Взаимосвязь характеристик повреждаемости клубней с параметрами технического состояния сельскохозяйственной техники в процессе производства картофеля

Основная особенность сельскохозяйственной продукции состоит в том, что длительное время в ней происходят сложные биологические процессы (дыхание, дозревание, испарение влаги т.д.), от характера и интенсивности которых зависят качество и ее сохранность.

Картофель является одной из важнейших сельскохозяйственных культур. Это объясняется тем, что в настоящее время его производят почти в 140 странах мира (Россия занимает 3-е место) [1] на площади в 20 млн. га, с которой собирают свыше 320 млн. тонн клубней ежегодно.

Производство картофеля весьма трудоемкий и продолжительный процесс. Уборочные работы занимают 45−70% от общих трудозатрат и требуют достаточно широкого спектра технических средств. Но важно не только как убрать выращенную культуру с поля, но и доставить в пункт назначения, выполнить это с соблюдением строгих норм агротехнических требований. Так для картофелеуборочных комбайнов существуют три показателя, превышение которых приводит к параметрическому отказу техники по параметрам качества продукции:

• 1) Потери. Картофелеуборочный комбайн должен выкапывать, отделять клубни от почвы, ботвы и прочих примесей и выдавать чистые клубни. Потери всех видов (оставлено на поверхности, оставлено в почве, не оторвано от ботвы и т. д.) не должны превышать 3% (но не более 6 ц/га);
• 2) Чистота клубней в таре (не менее 80%);
• 3) Повреждение клубней. При работе комбайна на легких, средних и засоренных камнями почвах (при температуре почвы не ниже +5 єС) повреждение клубней не должно превышать 10%, а на переувлажненных тяжелых почвах — 5%.

Приведем требования, предъявляемые к сельскохозяйственной технике при проведении уборочно-транспортных работ (табл.1−3) [2].

Таблица 1.

Требования по качеству производимой продукции, предъявляемые к машинам для уборки картофеля.

*- На тяжелых почвах Таблица 2.

Требования по качеству производимой продукции, предъявляемые к автомобилям сельскохозяйственного назначения.

*- Для транспортно — технологических операций.

Таблица 3.

Требования по качеству производимой продукции, предъявляемые к прицепам и полуприцепам.

Повреждение клубней может вызываться воздействием на них динамических и статических нагрузок. Различают следующие виды повреждений: внешние и внутренние. К внешним будут относиться порезанные, раздавленные, клубни, а так же с трещинами более 20 мм по хорде и содранной кожурой в сумме более чем с ¼ поверхности и т. д. К внутренним повреждениям — разрушение мякоти клубня. Причем каждый вид причиняемого ущерба клубню можно отнести к отдельному рабочему органу или их группе.

Так порезы на поверхности картофеля будут возникать при взаимодействии с острыми краями подкапывающих дисков и лемеха, раздавленные плоды — от действия на них комкодавителей, шнеков. Внутренние повреждения и трещины могут появляться при падениях и соударениях отдельных клубней и будут зависеть от упругости элементов грузов и поверхности, с которой соударяется или соприкасается продукт, крупности единицы продукта, его объемной массы, высоты падения (табл. 4).

Таблица 4.

Ориентировочные данные о допустимой высоте сбрасывания картофеля [3].

При слабых ушибах, повреждающих ткани на глубину 5−12 мм, или небольшом сдавливании клубней повреждение не оказывает решающего влияния на лежкость картофеля. Однако это снижает качество столового и семенного картофеля. При более сильных повреждениях картофель часто становится непригодным для продовольственных целей. Поврежденные клубни скорее прорастают, что также отрицательно сказывается на их семенных качествах [3].

На примере комбайна КПК 2−01 определим возможные участки возникновения повреждения клубней. Здесь, ожидаемыми источниками возникновения механических повреждений являются перепады с третьего элеватора на пальчатую горку, с пальчатой горки на подъемный транспортер (при падении клубня картофеля с высоты 150 мм и выше о жесткую поверхность возможны появления трещин на корнеплоде), а так же из-за соударения с другими падающими клубнями, комьями и т. д. (сила соприкосновения доходит до 160 Н) [4]. Последними источниками повреждения служат падения картофеля с переборочного стола в бункер и при последующей выгрузке в транспортное средство. Зависимость повреждаемости картофеля от высоты падения и массы клубней изучалась многими исследователями. Результаты имеются в работах Н. И. Верещагина, М. Е. Мацепуро, В. С. Митрофанова и др. [5,6].

Рассмотрим вероятностный способ определения количества повреждения клубней.

Повреждения клубней при контактном воздействии можно представить как вероятность сложного события, равную произведению вероятностей: контакта с рабочим органом клубня определенного размера, ориентации клубня в момент контакта и превышения допустимого параметра нагружения при контакте.

(1).

где — повреждения клубней, которые определяются при расчете или задаются агротехническими требованиями на данный процесс, %;

— коэффициент пропорциональности, учитывающий степень приближения геометрической модели клубня к действительным клубням картофеля;

— вероятность падения на поверхность рабочего органа клубня определенного размера;

— вероятность контакта клубня с повреждающей частью рабочего органа, которая зависит от рассматриваемого процесса и конструкции рабочего органа;

— вероятность превышения предела прочности и ориентация клубня в момент контакта.

Повреждения в этом случае есть отношение количества (или массы) клубней, получивших одно повреждение, к общему количеству (или массы) клубней. При многократном взаимодействии клубней с рабочим органом возможно, т. е. клубни могут получить больше одного повреждения.

Как явствует из приведенных выше формул предельный допустимый параметр нагружения (например, высота сбрасывания) есть функция размера клубня. В общем виде, .

Если в пределах изменения аргумента предельный параметр нагружения выше действующего, то вероятность повреждения равна нулю. В том случае, когда для некоторого размера предельный параметр равен или меньше действующего (), появляется вероятность повреждения клубней, начиная с размера. При взаимодействии клубней с рабочим органом возможно бесконечное множество вариантов ориентации клубней. Но нам известны функции только для шести равновероятных вариантов ориентации. Обозначим эти варианты индексом. Количество равновероятных вариантов ориентации клубней, для которых известны функции обозначим через .

Обозначим индексом те варианты ориентации клубня из равновероятных вариантов, при которых возможны повреждения. Заметим, что .

Для определения вероятности падения на рабочий орган клубней определенных размеров P1 при ориентации j можно записать в виде:

(2).

где — критический параметр клубня при данной ориентации ;

— границы размеров фракции;

— функция распределения клубней по размеру;

Для несортированного картофеля это — функция нормального распределения.

Вероятность можно выразить при помощи нормированных функций распределения Лапласа.

(3).

где — функция Лапласа (табличные);

— среднее квадратичное отклонение размера .

Данные о величине у приводит Н. Н. Колчин [7]. Если испытываются фракции с равномерным по размеру распределением клубней, то формула получает более простой вид:

(4).

В опытах по испытанию определенных размеров клубней. Пределы изменения следующие:. Это означает, что при. Для вероятности контакта клубня с рабочим органом запишем.

(5).

где — площадь поверхности рабочего органа способная вызвать повреждения картофеля;

— полная площадь рабочего органа.

Очевидно, если клубни взаимодействуют с плоской поверхностью, то .

Вероятность превышения предельного параметра нагружения есть отношение разности действующего и предельного параметров к действующему параметру. Для размера и варианта ориентации запишем:

(6).

где — величина превышения допустимого параметра нагружения (например, высота сбрасывания).

Выражение для повреждаемости при ориентации клубней перепишем в виде:

(7).

Суммарную повреждаемость определим как среднюю арифметическую из значений повреждаемости для всех равновероятных вариантов ориентации клубней:

(8).

В опытах по изучению повреждаемости клубней определенного размера. Тогда с учетом.

(9).

Для случая изучения повреждения клубней по фракциям с границами и при равномерном распределении клубней по размеру внутри фракции общая формула получает вид.

(10).

В рамках научно-исследовательской работы учеными Рязанского ГАТУ разработан целый ряд рабочих органов и машин для повышения качества и надежности уборочно-транспортного технологического процесса в картофелеводстве. Их применение в зависимости от почвенно-климатических условий района или конкретного хозяйства позволяет существенно повысить агротехнические показатели всего процесса в различных погодных условиях.

Применительно для рассматриваемого картофелеуборочного комбайна возможна установка устройств, повышающих эффективность технологического процесса таких как: сепарирующая горка с лопастным отбойным валиком [8]; сепарирующая горка, снабженная механизмом угловых колебаний в вертикальной плоскости относительно шарнира подвески и кинематически связанным с ним стабилизатором колебаний [9]; интенсификаторы сепарации [10]. Для транспортировки продукции с поля возможно применение усовершенствованного самосвального кузова тракторного прицепа 2ПТС-4 [11], а так же усовершенствованного тракторного прицепа 2 ПТС-4 с устройством стабилизации положения кузова транспортного средства [12], основным элементом которого является группа комбинированных упругих элементов, состоящих из двух пружин разной жесткости, охватывающих одна другую и имеющих разную высоту (высота пружины меньшей жесткости большей высоты пружины большей жесткости).

При изучении влияния скорости вертикальных и горизонтальных колебаний грузовой платформы транспортного агрегата на уровень повреждений продукции при транспортировке было установлено, что применение устройства стабилизации положения кузова транспортного средства с разработанной нами группой комбинированных упругих элементов различной жесткости позволяет снизить повреждения картофеля по сравнению с серийным вариантом на всех нагрузочных режимах. При максимально допустимой скорости движения транспортного поезда 24,4 км/ч это сокращение это составляет около 18,1% [13].

Для расширения диапазона применения сельскохозяйственной техники существует возможность регулировки отдельных устройств и техники в целом под определенные почвенно-климатические условия. Так, к примеру, на переувлажненных тяжелых типах почв присуще чрезмерное загрязнение вороха, а на почвах с недостаточным увлажнением — количество поврежденного картофеля. Своевременное проведение ТО сельскохозяйственной техники позволяет снизить повреждения перевозимой сельскохозяйственной продукции на всех этапах технологического процесса ее производства. Применение усовершенствованных устройств на серийных моделях в совокупности с оптимальной регулировкой картофелеуборочной техники способно снизить эти показатели до уровня нормативных агротехнологических требований.

Применение данных разработок в серийно выпускаемых моделях позволит расширить диапазон внешних условий для применения картофелеуборочных комбайнов в технологии машинной уборке картофеля.

• 1. Электронный ресурс. Сервер статистики FAOSTAT: http://faostat.fao.org/site/339/default.aspx (дата обращения: 06.09.2011).
• 2. Агротехнические требования на тракторы и сельскохозяйственные

машины. Т.22, 1976 г.; т. 23, 1978 г.; т. 25, 1979 г.; т. 26−29, 1981 г.; т. 30−31, 1982 г.; т. 33,35, 1983 г.; т. 36, 1985 г.; т. 37, 1986 г.; т. 38, 1987 г.

• 3. Измайлов А. Ю. Технологии и технические решения по повышению эффективности транспортных систем АПК. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. С. 200.
• 4. Верещагин Н. И. Пути уменьшения повреждаемости картофеля при машинной уборке./ Материалы Всесоюзного совещания «Основные направления совершенствования конструкции машин для возделывания и уборки картофеля». ОНТИ, ВИСХОМ, -М. 1974, с. 120−126.
• 5. Мацепуро М. Е. Технологические основы механизации уборки картофеля. Минск, 1959. С. 297.
• 6. Митрофанов В. С. Изучение физико-механических свойств картофеля. «Физико-механические свойства сельскохозяйственных растений как основание для проектирования сельскохозяйственных машин» ВИСХОМ. М., 1939. с. 174−196.
• 7. Колчин Н. Н. Комплексы машин и оборудования для послеуборочной обработки картофеля и овощей. М.; Машиностроение, 1982. С. 268.
• 8. Патент № 95 960, RU, М.кл.2 А 01 D 33/08 Устройство для отделения корнеклубнеплодов от примесей / Безносюк Р. В., Бышов Н. В., Борычев С. Н., Успенский И. А., Рембалович Г. К. Опубл. 20.07.2010, бюл. № 20.
• 9. Патент № 2 399 191, RU, М.кл.2 А 01 D 33/08 Устройство для отделения корнеклубнеплодов от примесей / Бышов Н. В., Борычев С. Н., Бойко А. И., Рембалович Г. К. Опубл. 24.02.2009, бюл. № 26.
• 10. Заявка на изобретение № 2 009 125 943, RU, М.кл.2 А 01 D 33/08 Сепарирующее устройство корнеклубнеуборочной машины / Рязанов Н. А., Успенский И. А., Рембалович Г. К. и др. от 07.06.2009.
• 11. Патент № 105 233, RU, М.кл.2 А 01 D 91/02 Самосвальный кузов транспортного средства для перевозки легкоповреждаемой сельскохозяйственной продукции / Булатов Е. П., Успенский И. А., Юхин И. А., Рембалович Г. К., Кокорев Г. Д. Опубл. 10.06.2011, бюл. № 16.
• 12. Патент № 81 152, RU, U1B62D 37/00 Устройство для стабилизации положения транспортного средства / Минякин С. В., Успенский И. А., Юхин И. А. и др. Опубл. 10.03.2009, бюл. № 7.
• 13. Юхин И. А. Устройство для сохранения прямолинейности движения транспортного средства / Юхин И. А., Аникин Н. В., Кокорев Г. Д., Успенский И. А. // Нива Поволжья. Май 2010. № 2(15). С. 48−50.