновая примесь – 1,6%	–	0,28	1,14	6,12	37,64	–
	Клейковина – 22%	–	22,50	24,00	–	–	–
	ИДК – 100 ед.	–	90,00	90,00	–	–	–
	Класс 4	–	4	3	4	4	–
Вес,%	100	–	31,40	57,60	10,50	0,50	–

1 – приемный бункер; 2 – накопительный бункер; 3 – желоб пневмотранспорта;

4 – желоб вентилятора сепаратора; 5 – задвижка подачи зерна для сепарации;

6 – задвижка подачи зерна для пневмотранспорта; 7 – магнитные ловушки;

8 – желоб для удаления пыли и шелухи

Рисунок 4 – Схема функциональная автоматизации установки сепарации зерна

Для контроля и управления технологическим процессом на пульте управления расположены приборы сигнализации, аппараты (преобразователи неэлектрических сигналов в электрические). Показаны линии связи между приборами управления и исполнительными механизмами и электрическими двигателями с короткозамкнутым ротором (NS).

В автоматизированном режиме, в случае, когда уровень зерна достигает верхнего уровня, срабатывает датчик верхнего уровня и отключается привод вентилятора пневмотранспорта подачи зерна в бункер. Когда уровень зерна достигает нижнего уровня, вентилятор включается.

Датчик контроля скорости вращения электродвигателя привода вентилятора высокого давления отключает ЭД при уменьшении или увеличении величины скорости вращения ротора М1. Датчик скорости SV следит за нормальным режимом работы вентиляторов, и выключает ее в случае аварийной ситуации. Протекание процесса сепарации контролируется приборами световой сигнализации.

Вероятность безотказной работы электросхемы управления зависит от надежности всех элементов, входящих в нее, от структурной схемы их соединений и степени резервирования. Согласно теореме о совместном выполнении независимых событий, вероятность отказов в работе определяется по формуле

n

- ^ k • %_ft i = i

P t = e

^, где k – коэффициент, учитывающий

(1) влия-

ние окружающей среды, для стационарных агрегатов k = 10 ... 15 1/ч;

t – время работы схемы, ч.

Была определена интенсивность отказов элементов схемы. Расчёт интенсивности отказов схемы выполнен табличным методом:

^ = 0,942 • 10 - 3 1 /ч.

Время наработки на отказ, Т нараб , ч. определяется по формуле

T нараб.

^

T . =------ нараб.    _{0 , 942}

• 10 3 = 1060 ч.

Надежность работы схемы, Р(t) определяется по формуле p _ „ Xz ■ tx

^P t ) e        ^,

где t х – время работы, для которого определяются параметры надежности, t х = 1000 ч.

„        - 0 , 94210

^P(t) = e

= 0 , 999

Элементы схемы и схема в целом будут работать надежно, поскольку показатель вероятности безотказной работы находится в установленных пределах.

Выводы. Сепарация зерна в аэродинамическом потоке позволяет разделять семенной материал на фракции по удельному весу. Данный способ сепарации гарантирует высокоточную калибровку зерна по удельному весу, однородность семян при сепарации ± 3%, что дает возможность выделять зерно с повышенным содержанием клейковины и белка.

Автоматизированное управление обеспечивает контроль основного параметра процесса сепарации – давление в аэродинамическом потоке.

Надежность работы разработанной схемы автоматизированного управления составляет Р(t) = 0,999 и гарантирует тем самым качество разделения семян по фрак- циям.