Специальный способ предпосевной обработки семян бобовых трав

Обновлено: 18.09.2024

В статье представлено обоснование актуальности процесса скарификации семян многолетних бобовых трав. Обозначена цель исследований. Предложено сравнение нескольких видов предпосевной обработки семян многолетних бобовых трав на примере козлятника восточного. Представлены машины, их характеристики и недостатки, которые в настоящее время применяют для обработки семян перед посевом и экспериментальный образец агрегата для скарификации семян многолетних трав, а также результаты экспериментальных исследований при разной частоте вращения, прямой и обратной подаче рабочего материала и времени воздействия на него.

Ключевые слова: бобовые травы, козлятник, семена, скарификация, всхожесть.

IMPROVING THE EFFICIENCY OF PRE-SOWING TREATMENT OF LEGUME SEEDS

Rozhkov G.A. 1, *, Perekopsky A.N. 2

1, 2 Institute of Agroengineering and Environmental Problems of Agricultural Production, branch of the Federal Research Center of Agriculture All-Union Research Institute of Agricultural Mechanization, Saint-Petersburg, Russia

Abstract

The article presents the rationale for the relevance of the process of scarification of seeds of perennial legumes. The study indicates the purpose of the research and proposes a comparison of several types of pre-sowing treatment of seeds of perennial legumes using Galega orientalis as an example. The study also touches on the characteristics, and disadvantages of the machines that are currently used for pre-sowing seed treatment, and an experimental sample of the unit for scarification of seeds of perennial grasses, as well as the results of experimental studies at different rotation speeds, direct and reverse feed of the working material and the length of the pressure exerted on it.

Keywords: legumes, Galega orientalis, seeds, scarification, germination.

Введение

Продовольственная безопасность государства зависит, в основном, от его способности и возможности само обеспечения продовольственной продукцией. Так как производство молока и мяса на прямую зависит от количества и качества потребляемого корма животными, производство высокопитательных кормов является актуальной задачей, а увеличение в рационах крупного рогатого скота количества высококачественного сена и сенажа из однолетних и многолетних злаково-бобовых смесей позволит повысить обеспеченность животных белком, минеральными и витаминными компонентами, что положительно скажется на продуктивности животных в виде молочной продукции и продуктивной массы. Основной причиной повышения значения такого показателя, как расход семян бобовых трав в процессе их посева являются их твердокаменность и высокая прочность поверхностной плёнки, она сдерживает набухание зёрен, а также не позволяет им прорастать [1, С. 16], [2, С. 34]. Как правило, такое развитие событий приводит к большой временной паузе в процессе всхода семян, а в крайнем случае даже к частичной потере ранее посеянных семян. Козлятник восточный – многолетнее растение семейства бобовых, травостой используется 10-15 лет. Зелёная масса богата витаминами, каротином, содержит все нужные аминокислоты, много лейцина и лизина, сахарный минимум 5-6 %. Травостой используется на заготовление зелёного корма, силоса, сена, травяной муки, а также для выпаса [3, С. 25], [4, С. 154].

Целью исследований является повышение эффективности скарификации семян многолетних бобовых трав.

Методы и принципы исследования

Семя козлятника восточного имеет средний размер 1.5х3.5 мм, при этом обладая низким удельным весом, но при этом существенной твёрдостью оболочки, что предъявляет особые требования к его обработке.

Семенной материал должен быть чистым от сорняков, иметь высокую всхожесть и энергию прорастания и соответствовать требованиям ГОСТ Р 52325 – 2005 года. Поскольку семена, предназначенные для посева, должны быть доведены до стандарта, необходимо проводить проверку посевных качеств подготовленных семян в лабораторных условиях. От каждых 10 тонн партии отбирается 1 средняя проба массой 250 грамм. По результатам проверки семян выдаются результаты анализа или протокол испытания. Основными приёмами предпосевной подготовки семян является скарификация, протравливание, обработка микроэлементами, инокуляция.

Семена козлятника имеют труднопроницаемую для воды и воздуха оболочку. Твердость семян зачастую достигает 30%, поэтому скарификация является обязательной. Важно отрегулировать скарификаторы и клеверотерки, чтобы семена не дробились. Маленькие партии семян можно обработать вручную наждачной бумагой. Скарификация повышает всхожесть до 82-95 %. Необходимо помнить, что скарифицированные семена долго не хранятся и быстро теряют всхожесть [5], [6], [7].

В данном эксперименте предлагается сравнивать несколько видов механического типа предпосевной обработки семян многолетних бобовых трав на примере козлятника восточного:

1 – классический способ обработки, со временем воздействия на семена 10 мин.;

2 – экспериментальный способ, штифтовым, экспериментальным устройством с трёх рядными рабочими органами и нанесённой режущей поверхностью, время воздействия 1-2 сек. где:

2.1 – прямая подача сырья на 3х частотах вращения (500-1000-1500 об/мин);

2.2 – направленная подача сырья на трёх частотах вращения (500-1000-1500 об/мин).

Опыты были проведены с 3-х кратной повторностью и получением контрольной партии семенного материала для испытаний на всхожесть.

Для получения экспериментальных данных о возможности применения нового способа обработки семян многолетних бобовых трав, на примере козлятника восточного, был изготовлен экспериментальный образец машины – скарификатора с трёх рядными рабочими органами и возможностью изменения частоты вращения за счёт частотного преобразователя напряжения. Экспериментальный образец агрегата для скарификации семян многолетних трав представлен на рисунке 1.

Рис. 1 – Экспериментальный образец агрегата для скарификации семян многолетних трав:

a – усовершенствованный опытный образец машины для предпосевной обработки семян многолетних бобовых трав, повторяющий количество рабочих органов изначального образца; b – усовершенствованный опытный образец машины для предпосевной обработки семян многолетних бобовых трав, с максимальным количеством задействованных рядов рабочих органов

Основные машины, которые выполняют скарификацию и применяются в большинстве сельскохозяйственных предприятий и могут обеспечивать обработку семян многолетних трав представлены в таблице 1. Однако, они совсем не лишены недостатков и имеют низкое качество обработки семян, так как время контакта семян с рабочими органами превышается, увеличивается количество травмированных семян и т.д.

Опытный образец планируется сравнивать с популярными моделями на рынке с/х техники, а именно: СКР 300 (фрикционно-дисковое), СК 300 (инерционное).

Таблица 1 – Основные характеристики существующих скарификаторов и экспериментального образца

Модель устройства	Производительность, кг/ч	Мощность на привод, кВт
СКР 300	300	3
СК 300	300	1,1
Экспериментальный образец	360	до 1

В нашем исследовании планируется проверить следующие рабочие гипотезы: возможность воздействия на семена многолетних бобовых трав вращающихся (с различными частотами) рабочих органов, за счёт сил инерции, позволяющие подготавливать продукт за минимальное время с максимальной эффективностью; выявление зависимости количества и частоты вращения рабочих органов на качество предпосевной обработки семян многолетних бобовых трав, обрабатываемых с помощью экспериментального скарифицирующего устройства; выявление зависимости от изменения угла подачи сырья на качество предпосевной обработки семян многолетних бобовых трав, обрабатываемых с помощью экспериментального скарифицирующего устройства [8], [9, С. 118], [10]. А также возможность изменения количества рабочих органов в ходе эксперимента для выявления чётких зависимостей качества обработки семян от количества рабочих органов и скоростей их вращения.

Основные результаты

Эксперимент №1, обработка семян классическим способом, время воздействия 10 мин. На семенном материале после опыта с классическим способом обработки, видны повреждения различные по своей глубине и степени, при этом росток здоровый, крепкий, всхожесть составила 68%.

Эксперимент №2.1, частота вращения 950-1450 об/мин, прямая подача сырья – на семенном материале после проведения эксперимента по заданным параметрам, видны неглубокие, ярко выраженные риски без повреждения зародыша. В результате видны здоровые, крепкие ростки, а всхожесть составила 70%.

Эксперимент №2.2, частота вращения 950-1450 об/мин, встречная подача сырья – после проведения эксперимента по заданным параметрам, на семенном материале видны более глубокие риски, но без повреждения зародыша, хорошо видно изменение характера повреждений. В результате видны крепкие ростки, пробившиеся в местах повреждения оболочки семян, всхожесть составила 67%. Семенной материал после обработки и результаты всхожести представлены на рисунке 2.

Рис. 2 – Семенной материал после обработки и результаты всхожести

Также были проведены дополнительные опыты открытыми и закрытыми рабочими органами:

– эксперимент с открытыми рабочими органами, с частотой вращения 16000 об/мин, время воздействия 10 сек. После проведения эксперимента по заданным параметрам видны значительные повреждения, семена повреждены избыточно, но жизнеспособны, виден битый зародыш, получивший избыточные повреждения в процессе обработки. Всхожесть составила порядка 4%.

– эксперимент с закрытыми рабочими органами, с ограничением траектории после контакта с рабочими органами и частотой вращения 16000 об/мин, время воздействия 10 сек. В ходе эксперимента семена получили повреждения не совместимые с дальнейшим использованием, всхожесть составила 0%.

Заключение

Для семян с твёрдой оболочкой, таких, как у козлятника и других многолетних бобовых трав, сменной материал целесообразно сначала подвергать скарификации, для облегчения попадания влаги внутрь семени. Создавать микротрещины в оболочке семени нужно достаточно аккуратно, с не превышающим усилием так, чтобы не повредить жизнеспособность семенного материала и создать условия для ускоренного поступления воды внутрь семени, а как следствие, более высокой всхожести. Наибольшую всхожесть семян удалось получить в эксперименте с частотой вращения 950-1450 об/мин, прямой подачей сырья – где после обработки видны неглубокие, ярко выраженные риски без повреждения зародыша и в результате получены здоровые, крепкие ростки, а всхожесть составила 70%.

Список литературы / References

Попов В.Д. Организационно-технологические аспекты эффективности заготовки кормов в хозяйствах ленинградской области / В.Д. Попов, А.Н. Перекопский, В.Н. Горнак // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2003. – № 75. – С. – 14 – 21.
Сагалбеков У.М. Проблемы семеноводства многолетних трав / У.М. Сагалбеков // Аграрный сектор. – 2010. – № 1 (3) – с.34-35.
Попов В.Д. Пути развития кормовой базы в северо-западном регионе России / В.Д. Попов, В.М. Могильницкий, А.Н. Перекопский и др. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2001. – № 72. – С. – 22 – 27.
Перекопский А.Н. Ресурсосберегающие технологии производства кормов в условиях Северо-Западного региона РФ / А.Н. Перекопский // В сборнике: Экология и сельскохозяйственная техника. материалы 4-й научно-практической конференции. 2005. – С. – 152 – 159.
Оразбаев С. Влияние скарификации на твердосемянность многолетних бобовых трав / С. Оразбаев, Б. Салакшинова, Г. Мендибаева и др. // Международный научно-исследовательский журнал. – 2013. № – 12 – 2 (19). – Стр. – 14 – 16.
Хасанов Э.Р. Универсальный пневматический скарификатор / Э.Р. Хасанов, Р.Р. Камалетдинов // Патент на изобретение RU 2683484 C1, 28.03.2019. Заявка № 2018126566 от 18.07.2018.
Rafiei Z. Assessment of effective factors on breaking seed dormancy in Prunus dulcis (Mill.) D.A. Webb / Z. Rafiei, V. Rouhi // Acta Horticulturae. Vol. 1249, 2019, Pages 167-173.
Murugesan P. Hybrid seed germination in oil palm (Elaeis guineensis) affected by innovative dormancy breaking techniques / P. Murugesan, M. Shareef // Indian Journal of Agricultural Sciences Vol. 84, p. 1542-1545.
Хасанов Э.Р. Обоснование показателей качества работы скарификатора семян козлятника / Э.Р. Хасанов, Д.И. Маскулов, Р.З. Мусин // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2019. – № 3 (51). С. 114 – 120.
Myint T. Germination of seed of oil palm (Elaeis guineensis Jacq.) as affected by different mechanical scarification methods / T. Myint, W. Chanprasert, S. Srikul // Seed Science and Technology. Vol. 38, 2010, P. 635-645.

Список литературы на английском языке / References in English

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к обработке семян козлятника и других многолетних бобовых трав. Семена козлятника или других многолетних бобовых трав помещают во взвесь трепела в воде с температурой 100°С на короткое время - 0,5-1 сек. Затем семена опускают в холодную воду со взвесью трепела, имеющей температуру 1-15°С, на 5-30 сек. После этого семена повторно погружают во взвесь трепела в воде с температурой 100°С на время около 0,5 сек и вновь опускают в холодную (1-15°С) воду со взвесью трепела на 5-30 секунд. Причем перед последней операцией в воду добавляют еще перманганат калия с таким расчетом, чтобы получить раствор в концентрации 1:10000. Изобретение обеспечивает повышение энергии прорастания и всхожести семян многолетних бобовых трав. 1 табл.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к обработке семян козлятника и других многолетних бобовых трав. Цель изобретения - повышение всхожести и энергии прорастания семян.

Известен способ [1] обработки семян, включающий воздействие электромагнитным полем дециметрового диапазона, в котором перед посевом на обрабатываемые семена воздействуют электромагнитным полем, амплитудно-модулированными колебаниями крайне низкочастотного диапазона в течение 120-500 мин при напряженности поля 0,7-0,9 В/м. К недостатку описанного способа предпосевной обработки семян относится то, что патогенные микроорганизмы и сельскохозяйственные вредители не чувствительны в воздействию электромагнитного поля.

Известен также способ [2] предпосевной обработки семян бобовых культур, в частности люцерны, включающий использование в качестве стимулятора роста рассола сульфатного типа бишофита формулы MgCl₂·6H₂O, в котором семена перед обработкой охлаждают до температуры (-3)-(-8)°С, а воздействие рассолом осуществляют в течение 20-70 с при температуре 80-120°С под давлением 0,02-0,05 МПа. К недостаткам описанного способа предпосевной обработки труднопрорастаемых семян бобовых трав, принятого в качестве прототипа, относится то, что он не гарантирует сохранение посевных качеств семян бобовых трав.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - повышение энергии прорастания и всхожести семян козлятника и других многолетних бобовых трав.

Указанная задача достигается тем, что семена козлятника или других многолетних бобовых трав помещают во взвесь трепела в воде с температурой 100°С на короткое время - 0,5-1 сек. Затем семена опускают в холодную (1-15°С) воду со взвесью трепела на 5-30 секунд. После этого семена повторно погружают во взвесь трепела в воде с температурой 100°С на короткое время - около 0,5 сек и вновь опускают во взвесь трепела в холодной воде, имеющей температуру 1-15°С, на 5-30 секунд. Причем при последней операции в воду добавляется еще перманганат калия с таким расчетом, чтобы получить раствор в концентрации 1:10000.

Последовательное помещение в горячую и холодную воду имеет целью образование микротрещин в оболочке так называемых твердокаменных семян. Их количество у многолетних бобовых трав может достигать 50-60% и более, поэтому трудно добиться высокой энергии прорастания и всхожести у данных культур. Вода, нагретая до 100°С, действует обеззараживающе на семена. Однако при ее кратком воздействии не все возбудители болезней погибают. Соответственно обработка марганцовокислым калием призвана оказать дополнительное обеззараживающее действие на патогенные микроорганизмы.

Таблица
Вариант	Способ обработки семян	Энергия прорастания, %	Нормально проросшие семена (без учета твердосемянных), %
1.	Без обработки семян (контроль)	16	73
2.	Обработка семян по заявленному способу	27	91
3.	Помещение семян в горячую воду с температурой 100°С на 1 мин	-	-

Технический результат - повышение энергии прорастания и всхожести семян труднопрорастаемых семян многолетних бобовых трав.

1. Патент RU №2175181, С1, МПК7 А01С 1/00. Способ обработки семян / М.Г.Барышев (RU). - Заявка №2000114614/13. Заявлено 08.06.2000. Опубл. 27.10.2001.

2. Патент RU №2184434, С1, МПК7 А01С 1/00. Способ предпосевной обработки семян бобовых культур, в частности люцерны / А.Ф.Рогачев, А.М.Салдаев (RU). - Заявка №200121335/13. Заявлено 30.07.2001. Опубл. 20.07.2002. // Изобретения. Полезные модели. - 2002. - №19.

Способ обработки семян козлятника или других многолетних бобовых трав, отличающийся тем, что их окунают во взвесь трепела в воде с температурой 100°С на 0,5-1 с, затем опускают в холодную воду со взвесью трепела, имеющей температуру 1-15°С, на 5-30 с, после этого их повторно погружают во взвесь трепела в воде с температурой 100°С на время около 0,5 с и вновь погружают в холодный, с температурой 1-15°С, 0,01%-ный водный раствор перманганата калия с взвесью трепела на 5-30 с.

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано для предпосевной обработки семян зерновых, зернобобовых, зернофуражных, масличных, овощных, бахчевых, лекарственных, технических и кормовых культур с целью повышения качества семян, увеличения их всхожести и энергии роста.

Предлагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам предпосевной обработки семян бобовых трав, имеющих твердую влагонепроницаемую оболочку.

Известен способ предпосевной обработки семян, имеющих твердую влагонепроницаемую оболочку, в котором на оболочку семян производят механическое воздействие, нанося на ее поверхность со всех сторон множество царапин. Для этого обрабатываемые семена из загрузочного бункера подаются в течку, имеющую абразивные поверхности, по которым под действием вибровозбудителя движутся семена в хаотическом состоянии (А.с. №1586549, кл. A01C 1/00, 1990 г.).

Недостатком известного способа предпосевной обработки семян являются его низкое качество и производительность, а также значительная трудоемкость.

Обусловлены указанные недостатки тем, что в известном способе интенсивность процесса скарификации не регулируется, что приводит к дроблению определенного количества семян.

Кроме этого, поскольку производится механическое воздействие на семена, может повреждаться точка роста корневой системы зародыша семян, что снижает их всхожесть.

Возможно забивание точки скарификатора посторонними предметами и растительными остатками, что увеличивает трудоемкость обслуживания скарификатора в процессе его работы.

Известен способ предпосевной обработки семян, имеющих твердую влагонепроницаемую оболочку, в котором на оболочку семян производят механическое воздействие. Для этого семена по трубам, соединенными с отверстиями в днище бункера, подают на абразивную поверхность плоского вращающегося горизонтального круга (Патент РФ №2240665, кл. A01C 1/00, 2004 г.).

Недостатками известного способа предпосевной обработки семян являются его низкое качество и производительность, а также трудоемкость.

Обусловлены указанные недостатки тем, что в известном способе предпосевной обработки семян дробится 2% семян.

Кроме этого, в результате механического воздействия на семена может повреждаться точка роста корневой системы зародыша некоторых семян, что снижает их всхожесть, а следовательно, и качество предпосевной обработки семян.

Поскольку в известном способе предпосевной обработки семян поток семян, поступающих по трубам из бункера, обрабатывается на диске с абразивной поверхностью, то его площадь его абразивной поверхности определяет величину подачи семян, а следовательно, и пропускную способность скарификатора, что ограничивает производительность обработки семян. Необходимость периодического заполнения бункера семенами по мере их подачи на диск с абразивной поверхностью увеличивает трудоемкость обработки семян.

Необходимость выделения из семян примесей (камешков, металлических и деревянных предметов) привела к использованию в конструкции скарификатора эластичных шторок и вырезов в трубах, по которым поступают из бункера семена. Это усложняет конструкцию устройства, реализующего известный способ обработки семян.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу предпосевной обработки семян бобовых трав является способ обработки семян путем мацерации (разрушения) верхнего слоя клеток семенной оболочки серной кислотой с удельным весом 1,80…1,83 в течение 10…25 мин (см. кн. Филимонов М.А. Повышение посевных качеств семян кормовых трав. - М.: Сельхоз изд. 1953. С.117-118 - прототип).

Недостатками способа предпосевной обработки семян, принятого за прототип, являются низкое качество и высокая опасность для обслуживающего персонала.

В известном способе разрушения механического барьера на пути влаги извне внутрь семени путем мацерации (разрушения) верхнего слоя клеток семенной оболочки серная кислота разрушает клеющее вещество, соединяющее клетки слоев семенной оболочки.

Кроме этого использование серной кислоты требует соблюдения повышенных требований техники безопасности в процессе работы.

Техническим решением задачи является обеспечение полного использования семенного ресурса бобовых трав в год посева.

Анализ свойств совокупности признаков заявленного способа и свойств совокупности признаков обнаруженного прототипа и аналогов показал, что совокупности признаков заявленного способа проявляет новое свойство - обеспечивает всхожесть всех высеваемых семян бобовых трав.

Пример конкретного выполнения.

Другая часть семян погружается в водный раствор биостима и оседает. Это атлетоиды. В них нет остаточных материнских гормонов и ферментов, но присутствуют ингибиторы ростовых процессов. Активация их ростовых процессов осуществляется за счет ростовых гормонов и гидролиза запасных питательных веществ под контролем собственной генетической информации при поступлении воды в зону активной деятельности генов (к зародышу) и расположению запасных питательных веществ в семени. Часть атлетоидов имеет влагонепроницаемую семенную оболочку, т.е. являются твердыми семенами.

После непродолжительного выдерживания в водном растворе биостима погрузившихся в него семян (до 0.5 часа), водных раствор биостима сливают в другую емкость и он готов для повторного использования на обработке следующей партии семян бобовых культур.

Семена из емкости выгружают на водонепроницаемую поверхность, например полиэтиленовую пленку, формируют из них бурт, который укрывают полиэтиленовой пленкой. В бурте под полиэтиленовой пленкой семена выдерживаются в течение 24 часов при содержании 75…85% водного раствора биостима в массе семян, который наносится путем распыления на семена водного раствора биостима. Для этого может быть использован штанговый опрыскиватель. При этом водный раствор биостима не должен вытекать из под бурта по водонепроницаемой поверхности. Контроль за содержанием водного раствора биостима осуществляется визуально - на внутренней поверхности полиэтиленовой пленки не должны образовываться капли видного раствора биостима.

По истечении 24 часов обработки семян в бурте под полиэтиленовой пленкой семена сушат в режиме активного вентилирования при температуре воздуха не выше +40°C до получения 14% содержания влаги в семенах. При этом содержании влаги в семенах в них останавливаются ростовые процессы, вызванные фитогормоном биостим. Затем семена затаривают в мешкотару, хранят до срока посева и высевают отдельно от первой фракции семян.

Семена обеих фракций, высеянные в почве под действием окружающей их влаги, начинают прорастать. При этом находящиеся в них молекулы биостима активизируют их ростовые процессы.

Использование предлагаемого способа предпосевной обработки семян бобовых трав в сравнении с известными способами предпосевной обработки семян позволит повысить урожайность семян и зеленой массы бобовых трав за счет полного устранения биологической особенности семян бобовых трав - твердосемянности, обеспечения ускорения прорастания семян, увеличения энергии прорастания и равномерности их развитии в травостое, увеличения устойчивости растений к бактериальным, вирусным, грибковым заболеваниям, заморозкам и засухе.

Устранение твердосемянности - скарификация исключается из технологического процесса предпосевной обработке семян как отдельная технологическая операция.

Реферат патента 2011 года СПОСОБ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН БОБОВЫХ ТРАВ

Формула изобретения RU 2 436 272 C2

Для посева используют сортовые, отсортированные и калиброванные семена со всхожестью не ниже 80-85%. Семена должны быть чистыми от вредных несекомых, паразитных грибов и бактерий. Перед подготовкой к посеву семена подвергают воздушно-тепловому обогреву, протравливанию, обработке микроэлементами, инокуляции активными, вирулентными и конкурентоспособными штаммами специфических клубеньковых бактерий. Семена бобовых трав содержат значительное количество твердых семян (козлятник восточный от 50 до 90%), которые в год посева не дают всходы. Их подвергают скарификации; семена пропускают через скарификатор или один-два раза через клеве-ротерку. Воздушно-тепловой обогрев проводят на солнце или в зерносушилках.
Протравливание семян бобовых трав проводят против фузариозной корневой гнили, аскохитоза, фузариоза, серой гнили, антракноза, бактериоза и плесневения семян.
Протравливание семян не следует совмещать с инокуляцией. Его выполняют заблаговременно, а инокуляцию - непосредственно перед посевом. Для исключения гибели бактерий от действия прямого солнечного света инокуляцию проводят в помещении. Обработку семян бобовых трав микроудобрениями совмещают с протравливанием.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Шевченко Анатолий Павлович

Официальные оппоненты: Домрачев Виктор Андрианович,

доктор технических наук,

член - корреспондент Россельхоакадемии

(ГНУ СибНИИСХ СО Россельхозакадемии)

Торопов Виктор Романович,

кандидат технических наук

(ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакадемии)

Ведущая организация: ФГОУ ВПО АГАУ

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакадемии.

Автореферат разослан 14 ноября 2009 г.

доктор технических наук В.С. Нестяк

Общая характеристика работы

Актуальность темы. За последние десятилетия валовое производство семян трав сократилось в 3-4 раза по сравнению с 80-ми годами XX века, а кондиционные семена составляют около 40% их валового сбора. Решение проблемы удовлетворения потребности отрасли кондиционным семенным материалом во многом определяется эффективностью технологического и технического обеспечения процессов очистки и предпосевной подготовки семян. Применяемые технологии производства семян в большинстве своём морально устарели, а физический износ техники достигает 80 - 90%. Отсутствие в хозяйствах очистительных и специальных машин для обработки семян приводит к значительным их потерям в процессе послеуборочной обработки. Причём имеют место потери связанные с травмированием, и как следствие, ухудшением всхожести семян. Основными причинами повышенного расхода остро дефицитных семян многолетних бобовых трав являются их твердокаменность и высокая прочность поверхностной пленки, сдерживающие набухание зерна и не позволяющие развиваться зародышу семени. Это приводит к длительной затяжке всходов и безвозвратной потере части высеянных семян, кроме того, неравномерные всходы резко снижают и урожайность, и общую продуктивность растительной массы.

Наиболее доступным, простым и производительным является механический способ нарушения герметичности покрывающей пленки семян. Применяемые для этой цели скарификаторы, имея рабочие органы высокой твердости и высокие скорости воздействия на семена, не в полной мере обеспечивают хорошее качество и часто чрезмерно повреждают семена в процессе их обработки. Кроме этого, дозирующие и распределительные подающие устройства скарификаторов не обеспечивают равномерности подачи семян на рабочий орган, что отрицательно сказывается на качестве их обработки.

Отсюда вытекает необходимость совершенствования конструкций скарификаторов семян с целью устранения вышеотмеченных недостатков.

Цель исследования – повышение эффективности скарификации семян многолетних бобовых трав.

Объект исследования – технологический процесс скарификации семян многолетних бобовых трав дисковым скарификатором с нижним фрикционным диском и дозирующим устройством.

Предмет исследования – закономерности взаимодействия элементов дискового скарификатора с нижним фрикционным диском и дозирующим устройством и семян многолетних бобовых трав.

Рабочая гипотеза: повысить качество скарификации предложено за счёт обеспечения равномерности распределения и подачи семян в дисковом скарификаторе с нижним фрикционным диском и дозирующим устройством.

Научная новизна.

Получены дифференциальные уравнения движения семян по рабочим элементам дискового скарификатора, определяющие его конструктивно-режимные параметры.
Определены закономерности взаимодействия семян многолетних бобовых трав с рабочими элементами дискового скарификатора.
Обоснованы технологические параметры и режимы работы дискового скарификатора.

Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на полезную модель.

В аналитических исследованиях использованы методы и положения теоретической и технической механики, методы решения дифференциальных уравнений. При экспериментальном исследовании применялись методы планирования многофакторных экспериментов и математического моделирования. При обработке результатов исследования – методы математической статистики, теории вероятностей, линейного программирования.

При теоретических исследованиях и обработке результатов экспериментов вычисления производились на ПЭВМ с использованием программ Math CAD, EXCEL.

Практическая значимость. Применение разработанного устройства обеспечивает:

- качественную скарификацию семян многолетних бобовых трав;

- снижение расхода семян при посеве;

- повышение всхожести семян многолетних бобовых трав;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в учебно-методических целях, а также проектно-конструкторскими организациями для разработки новых скарификаторов семян.

Апробация работы. Основные материалы работы в период с 2005 по 2009 гг. докладывались на Международных и региональных конференциях, в частности: на Международном научно - техническом форуме (г. Омск, март 2009); региональной научно-практической конференции посвящённой 90-летию ОмГАУ (г. Омск, март 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликованы пять научных статей, в том числе одна статья в рецензируемом журнале из перечня рекомендованных ВАК. Получен патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений.

Содержание работы изложено на 137 страницах, включает 23 таблицы, 30 рисунков и 10 приложений на 21 странице. Список использованной литературы включает 95 наименований, в том числе 5 источников на иностранном языке.

Содержание работы

Во введении раскрыта актуальность темы исследования, сформулирована цель работы и кратко изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены народнохозяйственное значение и особенности производства семян многолетних бобовых трав в Сибири, основные физико-механические и агробиологические свойства семян бобовых трав, проведён обзор методов скарификации семян многолетних бобовых трав и влияние механических средств уборки и послеуборочной обработки на содержание твердосемянности бобовых трав. Приведены основные требования к машинам для скарификации семян многолетних бобовых трав, дана их классификация.

Приведён анализ современных и перспективных технических решений по предпосевной обработке семян многолетних бобовых трав. На основании проведённой работы сделан вывод, что важнейшим агротехническим требованием к предпосевной обработке семян многолетних бобовых трав является качественная их скарификация.

Проблеме повышения эффективности процессов предпосевной обработки семян посвящены работы Ю.Д. Ахламова, Р.В. Брикмана, А.С. Вишнякова, П.А. Власова, И.А. Довнар, У.М. Сагалбекова, А.Ф. Степанова, А.Ф. Черкашина, В.В. Черника, Ж.А. Яртневой и других. Исследователями доказано, что проведение предпосевной обработки семян многолетних бобовых трав даёт прибавку урожая от 10 до 26,5 % и снижает норму высева семян на 30% за счёт улучшения посевных качеств семян.

Для реализации поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

1. Выявить закономерности взаимодействия рабочих элементов скарификатора с семенами.

2. Обосновать параметры и режимы работы дискового скарификатора.

3. Определить качественные показатели работы экспериментального дискового скарификатора.

4. Оценить экономическую эффективность полученных результатов.

Во второй главе, в соответствии с поставленными задачами, рассмотрены особенности технологической схемы и обоснованы конструктивные параметры и режимы работы дискового скарификатора. Для описания характера взаимодействия семян с рабочими поверхностями выбрана модель движения материальной точки. Такое допущение оправдывает себя тем, что позволяет описать процесс движения частицы поэтапно, а значит более точно. Кроме этого будем считать, что семена равномерно подаются в семяпровод дозирующим устройством.

Движение частицы условно можно разделить на три этапа (рисунок 1): свободное движение зерна в системе семяпровод-конус, движение зерна в щелевом пространстве (зона вращающегося диска) и движение зерна в приемной камере скарификатора.

Рисунок 1 – Схема скарификатора с указанием рабочих органов

Свободное движение семян в семяпроводе и на поверхности конуса.

На участках полёта семян в воздушной среде семяпровода закон движения описывается следующей системой обыкновенных дифференциальных уравнений:

(1)

где V – скорость семени; m - масса семени; , , - коэффициенты, учитывающие изменения направления семенного потока (начальные их значения = = = 1); - ускорение свободного падения.

Систему (1) дополним следующими начальными уравнениями:

, (2)

где - скорость семенного потока в семяпроводе.

Так как при ударе семени о различные поверхности происходит изменения его траектории движения в семенном потоке и при этом выполняется работа по деформации семени и работа по преодолению силы трения необходимо дать характеристику удара.

Для этого можно принять следующую упрощённую модель удара:

(3)

где - скорость семени в начале удара; - вектор нормали к поверхности в точке удара; - скалярное произведение; - коэффициент восстановления; - коэффициент трения, .

Заменим систему дифференциальных уравнений (1) с начальными условиями (2) на разностную схему первого порядка точности (t):

(4)

(5)

Получаем практическую схему для вычислений:

(6)

, , (7)

, , (8)

Пусть поверхность, по которой движется зерно массой m, задана уравнением связи:

(9)

где - текущие координаты точек поверхности в трёхмерном пространстве.

На движущееся семя действуют силы:

гдеR – величина, характеризующая силу реакции

где - координаты движущегося семени; - скорость семени.

Дифференциальные уравнения движения семени по внутренней поверхности семяпровода можно представить в следующем виде:

(10)

где поверхность задана уравнением

(11)

Начальные условия определим следующим образом:

В результате преобразований системы получим итерационную схему расчета скорости и координат семян.

(12)

Таким образом, получим:

, , (13)

, , , , , (14)

Уравнения поверхностей ограничения движения семян внутри семяпровода при достижении конуса будут иметь вид:

( 0) (15)

( 0) (16)

Движение семян в семяпроводе и на поверхности конуса зависит от следующих параметров: h – высота конуса; h1 – расстояние от расположения семени до вершины конуса; h2 – зазор между дисками; r1 – радиус окружности сечения основания конуса; r3 – радиус окружности сечения семяпровода (рисунок 2).

Радиус окружности сечения конуса (r2) на высоте расположения семени (z1) вычисляется из пропорции: .

Рисунок 2 – Схема движения семян в семяпроводе и на поверхности конуса:

Таким образом, или . - компоненты вектора нормали к поверхности в точке

- модуль вектора скорости.

Учитывая, что

имеем , , .

Кроме того

имеем , , .

Далее обратимся к формулам 12, 13, 14 для получения практической схемы движения семян на диске скарификатора.

Движение семян в зоне вращающегося диска.

Семя с очень малой поступательной скоростью попадает на вращающийся в горизонтальной плоскости диск. Вследствие вращения диска семя начинает перемещаться по его поверхности. Семя, находящееся на диске будет испытывать действие следующих сил, указанных на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема сил, действующих на семя, находящееся на диске

(17)

где - сила инерции; m- масса семени, - частота вращения диска; h- расстояние от точки до центра системы координат; al -тангенциальное ускорение.

2) сила Кориолиса: (18) где – сила Кориолиса, - ускорение Кориолиса

(19) Опуская координату z:

(20)

(21)

где – сила трения; f - коэффициент трения; N - нормальная реакция.

где P- вес; g- ускорение свободного падения.

Общее уравнение движения имеет вид:

(23)

Дифференциальные уравнения движения по отношению к вращающейся системе координат xOy:

(24)

Сокращая на m получим:

(25)

От системы с уравнениями второго порядка перейдем к системе первого порядка.

(26)

Определим начальные условия.

Очевидно, что при попадании на различные части диска семя имеет различные координаты (x(t),y(t)), однако достаточно рассмотреть положение семени на одном радиусе, на любом другом радиусе траектория движения будет повторяться. Условимся для простоты вычислений, что движение рассматривается по оси Ox, т.е. первые начальные условия имеют вид: x(0)=x, y(0)=0, где x(20,400).

Линейная скорость направлена по касательной к траектории движения, следовательно, в начале движения составляющая , а составляющая

Итак, начальные условия:

Учитывая замены получим:

(27)

При интегрировании данной системы необходимо учитывать, что траектория движения не будет соответствовать пути, пройденному семенем, по времени. Для нахождения длины пути необходимо считать интеграл по переменному верхнему пределу: