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.
