сотрудник
, Россия
сотрудник
, Россия
сотрудник
, Россия
сотрудник
Россия
Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
Важную роль при производстве ранней продукции картофеля играет проращивание семенных клубней и последующая механизированная их посадка. В виду более жестких требований к процессу посадки пророщенных клубней использование автоматических сажалок при выращивании раннего картофеля ограничено. В такой ситуации удовлетворить все агротехнические требования можно путем их совершенствования для посадки в полуавтоматическом режиме. С этой целью картофелесажалка с элеваторным высаживающим аппаратом снабжается реверсивным механизмом, который позволяет сократить длину пути движения клубней и уменьшить высоту их падения при сходе с ложечек. Однако эти изменения могут ухудшить равномерность раскладки клубней на дне борозды. Для решения такой проблемы разработана конструкция специального удлинителя кожуха клубнепровода, изогнутого по радиусу на 80…90°, позволяющая снизить отклонение равномерности посадки клубней от среднего значения в 1,5 раза. В последующих теоретических исследованиях установлены основные параметры движения клубней (абсолютная скорость, время падения, перемещение в горизонтальной плоскости) и получено аналитическое выражение, с использованием которого можно рассчитать расстояния между клубнями на уровне дна борозды. Это уравнение полиномиальной функции второй степени, которое служит математической моделью раскладывания клубней борозде высаживающим аппаратом при несовпадении направления его вращения с движения сажалки. По результатам расчетов, проведенных по установленной зависимости, оптимальное распределение клубней в посадочной борозде достигается при посадке картофеля средней фракции (40…55 мм) со скоростью движения сажалки 1,5 км/ч. При этом показатель надежности процесса посадки – коэффициент равномерности распределения клубней – составляет 85,8 %, что соответствует агротехническим требованиям
картофелесажалка, высаживающий аппарат, динамическая система, пророщенные клубни, равномерность посадки, математическая модель, надежность процесса
Картофель занимает важное место в структуре сельскохозяйственной продукции в нашей стране и имеет важное продовольственное значение. Однако спрос на этот вид продукции в ранние сроки, особенно в июне и июле, удовлетворяется недостаточно. Основные причины низкой урожайности молодого картофеля – нарушения агротехники возделывания, а именно, неправильный выбор посадочного материала, несовершенная предпосадочная подготовка семенных клубней, несвоевременная и некачественная посадка и др. При этом даже в неблагоприятных условиях можно добиться увеличения производства продукции путем грамотного использования современных технологий возделывания, которые обеспечивают экономию по таким статьям затрат как горюче-смазочные материалы, удобрения, оплата труда [1, 2].
Проращивание клубней картофеля – старейший прием подготовки посадочного материала. При его проведении под влиянием тепла и света ускоряется деятельность ферментов в клубнях и создается повышенная концентрация питательных веществ в зоне расположения глазков. Это в значительной мере стимулирует прорастание почек и дальнейшее развитие ростков [3, 4]. На практике применяют различные способы проращивания клубней, которые различаются между собой режимом, продолжительностью и эффективностью.
Один из приемов, ускоряющих появление всходов и последующее развитие картофеля с гарантированным урожаем, – комбинированное проращивание семенных клубней перед посадкой. Суть этого способа заключается в следующем. На начальном этапе проводят предварительное световое проращивание клубней в течение 15…20 дней при температуре 12…15 °С до появления ростков длиной 3…5 мм. Затем обволакивают клубни, предварительно смоченные клеящим крахмальным клейстером, торфоминеральной питательной смесью и подвергают световому проращиванию на протяжении 8…10 дней при температуре 15…25 °С. К завершению этого периода образуются ростки длиной 15…20 мм со сформированной корневой системой внутри оболочки. Такое комбинированное проращивание значительному ускоряет появление всходов [5].
Экспериментальные исследования отечественных [6, 7] и зарубежных [8, 9] ученых показали, что прочность ростков зависит от следующих основных факторов: размеры и сортовые особенности картофеля; способ проращивания; манипуляции с клубнями. На основании результатов испытания прочности ростков, с учетом допустимых усилий, исключающих их обламывание, было установлено, что расчетная высота падения пророщенных клубней не должна превышать 200 мм [10].
Для производства ранней продукции картофеля, кроме предпосадочного проращивания клубней, немаловажную роль играет механизированная посадка. При этом обеспечение ее надежности при использовании пророщенных клубней имеет важное практическое значение. С развитием технологий предпосадочного проращивания клубней изменились требования к посадочным машинам, в частности, применительно к повреждению ростков – их обламывание должно составлять не более 17 %. Существующие картофелесажалки не в полной мере удовлетворяют предъявляемым требованиям. По этой причине их проектирование и модернизация требует комплексного решения технических, биологических и технологических проблем [11].
В современных условиях для АПК актуальна концепция создания многовариантной техники, адаптируемой к изменяющимся производственным и агротехническим условиям [12]. В виду небольшого разнообразия отечественных машин для посадки пророщенного картофеля актуальное направление развития техники для посадки – модернизация путем расширения технологических возможностей. При этом повышение качественных показателей работы картофелесажалок возможно путем совершенствования высаживающих аппаратов. Решение проблемы возможно путем переоборудования таких машин для посадки в полуавтоматическом режиме. С этой целью автоматическую картофелесажалку с элеваторным высаживающим аппаратом необходимо снабдить реверсивным механизмом для изменения направления движения ложечек и ручной укладки пророщенных клубней сажальщиками. Это позволяет сократить длину пути движения клубней в высаживающем аппарате и уменьшить высоту их падения при сходе с ложечек. Однако одновременно возможно изменение равномерности раскладки клубней на уровне дна борозды, что связано со сменой параметров движения клубней в высаживающем аппарате и посадочной борозде.
В связи с изложенным основная цель исследований – обеспечение равномерности посадки пророщенных клубней модернизированной сажалкой элеваторного типа в полуавтоматическом режиме. Для ее достижения решали следующие задачи:
выявить основные факторы, влияющие на равномерность посадки;
определить изменение абсолютной скорости клубня при разных направлениях вращения высаживающего аппарата;
установить оптимальную точку сброса клубней, которая минимизирует влияние их изменчивости на равномерность посадки высаживающим аппаратом при обратном его вращении;
получить аналитическую зависимость, описывающую модель рабочего процесса полуавтоматической картофелесажалки, для оценки равномерности посадки.
Условия, материалы и методы исследований. При теоретических изысканиях картофелесажалка была представлена в виде сложной технической системы, основная цель которой – преобразование входных воздействий на выходные процессы, характеризующие качество технологического процесса. Функционирование полуавтоматической сажалками с высаживающими аппаратами элеваторного типа, как системы, должно обеспечить надежность процесса посадки, которая оценивается отсутствием повреждений ростков клубня и равномерностью раскладки картофеля на уровне дна борозды.
Методика исследований предусматривала изыскание теоретических предпосылок увеличения надежности процесса формирования равномерности посадки элеваторным высаживающим аппаратом. Теоретические исследования выполняли с использованием основных положений законов и методов теоретической механики и математики. Обработку результатов расчетов и экспериментов проводили на персональном компьютере с использованием стандартных программ и приложений Microsoft Office и STATISTICA ver. 10.
Анализ и обсуждение результаты исследований. Согласно ГОСТ 28309-2018, один из основных показателей надежности и качества выполнения технологического процесса посадки полуавтоматической картофелесажалкой – равномерность посадки клубней PП(t), которую можно представить в виде функции: где – изменчивость размера клубней, м;
– скорость движения сажалки, м/с;
– высота падения клубней из вы-
саживающего аппарата, м;
– плотность дна борозды, г/см3;
– скольжение опорно-приводных
колес (при соблюдении агротехнических условий возделывания в основном будет определяться коэффициентом скольжения колес по почве).
Эта функция устанавливает зависимость неравномерного распределения клубней в борозде картофелесажалкой от следующих основных факторов: различия размеров и формы клубней; высота падения; плотность почвы;
скорость движения агрегата; скольжение колес машины.
На равномерность расстояния между клубнями картофеля при раскладке в борозде в значительной степени влияет траектория движения клубня с ложечкой высаживающего аппарата. Мы рассмотрели ее для двух вариантов: совпадение (рисунок 1, а) и несовпадение (рисунок 1, б) направления движения высаживающего аппарата с направлением движения машины. При этом перемещение ложечки по клубнепроводу будет характеризоваться поступательным движением, а при нахождении ее на ведущей звездочке в момент сбрасывания клубня – вращательным движением.
В результате теоретических изысканий по установлению движения клубня, как материальной точки [13], было выявлено, что абсолютная скорость клубня в момент схождения с ложечки высаживающего аппарата будет минимальной при совпадении направления движений высаживающего аппарата и картофелесажалки. В таком случае достигается наименьшее смещение клубней один относительно другого на уровне дна борозды. Абсолютная скорость движения клубня при этом будет определяться выражением:
(2)
где VM – скорость движения картофелесажалки, м/с;
– коэффициент, характери-
зующий режим работы аппарата;
V0 – окружная скорость ложечки, при ее движении по ведущей звездочке высаживающего аппарата, м/с;
γ – угол поворота ложечки, град.
Однако реализация указанного наиболее предпочтительного варианта направления движения высаживающего аппарата при посадке пророщенного картофеля повышает вероятность повреждения ростков из-за увеличения длины пути движения клубней и их опрокидывания на предыдущую ложечку. По этой причине более целесообразно использовать траекторию движения высаживающего аппарата несовпадающую с направлением движения сажалки. Для этого его необходимо снабдить реверсивным механизмом, что позволит сократить длину пути клубня и гарантированно обеспечит мягкую его укладку в посадочную борозду, благодаря снижению высоты падения. Однако процесс формирования равномерности посадки элеваторным высаживающим аппаратом станет еще важнее, так как на нее будет влиять изменчивость размеров клубней. Воздействие этого фактора в конструкции серийной сажалки минимизировано в результате наклона клубнепровода на 110…120º, относительно горизонтальной оси ведущей звездочки высаживающего аппарата. При работе сажалки в полуавтоматическом режиме с обратным движением высаживающего аппарата вертикальный клубнепровод не может снизить влияние различия размеров клубней на равномерность их распределения в посадочной борозде. В связи с этим был рассмотрен процесс сбрасывания клубней высаживающим аппаратом в зависимости от их размеров (рисунок 2).
Согласно рассматриваемой схеме мелкие клубни размером В1 начинают свободно падать в борозду при положении ложечки в точке С, а крупные размером В2 – в точке D. В этих точках ложечки будут повернуты, относительно горизонтальной плоскости оси вращения ведущей звездочки аппарата, соответственно на угол α и β. Изменчивость размеров клубней DВ, поступающих в высаживающий аппарат из питательного бункера, при этом можно выразить уравнением:
(3)
где R – радиус вращения конца ложечки в момент нахождения на ведущей звездочке, мм.
При этом зависимость разности углов
(β – α) как функция от изменчивости размеров клубней (DВ) будет определяться выражением:
(4)
С целью уменьшения влияния размеров клубней на равномерность посадки в рассматриваемой схеме используем новый конструктивный параметр А1 (рисунок 2, б), характеризующий точку сброса клубней, при котором влияние их размеров будет минимальным. В этом случае величина углов будет выражаться разностью (β1- α1) которая будет определять изменение расстояния DS между клубнями в борозде:
(5)
где i – передаточное число от обода колеса к высаживающему аппарату;
r – радиус ведущей звездочки высаживающего аппарата, мм.
Предложенная ранее модернизация конструкции элеваторного аппарата путем дополнения специальным удлинителем кожуха клубнепровода, изогнутого по радиусу на 80…90°, позволит снизить отклонение клубней от среднего значения шага посадки в 1,5 раза [10].
Рассмотрим процесс посадки пророщенных клубней полуавтоматической картофелесажалкой с предлагаемыми изменениями в виде статической модели (рисунок 3), реализующей два этапа: создание потока клубней и их сбрасывание высаживающим аппаратом; преобразование потока клубней и их фиксация системой конечного взаимодействия (почва дна борозды).
Согласно приведенной модели клубень, находящийся на ложечке высаживающего аппарата, перемещается из точки О1 в точку О2 и начинает свободно падать. При этом картофелесажалка пройдет путь VM ∙ tγ, а ложечка повернется на угол γ. Одновременно позиция точки О2 будет определять наиболее выгодную точку сбрасывания клубня, характеризующую высоту падения. За время падения клубня высаживающий аппарат пройдет путь VM ∙ tпад и точка сбрасывания О2 переместится в новое положение О2/. Такое перемещение клубня в горизонтальной плоскости Хпад будет описывать траекторию движения от точки сброса до точки укладки в борозде. В итоге конечное положение клубня, без учета его перекатывания по дну борозды, будет характеризовать точка п1. Таким образом, процесс посадки модернизированным высаживающим аппаратом, в части формирования потока клубней и их раскладки на уровне дна борозды, будет характеризоваться рядом интервалов, определяемым уравнением:
(6)
где tγ – промежуток времени на перемещение клубня от О1 до О2, с;
tпад – время падения клубня, с;
R1 – радиус вращения клубня в высаживающем аппарате, м;
ω – угловая скорость, с-1.
По результатам проведенных теоретических исследований можно отметить, что надежность процесса посадки пророщенного картофеля полуавтоматической сажалкой PП(t) в основном зависит от изменчивости размеров клубней, характеризуемой радиусом R1 их вращения, а также от скорости движения сажалки и высоты падения клубней. Эти факторы определяют величину Di потока клубней, фиксируемых почвой посадочной борозды.
При этом высота падения клубня характеризуется точкой его сбрасывания О2 (рисунок 3) и будет определяется:
В модернизированном высаживающем аппарате клубень начинает свободно падать при величине угол γ, относительно горизонтальной плоскости оси шестерни, который равен:
Время падения клубня при этом составит:
Из этого следует, что величина высоты падения клубня будет зависеть главным образом от размера (диаметра) клубня и времени его падения.
Для оценки надежности процесса посадки модернизируемой картофелесажалки, с учетом конструктивных и технологических характеристик, был спланирован полный двухфакторный эксперимент первого порядка, с выделением наиболее значимых факторов: X1 – скорость движения сажалки VM = 1…2 км/ч;
X2 – размеры клубней dK= 30…75 мм. Их числовые величины были закодированы: нижний (–1) и верхний (+1) уровень.
В результате оптимизации конструктивных и технологических параметров полуавтоматической сажалки по критерию минимального отклонения от шага посадки была получена математическая модель рабочего процесса посадки следующего вида:
(7)
Ее достоверность определяли с использованием критерия Фишера, на основании которого с вероятностью 0,95 можно утверждать, что уравнение адекватно описывает исследуемый процесс, и математическую модель можно принять для оценки результатов эксперимента.
Анализ графика поверхности отклика (рисунок 4), устанавливающего влияние скорости движения сажалки и размеров клубней на расстояние между клубнями на уровне дна борозды, свидетельствует, что оптимум функции достигается при посадке клубней средней фракции (40…55 мм) со скоростью движения сажалки 1,5 км/ч. При этом показатель надежности процесса посадки – коэффициент равномерности распределения клубней составляет 85,8 %, что соответствует агротехническим требованиям.
Выводы. На основании проведенных исследований технологического процесса полуавтоматической картофелесажалкой подтверждено влияние скорости машины и изменчивости размеров клубней на равномерность посадки. Влияние высоты падения на равномерность распределения клубней в посадочной борозде минимизировано путем установления оптимальной точки их сбрасывания модернизированным высаживающим аппаратом. При этом рабочий процесс высаживающего аппарата по формированию равномерной посадки представлен в виде математической модели, описывающей интервалы Di между клубнями. Анализ зависимости, характеризующей распределения клубней в посадочной борозде при несовпадении направления вращения высаживающего аппарата и движения сажалки, показал, что оно оптимально при посадке картофеля средней фракции (40…55 мм) и скорости движения сажалки 1,5 км/ч. При этом коэффициент равномерности распределения клубней составляет 85,8 %, что соответствует агротехническим требованиям.
1. Старовойтов В.И. Высокоточные технологии возделывания картофеля / В. И. Старовойтов, Е. А. Симаков, Б. В. Анисимов и др. М.: РАСХН, 2011. 50 с.
2. Патент 2286666 РФ, МПК А 01 G 1/00. Способ возделывания картофеля / Старовойтов В. И. Черников В. И., Холстинин А. Ю. и др., заявл. 24.02.2005; опубл. 10.11.2006.
3. Старовойтов В.И., Молчанова Е.Я., Старовойтова О.А. Технология выращивания раннего картофеля для дачных и фермерских хозяйств // Картофелеводство. Материалы научно-практической конференции. М.: ВНИИКХ, 2017. С. 217-221.
4. Самаркин А.А., Шашкаров Л.Г., Григорьев Я.М. Структура, качество продукции и товарность урожая в зависимости от проращивания и провяливания клубней картофеля перед посадкой и расчетных доз удобрений // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2016. Т. 11. №4 (42). С. 44-48.
5. Патент 2624960 РФ, МПК А 01 С 1/06. Способ предпосадочного проращивания клубней картофеля / Семенов А.В., Михайлов Б.В., Доброхотов Ю.Н., заявл. 29.03.2016; опубл. 11.07.2017, Бюл. №20.
6. Большаков Н.Ф. Исследование повреждаемости ростков яровизированного картофеля в бункере сажалки // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 1971. №5. С. 168-172.
7. Колесников Н.С. Повреждаемость ростков яровизированного картофеля сажалками элеваторного типа и ее влияние на его урожайность // Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции. Материалы международной науч. - практ. конференции. 2014. С. 336-340.
8. Shardina G.E, Karpov M.V. Justification kinematical parameters spoon-belt apparatus are planted // Scientific Review. 2011. №4. P. 117-121.
9. Rykaczewcka K. Effect of physiological age of mother tubers and desprouting befor planting on plant development and yield of early cultivars. Bulletin of Plant Breeding and Institute. Warsaw, 2000. №. 209. S. 97-110.
10. Гаврилов В.Н. Исследование физико-механических свойств ростков клубней и совершенствование картофелесажалки для пророщенного картофеля: дис. … канд. с.-х. наук. М., 2004. 133 с.
11. Kalimullin M. Improvement of potato cultivation technology / M. Kalimullin, R. Abdrakhmanov, R. Andreev etc // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/346/1/012017/pdf (дата обращения: 18.05.2020).
12. Алатырев С.С., Мишин П.В., Алатырев А.С. Новый капустоуборочный комбайн // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2018. Т. 13. №1 (48). С. 102-107.
13. Гаврилов В.Н., Семенов А.В., Новиков А.М. Процесс формирования равномерности посадки полуавтоматической картофелесажалкой // Вестник Чувашской государственной сельскохозяйственной академии. 2019. № 2 (9). С. 74-80.
