Введение. Люцерна - однолетнее или многолетнее растение, которое обладает высокими питательными свойствами, поэтому оно широко используется как корм для скота. В семенах люцерны содержится много белка, жира, углеводов, витаминов и минералов, которые необходимы животным для здорового развития и роста.
Скарификация семян - частичное нарушение целостности твердой водонепроницаемой оболочки семян с целью облегчения их прорастания и увеличения процента всхожести. В данной работе скарификация осуществляется путем моделирования методом дискретных элементов (DEM - Discrete Element Method) [1,2,3].
Нами разработана конструкция и получен патент на изобретение экспериментального скарификатора семян, представленного на рисунке 1.
1 – бункер для семян; 2 - регулировочная заслонка; 3 - регулировочная заслонка; 4 –корпус; 5 – конусный скарифицирующийся ротор; 6 – шлифовальный диск; 7 - направляющая конусная поверхность; 8 – разбрасывающий ротор; 9 – вентилятор аспирационной системы; 10 – воздуховоды; 11 – бак для биопрепаратов; 12 – распылитель биопрепарата; 13 – выгрузное окно; 14 – лопата; 15 – электродвигатель; 16 – вал; 17 – заслонка.
Рисунок 1 – Схема экспериментального скарификатора семян
Цель и задачи исследования. Повышение качества обработки семян бобовых культур путем подбора оптимальных параметров угла диска в экспериментальном скарификаторе, на основе моделирования в программном комплексе Rocky DEM.
Задачи:
- изучить теоретическую основу движения частиц по конусной поверхности;
- провести лабораторные исследования по определению угла естественного откоса семян люцерны;
- рассмотреть принцип математического моделирования методом дискретных элементов;
- спроектировать 3D модель дисков с разными углами и экспериментальный скарификатор;
- подбор оптимальных параметров в программном комплексе Rocky DEM, для получения виртуальной модели, максимально приближенной к результатам, полученных в естественных условиях;
- смоделировать движение частиц в программном комплексе Rocky DEM;
- провести производственные исследования по определению качества обработки семян бобовых культур на экспериментальном скарификаторе.
Условия, материалы и методы исследования.
Как показано на рисунке 1, под номером 5 и 12 в скарификаторе расположен конусный скарифицирующий ротор и лопатка соответственно. Для повышения степени скарификации семян, необходимо подобрать оптимальные параметров угла конусного диска, а также рассмотреть траекторию движения частиц.
На рисунке представлено, какие силы действуют на частицу в момент ее движения по конусной поверхности.
Рисунок 2 – Силы, действующие на частицу
Как видно из рисунка 2, на частицу действуют следующие силы: mg – масса частицы, действующая перпендикулярно поверхности диска, равная произведению массы частицы (m) на ускорение свободного падения (g).
Также на частицу действуют:
Fcf – центробежная сила;
Fco – сила Кориолиса;
Fpcf – Сила трения между лопаткой и частицей [4,5,6].
Для получения адекватной математической модели движения частиц по конусной поверхности, необходимо провести калибровку программного комплекса, для приближения результатов моделирования к реальному процессу. Калибровка осуществляется путем проведения двух идентичных экспериментов, первый в лабораторных условиях, на рисунке 3 представлен прибор по определению угла естественного откоса и его схематическое изображение с описанием составных элементов, второй проводят в том же масштабе в программном комплексе [7,8,9].
а б
Рисунок 3 – Устройство для определения угла естественного откоса.
а – прибор для определения угла естественного откоса в лабораторных условиях; б – схема прибора измерения угла естественного откоса
1 – цилиндрический конус; 2 – горизонтальная поверхность; 3 – стержень с делением.
При разработке методом DEM, необходимо настроить параметры физики и подобрать коэффициенты, позволяющие провести эксперименты различной сложности, в данной работе использовались следующие модели контактных сил:
- Hertzian spring-dashpot model для нормальной контактной силы;
- Linear spring Coulomb limit model для расчета тангенциальных параметров;
- JKR adhesive force model для симуляции влажности семян [1].
Результаты исследований.
Конусный диск расположен под абразивным диском таким образом, чтобы при вращении семена, попавшие на диск, благодаря центробежной силе и угловой скорости, сходят с диска и скользящим движением касаются абразивной поверхности. Преимуществом расположения диска является тот факт, что семена не подвергаются повторной скарификации.
Вариации диска с разными углами представлены на рисунке 4. Данные вариации позволяют выбрать наиболее оптимальный угол диска для скарификации семян путем моделирования движения частиц в программном комплексе Rocky DEM.
Следующим этапом работы являются лабораторные исследования по определению угла естественного откоса семян люцерны, а также подбор оптимальных параметров коэффициентов, которые используемые программой Rocky DEM [10,11].
Для определения угла естественного откоса, цилиндрический конус необходимо заполнить семенами, после плавным движением поднять цилиндр, тем самым семена высыпаются и образуют горку. Процесс представлен на рисунке 5 [1].
Рисунок 4 – Вариации дисков с разными углами
Рисунок 5 – Процесс определения угла естественно откоса
Для рандомизации угол естественного откоса определялся для семян люцерны и козлятника, так как экспериментальный скарификатор будет применяться для семян бобовых культур, в свою очередь семена люцерны и козлятника являются самыми распространёнными [12, 13].
Результаты по определению угла естественного откоса семян люцерны и козлятника восточного представлены в таблице 1 [1].
Таблица 1 – Угол естественного откоса измеренного в лабораторных условиях
|
Сорт |
Влажность семян |
Угол естественного откоса φ, градусы |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Усредненный показатель |
||
|
Сорт Сарга (Люцерна) |
8,4 |
21 |
21,8 |
21,8 |
21,8 |
21,6 |
21,6 |
|
Сорт Вега (Люцерна) |
7,7 |
25 |
24,2 |
24,5 |
23,4 |
22,6 |
23,9 |
|
Козлятник восточный |
6,9 |
23,2 |
24,1 |
23,8 |
23,1 |
22,9 |
23,4 |
После определения угла естественного откоса в лаборатоных условиях, необходимо провести аналогичный процесс путем подбора коэффициентов в программном комплексе Rocky DEM, с допустимой погрешностью в 5% (1 градус).
Предварительно путем математических расчетов осуществили расчет объема цилиндрического конуса, для вычисления времени заполнения семенами и времени начала подъема. Скорость подъема цилиндрического конуса играет важную роль, поскольку для избегания оказания влияния на скорости на семена, необходимо чтобы конус поднимался со скоростью 0,1 м/с и без ускорения [14].
На рисунке 6 представлен процесс подъема цилиндрического конуса.
Рисунок 6 – Процесс подъема цилиндрического конуса
Размер семян люцерны сортов Сарга и Вега и козлятника восточного варьируется в пределах 0,85 до 1,5 мм диаметре. Моделирование осуществлялось с частицами с диаметром от 0,85 до 1,5 мм, в равном соотношении [1, 15].
Основные параметры модели представлены в таблице 2 [1].
Таблица 2 – Параметры, использованные при моделировании
|
Показатель |
Частицы |
Границы |
|
Размер частиц |
От 0,85 до 1,5 мм |
|
|
Коэффициент статистического трения |
0,2 |
0,2 |
|
Коэффициент динамического трения |
0,2 |
0,2 |
|
Модуль Юнга |
1,9*109 Па |
1,8*109 Па |
|
Плотность |
1366 кг/м3 |
1800 кг/м3 |
|
Коэффициент Пуассона |
- |
0,25 |
|
Поверхностная энергия |
1,38 J/m2 |
0,075 J/m2 |
Результат калибровки параметров Rocky DEM представлен на рисунке 7, где слева на рисунке диаграмма, с отображением размера частиц по цвету.
Рисунок 7 -Результат калибровки
График с углом естественного откоса представлен на рисунке 8.
Рисунок 8 – Угол естественного откоса (расчет осуществляется при помощи дополнительно подгружаемого скрипта)
В программном комплексе Rocky DEM осуществляется настройка и импорт 3D модели экспериментального скарификатора, параметры модели приняты согласно полученным данным калибровки из таблицы 2 [1].
На рисунке 9 представлен процесс моделирования движения частиц с углом конусного диска 120 градусов. Оптимальный параметр угла диска определяется при помощи модуля Normal Impact Velocity, который осуществляет сбор информации о движении и скорости частиц.
Было проведено моделирование движения частиц по конусному диску с углами 140 и 130 градусов, однако согласно симуляции частицы касаются абразивной поверхности лишь частично, остальная часть семян попросту не скарифицируются. По проведенному моделированию конусных углов 120 и 110 градусов, результаты модели показывают, что углы диска 120 и 110 отлично подойдут для скарификации семян, что позволит повысить их всхожесть и благодаря правильному расположению, поможет исключить повторную скарификацию во избежание полного разрушения оболочки семян бобовых культур [16].
Рисунок 9 – Процесс моделирования движения частиц в программном комплексе Rocky DEM
Также проведено моделирование движение семян с углом конусного диска 110 градусов, которое представлено на рисунке 10. Однако согласно рисунку, диаграмма показывает скорость удара частиц о абразивную поверхность, которая составила 6,7 м/с, средняя скорость около 4,5 м/с.
Рисунок 10 – Результаты моделирования для дисков с углом 100 градусов
Благодаря проведенным исследованиям, сконструировали экспериментальный скарификатор (рисунок 11) согласно схеме, представленной на рисунке 2.1, производительностью 300 кг/час [2].
Основные технические характеристики скарификатора:
- Производительность: 300 кг/час;
- Скорость вращения диска: регулируется от 73,3 до 157,7 рад/с;
- Диаметр диска: 240 мм
- Угол конусной поверхности: 100 град
- Диаметр абразивной поверхности: внешний: 600 мм; внутренний: 200 мм
Рисунок 11 – Запатентованный экспериментальный скарификатор семян
Семена козлятника восточного в ходе проведения производственных экспериментов скарифицировали и обработали биологическим препаратом на экспериментальном скарификаторе, определили качество скарификации и обработку семян биопрепаратом. Результаты проведенных исследований представлены на рисунке 12.
а) б)
Рисунок 12 – Пророщенные семена козлятника восточного на 14 день:
а) скарифицированные и обработанные биопрепратом на экспериментальном скарификаторе семян; б) без обработки (контроль)
Чтобы определить всхожесть семян, скарифицированные и обработанные биопрепаратом семена проращивали, оценивали путем определения размеров проростков и лабораторной всхожести семян. На фильтрованной бумаге, предварительно смоченной дистиллированной водой осуществлялось проращивание семян. Семена козлятника восточного оставляли на 14 дней в темное место при комнатной температуре на тарелках, затем определили всхожесть [2,17].
Выводы. В исследовании рассмотрели устройство запатентованного экспериментального скарификатора семян бобовых культур, проанализировали теоретическую основу движения семян по конусной поверхности, описали способ определения угла естественного откоса и изучили принцип работы программного комплекса Rocky DEM в основе которого заложен метод дискретных элементов. Осуществили лабораторные исследования по определению угла естественного откоса семян люцерны (сортов Сарга и Вега) угол которых составил 21,6 и 23,9 соответственно, семян козлятника восточного с углом 23,4 градуса.
Создали 3D модель устройства по определению угла естественного откоса в программе AutoCAD, затем импортировали его в формате. stl в программу Rocky DEM. Откалибровав параметры программного комплекса Rocky DEM и путем подбора оптимальных коэффициентов, представленных в таблице 2, мы получили адекватную математическую модель. Виртуальная модель по определению угла естественного состояла из 220 тысяч частиц, размерами от 0,85 до 1,5 мм, разной формы, которые максимально приближенны к форме семян люцерны посевной. При исследовании выявлены основные закономерности, оказывающие влияние на угол естественного откоса, при создании виртуальной модели, важными параметрами являются:
- Поверхностная энергия;
- Размер семян;
- Коэффициент Пуассона;
- Модуль Юнга;
- Коэффициенты статистического трения;
- Коэффициент динамического трения.
Результат исследования, позволил смоделировать движение частиц на экспериментальном скарификаторе, в ходе моделирования определили оптимальный угол конусного диска, который составил 110 градусов, позволяющий повысить качество скарификации семян и тем самым увеличив их всхожесть.
Создана конструкция скарифицирующего органа, провели производственные эксперименты, в ходе которых определили качество обработки и всхожесть семян козлятника восточного на экспериментальном скарификаторе.
