Калибровка - основа подготовки отборных семян.

05.07.11

Уважаемый читатель, я отношусь к поколению, которое не только застало, но и сформировалось в условиях плановой экономики. Как было – убрали зерно, как-то почистили на ЗАВе, ссыпали в ЗИЛок, растянули транспарант «Хлеб в закрома Родины» и на элеватор. Это было в другой жизни. Сегодня – рынок. Это другой мир. Мир беспощадной конкуренции, безжалостный к слабому, новый для нас мир, и надо учиться жить в нем.

На зерновом рынке своя динамика изменения цен. Хорошо, если можешь выждать с продажей, дождаться хорошей цены, но при этом обязательное условие – зерно не должно терять качества. Травмированное зерно плохо хранится. Итак, снова о травмировании.

Грибная флора семян состоит, в основном, из полевых грибов (первоначальной грибной флоры) и плесеней хранения, появляющихся в процессе уборки и хранения. Грибы, находящиеся на растении в процессе формирования и созревания попадают во время уборки и транспортировки на оболочку зерен.

Целые зерна покрыты твердой и плотной оболочкой – мертвыми клетками эпидермиса и тонким слоем кутикулы, которые состоят, главным образом из клетчатки и восковых веществ и, как правило, не подвергаются воздействию микроорганизмов.

Плесни хранения опасны тем, что они наименее требовательны к влаге и размножаются при равновесной влажности 13-15 % и температуре до 60С. Понятно, что травмированное зерно является при этом средой активной жизнедеятельности микроорганизмов, поскольку повреждение защитных оболочек зерна открывает доступ микроорганизмам к питанию и, естественно, к размножению.

Наиболее уязвимым местом для поражения плесневыми грибами, способными значительно снизить семенную ценность зерна, является зародыш. Преимущественное развитие грибов на зародыше объясняется его большей по сравнению с другими частями зерна гигроскопичностью, меньшей защищенностью – он покрыт легко травмируемой семенной оболочкой, состоящей из тонкой пленки клетчатки, и обеспечен в большем количестве легкоусвояемыми веществами (белки, жиры, углеводы и др.).

Рассмотрим влияние травмирования зерна на поражаемость его микроорганизмами и снижение жизнедеятельности растений для семян пшеницы.

Интересно отметить, что при очень высоких показателях по лабораторной всхожести степень поражения грибами у травмированных семян в 3 раза выше, чем у целых (рис. 1).

Рис. 1. Лабораторная всхожесть семян в зависимости от характера травмирования и поражения грибами (С.А. Чазов) [1].
Рис. 2. Рост количества микроорганизмов на целых и битых зернах пшеницы при хранении (влажность 17,6 %; t=220С) [1].

Поражение травмированных семян грибами еще более резко обнаруживается при определении силы начального роста. Гистохимическая оценка проростков показала, что макроповреждения эндосперма и зародыша ведут к частичной потере запасных веществ: белка, аминокислот, крахмала, сахара и жира. Изменяется и содержание физиологических веществ. Таким образом, ущербность травмированных семян обусловлена нарушением физиологических процессов протекающих при прорастании.

Понятно, что качество зерна при хранении во многом зависит от доли травмированных семян. Особенно это значимо при повышенной влажности (рис. 2.). Приведенный выше график показывает, что природа позаботилась о сохранности целых семян даже в неблагоприятных условиях.

В предыдущих статьях мы рассмотрели агрессивность норий и сит (решет) традиционного исполнения и показали варианты решения проблемы за счет новых подходов.

В этой статье рассмотрим зерноочищающие машины.

Зерно травмируется при обработке на механизированной очистке. Так при обработке пшеницы на зернотоке установлено, что зерно пшеницы травмируется в такой же степени как при уборке комбайном. Если исходное зерно перед очисткой составляло 15% травмированного, то после зернотока – 30%. Это с учетом того, что дробленые отошли при калибровке, и зерно через ЗАВ было пропущено один раз [1].

Новые машины, кроме всего прочего, травмируют семена из-за наличия острых кромок, заусенец, а старые из-за увеличенных зазоров между шнеками и кожухами, из-за деформации каналов.

При послеуборочной подработке зерна необходимо избегать лишних пропусков через машины. С.А. Чазов отмечает, что за один пропуск через очистительную семенную машину травмирование пшеницы возросло на 2-3%. Наиболее сильно повреждают семена машины, имеющие триер. Н. Морозов указывает, что за один пропуск на «Петкус Гигант» травмируется до 10% зерна [1].

Так сложилось, что, практически, все машины по зерноочистке называют сепараторами. В переводе с английского сепарация – это разделение (сепаратор подшипника разделил один шарик от другого и не даёт им сбегаться вместе). Если машины функционально выполняют разные задачи (отделение легковитаемого сора от зерна, удаление мелкого, тяжёлого, абразивного сора, очистка от разных зерновых примесей, разделение зерна по размерам, по плотности и т.д.) называть одним словом сепараторы, то не понятно, какую конкретно операцию выполняет данная машина.

Если по смыслу, то аспираторы – машины для отделения легковитаемого сора, калибраторы – машины для разделения зерна по геометрической форме, и размерам, сепараторы – машины для разделения зерна по плотности (фактуре).

Рис.3. Схема рассева при круговом колебании сит (решет)
Рассмотрим схемы широко применяемых машин для рассева зерна с целью разделения его по размерами, удалению из него сора, т.е. калибраторов. Основным узлом таких машин является рассев. Существует несколько вариантов привода рассева в колебательное движение. Проведем сравнение схем разных рассевов.

1. Маятниковый рассев (рис. 3). Рассев на мягких связях с рамой, колеблется за счет вращения дебалансирующего груза (машины типа БСХ, БИС, ТАЗ, и т.д.). Преимущества: простота конструкции; низкое энергопотребление (за счет мягкой связи с рамой); бесшумность работы, щадящее взаимодействие с зерном за счет очистки сит резиновыми шариками.

Недостатки: отсутствие регулировок (изменение угла наклона рассева ухудшает равномерность очистки сит шариками); параллельное движение зерна на ситах (зерно с верхнего сита по ходу движения зерна перегружает нижнее подсевное сито, что заставляет снижать производительность, либо мириться с недоочисткой); большие габариты (амплитуда требует связей определенной длины, и необходим наклон рассева для поступательного движения зерна по нему); зерно на рассеве пассивно и его движение обусловлено только силами трения, гравитационным полем и углом наклона рассева к горизонту; никогда четыре связи не могут иметь равную нагрузку на растяжение, одна всегда недогружена.

Рис. 4а. Схема рассева на вертикальных жестких торсионах (пластинчатых пружинах) а) параллельное движение зерна на ситах
Рис. 4б. Схема рассева на вертикальных жестких торсионах (пластинчатых пружинах) б) последовательное движение зерна на ситах

2. Рассев на жестких вертикально расположенных торсионах (пластинчатых пружинах) выполняется в двух вариантах. В первом (рис. 4а) зерно, проходящее через верхнее сито попадает на нижнее (подсевное), а во втором (рис. 4б) варианте зерно по ходу движения «опрашивает» все сита рассева последовательно.

а) Параллельное движение зерна на ситах (машины типа Петкус, Кимбрия, СМ и т.п.).

Преимущества: управляемость частотами колебаний; малые габариты; при шариковой очистке щадящее взаимодействие сита с зерном.

Недостатки: низкая эффективность рассева; подсевное сито сдерживает производительность; шум, особенно при появлении зазоров в системе привода; сложная кинематика; высокое энергопотребление (низкий КПД) – половина усилий привода в качестве реакции тратится на деформацию рамы и ее знакопеременные колебания; высокие нагрузки на раму требуют выполнения ее прочной, а значит массивной и тяжелой; зерно на рассевах пассивно – нет колебаний под углом к вектору гравитационного поля, чрезвычайно травмирующая при щеточной и скребковой очистки сит; узкий диапазон регулирования.

б) Последовательное движение зерна на ситах.

Преимущества: высокая эффективность работы рассева; управляемость частотами колебаний;

Недостатки: большие габариты (сита требуют наклона в разные стороны), (остальные недостатки те - же, что и в случае а), за исключением эффективности работы.

Рис. 5. Схема рассева на жестких торсионах (пластинчатых пружинах) при колебании сит под углом к вектору гравитационного поля
3. Рассев на жёстких торсионах под углом к вектору гравитационного поля (рис.5).

Преимущества: активное взаимодействие с зерном; управляемость частотами колебаний; меньшие габариты машины из-за горизонтального размещения рассевов; последовательное движение зерна на ситах рассева; при шариковой очистке сит щадящее взаимодействие с зерном.

Недостатки: высокий уровень шума (зазоры в системе привода); высокое энергопотребление; возможность резонансных режимов; большая масса рамы (требует высокой жесткости); узкий диапазон регулирования.

Рис. 6б. Рассевы барабанного типа - вертикальная ось вращения
4. Рассевы барабанного типа

а) Горизонтальная ось вращения (рис. 6а) (машины типа КБС, Луч, ЗСО и т.п.).

Преимущества: простота конструкции; бесшумность работы; возможность работы с влажным зерном.

Недостатки: низкая эффективность работы из-за отсутствия очистки сита в нижней части, и малой доли сита взаимодействующей с зерном; высокая травмированность зерна; узкий диапазон регулирования.

б) Вертикальная ось вращения (машины типа БЦС, Риела и т.п.) (рис. 6б).

Преимущества: высокая производительность из-за активного взаимодействия сита с зерном и из-за, практически, полной занятости зерном поверхности рассева.

Недостатки: агрессивное воздействие на зерно (первый удар вращающегося сита по зерну со скоростью около 4 м/с и второй удар о кожух после вылета зерна из барабана); отсутствие регулировок режима роботы; отсутствие возможности наблюдать рабочий процесс; сложность конструкции; мертвая зона в верхней части барабана до попадания зерна на него.

Рис. 6а. Рассевы барабанного типа - горизонтальная ось вращения,
Анализ работы всех вышеперечисленных рассевов выполнен нами на основе того опыта, который мы получили изготовляя и эксплуатируя все (кроме БЦС) рассевы в конструкциях выпускаемых нами очищающее-калибрующих машин.

Именно присущие им недостатки заставляли продолжить разработку вариантов с целью создания очищающее-калибрующих машин без недостатков, и это нам почти что (ох уж это почти что!) удалось.

Строгая калибровка – это обязательное условие точного земледелия. По сути, точное земледелие – это технологическая революция в сельском хозяйстве. В промышленности такая революция произошла в 70-х – 80-х годах прошлого века при переходе на станки и машины с числовым программным управлением.

Рассмотрим один фрагмент технологий точного земледелия – норму высева.

Выписка из технологической карты:

Озимая пшеница сорт «Варвик» Норма высева 159, 5 кг/га.

Яровая пшеница сорт «Хофман» Норма высева 169, 4 кг/га.

Заметьте, какая точность!

А если взять количество семян на гектар (что и является определяющим в агротехнологии), то при рассеве на щелевых ситах от 2, 6 до 3, 2 количество растений на гектар в указанных выше нормах высева будет колебаться от 3, 5 млн. до 4, 8 млн. шт/га (т.е. разница 35 %), вот и вся точность.

Это при том, что калибровка технологией производства семян (кроме подсолнечника и кукурузы) не предусмотрена.

Да без нее просто не возможно соблюсти посевную норму требуемой точности. Кроме того, любой пневмовибростол, любая машина, претендующая на разделение семян по плотности, не может качественно работать с не выровненным по размеру материалом по той простой и очевидной причине, что неодинаковые по размеру (даже при схожей форме) зерна имеют разные по площади пограничные слои и, соответственно, разные условия взаимодействия с воздушным потоком. Плюс ко всему, строгая калибровка существенно облегчает работу сеялки, обеспечивает ровные, одновременные всходы, повышает равномерность развития растений, созревания и готовности к уборке.

Я уже не говорю о бизнесе по теме «крупноплодный подсолнечник», где отличие в диапазоне калибра от 3, 6 и выше не должно превышать 0, 1–0, 2 мм. Вот оно требование рынка, куда там ГОСТу.

Все хорошо, но калибрующих машин нет. Вся, как отечественная, так и зарубежная техника для послеуборочной обработки зерна задумана и выполнена как очищающая, а сегодня нужны очищающее – калибрующее машины (ОКМФ), которые совмещают эти две операции. Причем калибровке должна предшествовать очистка от пыли, крупного и мелкого сора.

Мы уже охарактеризовали применяемые нами сита и систему аспирации от пыли и легковитаемого сора. Рассмотрим основную часть ОКМФ – рассев.

Нами разработан рассев (рис. 7), который является основой линейки зерноочистительных машин, как для первичной зерноочистки, так и для калибровки с целью последующей сепарации в линии по производству семян.

Рис.7. Схема рассева на поворотных вибраторах (основа Калибраторов Фадеева)

Преимущества: не травмирует зерно; не требует рамы (достаточно опоры); в 2 раза (а то и более чем в 2) потребляет меньше электроэнергии; глубокое регулирование режимов работы (амплитуда, частота колебаний, время движения зерна по рассеву); бесшумность работы; простота конструкции, надежность и удобство в эксплуатации; возможность размещать рассевы как последовательно (один за другим) в горизонтальной плоскости, так и эшелонировано (один над другим) в вертикальном варианте.

Недостатки: при остановке машины после отключения электропитания в силу нарушения синхронности вращения дебалансов на выбеге роторов при совпадении частот вынужденных колебаний рассева с собственными колебаниями, рассев в течение 2-3 секунд колеблется в резонансном режиме. При наличии частотного преобразователя этот режим (5-6 Гц) проходит без заброса амплитуды.

Эффективность любого рассева (при равных площадях) определяется следующими параметрами: проницаемостью сит (доля площади отведенной для прохода зерна от общей площади сита); силовым взаимодействием сита с зерном; эффективностью очистки сит во время работы.

О проницаемости сит устанавливаемых на наши калибраторы мы говорили в прошлых публикациях (наши сита (решета) имеют проницаемость на 30-40% выше, чем обычные). А что касается силового взаимодействия зерна с ситом, то оно наиболее эффективно при векторе колебания сит под углом к вектору гравитационного поля, ибо сито при этом делает колебания зонтичного типа (встряхивание), провоцируя как проход через него частиц меньше (или равных) калибру сита, так и освобождение отверстий от частиц большего размера. Кроме этого, зерно на таком рассеве постоянно находится, в режиме массообмена, то есть в режиме ворошения (взаимообмена местом нахождения) и за счет этого хорошо работает с умеренно влажным зерном.

Именно такое взаимодействие сита с зерном реализуется в наших рассевах. Но если в рассевах с жесткими торсионами для регулирования угла вектора импульса необходима замена пластинчатых пружин на пружины других размеров, то в нашем рассеве достаточно повернуть на требуемый угол вибраторы.

Теперь о вибраторах. Приходится удивляться, как сегодня можно производить такую простую машину, как вибратор, с гарантированным ресурсом 1000 часов. И это только потому, что подшипники вала, на концах которого консольно расположены дебалансы (он же вал ротора электродвигателя), установлены в силуминовых крышках электродвигателя. При возникновении малейшего зазора между обоймой подшипника и посадочным местом в силуминовой крышке (а ему и возникать не надо – пусть небольшой, но он предусмотрен технологией сопряжения подшипника и крышки), знакопеременная нагрузка приводит к наклепу алюминия, увеличению зазора и выходу вибратора из строя.

Мы разработали свои вибраторы. Выход из строя такого вибратора обусловлен только ресурсом электродвигателя. А поскольку вал ротора электродвигателя в нашем вибраторе не нагружается ни в осевом, ни в радиальном направлениях, то можно рассчитывать на приличный ресурс, превышающий указанный в паспорте завода-изготовителя электродвигателя.

Вибратор позволяет за счет изменения взаимного положения дебалансов регулировать величину импульса практически монотонно (12 положений). Корпус вибратора выполнен монолитным с ответным местом для консольного расположения фланцевого электродвигателя. Для компенсации возможной несоосности валов вибратора и электродвигателя (каждый на двух собственных опорах), передача крутящего момента осуществляется через эластичную муфту.

Поскольку рассев безопорный (3 степени свободы) и вся подводимая энергия расходуется только на его колебания, то мощность, потребляемая двумя вибраторами, не превышает 0, 74 кВт. Отработавший свой ресурс электродвигатель легко меняется.

Рис. 8. Схема просыпания зерна при щеточной (скребковой) очистке.

Очистка сит в процессе работы во многом определяет эффективность работы машины в целом. Особенно это важно при работе с семенами сложной формы. Внимательное наблюдение за просыпаемостью зерна на рассевах машин со щеточной (скребковой) очисткой сит, то есть подавляющего большинства машин как отечественного, так и зарубежного производства, позволяет утверждать то, что зона активного просыпания намного меньше половины очищаемой площади при движении щетки (рис.8).

А у клинообразных семян (подсолнечник и т.п.) и того меньше. Логика подсказывает выход – увеличить скорость движения щетки. Увы, ни в одной машине такой регулировки не предусмотрено.

Рис 12б. Патенты Украины и России - на очищающе-калибрующую машину
Переход на шарики, как способ очистки сит, своевременен как с точки зрения снижения травмирования семян, так и повышения эффективности рассева. При этом надо понимать, что шарик должен быть активным на тех режимах колебания рассева, на которых взаимодействие зерна с ситом самое благоприятное. Этому условию отвечает три момента: шарик полиуретановый (прыгучесть в 1, 5 раза выше, чем у резинового); зазор между «постелью» шарика, то есть рельефной толкающей шарик проницаемой поверхностью и ситом должен быть оптимальным; и наконец, сама «постель» должна быть максимально агрессивной, то есть беспощадно отправлять шарик на работу. К сожалению эти три условия не всегда отслеживаются. Так у многих машин «постель» делается проволочной из сварной сетки с ячейкой 20Х20. Такая сетка демпфирует при взаимодействии с шариком и нужны большие амплитуды для его активного отскока. Максимальная скорость отскока шарика в момент выравнивания его деформации и хорошо, когда упругая энергия деформации при восстановлении формы шарика в большей мере тратится на его ускорение.

Рис 12а. Патенты Украины и России - на вибратор Фадеева
Общий недостаток при очистке сит шариками – наличие мертвых зон. Это плата за переход очистки сит со щеток на шарики. Щетки при своем движении перекрывают рабочую площадь, и мертвых зон, то есть зон не очищаемых, не остается. Шарик должен работать в своей «зоне заключения», то есть зоне, из которой он не может выпрыгнуть – иначе все шарики соберутся в направлении движения зерна. Понятно, что размеры зоны и количество шариков для работы в ней должны быть оптимизированы. Недопустимы сплошные перегородки между зонами, ибо шарик не может очищать сито на расстоянии меньше собственного радиуса от стенки.

Мы много занимались исследованием этого процесса.

В узлах сетки размещали специальные бонки, делали «постель» в виде жесткой матрицы и т.д. В конце концов, когда разные по геометрическому исполнению поверхности «постели» установили на один рассев и при одинаковых амплитудах колебания монотонно меняли частоту за счет частотного преобразователя, то раньше всех начали работу шарики на трубках (рис. 9). Именно трубки используются нами при производстве калибраторов.

Рис. 9. Схема определения наиболее подходящей геометрии поверхности вызывающей движение шарика при очистке сит рассева.

Одно из требований к очищающе-калибрующей машине – удобная и быстрая замена сит. На наших машинах сито меняется за 2 – 3 минуты без какой-либо его доработки. То есть просто требуемое сито кладется на место предыдущего и прижимается специальным устройством. Сито устанавливается основой вверх. При этом основа выполняет роль ворошителя, который позволяет воздействовать на зерно в процессе его движения по ситу так, что вся поверхность сита покрыта зерном повышая качество калибровки (рис. 10).

Рис. 10. Схема движения зерна на сите при наличии

Таким образом: предлагаемые вашему вниманию очищающе-калибрующие машины (рис. 11) содержат те технические решения, которые были отобраны в результате многочисленных, сравнительных испытаний и новизна которых защищена патентами Украины и России (рис. 12)

Мы выпускаем калибраторы практически на любую производительность, на любую сельскохозяйственную культуру, на любой вариант компоновки.

Рис. 11

Список использованной литературы:

1. Н.Г.Строна «Травмирование семян и его предупреждение» Москва 1972г., издательство «Колос».

Скачать статью "Калибровка - основа подготовки отборных семян." в формате pdf.