Необходимость разработки специализированных машин и оборудования для лабораторных и полевых исследований по селекции картофеля связана с тем, что методика селекционного процессов и первых этапов семеноводства предусматривает сравнение множества растений различного происхождения и отбор лучших для дальнейшей работы вплоть до создания нового сорта или передачи семян на размножение в производственных условиях. Большая вариативность машин для выгрузки овощных культур и картофеля не обеспечивает в должной мере исключение повреждения продукции овощных культур и картофеля, что связано с несовершенством конструкции таких машин, в том числе с несовершенством или отсутствием закономерностей автоматизированного контроля технологического процесса работы и обоснования параметров их рабочих органов. Цель исследования – обоснование параметров транспортера для выгрузки овощных культур и картофеля в хранилище и определение закономерностей формирования управляющего сигнала передаточной функции автоматического регулирования работы. Мощность, необходимая для передвижения подборщика зависит от максимального напорного усилия внедрения заборного элемента в насыпь, массы подборщика и коэффициентов сопротивления качения ходовых колес подборщика и транспортных секций. Длина выгрузного транспортера машины определяется резервной зоной для предупреждения наезда колес на клубни, максимальным их перепадом в насыпи, высотой слоя, а также углом наклона выгрузного транспортера. Ширина ленты транспортера для выгрузки продукции из хранилища определяется значениями коэффициента трения корнеплодов о поверхность ленты, коэффициентом использования рабочего времени и поступательной скорости движения ленты транспортера. После удаления обрушившейся массы клубней линия откосов осыпания и предельного равновесия представляют собой прямую, характеризующаяся эмпирическим уравнением определения координат точки обрушения клубней, высоты слоя клубней и коэффициента обрушения насыпи. При внедрении в поверхность насыпи клубней питателя образование откосов происходит в четыре этапа: образование естественного откоса, откоса предельного равновесия, откоса осыпания и откоса обрушения продукции.
загрузка, хранение, картофель, овощные культуры, теоретические исследования, обоснование параметров
Введение. Операции загрузки, перегрузки и послеуборочной обработки – одни из наиболее трудоемких во всем цикле производства овощных культур и картофеля. Разнообразие типов погрузочных машин делает необходимым выявление наиболее перспективных средств, способных эффективно работать в условиях крестьянско-фермерских хозяйств и небольших площадей хранилищ [1, 2, 3].
При выгрузки хранилища важно следить за перемещением стрелы погрузчика в горизонтальной плоскости во избежание повреждения продукции при взаимодействии с поверхностью соударения [4, 5]. Результаты анализа комплекса машин, используемых для производства посадочного материала овощных культур и картофеля показал высокую потребность в разработке и освоении систем автоматизированного контроля на базе технологий машинного зрения и роботизированных комплексов, направленных на проведение операций по закладке на хранение и выгрузке из хранилищ семенного материала [6, 7, 8].
Цель исследований – обоснование параметров транспортера для выгрузки овощных культур и картофеля в хранилище и получение закономерности формирования управляющего сигнала передаточной функции автоматического регулирования технологического процесса работы таких машин.
Условия, материалы и методы. При проведении исследований использовали методы системного анализа и синтеза, физического моделирования, основанные на принципах математической статистики, численные методы решения аналитических зависимостей, методы классической механики – основные положения теории разрушения, механики грунтов. Одна из специфических особенностей машин для выгрузки овощных культур и картофеля из хранилищ состоит в том, что их рабочая зона, габаритные размеры, а также размеры отдельных элементов значительно больше, чем у машин для загрузки, из-за ограничений, связанных с объемно-планировочными решениями хранилищ. Минимальная повреждаемость клубней при работе подборщика обеспечивается путем уменьшения перемещения клубней под воздействием питателя по его элементам и по части насыпи [9, 10, 11]. Следовательно, для выполнения условия минимального повреждения продукции при работе транспортера для выгрузки продукции овощных культур и картофеля из хранилища. необходимо определить закономерности функционирования рабочих элементов транспортера с обоснованием параметров и режимов его работы.
Результаты и обсуждение. Скорость движения подборщика при работе [10]:
νп = (0,02 … 0,06) ∙ Qп / B, (1)
где Qп – производительность подборщика, кг/с;
B – ширина захвата питателя, м.
Для обеспечения расчетной производительности погрузчика должно выполняться условие:
Qпtц≤MCP1, (2)
где tц – длительность цикла работы подборщика, ч;
MCP1 – средняя вместимость транспортных средств, т.
Производительность загрузочных механизмов должна быть увязана с потоком поступающих клубней:
Qп = λ MCP1 / kопт , (3)
где λ – среднее число машин, поступающих к одному загрузочному механизму, шт./ч;
MCP – средняя масса партии клубней автомашины, т/маш.;
kопт – коэффициент использования рабочего времени загрузочного механизма.
Независимо от конструкции питателя при заборе корнеплодов и клубней картофеля из насыпи ходовая система подборщика должна развивать определенное напорное усилие РН, обеспечивающее внедрении заборного рабочего органа в насыпь клубней на соответствующую глубину.
Для работы подборщика необходимо соблюдение условия:
РН / РBН = 1,2…2,0 (4)
где РBН – усилие сопротивления внедрению питателя в насыпь клубней, Н.
Выполнение условия (4) связано с оптимальным соотношением мощности, необходимой для передвижения подборщика, напорным усилием внедрения заборного рабочего органа в насыпь клубней, а также усилием сопротивления внедрению питателя.
Мощность, необходимая для передвижения подборщика вместе с системой транспортеров во время его работы определяется из выражения:
NДВ = νпkд / 102𝜂 (PHmax+mпgfп+Σmтрgfтр), (5)
где νп – скорость внедрения, м/с;
kд – коэффициент, учитывающий динамические факторы при внедрении подборщика, kд = 1,2…2,0;
𝜂 – КПД ходовой трансмиссии машины;
PHmax – максимальное напорное усилие, Н;
mп – масса подборщика, кг;
mтр – масса транспортерных секций, кг;
fп, fтр – коэффициенты сопротивлению качения ходовых колес подборщика и транспортных секций.
Рис. 1 – Схема к расчету длины транспортера для выгрузки хранилища:
1 – лемех подпорный; 2 – транспортер подающий; 3 – датчик инерционный;
4 – ролик обводной; νм – поступательная скорость движения транспортера для загрузки, м/с; lm – вылет выгрузного транспортера от оси колеса, м; lp – резервная зона для предупреждения наезда колес загрузочной машины на клубни, м; hп – максимальный перепад клубней (hп≤0,03), м; hk – конструктивная высота, м; Нсл – высота слоя, м; 𝜑 – угол наклона насыпи клубней, град; α – угол наклона транспортера относительно горизонта, град; lвт – длина выгрузного транспортера загрузчика, м.
Длину выгрузного транспортера загрузчика (рис. 1) можно определить по следующей формуле:
lвт = [(lm - lp)tg 𝜑+ hп - hk] / sin α, (6)
где lm – вылет выгрузного транспортера от оси колеса, м;
lp – резервная зона для предупреждения наезда колес загрузочной машины на клубни, м;
hп – максимальный перепад клубней (hп≤0,03), м;
hk – конструктивная высота, м;
Нсл – высота слоя, м;
𝜑 – угол наклона насыпи клубней, град;
α – угол наклона транспортера относительно горизонта, град.
Изменение толщины слоя на выходе из подающего транспортера измеряется спустя некоторое время τ1 [12], которое равно интервалу перемещения массы клубней от начала транспортера до чувствительного элемента датчика [13].
Относительное изменение толщины слоя xh2(t) в точке установки чувствительного элемента датчика в первом приближении можно определить с использованием соотношения:
xh2(t) = xh1(t - τ) +f2(t), (7)
где f2(t) – возмущающая функция, учитывающая изменение формы слоя в процессе транспортирования продукта от носка приемного транспортера к датчику;
xh1 – относительное изменение толщины слоя в месте установки чувствительного элемента датчика на входе из подающего транспортера, м;
τ – время изменения толщины слоя на выходе из подающего транспортера, с; t – время изменения толщины слоя на выходе из питателя корнеплодов, с.
В соответствии с выражением (7) передаточную функцию выгрузного транспортера как звена системы автоматического регулирования технологического процесса работы машины для выгрузки овощных культур и картофеля по воздействию xh1 можно записать следующим образом:
WT (p) = e-pτ . (8)
где p – комплексная переменная Лапласа.
На основании соотношения (8) передаточная функция по управляющему воздействию xh1 транспортера для загрузки хранилища как объекта в системе автоматического регулирования толщины слоя будет равна:
WT(p) = xh2(p) / xs(p) = (k1K1 / T2p + 1) e-pτ . (9)
где xs – относительное изменение толщины слоя в месте установки чувствительного элемента датчика на питателе корнеплодов, м;
K1 – кинематический режим работы транспортера;
T2 – время передачи элементарного объема продукции с поверхности транспортера в хранилище, с.
Ширина ленты транспортера для выгрузки продукции из хранилища определяется по выражению:
BT = Vxpk1 / (220 k3fг νл k2), (10)
где Vxp – вместимость хранилища, м³;
k1 – коэффициент неравномерности загрузки хранилища;
k3 – коэффициент заполнения;
fг – коэффициент трения корнеплодов о поверхность ленты;
νл – поступательная скорость движения ленты, м/с;
k2 – коэффициент использования рабочего времени.
Машины, работающие на выгрузке продукта из хранилищ [10, 12], выполняют две операции: забирают и транспортируют его. Рассмотрим процессы, происходящие в массе продукта при заборе, и рабочие органы, которые их осуществляют.
|
VМ |
Рис. 2 – Возникновение откосов в насыпи клубней при внедрении в нее питателя по поверхности основания: I – естественный откос; II – откос предельного равновесия; III – откос осыпания; IV – откос обрушения; νм – поступательная скорость движения транспортера для загрузки, м/с;
𝜑 – угол наклона насыпи клубней, град; 𝜑ос – угол естественного откоса насыпи клубней, град; γ – угол откоса равновесия насыпи клубней, град; Н – высота слоя клубней, м.
Для снижения повреждений клубней и энергоемкости процесса рабочий орган должен забирать клубни с пола хранилища. При заборе клубней из подошвы насыпи высотой Н и поверхностью естественного откоса I с углом наклона φ в насыпи образуется откос II предельного равновесия γ (рис. 2). После удаления обрушившейся массы клубней обнажается поверхность откоса III обрушения переменной кривизны с пологой нижней частью, углом у основания 𝜑ос и почти отвесной верхней частью. Линии откосов осыпания и предельного равновесия представляют собой прямую. Линия откоса обрушения характеризуется эмпирическим уравнением:
xi = γi / (tgα0 – kγ2i). (11)
где xi и γi – координаты точки обрушения клубней, м.
Первоначально рабочий орган внедряется в насыпь до образования откоса предельного равновесия. На этом этапе путь внедрения l1 можно рассчитать по формуле:
l1 = H (ctg 𝜑ос – ctg𝜑), (12)
где H – высота слоя клубней, м.
Объем выгрузки клубней будет равен:
V1 = l1H (B/2 +H/3tg𝜑), (13)
где B – ширина захвата рабочего органа питателя, м;
H – высота слоя клубней, м.
Далее рабочий орган внедряется в откос предельного равновесия. При его обрушении рабочий орган останавливается и выбирает осыпавшиеся клубни [14]. Затем движение вновь возобновляется и продолжается до образования нового предельного равновесия, при этом путь внедрения можно рассчитать следующим образом:
l2 = xi – γi /tg𝜑, (14)
где xi, γi – координаты точки касания кривой обрушения и линии откоса предельного равновесия клубней в насыпи, м.
Объем выгрузки при перемещении транспортера на пути l2:
V2 = H l2 (B+H/tg𝜑). (15)
Полный объем выгрузки за цикл работы от обрушения до обрушения:
VΣ = V1 + V2. (16)
VΣ = Vоб / kоб, (17)
где Vоб – объем части насыпи, обрушившейся при выгрузке, м³;
kоб – коэффициент обрушения, kоб = 0,5…0,75.
Выводы. Результаты проведенных исследований позволили установить, что независимо от конструкции питателя при заборе корнеплодов и клубней картофеля из насыпи ходовая система подборщика должна развивать определенное напорное усилие PH в диапазоне значения коэффициента динамического фактора 1,2…2,0 между мощностью, необходимой для передвижения подборщика и усилием сопротивления внедрению питателя в насыпь клубней.
Определена передаточная функция по управляющему воздействию транспортера как объекта в системе автоматического регулирования толщины слоя клубней, учитывающая 
кинематический режим работы транспортера для выгрузки и время передачи элементарного объема продукции с поверхности транспортера из хранилища
Установлены закономерности определения передаточной функции по управляющему воздействию транспортера для выгрузки хранилища, учитывающие физико-механические свойства продукции и технологические параметры машины, а также фазы образования откосов в насыпи клубней при внедрении в их поверхность питателя, включающие четыре этапа: образование естественного откоса, откоса предельного равновесия, откоса осыпания и откоса обрушения продукции.
Изменение формы слоя насыпи клубней картофеля в процессе транспортирования продукции зависит от кинематического режима работы транспортера, его длины и определяется максимальным перепадом клубней в насыпи, высотой слоя, а также углом наклона выгрузного транспортера. Ширина ленты транспортера для выгрузки продукции из хранилища определяется значениями коэффициента трения корнеплодов о поверхность ленты, коэффициента использования рабочего времени и поступательной скорости движения ленты транспортера.
После удаления обрушившейся массы клубней линия откосов осыпания и предельного равновесия представляют собой прямую, характеризующуюся эмпирическим уравнением определения координат точки обрушения клубней, высоты слоя клубней и коэффициента обрушения насыпи kоб = 0,5…0,75.
1. Калинин А. Б., Теплинский И. З., Кудрявцев П. П. Почвенное состояние в интенсивной технологии // Картофель и овощи. 2016. № 2. С. 35-36.
2. Современные технологии и специальная техника для картофелеводства / А. Ю. Измайлов, Н. Н. Колчин, Я. П. Лобачевский и др. // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2015. № 3. С. 43 - 47.
3. Комбикормовый цех для сельскохозяйственного предприятия / П. А. Савиных, Ю. В. Сычугов, В. А. Казаков и др. // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2018. № 6. С. 131-137.
4. Интенсивные машинные технологии, роботизированная техника и цифровые системы для производства основных групп сельскохозяйственной продукции / Ю. Ф. Лачуга, А. Ю. Измайлов, Я. П. Лобачевский и др. // Техника и оборудование для села. 2018. №7. С. 2-7.
5. Селекции и семеноводству картофеля необходима механизация / А. Г. Пономарев, Н. Н. Колчин, В. Н. Зернов и др. // Картофель и овощи. 2017. №3. С. 22-24.
6. Особенности взаимодействия винтового рыхлителя с почвой / И.С. Мухаметшин, А. Р. Валиев, А. В. Алешкин и др. // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2018. № 4. С. 50-57.
7. Design optimization and experiment on potato haulm cutter / J. Q. Lü, Q. Q. Shang, Y. Yang, et al. // Transactions of the CSAM. 2016. Vol. 47. No. 5. Р.106-114.
8. Evaluation of Comparative Field Studies for Root and Onion Harvester with Variable Angle Conveyor / A.S. Dorokhov, A.G. Aksenov, A.V. Sibirev, et al. // Agriculture. 2023. Vol. 13. Р. 572 - 591.
9. Mendoza F., Lu R., Cen H. Grading of apples based on firmness and soluble solids content using Vis/SWNIR spectroscopy and spectral scattering techniques // Journal of Food Engineering. 2014. Vol. 125. P. 59-68.
10. Выбор и обоснование параметров экологического состояния агроэкосистемы для мониторинга технологических процессов возделывания сельскохозяйственных культур / А. Б. Калинин, В. А. Смелик, И. З. Теплинский и др. // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2015. № 39. С. 315-319.
11. Лобачевский Я.П., Ценч Ю.С. Принципы формирования систем машин и технологий для комплексной механизации и автоматизации технологических процессов в растениеводстве. Сельскохозяйственные машины и технологии. 2022. Т. 16. № 4. С. 4-12. doi:https://doi.org/10.22314/2073-7599-2022-16-4-4-12. EDN IDJFYV
12. Лобачевский Я.П., Дорохов А.С. Цифровые технологии и роботизированные технические средства для сельского хозяйства. Сельскохозяйственные машины и технологии. 2021. Т. 15. №. 4. С. 6-10. doi:https://doi.org/10.22314/2073-7599-2021-15-4-6-10
13. Сабиров Р. Ф., Валиев А. Р., Мухамадьяров Ф. Ф. Обоснование конструктивно-технологических параметров устройства для обработки семян биопрепаратами // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2021. Т. 16. № 3(63). С. 84-89. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2021-84-89.
14. Актуальные проблемы и приоритетные направления развития картофелеводства / А. В. Коршунов, Е. А. Симаков, Ю. Н. Лысенко и др. // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 3. С. 12-20. doi:https://doi.org/10.24411/0235-2451-2018-10303.
