МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ УБОРКИ И СУШКИ ВЫСОКОВЛАЖНЫХ СЕМЯН РАПСА

УДК 631.365.22

Рапс как культура приобретает всё большее распространение в Северо-Западном регионе Российской Федерации. Но с распространением рапса появилась проблема в правильной его уборке и послеуборочной обработке семян, так как его семена являются переувлажнёнными. В связи с этим затрудняется  обмолот и сепарация семян рапса во время уборки, а также возникают большие энергозатраты во время сушки.

Успех планирования уборочных работ зависит от прогноза погоды, состояния стеблестоя, сроков высева и созревания культуры, а также количества и состава техники, профессионального мастерства агрономической службы, ИТР сельхозпредприятий и квалификации механизаторов.

Исследованиями установлено, что средняя влажность семян при уборке составляет 22-29% . Наибольшие потери семян рапса при уборке в зерноуборочном комбайне приходятся на жатку и молотилку [1].

 При уборке переувлажнённых семян рапса возникает проблема в правильной настройке молотильного устройства зерноуборочного комбайна. Нами был поставлен эксперимент для поиска оптимальных настроек комбайна «Sampo 500» с целью минимизировать потери за молотилкой  при уборке рапса. Исследования по уборке рапса производились на базе Ленинградской НИИСХ в сентябре 2010г. Исходные данные:

- сорт Оредеж 4,

- влажность семян рапса 27%,

- скорость движения комбайна 4,5-5,5 км/ч.

Были выбраны два наиболее значимых управляемых фактора эксперимента: частота вращения барабана, мин^-1; зазор между барабаном и подбарабаньем (на выходе), мм. (табл. 1, табл.2)

В качестве критерия оптимизации приняли потери семян рапса (на выходе) за молотилкой.

Таблица 1

Уровни факторов и интервалы варьирования эксперимента

Таблица 2

Матрица двухфакторного эксперимента 2-го порядка Бокса-Бенкина

Потери во время исследований были разделены на качественные (сорные примеси, дробление), и количественные. Определение качественных потерь выполнялось в соответствии с требованием ГОСТ 10854-88, пробы брались в соответствии с ГОСТ 10852-86. Количественные потери определялись при помощи накладывания рамок. Рамки накладывались по три через равные расстояния на каждом проходе: длина рамки равна 3 м, ширина рамки при исследовании потерь семян равна величине захвата (для комбайна Sampo 500 равна 2,43 м).

По результатам эксперимента рассчитана математическая модель эксперимента и построена поверхность отклика (рис.1)

Рисунок 1 – Распределение суммарных потерь семян рапса (Y,%) в зависимости от частоты вращения барабана (Х₁), и зазора в подбарабанье (Х₂)

Математическая модель зависимости потерь семян рапса за молотилкой в кодовых обозначениях выглядит следующим образом:

R²=0,94

где Y – суммарные потери семян за молотилкой, %;

x₁ – частота вращения молотильного барабана, (-1≤x₁≤1);

x₂ – зазор между барабаном и подбарабаньем, (-1≤x₂≤1).

При минимальном зазоре между барабаном и подбарабаньем 3 мм и максимальной частоте вращения молотильного барабана 900 мин^-1, наблюдаются минимальные расчётные потери семян рапса Y=6,07%. При увеличении зазора до 7 мм, а также уменьшении частоты вращения барабана  до 700 мин^-1  расчётные потери семян возрастают до Y=17,19%.

Семена рапса высокой влажности невозможно сохранить без искусственной сушки. Поэтому вопросы исследования режимов сушки рапса высокой влажности имеют актуальное значение. В связи с этим нами была поставлена цель исследовать процесс сушки рапса в толстом слое [2].

Задачей исследований являлось изучение динамики продолжительности сушки семян рапса на лабораторной сушилке от толщины слоя и первоначальной влажности.

Программой исследований предусматривалось проведение экспериментов по общим и частным методикам. Исследования проводились на лабораторной сушилке, на базе ГНУ СЗНИИМЭСХ (рис.2).

Рисунок 2 - Схема лабораторной установки для сушки рапса (вид сбоку)

Экспериментальная установка (рис. 2) представляет собой сушильную камеру (5) в которую сверху засыпаются семена рапса. Подогретый воздух от калорифера (2) с помощью вентилятора (3) через воздуховод (4)  подается в сушильную камеру. Управление сушилкой осуществляется с помощью блока управления (1), скорость теплоносителя регулируется преобразователем частоты тока. Выгрузка семян производится подъемом одной стороны сушильной камеры подъемным устройством (6). Семена высыпаются через выгрузное окно (7) [3].

Высота высушиваемого слоя в сушилке составляла 45 см и была условно разделена на три зоны. Слой каждой зоны составляет 15 см.

Результаты экспериментов. Результаты наблюдений за скоростью движения теплоносителя с помощью термоанемометра ТКА-ПКМ 43 показали, что распределение средних величин скоростей теплоносителя по зонам высушиваемого слоя неодинаково. В результате исследования процесса сушки на экспериментальной сушилке получили кривые сушки и нагрева семян рапса по зонам А, В и С. (рис. 3).

Рисунок 3 - Изменение  влажности W и температуры T семян рапса по высоте слоя (время сушки t=5 ч.)

Анализ показал, что наиболее интенсивно сушка проходит в зоне А, где происходит быстрый влагосъем, при этом температура рапса достигает наибольших значений. Рапс в зоне В, в основном предварительно прогревается, наблюдается незначительное увеличение его влажности в начале сушки, происходит процесс отлежки с перераспределением влаги.

Температура нагрева семян в сушильной камере не превышала 35ºС.

Процесс сушки верхних слоев зерна можно разделить на два периода (рис.4).

 Рисунок 4 - Зависимость продолжительности сушки семян рапса по слоям при начальной влажности 27%.

В первый период зона С характеризуется значительным переувлажнением за счет влаги, испаренной теплоносителем из зоны А и В. Во втором периоде (после 2-х часов сушки см. рис. 4) влажность семян рапса вновь снижается. Количественная зависимость между начальной влажностью W_Н и временем сушки Т зоны А аппроксимировали полиномом второго порядка (R²=0,98):

Так, при влажности 22% время сушки слоя рапса толщиной 15 см до кондиционной влажности (8-12%) составит около 5 час.

Исследованиями установлено, что на экспозицию сушки семян рапса на лабораторной сушильной установке оказывает влияние высота загружаемого слоя рапса в сушилке. Наиболее рациональная высота высушиваемого слоя семян рапса, при начальной влажности 27%, составила 0,3 м. Верхние слои при данной высоте загрузки в основном предварительно прогреваются, наблюдается незначительное увеличение их влажности в начале сушки, происходит процесс отлежки рапса с перераспределением влаги.

Начальная влажность и режим сушки рапса оказывают значительное влияние на производительность и удельный расход энергии. Так при влажности семян рапса 22% и толщине слоя 0,45 м, производительность сушки снижается в 2,1 раза, а затраты электроэнергии (720кВт∙ч) на 1 тонну в 1,3 раза больше по сравнению с сушкой рапса толщиной слоя 0,3 м (550кВт∙ч).

Выводы:

1. Исследованиями установлено, что влажность семян рапса при уборке составляет 22-27% в условиях Севера – Западного региона.
2. Наиболее значимыми факторами, влияющими на уровень потерь семян рапса при его уборке зерноуборочным комбайном, являются параметры молотильного устройства такие как: частота вращения барабана и зазор между барабаном и подбарабаньем. Так для комбайна «Sampo 500» минимальные расчётные потери 6,07% наблюдаются при частоте вращения барабана 900 мин^-1 и зазоре в подбарабанье (на выходе) 3 мм.
3. Для сушки высоковлажных (27%) семян рапса температура нагрева  не должна превышать 35ºС, а продолжительность сушки 5-6 часов. Разработанная лабораторная установка позволяет регулировать температуру и скорость теплоносителя, и обеспечивает “мягкий” режим сушки семян рапса.

Рецензии:

17.02.2014, 19:12 Несмиянов Иван Алексеевич
Рецензия: Актуальность работы не вызывает сомнений. Статья построена логично, имеет постановку задачи, методику исследования, результаты, имеющие практическую значимость и выводы. Однако, по моему мнению, фраза в названии статьи "Математические модели..." заявлена слишком громко для двух регрессионных уравнений, приведённых в статье. В целом работа хорошая, значимая, имеет конкретные результаты. РЕКОМЕНДУЕТСЯ К ПУБЛИКАЦИИ.

18.02.2014, 22:03 Назарова Ольга Петровна
Рецензия: Очень смутно это напоминает ПФЕ: - мало представлено откликов, - странная матрица планирования (у нее стандартный вид) - дана закодированная модель, причем (похоже взята готовая модель пакета Statistica6), не рассмотрены критерии для ПФЭ, - нет раскодированной модели, - Не выполнена оптимизация. Не рекомендуется к печати. Не ответили на поставленные вопросы!