The Results of Field Tests of an Onion Set Harvesting Machine Equipped with a Shaker Arrangement Asymmetrical Bar Elevator

Full Text

Введение

В машинной технологии возделывания и уборки корнеплодов и лука одним из важнейших показателей качества, определяющих длительность хранения корнеплодов, является наличие в закладываемом на хранение ворохе почвенных и растительных примесей [1; 2].

Достижение заданных агротехнических требований обеспечивается при предельно допустимых жестких режимах работы комкоразрушающих и просевающих сепарирующих устройств машин для уборки корнеплодов и лука с целью разрушения непроходовых почвенных комков и приводит к повышенным повреждениям и потерям сепарируемой продукции.

Невозможность отделения почвенных комков из вороха корнеплодов и лука обусловлена тем, что на большинстве уборочных машин применяют щелевые сепарирующие рабочие органы, при этом межпрутковое расстояние сепарирующего транспортера с целью исключения потерь корнеплодов выполнено меньше минимального размера сепарируемого корнеплода, что приводит к невозможности их очистки на сепарирующих рабочих органах уборочных машин, а следовательно, к травмированию значительной части товарной продукции и потерям при хранении значительной части выращенного урожая.

Отсутствие и недостаточная эффективность способов решения проблемы отделения почвенных комков от товарной продукции корнеплодов и лука на сепарирующих рабочих органах уборочных машин как в первой, так и во второй фазе уборки приводит к широкому применению ручного труда на операции послеуборочной доработки, что увеличивает себестоимость производства продукции.

В результате проведенного анализа технологий и технических средств машинной уборки корнеплодов и лука выявлены основные способы и средства, способствующие снижению количества почвенных комков в товарной продукции корнеплодов и лука при их машинной уборке и имеющие свои положительные стороны и недостатки.

Качественные показатели уборки определяются тем, насколько качественно выполнены предыдущие технологические операции.

При уборке лука очень важно поддерживать почву во взрыхленном состоянии в связи с тем, что применяемые на сепарации щелевые рабочие органы не способны отделить почвенные примеси от луковиц, так как он имеет небольшие размеры, что затрудняет сепарацию почвенных примесей [3–5].

Выявленные недостатки известных способов и технических средств снижения содержания почвенных примесей в товарной продукции корнеплодов и лука не дают оснований исключать их из практики исследовательской работы и считать пройденным этапом.

Однако следует сделать вывод о том, что современные технологии и технические средства уборки корнеплодов и лука не способны обеспечить получение качественной товарной продукции при минимальных трудозатратах, что обусловлено отставанием или отсутствием в разработке технологических основ, технологий и рабочих органов уборки корнеплодов и лука, а также метода контроля режимно-технологических показателей работы как в целом уборочной машины, так и ее рабочих органов, оказывающих определяющее влияние на качественные свойства корнеплодов и лука.

Следовательно, разработка и исследование технологий и технических средств уборки корнеплодов и лука, обеспечивающих получение качественной товарной продукции при минимальных трудозатратах (отделение корнеплодов от соизмеримых почвенных комков), представляет научную проблему, решение которой будет способствовать инновационному развитию внутреннего рынка сельскохозяйственной продукции, устойчивому положения России на внешнем рынке и обеспечит переход к высокопродуктивному производству сельскохозяйственной продукции в результате:

– повышения производительности труда;

– повышения качества продукции;

– снижения себестоимости производства и обеспечения населения России ценной продовольственной продукцией.

Обзор литературы

Известна машина для уборки корнеплодов с устройством сепарации от почвенно-растительных примесей, выполненным в виде пруткового элеватора (рис. 1), который установлен под углом 10 градусов к горизонту для достижения вертикального подъема сепарируемой продукции на высоту 0,26 м для улучшения очистки [6].

 

 

 

 

Рис. 1. Общий вид машины для уборки корнеплодов

Fig. 1. General view of a machine for harvesting root crops

 

Рабочая скорость полотна пруткового элеватора составляет 2,5 м/с, что приводит при взаимодействии с различными видами встряхивателей к силовому воздействию на обрабатываемый ворох корнеплодов и, следовательно, к повреждению продукции.

Известна конструкция роторного сепарирующего устройства отделения корнеплодов, клубней и луковиц от почвенных примесей [7].

Рабочая поверхность данного сепарирующего устройства выполнена по спирали, образованной стальными прутками диаметром 9 мм с целью исключения потерь через щелевые отверстия между смежными прутками с расстоянием меньше минимального размера убираемого корнеплода (рис. 2).

 

 

 

Рис. 2. Общий вид роторного сепарирующего устройства

Fig. 2.General view of the rotary separating device

 

 

Крепление прутков на сепарируемом роторе осуществляется установкой последних на обечайке ротора, общий вид которой представлен на рисунке 3.

 

 

 

 

Рис. 3. Общий вид обечайки роторного сепарирующего устройства

Fig. 3. General view of the shell rotor separating device

 

 

Результаты исследований разработанного сепарирующего устройства при значении установленных технологических параметров свидетельствуют о том, что процент механических повреждений клубней картофеля составляет около 4 %, что не соответствует современным требованиям качественных показателей уборки по повреждениям (не более 2 %).

Наличие данных повреждений обусловлено воздействием на клубни картофеля вертикальной составляющей силы тяжести и силы трения клубней о поверхность стальных прутков [8].

Известна комбинированная система очистки корнеплодов от механических примесей уборочной машины (рис. 4), состоящая из сочетания подающего конвейера 1, фрикционной горки 2, эллиптической щелевой поверхности, образуемой батареей эллиптических роликов 3 с нанесенным резиновым покрытием 4, закрепленных на приводном валу 5 и расположенных по образующим 6 и 7 винтовой поверхности [9; 10].

 

 

 

 

Рис. 4. Схема комбинированной системы очистки корнеплодов: 1 – конвейер подающий;
2 – горка фрикционная; 3 – батарея эллиптических роликов; 4 – покрытие роликов;
5, 8 – валы приводные; 6, 7 – образующая винтовой поверхности;  9 – барабан; 10 – упругие элементы

 

Fig. 4. Scheme of the combined root cleaning system: 1 – feeding conveyor; 2 – friction slide; 3 – battery of elliptical rollers;

4 – roller cover; 5, 8 – drive shafts; 6, 7 – screw surface; 9 – drum; 10 – elastic elements

 

 

Для интенсификации очистки корнеплодов на эллиптической щелевой поверхности в конструкции сепарирующей системы на приводном валу 8 размещен барабан 9 с упругими элементами 10.

Материалы и методы

Результаты исследований в области механизации технологических процессов уборки различных видов корнеклубнеплодов и лука позволили разработать сепарирующий прутковый элеватор с асимметричным расположением встряхивателей, изображенный на рисунке 5 [11].

 

 

 

Рис. 5. Схема сепарирующего пруткового элеватора с асимметричным расположением встряхивателей:

1 – рама; 2 – прутковый элеватор; 3 – ведущий ролик; 4 – ведомый ролик; 5 – поддерживающий ролик; 6 – встряхиватель

 

Fig. 5. Scheme of separating rod elevator with asymmetrical arrangement of shakers: 1 – frame;
2 – bar elevator; 3 – driving roller; 4 – driven roller; 5 – support roller; 6 – shaker

 

 

Результаты проведенных исследований пруткового элеватора с асимметричным расположением встряхивателей в лабораторных условиях позволили определить факторы и интервалы их варьирования, оказывающие определяющее влияние на качественные показатели работы исследуемого устройства для очистки корнеклубнеплодов и луковиц от почвенно-растительных примесей.

Согласно лабораторным исследованиям известно, что максимальная полнота сепарации вороха лука-севка составляет 98 % при поступательной скорости движения полотна пруткового элеватора v_эл= 1,55…1,68 м/с, подаче вороха лука-севка Q_Вп = 19,7…27,1 кг/с и межосевого расстояния между пассивным эллиптическим встряхивателем и поддерживающим роликом находится в пределах S = 0,29…0,42 м [12].

С целью подтверждения влияния исследуемых факторов и определенных уровней их варьирования на качественные показатели уборки лука-севка в полевых условиях были проведены исследования машины для его уборки, оснащенной прутковым элеватором с асимметричным расположением встряхивателей. Исследования проводились в соответствии с методикой СТО АИСТ 8.7-2013¹.

При определении качественных показателей сепарации определялись следующие показатели:

– повреждения луковиц лука-севка (1);

– полнота сепарации вороха лука-севка (2).

Повреждения луковиц определяли по формуле:

 $П=\frac{G_{ПОВ}}{G_{СТ}-G_{ПОВ}}\cdot \text{100\%},$       (1)

где G_ПОВ − масса поврежденных стандартных луковиц в ворохе, кг; G_СТ − масса сепарируемых луковиц в ворохе, кг.

Полноту сепарации вороха лука-севка определяли по формуле:

 $v=\frac{v_{П}^{И}-v_{П}^{К}}{v_{П}^{И}}\cdot 100\text{\%}\text{,}$           (2)

где $v_{П}^{И}$  − масса почвенных примесей в исходном ворохе, кг;  $v_{П}^{К}$ − масса почвенных примесей в контейнере (невыделенные примеси), кг.

Для оценки качества выполнения технологического процесса уборки лука были проведены исследования качественных показателей работы машины для уборки лука-севка на полях ЗАО «Озёры» (Московская обл.).

Из проведенного анализа и оценки качества работы машин для уборки луковиц следует, что обеспечить требуемую чистоту сходового вороха для закладки на хранение при возделывании лука-севка в условиях по прямоточной технологии невозможно.

 

 

 

Рис. 6. Общий вид вороха лука-севка, поступающего на послеуборочную обработку

Fig. 6. General view of a heap of onion sets delivered to post-harvest processing

 

 

Процент поврежденных луковиц, потерь и наличия почвенных примесей, даже при установке рекомендуемых режимов, значительно превышает агротехнические требования, что подтверждает общий вид вороха лука-севка, поступающий на послеуборочную обработку.

Определение фракционного состава вороха лука-севка, поступающего на послеуборочную обработку, позволило выявить повышенное содержание почвенных примесей в ворохе до 75 %, что затрудняет функционирование сепарирующих органов при последующих операциях послеуборочной обработки и при взаимодействии луковиц с твердыми почвенными комками приводит к увеличению повреждений луковиц и к значительным потерям товарной продукции при хранении.

Результаты определения фракционного состава комков почвы в ворохе лука-севка обрабатывались на электронно-вычислительной машине (ЭВМ) и представлены в виде гистограммы, изображенной на рисунке 7. Они подтверждают невозможность отделения почвенных комков от луковиц лука-севка на сепарирующих рабочих органах уборочных машин в связи с тем, что щелевое расстояние между прутками выполнено меньше минимального размера корнеплода, выделение соизмеримых почвенных комков на щелевых рабочих органах (прутковые транспортеры и грохоты) невозможно.

 

 

 

Рис. 7. Размерно-массовая характеристика комков почвы в ворохе лука-севка

Fig. 7. Dimensional mass characteristic of soil lumps in a heap onion sets

 

 

Полевые исследования сепарирующего пруткового элеватора с асимметричным расположением встряхивателей машины для уборки лука проводились на полях ЗАО «Озёры» (Московская обл.) в 2017 г. на уборке лука сорта «Штутгартер Ризен».

Результаты исследования

Методика проведения лабораторно-полевых исследований машины для уборки лука-севка, оснащенной прутковым элеватором с асимметричным расположением встряхивателей, заключается в следующем.

При проведении исследований сепарирующего пруткового элеватора с асимметрично установленными эллиптическим встряхивателем и поддерживающим роликом, установленного на самоходном комбайне «Amac-ZM2», определялись физико-механические свойства почвы, а также определялись показатели качества сепарации вороха лука-севка. Почва на выбранном для проведения исследований участке – среднесуглинистый чернозем, рельеф поля ровный, контур поля близкий к прямоугольной форме, длина гона 350 м.

При определении оптимального значения исследуемого фактора при производственных исследованиях остальные факторы оставались неизменными: равными оптимальным значениям, определенным при лабораторно-полевых исследованиях.

В процессе производственных исследований пруткового элеватора с асимметрично установленными эллиптическим встряхивателем и поддерживающим роликом технологические параметры устанавливались в интервале значений, полученных при лабораторных исследованиях, а именно: межосевое расстояние S₅ в пределах 0,34…0,42 м с интервалом варьирования 0,02 м. Поступательная скорость движения полотна пруткового элеватора v_ЭЛ изменялась в пределах от 1,0 м до 1,8 м/с с интервалом варьирования 0,2 м/с.

Исключение составляют лишь те факторы, оптимальные значения которых в лабораторно-полевых условиях исследовать не удалось, к числу данных факторов принадлежат глубина погружения в почву подкапывающего лемеха h_Л и поступательная скорость движения машины для подбора лука-севка из валков v_К.

Кроме того, с целью исследования влияния величины подачи Q_Вэл вороха лука-севка на качество сепарации пруткового элеватора с асимметрично установленными эллиптическим встряхивателем и поддерживающим роликом изменялись поступательная скорость движения машины для уборки лука-севка v_П, а также глубина погружения подкапывающего лемеха в почву h_Л.

Поступательная скорость движения машины для подбора лука-севка v_К изменялась в пределах от 1,0 до 1,8 м/с с интервалом варьирования в 0,2 м/с; глубина погружения подкапывающего лемеха в почву h_Л изменялась в интервале 0,02…0,06 м с шагом варьирования 0,01 м.

При определении оптимальной скорости движения машины  для подбора лука-севка v_К глубина погружения подкапывающего лемеха в почву h_Л устанавливалась в пределах 0,02 м, согласно исследованиям К. З. Кухмазова², Н. П. Ларюшина³, А. М. Ларюшина [13], А. А. Протасова [4], Э. С. Рейнгарта [14; 15], В. А. Хвостова⁴ [16].

Качество работы пруткового элеватора с асимметрично установленными эллиптическим встряхивателем и поддерживающим роликом определялось следующим образом.

В начале учетной делянки при безостановочном движении самоходного комбайна 1 (рис. 8) по сигналу под сепарирующий прутковый элеватор подставляли брезент, в который собиралась вся убранная масса.

 

 

 

Рис. 8. Общий вид уборочного агрегата для подбора лука-севка из валков в работе,
оснащенного прутковым элеватором с асимметричным расположением встряхивателей:
1 – комбайн самоходный «Amac-ZM2»; 2 – автомобиль «КамАЗ 4539»

Fig. 8. General view of the harvesting unit for the selection of onion sets from rolls in operation,
equipped with a rod-type elevator with an asymmetric arrangement of shakers:
1 – Amac-ZM2 combine; 2 – KamAZ 4539 truck

 

 

В процессе прохождения делянки за комбайном разматывался брезент, на который попадал ворох после сепарации. Далее производился отбор проб с поверхности брезента со всей территории учетной делянки. При этом определялся фракционный состав вороха, в котором учитывались: луковицы, свободная почва и почва, связанная с луковицами.

Исследование технологического процесса работы пруткового элеватора с асимметрично установленными эллиптическим встряхивателем и поддерживающим роликом в лабораторно-полевых условиях проводилось при варьировании факторов в следующих пределах:

– поступательная скорость движения полотна пруткового элеватора v_ЭЛ = 1,55…1,67 м/с;

– межосевое расстояние между эллиптическим встряхивателем и поддерживающим роликом S₅ = 0,23…0,42 м.

Результаты исследований поступательной скорости движения пруткового элеватора v_ЭЛ с асимметричным расположением эллиптического встряхивателя и поддерживающего ролика (рис. 9) на качественные показатели уборки в производственных условиях свидетельствуют о том, что оптимальное значение исследуемого фактора соответствует значению 1,6 м/с при полноте сепарации 98,5 % и повреждении продукции 2,3 %.

 

 

 

Рис. 9. Зависимость полноты сепарации ν, %, и повреждений луковиц лука-севка П, %, сепарирующего

пруткового элеватора с асимметрично установленными эллиптическим встряхивателем и

поддерживающим роликом от поступательной скорости движения полотна пруткового элеватора v_ЭЛ

 

Fig. 9. The dependence of the completeness of separation ν,%, and damage to onions sets P, %,
of separating bar elevator with asymmetrically mounted elliptical shaker and support roller on the
translational speed of the movement of the bar of the elevator v_ЭЛ

 

 

Соотношение качественных показателей (ν и П) уборки лука-севка и поступательной скоростью v_ЭЛ определяется корреляционной зависимостью, которая выражается уравнением параболических функций:

$\left\{\begin{array}{c}v=\mathrm{92,38}+\mathrm{2,08}\cdot v_{ЭЛ}+\mathrm{0,15}\cdot v_{ЭЛ}^2,\\ П=\mathrm{1,04}+\mathrm{0,12}\cdot v_{ЭЛ}+\mathrm{0,04}\cdot v_{ЭЛ}^2.\end{array}\right.$  (3)

Корреляционная связь между качественными показателями уборки лука-севка (полнотой сепарации ν, %, и повреждениями луковиц лука-севка П, %) и межосевого расстояния S₅ между эллиптическим встряхивателем и поддерживающим роликом выражается уравнением:

$\left\{\begin{array}{c}v=\mathrm{99,94}-\mathrm{1,84}\cdot S_5+\mathrm{0,15}\cdot S_5^2, \\ П=\mathrm{1,04}+\mathrm{0,12}\cdot S_5+\mathrm{0,04}\cdot S_5^2. \end{array}\right.$  (4)

Оптимальное значение межосевого расстояния S₅ между эллиптическим встряхивателем и поддерживающим роликом согласно графику, представленному на рисунке 8, находится в интервале значений 0,36–0,4 м при полноте сепарации 97,0–97,2 % и повреждениями луковиц лука-севка 1,65–1,68 %.

Увеличение данного параметра пруткового элеватора приводит к ухудшению качественных показателей работы.

 

 

 

Рис. 10. Зависимость полноты сепарации ν, %, и повреждений луковиц лука-севка П, %,
пруткового элеватора с асимметрично установленными эллиптическим встряхивателем и поддерживающим

роликом от межосевого расстояния между эллиптическим встряхивателем и поддерживающим роликом S₅

 

Fig. 10. The dependence of the quality of separation ν, %, and damage to onion sets P, %, bar elevator
with an asymmetrically mounted elliptical shaker and support roller on the center distance between the
elliptical shaker and support roller S₅

 

 

Корреляционная связь между качественными показателями технологического процесса работы машины для уборки лука-севка, оснащенной прутковым элеватором с асимметрично установленными эллиптическим встряхивателем и поддерживающим роликом, от глубины h_Л погружения подкапывающего лемеха в почву выражается уравнением параболических функций:

 $\left\{\begin{array}{c}v=\mathrm{100,76}-\mathrm{2,74}\cdot h_{Л}+\mathrm{0,31}\cdot h_{Л}^2,\\ П=\mathrm{2,88}-\mathrm{0,04}\cdot h_{Л}+\mathrm{0,04}\cdot h_{Л}^2. \end{array}\right.$ (5)

Анализируя график (рис. 11), можно сказать, что высокое качество сепарации вороха лука-севка более 98 % обеспечивается при глубине подкапывания лемеха 0,02 м, при увеличении глубины подкапывания полнота сепарации вороха лука-севка значительно снижается.

 

 

 

Рис. 11. Зависимость полноты сепарации ν, %, и повреждений луковиц лука-севка П, %, сепарирующего

пруткового элеватора с асимметрично установленными эллиптическим встряхивателем и

поддерживающим роликом от глубины погружения подкапывающего лемеха в почву h_Л

 

Fig. 11. The dependence of the quality of separation ν, %, and damage to onions onion sets P, %,
of the separating bar elevator with asymmetrically mounted elliptical shaker and support roller
on the depth of the immerging plowshare immersed in the soil h_L

 

 

Данное обстоятельство объясняется повышением относительно оптимальной подачи вороха лука-севка, определенной в лабораторных условиях для исследуемого пруткового элеватора.

Наименьшие показатели повреждения луковиц лука-севка (менее 2,5 %) достигаются при наибольшей глубине подкапывания подкапывающего лемеха в почву 0,06 м/с, что объясняется наличием почвенной прослойки между прутками элеватора и сепарируемой продукцией лука.

Обсуждение и заключение

Результаты проведенных производственных исследований машины для подбора лука-севка, оснащенной прутковым элеватором с асимметрично установленными эллиптическим встряхивателем и поддерживающим роликом, показали качественное выполнение технологического процесса сепарации вороха лука-севка при оптимальных значениях параметров:

– межосевое расстояние S₅ между эллиптическим встряхивателем и поддерживающим роликом 0,36–0,4 м при полноте сепарации 97,0–97,2 % и повреждениями луковиц лука-севка 1,65–1,68 %;

– поступательная скорость v_ЭЛ движения пруткового элеватора с асимметричным расположением эллиптического встряхивателя и поддерживающего ролика 1,6 м/с при полноте сепарации 98,5 % и повреждении продукции 1,3 %;

– глубина подкапывания h_Л подкапывающего лемеха равна 0,02 м при полноте сепарации вороха лука-севка более 98 % и повреждении продукции менее 1,5 %.

 

 

¹           СТО АИСТ 8.7-2013. Испытания сельскохозяйственной техники. Машины для уборки овощ­ных и бахчевых культур. Методы оценки функциональных показателей. URL: http://docs.cntd.ru/ document/555625983 (дата обращения: 27.02.2020).

²           Ларюшин Н. П., Кухмазов К. З. Теоретические и экспериментальные исследования битерного теребильного аппарата на выкопке лука: монография. Пенза: Полиграфист, 1996. 320 с.

³           Там же.

⁴           Хвостов В. А., Рейнгарт Э. С. Машины для уборки корнеплодов и лука (теория, конструкция, расчет). М., 1996. 350 с.

 

About the authors

Alexey V. Sibirev

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Author for correspondence.
Email: sibirev2011@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9442-2276
ResearcherId: M-6230-2016

Professor of RAS, Dr.Sci. (Engr.), Senior Researcher of the Department of Technology and Machines in Vegetable Production

Russian Federation, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Aleksey S. Dorokhov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: dorokhov@rgau-msha.ru
ORCID iD: 0000-0002-4758-3843
ResearcherId: H-4089-2018

Deputy Director on Scientific and Organizational Work, D.Sc. (Engineering),
Professor of Russian Academy of Sciences, Corresponding Member of RAS

Russian Federation, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Aleksandr G. Aksenov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: 1053vim@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9546-7695
ResearcherId: V-5572-2017

Head of Department of Technology and Machines in Vegetable Production, Ph.D. (Engineering)

Russian Federation, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

References

Supplementary files