Результаты экспериментальных исследований процесса дражирования семян сахарной свеклы в центробежном дражираторе с использованием лопастного отражателя

Заключение

Подготовка к утилизации и сжигание НССВ с растворами ТМС и природным газом исключает их накопление, объемы утилизации которых могут достигать 10-15 % от количества сжигаемого топлива. Увеличение влагосодержания топлива до некоторых пределов повышает эффективность его сжигания и уменьшает выброс оксидов азота. Использование вторичного энергоресурса из НССВ и растворов ТМС уменьшает потребление первичного топлива (печного топлива или природного газа) на 3-5 %.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тельнов, Н. Ф. Очистка машин и вопросы экологии / Н.Ф. Тельнов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1996. - № 4. - С. 36.

2. Мажугин, Е. И. Центробежная очистка моющих растворов при ремонте сельскохозяйственной техники / Е.А. Мажугин, А.Л. Казаков, А.В. Пашкевич. - Горки : БГСХА, 2015. - 185 с.

3. Дронченко, В. А. Рециклинг жидких производственных отходов, содержащих нефтепродукты / В.А. Дронченко // Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии; под ред. А.И. Свириденка. - Ч. II. - Труды второй науч.-техн. конф. - Гродно,1997. - С. 308-311.

4. Barancucov, M. Methods for re-use of waste metalworking faculties at an engineering plant / M. Barancucov, V. Dronchenko // European and Nat^al dimension in research: Materials of junior researches' IV conf.: in 3 parts. - Part 3. Tecnology. - Novopolotsk, PSU, 2012. - P. 65-67.

5. Эмульсии / Под ред. Ф. Шермана. Пер с англ. под ред. А.А. Абрамзона / Химия, Л. - 1972. - 448 с.

6. Gopal, E.S.R. Rheology of Emulsions / E.S.R. Gopal // Oxford, 1963. - 130 p.

7. Иванов, В. П. Разрушение поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей при эмульгировании / В. П. Иванов, В. А. Дронченко // Вестник БрГТУ. - 2014. - № 4 (88): Машиностроение. - С. 38-42.

УДК 631.531.027.2

А. В. ЧЕРВЯКОВ, С. В. КУРЗЕНКОВ, Д. А. МИХЕЕВ

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ДРАЖИРОВАНИЯ СЕМЯН САХАРНОЙ СВЕКЛЫ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ДРАЖИРАТОРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛОПАСТНОГО ОТРАЖАТЕЛЯ

В статье приводятся результаты экспериментальных The article presents results of experimental research into the

исследований, влияния угловой скорости вращения днища influence of angular velocity of rotation of the bottom of the

камеры смешивания, коэффициента загрузки камеры сме- mixing chamber, the coefficient of mixing chamber load, the

шивания, числа лопастей в отражателе, высоты располо- number of blades in the reflector, the height of the paddle reflec-

жения лопастного отражателя, времени обработки семян, tor, time of seed treatment, the quality of pelleted seeds. We

на качество дражированных семян. Определены оптималь- have determined the optimum parameters and modes of opera-

ные параметры и режимы работы центробежного дра- tion of centrifugal granulator of sugar beet seeds with the use of

жиратора семян сахарной свеклы с использованием лопа- paddle reflector. стного отражателя.

Введение

Производство сахарной свеклы в Республики Беларусь является стратегическим направлением сельского хозяйства. Получение ее высоких урожаев возможно только при соблюдении системы взаимосвязанных мероприятий, включающей в себя: посев в оптимальные сроки высококачественными дражированными семенами, правильное размещение культуры в севообороте, своевременную и высококачественную предпосевную обработку почвы, строгое соблюдение норм высева, тщательный уход за посевами.

Основной нерешенной проблемой при возделывании сахарной свеклы в Республике Беларусь является то, что все дражированные семена производятся за границей и стоимость их весьма значительна. Для решения данной проблемы необходимо внедрение отечественной технологии дражиро-вания сахарной свеклы в рамках программы импортозамещения, что позволит в значительной степени снизить себестоимость конечной продукции, получаемой из сахарной свеклы.

Анализ источников

Для получения семенного драже используют различные методы. Наиболее широкое распространение на практике получил метод дражирования семян путем постепенного наслаивания оболочки [3]. Благодаря этому методу можно получить многослойную оболочку с различными по составу компонентами, а это несомненное преимущество по сравнения с другими способами. На современном этапе развития агрохимии можно рассчитать необходимое количество удобрений и микроэлементов по фазам развития растения и с этим учетом нанести на семена различные слои этих удобрений с пе-

риодом распада соответствующим потребности растения. Метод дражирования семян наслаиванием является универсальным и наиболее подходящим для обработки семян сахарной свеклы, поскольку по данному методу можно обрабатывать семена различных размеров и формы, а получать готовое семенное драже правильной формы требуемого объема и массы. Также необходимо отметить, что стоимость оборудования для получения драже методом наслаивания меньше, чем стоимость оборудования, основанная на других методах.

В УО БГСХА совместно с сотрудниками НПП «Белама плюс» (г. Орша) была разработана лабораторная установка центробежного дражиратора семян периодического действия с вращающимся дном и лопастным отражателем, которая позволяет использовать метод наслаивания оболочки. Данная конструкция и принцип ее работы рассмотрены в следующих источниках [5-8, 11]. На основании предложенной технологической схемы в УО БГСХА была изготовлена лабораторная установка, которая позволяла изучить влияние качества семенного драже от конструктивных и технологических параметров процесса, реализовать намеченную программу исследований и обеспечить варьирование факторов в установленных пределах.

Методы исследования

Для определения экспериментальной области факторного пространства, использовались результаты, которые были получены при проведении однофакторных поисковых экспериментов. Также учитывали то обстоятельство, что при решении задачи оптимизации необходимо выбирать для первой серии опытов такую область, при которой будет обеспечена возможность для шагового движения к оптимуму. Отсеивающие эксперименты выявили существенное влияние на процесс дражирования семян сахарной свеклы в предлагаемой установке факторов, приведенных в таблице 1.

Таблица 1. Границы варьирования факторного пространства эксперимента

Наименование фактора Обозначение Границы ва рьирования

Угловая скорость вращения днища камеры смешивания, с-1 15 30

Коэффициент загрузки камеры смешивания Х2 0,2 0,4

Количество лопастей в отражателе, шт. Хз 6 12

Высота расположения лопастного отражателя, м Х4 0 0,06

Время обработки семенного материала, с Х5 400 800

В качестве результирующего фактора при анализе экспериментальных исследований использовали долю качественных семян в пробе У (Вкс). Этот параметр является качественным показателем изучаемого процесса, так как характеризует отношение объема качественного продукта к общему объему компонентов порции на выходе из камеры смешивания дражиратора. Опыты проводили на лабораторной установке с диаметром корпуса камеры смешивания 0,515 м (выбор обусловлен из предположительной, рабочей производительности дражиратора), с фиксированными диаметром тарельчатого распылителя 0,2 м (параметр был зафиксирован на основании теоретических исследований, рассмотренный в работе [6, 7].

При фиксированных выбранных параметрах по схеме, повторяющей технологическую схему изучаемого процесса, семена в течение времени t (время проведения опыта в секундах) собирались, и поводилась оценка соотношения качественных семян в пробе согласно требованиям ГОСТ 10882-98, предъявляемым к дражированным семенам сахарной свеклы.

Основная задача проводимого эксперимента заключалась в подборе величин выбранных факторов так, чтобы они обеспечивали максимальное значение доли качественных семян в пробе.

Основная часть

В своих экспериментах при движении к оптимуму результирующего фактора использовали шаговый метод [1]. Первый этап этого метода подразумевает варьирование факторов (табл. 1) на двух уровнях (-1) - наименьшее значение фактора и (+1) - наибольшее значение фактора. Целью его является определение коэффициентов линейной зависимости доли качественных семян в пробе внутри определенного нами факторного пространства в закодированном виде. Именно эти параметры определяют направление движения от центра факторного пространства к оптимальным значениям для достижения наилучших показателей результирующего фактора.

Для этого был реализован полнофакторный эксперимент (ПФЭ) типа 25 с матрицей планирования X, имеющей 32 сочетания уровней факторов (число опытов Ы=25=32). Матрица ПФЭ в кодированном виде формировалась по принципу чередования знаков, согласно которому первый вектор-столбец состоял из единиц и отвечал за определение свободного члена линейной модели Ъ0, во втором - знаки менялись через один, в третьем - через два, в четвертом - через четыре, в пятом - через восемь. На

основании зафиксированных в ходе экспериментов усредненных значений результирующего фактора У, был реализован метод наименьших квадратов и получена следующая линейная зависимость:

У= 0,887+0,0139X1+0,0109X2 +0,0285Хэ + 0,0039X4 -0,0074X5.

Ее статистические оценки позволили сделать вывод, что включенные в модели факторы являются значимыми, хорошо объясняют изменения параметра оптимизации и между ними существует сильная связь. Однако сравнительная оценка расчетного и табличного критериев Фишера показала, что гипотезу об описании результатов экспериментов линейной моделью следует отвергнуть. Поэтому дальнейшие исследования были посвящены поиску новой модели более сложного вида для изучения и описания области оптимума. Несмотря на то, что линейная модель для рассматриваемого процесса оказалась неадекватной, на втором этапе оптимизации нами было проведено «движение по градиенту». На этом этапе мы предполагали, что при таком движении можно установить более благоприятные условия для проведения следующей стадии эксперимента. «Движение по градиенту» начинали из центра определенного плана (с нулевого уровня) и осуществляли путем пропорционального изменения факторов в зависимости от оценок координат вектора-градиента, в качестве которых выступали соответствующие коэффициенты линейной модели в кодированном виде. Тем самым получали условия мысленных экспериментов. Шаг движения АХ, по каждому фактору в натуральных единицах определяли согласно [2] и корректировали до удобных для проведения эксперимента величин АХ', Движение продолжали до получения наилучшего значения результирующего фактора, или до достижения границ по каждому из факторов. При движении фактор, достигший одной из границ области факторного пространства, фиксировался на этой границе, а движение по другим факторам продолжалось. Незначимые факторы при движении по градиенту фиксировались на нулевом уровне. Результаты движения по градиенту для результирующего фактора показаны в табл. 2.

Таблица 2. Результаты движение по градиенту

Факторы Х1 Х2 Х3 Х4 Х5 У Примечание

0- уровень 22,5 0,3 9 0,03 600 шп| Ь!-1=0,001, т.е. ¿б/б=0,001, Ьб=0,0109, апр=1/0,0109= =91,7

Ъ 7,5 0,1 3 0,03 200

Ь- 0,0139 0,0109 0,0285 0,0039 -0,0074

ад 0,104 0,001 0,086 0,0012 -1,488

Расчетный шаг АХ,- 9,5 0,1 7,8 0,009 -137

Скорректированный шаг АХ 1 5 0,1 3 0,01 -120

Движение по градиенту

Движение к оптимуму 1 22,5 0,3 9 0,03 600 0,92 точка, близкая к оптимуму

2 27,5 0,4 12 0,04 480 0,98

3 30 0,4 12 0,05 400 0,95

4 30 0,4 12 0,06 400 0,93

Эти исследования позволили установить точки, близкие к оптимуму, и сузить границы варьирования факторов до следующих пределов: Х\&[22,5-, 30], Х2е[0,3; 0,4], Х3е[9; 12], Х4е [0,03; 0,06], Х5е [400; 600]. На третьем этапе оптимизации изучаемого процесса для более точного определения оптимума необходимо детальное изучение поверхности отклика во вновь определенных границах варьирования факторов. В машиностроении для этих целей используются полиномы второй степени [2]. Планы, которые позволяют найти такие полиномы, называются планами второго порядка. В них факторы варьируют, по крайней мере, на трех уровнях. В качестве нулевого уровня в расчетах принимали середины определенных выше интервалов: Х10=26,25, Х20=0,35, Х30=10, Х40=0,045, Х50=500. Для описания области оптимума в своих экспериментах мы использовали В5-оптимальные планы [2], обеспечивающие максимально возможную точность предсказаний при числе факторов более трех. Матрица планирования такого эксперимента при числе факторов, равном 5, состояла из ядра ПФЭ -32 сочетания уровня варьирования факторов и 10 звездных точек на уровнях новых границ. По полученным опытным данным производили расчет коэффициентов регрессии по формуле (1). В качестве матрицы X использовали расширенную матрицу вида:

X =

2 Л

X

X

1121

4151

51

X

X

Т Т

42 52

2

52

1

X

X

Т Т

Л1 42 2 42

Т Т

4 42 5 42

1 42

5 42

В результате последовательного исключения из модели незначимых факторов при соответствующих значениях параметра оптимизации У (табл. 3), на основании метода наименьших квадратов была получена следующая зависимость:

У= - 0,754 + 0,04428Х] + 3,023Х2 + 0,1037Х3+1,2269Х4 -0,053ХХ4+0,00091ХХ5 - 0,1324Х3Х4+ +0,00273ХХ5 - 0,00077Х]2 - 4,75^^г2 - 0,004466Х32 - 0,00000044Х52.

Таблица 3. Значения результирующего фактора

№п.п. Y №п.п. Y №п.п. Y №п.п. Y №п.п. Y №п.п. Y

1 0,971 8 0,934 15 0,94 22 0,945 29 0,96 36 0,97

2 0,968 9 0,981 16 0,92 23 0,94 30 0,945 37 0,987

3 0,947 10 0,967 17 0,954 24 0,936 31 0,958 38 0,973

4 0,943 11 0,956 18 0,952 25 0,978 32 0,94 39 0,984

5 0,967 12 0,942 19 0,942 26 0,962 33 0,98 40 0,99

6 0,96 13 0,963 20 0,944 27 0,97 34 0,972 41 0,982

7 0,942 14 0,945 21 0,948 28 0,96 35 0,98 42 0,98

Анализ этой зависимости производился на основании статистических характеристик: коэффициентов множественной корреляции и детерминации, критериев Стьюдента и Фишера. Он показал, что при уровне значимости а =0,05 и числах степеней свободы dfi=\2 и df2=29 включенные в модель факторы и их взаимодействия являются значимыми, хорошо объясняют изменения параметра оптимизации и образуют сильные связи. Сравнение расчетного критерия Фишера с табличным позволило сделать вывод, что полученный высокий показатель коэффициента детерминации (К2=0,989) является не случайным. Это означает, что полученная математическая модель адекватно описывает зависимость доли качественных семян в пробе от изменения рассматриваемого факторного пространства и может быть использована для моделирования процесса дражирования в установках предлагаемого типа. Погрешность вычислений при реализации данной модели в выбранном диапазоне варьирования факторов не превысит 5 %. Следующий этап методики планирования эксперимента сводился к определению наиболее рациональных параметров процесса дражирования и изучению поверхности отклика в их окрестности. Изучение поверхности отклика проводили методом двумерных сечений [2]. Нахождение оптимальных параметров изучаемого процесса сводили к решению задачи математического программирования:

- с целевой функцией:

DK.C = - 0,754 + 0,04428&> + 3,023v+ 0,1037 кот +1,2269Яот- 0,053«ЯОТ + 0,00091 vto6 -

- 0,1324 tcm-Hm +0,00273 Hm-to6 - 0,00077со2 - 4,751 v2 - 0,004466 кт2 - 0,00000044 fo62H> max;

- ограничениями:

22,5 < to <30; 0,3 <v< 0,4;

9 <кот< 12, кот = целое', 0,03 <#„ < 0,06;

400 <Гоб < 600,Гоб

: целое.

Решение оптимизационной задачи (2-3) производилось в Microsoft Excel с помощью надстройки «Поиск решения». Ее оформление в Microsoft Excel и результаты решения показаны на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Оформление параметров надстройки «Поиск решения»

Глмм Встаю Рвиетга сгмнил оорцш Раднзнронти Вид

^Копирами.' •л".' =

Вшеш Ж « ч  и - А---- месит. в центре % и Я

*нгнв а Шрифт Ъои г.

<22 £ ^¿нн'пшгазчсга^'ргмгаа'г+сгв^гчн^^

А в С 0 Е Г с

16 Поиск оптимального решения

Обозначения Н ОТ

17 СО V

параметров

Значения

18 параметров 27,59 0,35 12 0,03 472

19 Ннжняя гранила 22,5 0,3 9 0,03 400

20 Верхняя гранила 30 0,4 12 0,06 600

22 Целевая функпия 0,9951

Рис. 2. Результаты решение оптимизационной задачи

Заключение

В результате реализации программы планирования экспериментальных исследований получена адекватная математическая модель, описывающая изменение доли качественных семян в пробе от исследуемых конструктивных и технологических параметров процесса дражирования сахарной свеклы для оборудования предлагаемого типа. Установлено, что рациональные границы исследуемых параметров варьируют в следующих пределах: угловая скорость вращения днища камеры смешивания ю от 22,5 до 30 с"1; коэффициент загрузки камеры смешивания V от 30 до 40 %; количество лопастей отражателя кот от 9 до12 шт.; высота расположения лопастного отражателя Нот от 0,03 до 0,06 м и время обработки семенного материала ¿об от 400 до 600 с. Дражирование семян сахарной свеклы в центробежных камерах с лопастным отражателем предлагаемого типа производится в оптимальном режиме при ю=27,59 с"1, 1=36 %, кот= 12, Нот=0,03 м, ^об=472 с.

Полученные результаты могут служить для анализа и моделирования качественной оценки процесса дражирования в установках предлагаемого типа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мельников, С. В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С. В. Мельников, В. Р. Алешкин, П. М. Рощин. - Л.: Колос, 1976. - 168 с.

2. Митков, А. Л. Статистические методы в сельхозмашиностроении / А. Л. Митков, С. В. Кардашевский. - М., 1978. - 360 с.

3. Михеев, Д. А. Способы дражирования семян / Д. А. Михеев // Молодежь и инновации. - Горки, 2013. - С. 19-21.

4. Мухин, В. Д. Дражирование семян сельскохозяйственных культур / В. Д. Мухин. - М.: Колос, 1971. - 95 с.

5. Устройство для дражирования семян: пат.9732 Респ. Беларусь. МПК А 01С1/06 / Д. А. Михеев, С. В. Курзенков, А. В. Червяков; заявитель Белорус. гос. с-х. академия. - № и 20130198; заявл. 01.03.2013; опубл. 30.12.2013 // Афщыйны бюл. / Нац. Центр штэлектуал. уласнасщ. - 2013. - № 6. - С. 145.

6. Червяков, А. В. Динамика движения капли связующей жидкости при ее отрыве с дискового распылителя в камере смешивания дражиратора/А.В. Червяков, С.В. Курзенков, Д.А. Михеев // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - 2013. - № 1. - С. 120-124.

7. Червяков, А. В. Динамика движения семенного материала по неподвижной цилиндрической части камеры дра-жиратора / А. В. Червяков, С. В. Курзенков, Д. А. Михеев // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. - № 4. - С. 123-128.

8. Червяков, А. В. Изучение динамики движения семенного материала по вращающейся конической части камеры дражиратора /А. В. Червяков, С. В. Курзенков, Д. А. Михеев // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. - № 2. - С. 131-137.

9. Червяков, А. В. Математические модели движения семенного материала по лопастному отражателю рабочей камеры дражиратора / А. В. Червяков, С. В. Курзенков, Д. А. Михеев // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - 2013. - № 1. - С. 131-136.

10. Червяков, А. В. Обоснование границ варьирования конусности и угловой скорости вращения днища камеры дра-жиратора / А. В. Червяков, С. В. Курзенков, Д. А. Михеев // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - 2014. - № 2. - С. 207-210.

11. Червяков, А. В. Теоретические исследования движения семян по поверхности камеры смешивания центробежного дражиратора / А. В. Червяков, С. В. Курзенков, Д. А. Михеев // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - 2011. - № 1. - С. 146-153.