Отбор семян. Мифы и реальность (машины типа «САД», «Алмаз» и т.п.).

19.07.11

Уважаемый читатель, надеюсь, ты согласишься со мной в том, что сегодняшняя динамика изменения нашей жизни уже не вмещается в установившееся понятие «технический прогресс».

Миллионы лет человек кормился охотой, рыбалкой и собирательством. Десять тысяч лет назад он начал обрабатывать землю и занялся скотоводством. Триста лет назад он создал первую. Всего шестьдесят лет назад человек изобрел ЭВМ, помогающую ему в умственной работе. Сегодня «думающие» роботы-манипуляторы на порядок быстрее и точнее выполняют работу суперквалифицированного рабочего. Путь от принятия нового технического решения до его воплощения сократился в десятки, а то и в сотни раз. И все это произошло на отрезке времени менее жизни двух поколений.

Пройдет очень немного времени и конвейерные, поточные технологии ворвутся в сельское хозяйство. Да этот процесс уже идет.

Современные технологии по производству мяса птицы, яйца, свинины, говядины и молока – практически конвейерные. Новые технологии обработки земли, точное земледелие, технологии управления урожайностью – это уже наше сегодня.

Мы с вами не сторонние наблюдатели смены экономических формаций, а те, через судьбы которых проходит эта смена.

История жестоко обошлась с советским человеком. Сформировавшийся в условиях плановой экономики, размеренной, абсолютно прогнозируемой жизни как собственной, так и жизни своих детей, десятилетиями работающий на одном предприятии с отделами поставок и сбыта (заметьте, не закупок и продаже, а поставок и сбыта) он оказался сброшенным с этого конвейера в абсолютно чуждый ему мир беспощадной конкуренции, мир безжалостный к слабому, мир в котором расхожий лозунг «спасайся, как можешь» относится не к природной катастрофе, а к самой стремительно меняющейся жизни.

К огромному сожалению не нашлось мудрого кормчего способного на, возможно единственно верный, маневр (если он, вообще существовал, с учетом нашей ментальности) что бы смягчить разрушающий удар перемен.

Но этот ураган сколь разрушительный столь и обновляющий.

Если говорить о пресловутом «свете в конце туннеля» то это наша земля и толковое не ней хозяйствование. Именно такое убеждение является мотивом моих действий в течение последних пятнадцати лет.

Неизвестно с каких времен, но можно предположить, что с очень давних, человек, занимаясь земледелием, замечал, что тяжелые семена дают больший урожай.

Так распорядилась природа. Генетическая установка на обязательное самовоспроизведение сформировала у растений в процессе длительной эволюции избирательный механизм питания семян. Растения в полной мере и прежде остальных формируют определенную группу семян. Эти семена раньше зацветают, раньше биологически вызревают, легче обмолачиваются. У зерновых это середина колоса, у метельчатых – конец метелки, у подсолнечника – периферия корзинки, у бобовых – нижние стручки с зернами. Именно эти семена имеют повышенные семенные качества (высокую силу роста семян, большую массу всходов, на 25 – 30% выше озернённость колоса и, соответственно, в той же мере дают большую урожайность). Такое свойство растений известно давно. Еще в 30-ые довоенные годы были попытки отобрать легко обмолачиваемые зерна середины колоса на стадии уборки комбайнами. Позднее, поиски отличительных признаков таких семян привели к заключению – самые репродуктивные семена имеют большую плотность. В 50-ые годы профессор Майсурян Н.А. в солевых растворах отбирал самые тяжелые семена и получал прибавку к урожаю 15…20% по сравнению с контролем.

Позднее было установлено, что зерна середины колоса имеют иной тип зародыша и наиболее устойчивы к неблагоприятным погодным условиям и способны давать максимальную урожайность.

Рис. 1. Зависимость посевных свойств семян от их плотности (фактуры).
В 2008 году в Московской области в Ильдигино нами бал проведен следующий эксперимент. Были взяты готовые к севу семена ячменя (сорт «Московский 2») урожая 2007 г (репродукция 1, класс 1) и после их калибровки было получено следующее распределение по размерам и массам тысячи семян (рис. 1).

Выровненные по размеру семена внешне абсолютно не отличающиеся, но будучи разделенными по плотности, дали существенно различные характеристики посевных свойств.

Энергия прорастания и всхожесть по данным семенной инспекции у тяжелого зерна оказалась выше на 6-7%. Последующие полевые испытания показали явные преимущества тяжелых семян в рамках одной и той же фракции по размеру.

Как отделить тяжелые семена от лёгких. Классическая машина для такого разделения – пневмовибростол. Но, в последнее время на рынке зерноочистительных машин начали появляться машины использующие принцип взаимодействия сносящего потока воздуха с падающим зерном. Н а Украине это «САД», «АЛМАЗ», в России «ПСМ».

Работая на одной из таких машин, я предложил важному агрочиновнику заглянуть внутрь нее через канал, из которого воздух выносил легковитаемый сор. Чиновник с трудом забрался на подставленные мной мешки с зерном, и вытянувшись просунул голову внутрь, и с обидным возмущением в интонации заявил: «Так там же ни… нет!». Я сказал, что пока нет, но если включить вентилятор, то появится ветер. «Так это что?» - возмутился чиновник – «Ветер в чемодане и вся машина?!»

Да, именно так. Как только человек, много тысяч лет назад понял, что можно, перекидывая зерно из одного бурта в другой и используя направление ветра очищать зерно от легкого сора – неизменно делал это, а вот машины, управляющие этим процессом, появились не так давно. К слову сказать, приставка «аэро-» к таким машинам не может быть отнесена, ибо аэродинамика – это взаимодействие твердого тела со свободным потоком воздуха, т.е. потоком, ограниченном стенками (аэродинамика крыла самолета, ракеты, и.т.д.), а все, что происходит с потоком воздуха в каналах – это газодинамика. Если сказать строже, то процесс взаимодействия сносящего потока с падающими твердыми частицами (зерном) – классический случай в газодинамике двухфазных потоков, Науке широко и глубоко развитой и преподаваемой в каждом авиационном вузе.

Рис. 2. Схема взаимодействия потока воздуха с разными по размеру частицами равной плотности.
Итак, рассмотрим взаимодействие сносящего потока воздуха на падающее зерно в объеме ограниченном стенками.

1. Если ставится задача разделить зерно по плотности (удельному весу, фактуре) то абсолютно необходимо зерно перед этим выровнять по размерам, т.е. откалибровать. Иначе мы имеем две переменные: парусность и плотность. А для строгого разделения нам нужна только одна переменная. Не углубляясь в теорию пограничных слоев, поясню: целое зерно в сносящем потоке воздуха, скорость которого чуть меньше скорости витания зерна, будет падать по траектории обусловленной сносящим воздействием потока и притяжением Земли. А теперь размелем в ступке это зерно до муки (массу-то и плотность мы не изменим) подадим ее в тот же поток – где оно окажется!? (рис. 2).

Итак, при одинаковой плотности зерна мелкое летит дальше, а это значит, что строгое разделение по плотности возможно только с откалиброванным по размеру материалом.

2

Рис. 3. Схема взаимодействия воздушного потока с семенами сложной формы.
. Кроме того, такие машины, хорошо разделяют семена простой формы. Семена сложной формы - строго разделить в сносящем потоке не возможно. Так, например, семена подсолнечника по закону случайных событий могут попасть в поток в трех разных положениях: «а», «б», «в» (рис. 3).

В каждом из вариантов мы получим три разные траектории движения семян.

Конечно, при длительном воздействии потока семечко займет положение «в», но где взять это время, машина - то для этого мала.

3. Сносящей поток воздуха, должен иметь равномерную структуру, как по параметрам турбулентности (масштаб и интенсивность) итак и по эпюре скорости. При смешении струй (что и происходит в машинах типа «АЛМАЗ» и «САД) такую равномерность получить просто невозможно.

Даже если предположить равенство параметров в исходном сечении струй, то картина их смешения только по эпюре скорости выглядит так (рис. 4).

А если ещё наложить на эту неравномерность вихревую структуру, это понятно, что никакого равномерного воздействия на зерно в такой камере смешения струй воздуха получить невозможно.

4

Рис. 4. Схема смешения струй воздуха при равных начальных скоростях.
. В рекламе указанных выше машин утверждается, что зерно в них за один проход теряет влажность на 2%. То есть два прохода и зерно сухое?!! Если бы это было так, то как бы облегченно вздохнуло агрочеловечество. Даже если бы эти машины делать из чистого золота, то при такой возможности сушить зерно они бы окупались многократно. Так просто зерно влагу не отдает.

Время падения зерна, в таких машинах от момента встречи его со сносящим потоком воздуха до попадания в приемный бункер составляет около одной секунды (0, 8…1, 2 сек.). Понятно, что за одну секунду никакой сушки зерна произойти не может по двум причинам:

  • фазовый переход (нагрев и испарение воды) требует большой энергии, кстати, само испарение требует энергии в пятьдесят раз больше, чем нагрев;
  • влаговыравнивание в зерне протекает очень медленно – для зерна злаковых более часа, а в зернах кукурузы и подсолнечника 3 – 4 часа.

Понимая все сложности стоящей задачи, мы разработали машину, максимально отвечающую указанным требованиям (кроме сушки).

Струйный сепаратор (ССФ-1) работает следующим образом:

Рис. 5. Схема работы струйного сепаратора ССФ-1 в линии по производству семян.
Два варианта работы по функциональному назначению:

Ι. Вариант работы с чистым откалиброванным зерном (работа в семенной линии).

Поток воздуха замкнутый (рис. 5). Вентилятор (1) подает воздух в каналы подвода к ресиверу (2) перед входом в рабочую камеру (3). В ресивере скорость воздуха снижается для выравнивания его параметров перед рабочей камерой. Между ресивером и рабочей камерой установлен хонейкомб (4), в котором происходит переформирование масштабов турбулентности из случайных и разных в ресивере в строго упорядоченные на входе в рабочую камеру. Переформирование происходит в пяти тысячах одинаковых каналов прямоугольного сечения, длина которых равна 15 калибрам, как и требуется для полного выравнивания потока (рис. 6).

Рис. 6. Схема движения воздуха, имеющего вихревую структуру через хонейкомб.
Таким образом, выровненный потенциальный поток воздуха поступает в рабочую камеру. В него подается ровным слоем зерно, равномерно распределённое по ширине рабочей камеры за счет шлюзового затвора (5), равного ширине камеры.

Сносящий поток воздуха, воздействуя на зерно, сносит его по ходу своего движения. Поскольку зерно откалибровано по размеру, то силовое взаимодействие зёрен с потоком одинаковое.

Рис. 7. Схема работы устройства по отбору частиц из потока воздуха.
Различие траекторий падения зерен обусловлены только разницей в плотности, за счёт чего они и распределяются по пяти приёмным бункерам соответствующим образом. Наиболее легковесные зерна отражаются специальным устройством (рис. 7) в пятый по счету от начала бункер и не попадают во входной канал вентилятора.

Изоляция рабочей камеры от внешней среды обеспечивается шлюзовыми затворами на входе зерна и на выходе из бункеров (8), что позволяет обеспечить строгую регулировку режимов, полностью исключить засоряемость рабочего места, запыленность воздуха и удаление теплого воздуха из помещения при работе зимой, кроме этого, не требует заполнения зерном приемного бункера (6).

Регулирование режимов работы машины осуществляется за счет:

  • изменения скорости потока путем регулирования частоты оборотов вентилятора частотным преобразователем, что, кроме точности регулирования, снижает потребление энергии;
  • регулирования высоты активной струи воздуха путем перемещения перфорированной заслонки (9) перед хонейкомбом;
  • ? изменения проницаемости перфорированной заслонки, обеспечивая при этом необходимый спутный поток активной струе для исключения вихреобразования и для сопровождения траектории движения падающего зерна;
  • ? изменения положения поворотных заслонок (10) с целью требуемого распределения зерна по бункерам.

Рис. 8. Схема работы струйного сепаратора ССФ-1 в режиме очистки засоренного зерна.
В этом варианте машина работает в режиме замкнутого цикла – без обмена воздухом с окружающей средой.

ΙΙ. Вариант работы с засоренным разнокалиберным зерном, требующим предварительной очистки.

При этом замкнутая система циркуляции воздуха раскрывается (рис. 8) за счет снятия передней стенки ресивера и установки канала выхода воздуха из вентилятора. Воздух при этом засасывается в рабочую камеру через хонейкомб из окружающей среды, распределяет зерно по приемным бункерам и выходит из вентилятора в окружающую среду.

Рис. 9. Патенты Украины и России.
Все перечисленные выше регулировки работают без изменений в обоих вариантах.

Благодаря упорядоченной структуре потока в рабочей камере и возможности глубокого регулирования, удалось получить высокое качество распределения зерна по плотности при работе по первому варианту и высокоэффективную его очистку при работе во втором варианте. По сути ССФ-1 это машина второго поколения в своем классе, т.е. в классе машин, разделяющих семена по плотности, при их падении в сносящем потоке воздуха. Но далее выровненный управляемый сносящий поток воздуха за 1 секунду падения зерна в нем строго разделения по плотности выполнить не может, особенно с семенами сложной формы. Это лишний раз подтверждает, что ничего лучшего, чем пневмовибростол в арсенале машин по выделению высокопродуктивных семян пока нет.

Именно принципу работы пневмовибростола и будет посвящена следующая статья.

С уважением,
к.т.н., доцент
Фадеев Л.В.

Скачать статью "Отбор семян. Мифы и реальность (машины типа «САД», «Алмаз» и т.п.)." в формате pdf.