Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы современного садоводства, цель и задачи исследований 20
1.1 Состояние садоводства России и перспективы развития питомниководства 20
1.2 Технология производства вегетативно размножаемых подвоев яблони 23
1.3 Механизация технологических операций в отводковом маточнике 30
1.4 Технические средства для работ в маточнике вегетативно размножаемых подвоев яблони 33
1.4.1 Механизация весеннего открытия маточных растений 33
1.4.2 Механизация окучивания отрастающих побегов вегетативно размножаемых подвоев яблони 37
1.4.3 Механизация ошмыгивания листьев с побегов клоновых подвоев 43
1.4.4 Механизация отделения отводков от маточных растений 50
1.4.5 Способы и технические средства автоматического направления сельскохозяйственных машин по рядам растений 59
1.5 Выводы. Цель и задачи исследований 63
2 Методология решения проблем выращивания вегетативно размножаемых подвоев яблони 67
2.1 Формирование проблематики и процедуры решения поставленных задач 67
2.2 Построение концептуальных моделей рабочих органов и технологических модулей для комплексной механизации выращивания вегетативно размножаемых подвоев 71
2.3 Выводы по главе 73
3 Моделирование технологических операций выращивания подвоев яблони 74
3.1 Технико-технологические требования выращивания вегетативно размножаемых подвоев 74
3.2 Математическое моделирование весеннего открытия маточника вегетативно размножаемых плодовых подвоев 76
3.2.1 Технологическая схема машины для весеннего открытия маточника 76
3.2.2 Теоретические исследования рабочего процесса и обоснование параметров машины 77
3.2.3 Моделирование процесса открытия маточных растений 87
3.3 Математическое моделирование процесса окучивания отрастающих побегов 89
3.3.1 Технологическая схема машины для окучивания вегетативно размножаемых растений в маточном поле 89
3.3.2 Теоретические исследования движения частицы по ножуфрезерного барабана 91
3.3.3 Моделирование процесса окучивания вегетативно размножаемых растений в маточном поле 96
3.4 Обоснование технологических параметров машины для ошмыгивания листьев 100
3.4.1 Технологическая схема машины для механической дефолиации 100
3.4.2 Теоретические исследования рабочего процесса и обоснование параметров машин для ошмыгивания листьев 101
3.4.3 Моделирование процесса ошмыгивания листьев 104
3.5 Обоснование технологических параметров машины для
отделения отводков от маточных растений вегетативно
размножаемых подвоев яблони 106
3.5.1 Технологическая схема машины для отделения отводков 106
3.5.2 Теоретические исследования рабочего процесса и
обоснование параметров машины для отделения отводков 107
3.5.3 Моделирование процесса схода побега с диска машины для отделения побегов подвоев яблони 115
3.6 Математическое моделирование системы автоматической ориентации машины 116
3.6.1 Принципиальная схема системы автоматического направления машины 116
3.6.2 Теоретические исследования делителя рабочей жидкости 119
3.6.3 Теоретические исследования копирующего устройства 121
3.6.4 Моделирование процесса ориентации рабочего органа над растением 127
3.7 Выводы по главе 130
4 Программа и методики экспериментальных исследований 134
4.1 Программа исследований 134
4.2 Методика проведения экспериментальных исследований 135
4.2.1 Методика определения параметров маточника клоновых подвоев яблони 135
4.2.2 Методика исследования конструктивных и технологических параметров агрегата для весеннего открытия маточника вегетативно размножаемых плодовых подвоев 139
4.2.3 Методика исследований технологических параметров работы агрегата для окучивания побегов вегетативно размножаемых подвоев 141
4.2.4 Исследование качественных показателей технологического процесса ошмыгивания листьев 144
4.2.5 Исследование конструкции режущего диска и скорости его вращения при отделении отводков 148
4.2.6 Методика исследования системы автоматической ориентации машины над рядом растений 150
4.3. Методика обработки и анализа научных данных 154
4.4 Выводы по главе 155
5. Результаты и анализ экспериментальных исследований 157
5.1 Физико-механические свойства отводков вегетативно размножаемых подвоев яблони 157
5.2 Исследования технологических модулей универсального комплекса для работы в маточниках 161
5.2.1 Исследования рабочих органов машины для весеннего открытия маточных растений
5.2.2 Результаты исследования машины для окучивания побегов
5.2.3 Исследования машины для ошмыгивания листьев
5.2.4 Результаты исследования машины для отделение отводков вегетативно размножаемых подвоев яблони
5.2.5 Результаты исследования системы автоматической ориентации над рядом маточных растений
5.3 Формирование конструктивной схемы универсального комплекса на основе блочно модульного формирования техники 183
5.4 Разработка технико-технологических требований универсального комплекса УКМ для работы в маточниках 188
5.5 Производственная проверка универсального комплекса УКМ для работы в маточнике вегетативно размножаемых подвоев яблони 210
5.5.1 Опытно-производственная проверка машины для весеннего открытия маточных растений 210
5.5.2 Технологический модуль для окучивания отрастающих побегов клоновых подвоев яблони 211
5.5.3 Производственная проверка машины для ошмыгивания листьев 213
5.5.4 Опытно-производственная проверка технологического модуля для отделения отводков 215
5.6 Выводы по главе 218
6 Экономическая эффективность и внедрение результатов исследований 221
6.1 Оценка эффективности применения универсального комплекса для работы в маточниках 221
6.2 Внедрение результатов исследований 225
6.3 Выводы по главе 227
Заключение 228
Список литературы
- Механизация технологических операций в отводковом маточнике
- Построение концептуальных моделей рабочих органов и технологических модулей для комплексной механизации выращивания вегетативно размножаемых подвоев
- Моделирование процесса открытия маточных растений
- Моделирование процесса схода побега с диска машины для отделения побегов подвоев яблони
Введение к работе
Актуальность проблемы. Стабильное получение высококачественных плодов в необходимых для России объемах возможно при интенсификации и индустриализации отрасли промышленного садоводства, а также значительного увеличения площадей закладки новых садов, что подтверждается рядом законодательных актов Правительства РФ и ведомственными программами развития садоводства и питомниководства. Важным аспектом решения поставленных задач является организация производства высококачественного посадочного материала.
Однако, на современном этапе, эффективное производство посадочного материала сдерживается крайне низким уровнем инженерного обеспечения. В настоящее время степень механизации трудоёмких процессов в отечественном садоводстве и питомниководстве составляет не более 15%. Используемая отечественная техника создана более 30 лет назад и морально устарела, имеет низкий технический уровень и не удовлетворяет требованиям технологизации и индустриализации современного садоводства.
В этих условиях разработка и внедрение инновационных машинных технологий промышленного садоводства и питомниководства является актуальной задачей.
Представленное исследование направленно на разработку научно-методических и практических основ комплексной механизации трудоёмких процессов в питомниководстве и непосредственно технологических операций выращивания вегетативно размножаемых подвоев яблони.
Работа выполнена в соответствии следующих планов и контрактов:
плана НИР ФГБОУ ВО «Мичуринский государственный аграрный университет» по теме «Разработка рациональных технологий производства и использования с.-х. сырья», входящей в число основных направлений научно-технической и инновационной деятельности, являющихся приоритетными для города Мичуринска-наукограда Российской Федерации, 2000–2005 гг., 2006 – 2010 гг. и 2011 – 2015гг.;
Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» на тему «Ресурсосбережение и экологическая безопасность индустриальных машинных технологий интенсивного садоводства» (ГК № 02.740.11.0741 от 12.04.2010 г.) в период с 2010 по 2012 гг. в Научно-образовательном центре ФГБОУ ВПО МичГАУ «Индустриальные машинные технологии интенсивного садоводства» (организованном приказом ректора за № 94-н от 20.11.2009 г.);
Государственных контрактов с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере: № 9306р/15115 от 30.05.2011 «Разработка машины для осеннего раскрытия корневой системы вегетативно размножаемых подвоев» (рег. №01.2012.63090); №11679р/17265 от 27.02.2012 г. «Исследования и разработки молодых ученых в областях сельского хозяйства, биотехнологии и машиностроения в аграрном секторе» на выполнение НИОКР по теме «Создание машины для отделения отводков клоновых подвоев
плодовых деревьев»; №5200ГУ1/2014 от 17.03.2015г. на выполнение НИОКР по теме «Разработка интеллектуальной следящей системы ориентации исполнительного органа для отделения отводков»;
- государственного контракта с Российским фондом фундаментальных
исследований №№15-4703126/15 от 26.05.2015 г. «Разработка научных
принципов информационно-технологического моделирования промышленного
садоводства в 3D +6D формате»;
- областных грантов для докторантов учреждений высшего
профессионального образования за постановлением администрации
Тамбовской области №1551 от 11.12.2012 г. и № 1479 от 16.12.2013 г.
Степень разработанности.
Агробиологическое, технологическое и организационное обеспечение выращивания посадочного материала плодовых и ягодных культур исследовано в работах А.А. Борисовой, В.И. Будаговского, Н.В. Верзилиной, Л.В. Григорьевой, И.М. Куликова, В.Г. Муханина, И.В. Муханина, В.А. Потапова , Г.П. Чимпоеша, D. Kviklys, B. Lefrancq и др. Однако, при достаточно глубокой проработке вопроса весьма поверхностно раскрыты аспекты инженерного обеспечения производства посадочного материала.
Общим проблемам инженерного обеспечения растениеводства и конкретно промышленного садоводства в современных условиях посвящены работы Н.В. Краснощекова, А.А. Ежевского, В.И. Черноиванова, А.И. Завражнова, А.Ю. Измайлова, Я.П. Лобачевского, А.А. Завражнова, И.Г. Смирнова, И.Н. Шило, S. Pradhan, S. Yaghoubi и др. В данных работах указано, что наиболее перспективным направлением является интеллектуализация техники, позволяющая использовать прецизионный подход к каждому растению и управлять его продукционными процессами. Одним из важных направлений является реализация управления ориентацией рабочих органов относительно растений.
Непосредственно вопросам механизации производства посадочного материала посвящены работы И.П. Барабаша, В.Г. Бросалина, В.В. Бычкова, А.А. Дмирука, А.Н. Манаенкова, А.А. Цымбала, А.И. Писаренко, Р.М. Тавасиева, С.Г. Фрышева, Ю.А. Уткова, S.C. Mandhar и др., в которых раскрыты проблемы создания технических средств для обработки почвы, ухода за растениями, отделения отводков и выкопки саженцев. Однако, отсутствие комплексного подхода в данных исследованиях не позволило охватить весь спектр трудоёмких операций, особенно при возделывании маточников вегетативно размножаемых подвоев.
Вопросы комплексной механизации трудоёмких процессов в растениеводстве и непосредственно в промышленном садоводстве рассмотрены в работах О.И. Аверьянова, А.Л. Васильева, А.М. Дементьева, А.М. Зальцмана, А.У. Заммоева, Н.В. Краснощекова, Л.П. Кормановского, И.П. Ксеневича, Л.А. Шомахова, Ю.А. Уткова, А.А. Цымбала, В.В. Яцкевича и др. Исследованиями данных авторов доказано, что наиболее эффективным направлением является блочно-модульный принцип формирования техники, позволяющий оснащать базовые агрегаты сменными рабочими органами и модулями, которые
обеспечивают выполнение различных технологических операций. Принцип блочно-модульного формирования техники позволяет в дальнейшем расширять сферы применения агрегатов, дополнять и изменять рабочие органы по мере накопления знаний об объекте обработки.
Работы указанных авторов, несомненно, внесли большой вклад в теорию создания технических средств для АПК, методологии моделирования и расчета параметров рабочих органов и систем автоматической ориентации машин, разработки методического инструментария создания блочно-модульных комплексов. Вместе с тем, проблемы механизации трудоёмких процессов в производстве качественного посадочного материала плодовых культур остаются нерешенными.
Одним из путей повышения эффективности функционирования отрасли является разработка механико-технологических основ создания механизированного комплекса для выращивания вегетативно размножаемых подвоев яблони.
Научная проблема – отсутствие научно-методических и практических основ комплексной механизации технологических операций выращивания вегетативно размножаемых подвоев.
Научная гипотеза. Снижение затрат и повышение качества подвойного материала может быть достигнуто за счет использования универсального комплекса, сформированного на основе блочно-модульного построения техники, и содержащего рабочие органы и технологические модули с оптимальными параметрами и кинематическими характеристиками, обеспечивающие механизацию и эффективное выполнение основных технологических операций.
Цель исследований – повышение эффективности выращивания вегетативно размножаемых подвоев яблони в маточнике за счет комплексной механизации процессов на основе универсального технического средства и технологических модулей с рациональными конструктивными параметрами и кинематическими характеристиками исполнительных рабочих органов.
Задачи исследований:
на основании аналитического обзора проведенных исследований составить перечень технологических процессов и операций в плодовом маточнике, оценить возможности их механизации;
разработать технико-технологические требования на выполнение операций весеннего открытия маточных растений, окучивания отрастающих побегов, ошмыгивания листьев, отделения отводков вегетативно размножаемых подвоев яблони;
экспериментально получить зависимости показателей выполнения технологических операций от агрофизических показателей, физико-механических свойств подвоев яблони;
- разработать принципиальные схемы рабочих органов и технологических
модулей для выполнения операций: весеннего открытия маточных растений;
окучивания отрастающих побегов; ошмыгивания листьев; отделения отводков
вегетативно размножаемых подвоев яблони;
- разработать математические модели функционирования рабочих
органов и технологических модулей;
апробировать разработанные алгоритмы и математические модели, обосновать основные конструктивные параметры, и режимы работы технологических модулей;
на основе полученных теоретических и экспериментальных данных разработать универсальный комплекс для работ в плодовом маточнике с набором технологических модулей и рабочих органов;
провести опытно-производственную проверку универсального комплекса для маточников и дать экономическую оценку его эффективности.
Объекты исследований - технологические операции и рабочие органы технологических модулей в составе универсального комплекса для проведения широкого спектра работ в маточнике вегетативно размножаемых подвоев яблони.
Предмет исследований - закономерности функционирования рабочих органов технологических модулей при выполнении работ в маточнике вегетативно размножаемых подвоев яблони.
Научная новизна работы:
декомпозиция и структуризация проблематики комплексной механизации операций в плодовом маточнике на основе нотаций системной инженерии и выделены основные технологические блоки, разработана концептуальная схема универсального комплекса для механизированного выполнения технологических операций по выращиванию вегетативно размножаемых подвоев в плодовом маточнике на основе блочно-модульного принципа построения техники;
математическая модель функционирования рабочих органов на операции весеннего раскрытия и обоснованы конструктивные параметры, и оптимальные режимы работы по удалению укрывного материала с растений;
математическая модель взаимодействия принципиально нового рабочего органа для окучивания отрастающих побегов с частицей субстрата для образования укрывного валка в зоне произрастания побегов;
-теоретические зависимости параметров принципиально нового технологического модуля для механического ошмыгивания листьев, с учетом морфологических и физико-механических свойств побегов вегетативно размножаемых подвоев;
математическая модель процесса отделения отводков дисковыми ножами различных типов и перемещения отделенных растений, и обоснованы оптимальные режимы работы;
методика оптимизации режимов работы системы автоматической ориентации рабочих органов и технологических модулей относительно расположения растений в плодовом маточнике.
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан универсальный комплекс для маточников, обеспечивающий эффективное
выполнение основных технологических операций в плодовом маточнике (патенты №144793, №149848, №155138).
Теоретическая и практическая значимость.
Теоретические исследования позволили наметить новые научные направления совершенствования технологии и технических средств для выращивания вегетативно размножаемых подвоев яблони. Результаты теоретических исследований по совершенствованию технологии, определению конструктивных и технологических параметров предложенных машин приняты и используются при создании новых и модернизации существующих специализированных машин для маточников.
Разработаны и внедрены новые технические средства для маточника, что позволяет более эффективно перевести садоводство РФ на интенсивный тип насаждений, а также реализовать программу развития садоводства России. Техническая документация на специализированную технику для работы в маточниках УКМ передана ООО «НПП «ПитомникМаш» для производства техники по заявкам потребителей.
По материалам исследований изданы рекомендации: «Система производства плодов яблони в интенсивных садах средней полосы России», «Механизация работ в интенсивном садоводстве», «Ситуация и взгляд на перспективу садоводства в Центрально-черноземном регионе России», «Технологии и технические средства промышленного садоводства», используемые при проектировании и создании машин машиностроителями, практиками при эксплуатации техники в садоводстве, а также в качестве учебного пособия как для студентов высших учебных заведений по направлениям агроинженерия и садоводство, так и для слушателей институтов и факультетов повышения квалификации кадров агропромышленного комплекса.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований одобрены и рекомендованы к внедрению экспертной комиссией ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт садоводства им. И.В. Мичурина», Министерством сельского хозяйства и продовольствия Республики Северная Осетия-Алания.
Материалы диссертационной работы включены в проект «Индустриальная биотехнология производства сертифицированного посадочного материала плодовых и ягодных культур», признаны перспективными Белорусским республиканским унитарным предприятием «Научно-практический центр национальной академии наук Беларуси по механизации сельского хозяйства», Министерством сельского хозяйства и продовольствия Рязанской области, Управлением сельского хозяйства Липецкой области, Управлением сельского хозяйства Тамбовской области и ФГБНУ «Научно-исследовательский институт садоводства Сибири имени М.А. Лисавенко».
Методология и методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием методов системной инженерии, теоретической механики, дифференциального и интегрального исчисления, концептуального
моделирования объектов исследования. В экспериментальных исследованиях использовались общеизвестные методики, ГОСТы, ОСТы, дисперсионный анализ и теория планирования эксперимента, а также разработанные на их основе частные методики. Использовались серийные и специально изготовленные приборы, аппаратура и стенды. Обработка результатов осуществлялась методами регрессионного анализа с использованием современных компьютерных программ.
Основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
структурно-функциональные схемы структуризации и декомпозиции проблематики комплексной механизации технологических операций в плодовом маточнике;
технико-технологические требования механизированного выполнения операций весеннего открытия маточных растений, окучивания отрастающих побегов, ошмыгивания листьев, отделения отводков вегетативно размножаемых подвоев яблони;
физико-механические свойства и морфологические характеристики подвоев яблони и методика использования данных показателей для расчета рабочих органов и технологических модулей;
концептуальные схемы рабочих органов и технологических модулей для весеннего открытия маточных растений, окучивания отрастающих побегов, ошмыгивания листьев, отделения отводков вегетативно размножаемых подвоев яблони;
математические модели функционирования и методики расчета рабочих органов и технологических модулей;
- конструктивные разработки универсального комплекса на основе
блочно-модульного построения техники для выполнения технологических
операций выращивания вегетативно размножаемых подвоев яблони;
результаты экспериментальных исследований универсального комплекса для работы в маточнике;
результаты опытно-производственной проверки и оценки экономической эффективности технологического комплекса для работы в маточнике.
Реализация результатов исследований:
В результате проведенной работы была изготовлена опытная партия универсального комплекса для работы в маточниках, включающего в себя 6 модулей: для весеннего открытия маточника УКМ-ОВ, междурядной обработки УКМ–МО, окучивания побегов УКМ-О, удаления субстрата укрывного вала УКМ-РК, ошмыгивания листьев УМК-ОШ и отделения отводков УКМ-ОО.
Заводские испытания опытных образцов техники проводились на опытных полях ГНУ ВНИИС им. И.В. Мичурина Россельхозакадемии (г. Мичуринск Тамбовской области).
Результаты исследований и разработанная техника используются в: учхоз-племзаводе «Комсомолец», плодопитомнике «Жердевский», ООО «Снежеток» Тамбовской области; ГБУ НИИ ЖС «Жигулевские сады»
Самарской области; СХПК «Племзавод Майский» Вологодской области; ООО «Агроснабженческая компания «БелАгро-Сервис» Московской области; ООО «Зеленые линии - Калуга» Калужской области; ООО «Спасские сады» Самарской области; СПК «Де-Густо» РСО-Алания и др.
Материалы диссертации включены в конкурсную работу «Инновационные технологии и технические средства для садоводства», были представлены и отмечены дипломом «За лучшую завершенную научную разработку 2012 года» Президиумом Российской академии сельскохозяйственных наук.
Степень достоверности результатов. Достоверность научных положений подтверждена использованием известных положений фундаментальных наук, корректностью разработанных математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемым процессам, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами опытно-производственной проверки созданных технических средств.
Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку на международных, всероссийских и региональных научно-практических конференциях: Мичуринского ГАУ (2004 -2015 гг.), Тамбовского ГТУ (2014 г.), Воронежского ГАУ (2011 г., 2013 г.), СЗНИИМЭСХ (Санкт-Петербург, 2007 г.), ВСТИСП (Москва, 2011 г.), ВИМ (Москва, 2011 г., 2013 г., 2015 г.), ВНИИС им. И.В. Мичурина (Мичуринск, 2010-2015 гг.), Рязанский ГСХА (2013г.), Донской ГАУ (Зерноград, 2012 г.), Дагестанский НИИСХ (Махачкала, 2013 г.), НПЦ НАН Белоруссии по механизации сельского хозяйства (Минск, 2012 г., 2014 г.), Азербайджанский ГАУ (Гянджа, 2014 г.).
Образцы разработанного Универсального комплекса УКМ для работы в маточниках демонстрировались на всероссийской выставке «День садовода» (Мичуринск, 2011 г.), где были отмечены золотой медалью; выставке «Золотая осень» (Москва, 2013 г.), где были отмечены золотой медалью ВВЦ 2013 г.; отмечены дипломом и золотой медалью XVIII Московского международного салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2015».
Производственная реализация результатов исследований удостоена дипломом № 2014680101201 (Москва, 2014 г.) Всероссийского конкурса «100 лучших товаров».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 научных работ, в том числе 18 - в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 1 - в журнале, включенном в международную реферативную базу данных Скопус (Scopus), и 3 - в описаниях к патентам. Результаты теоретических и экспериментальных исследований включены в 4 учебных пособия и монографии, в 5 статьях в сборниках зарубежных изданий. Общий объем публикаций составляет 59,8 п.л., из них автору принадлежит 24,4 п.л.
Соответствие паспорту специальности. Диссертационные
исследования соответствуют паспорту специальности 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства, п. 2 «Разработка теории и методов
технологического воздействия на среду и объекты (почва, растение, животное, зерно, молоко и др.) сельскохозяйственного производства», п. 7 «Разработка методов оптимизации конструкционных параметров и режимов работы технических систем и средств в растениеводстве и животноводстве по критериям эффективности и ресурсосбережения технологических процессов», п.10 «Разработка и совершенствование методов, средств испытаний, контроля и управления качеством работы средств механизации производственных процессов в растениеводстве и животноводстве» и п. 9 Положения о присуждении ученых степеней – изложены новые, научно обоснованные технические, технологические или иные решения и разработки, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие страны.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, литературы и приложений. Работа изложена на 313 страницах, включает 235 страниц основного текста, 101 рисунок, 35 таблиц, 199 источников литературы и 14 приложений.
Механизация технологических операций в отводковом маточнике
Как отмечал Манаенков А.Н., можно выделить две группы машин, необходимых для выращивания клоновых подвоев: I группа — машины общего назначения, серийно выпускаемые промышленностью и используемые не только в садоводстве, но и в других отраслях сельскохозяйственного производства. Такие машины, как правило, в питомниководческих хозяйствах имеются. II группа — специальные машины, необходимость которых обусловлена биологическими особенностями растений. Промышленность такие машины серийно не выпускает. Зачастую непосредственно в питомниководческих хозяйствах, в различных научно-исследовательских учреждениях разрабатывают и изготовляют в единичных экземплярах машины, позволяющие механизировать некоторые трудоемкие процессы при выращивании клоновых подвоев. Наблюдения в хозяйствах за выполнением технологических операций в маточниках выявили следующее: отсутствие в хозяйствах машин II группы вынуждает выполнять специфические операции вручную и делает крайне трудоемкой технологию выращивания вегетативно размножаемых подвоев. Механизация технологических операций представлена в работах И.П. Барабаша, В.Г. Бросалина, В.В. Бычкова, А.А. Дмирука, А.Н. Манаенкова, А.А. Цымбала, Р.М. Тавасиева, С.Г. Фрышева, Ю.А. Уткова и др. [4, 25, 32, 38, 53, 55, 93, 97, 119, 129, 145, 153, 163, 169, 175, 189], направленных на создание технических средств для обработки почвы, ухода за растениями, отделения отводков и выкопки саженцев. Однако разработки велись по отдельным технологическим операциям, порой без учета всего комплекса работ в маточнике. Слабая механизация на технологических операциях по выращиванию подвоев яблони является одним из сдерживающих факторов увеличения производства слаборослых саженцев в необходимом количестве для закладки садов.
Создание технических средств для выполнения технологических процессов без интеллектуализации является шагом в прошлое, это отмечается в работах Завражнова А.И., Ежевского А.А., Черноиванова В.И., Чинакала В.О., Федоренко В.Ф., Шило И.Н. и др. [73, 176, 179, 181, 193]. В последние годы интеллектуальные системы широко применяются в АПК для решения задач контроля, учета и управления производством [73, 164, 176, 188, 195]. Информационно-управляющие системы обеспечивают сбор, обработку и анализ информации, автоматизированное формирование управленческих решений [176]. Следовательно, оснащение технических средств системами интеллектуального управления технологическим процессом является актуальной задачей исследований.
В настоящее время в России отсутствуют производители, предлагающие технику для обеспечения всего технологического процесса в маточнике, поэтому разработка комплекса технических средств для выращивания и ухода за подвоями яблонь является актуальной задачей и имеет большое народнохозяйственное значение.
Для обеспечения хозяйств российскими технологическими комплексами необходимо повысить конкурентоспособность технических средств по сравнению с зарубежными аналогами. В настоящее время разработано несколько путей снижения затрат сельхозпроизводителя: - первый - несколько операционных орудий объединяются в один агрегат. Как следствие - значительная длина и громоздкость агрегата, что влияет на точность вождения и может привести к повреждения культурного растения; - второй - несколько орудий на одной раме, чем достигается проведение различных операций за один проход. Однако в маточнике необходимо соблюдать временной режим обработок; - третий – создание многофункциональных агрегатов с различными рабочими органами, позволяющими выполнять различные операции.
На наш взгляд, для выполнения технологических операций в маточнике вегетативно размножаемых подвоев рациональнее и целесообразнее применять третий путь, т.е. использовать принцип блочно-модульного построения технологического комплекса.
До настоящего времени в садоводстве нет еще конкретных примеров успешной реализации такого подхода. Актуальность этого научного направления подчеркивают многие ученые: Аверьянов О.И., Васильев А.Л., Дементьев А.М., Зальцман А.М., Заммоев А.У., Краснощеков Н.В., Кормановский Л.П., Ксеневич И.П., Шомахов Л.А., Утков Ю.А., Цымбал А.А., Яцкевич В.В. и др. [1, 40, 58, 75, 76, 94, 118, 124, 143, 144, 146, 173, 183].
Применение данного принципа позволит уменьшить расходы на приобретение техники для сельхозпроизводителя. Модульный принцип построения техники не только позволит оснащать орудия сменными рабочими органами, которые обеспечивают выполнение технологических операций, но и легко расширять ее функции, дополнять и изменять рабочие органы по мере накопления знаний об объекте обработки.
Построение концептуальных моделей рабочих органов и технологических модулей для комплексной механизации выращивания вегетативно размножаемых подвоев
Формирование проблематики и процедур решения поставленных задач Анализ любой проблемы начинается с построения и реализации модели исследуемого объекта или процесса. В системном подходе этап формулирования и идентификации проблем признается основополагающим при исследовании и проектировании любой системы.
В научных публикациях по системному подходу и системной инженерии процесс решения и проектирования сложных систем трактуется как процедура «ликвидации проблем».
Различными специалистами в области системного подхода Оптнером С.Л., Янгом С., Черняком Ю.И., Перегудовым Ф.И., Тарасенко Ф.П., Казиевым В.М., Лийвом Э.Х. и др. [81, 134, 142] предлагаются различные схемы и алгоритмы ликвидации проблем, возникающих при системных исследованиях в различных отраслях науки и техники. Следует отметить, все предлагаемые схемы имеют общие моменты, которые выражаются: - в процедурах расширения проблемы до проблемосодержащей системы (проблематики); - в процедурах формирования дерева целей (целеполагания системы); - в процедурах перехода от слабо структурированных (неформализуемых) систем-моделей к хорошо структурированным, допускающим математическое описание, моделям; - в итерационном и рекурсивном характере всех процедур и этапов системного анализа.
При построении проблематики и целеполагания предметной области исследования, использовались классические подходы SADT-методологии (Structured Analysis and Design Technigue), разработанные Дугласом Т. Россом и, в последствии реализованные в стандартах семейства IDEF (Icam DEFinition). Методология SADT/IDEF представляет собой совокупность методов, правил, процедур и нотаций, предназначенных для построения структурно-функциональной модели объекта какой-либо предметной области.
Основными составляющими модели являются атрибуты «Вход», «Выход», «Управление» и «Механизм» (рисунок 2.1).
Отличительной особенностью методологии SADT от других нотаций (например – модель «черного ящика») является постепенное введение все больших уровней детализации (по мере накопления информации или знаний об объекте исследования), что в итоге структурирует проблему или предметную область исследования.
На рисунке 2.2 представлена структурно-функциональная схема построения проблематики и целеполагания комплексной механизации технологических операций выращивания вегетативно размножаемых подвоев.
Представленное исследование направлено на решение научной проблемы – разработка и реализация научно-методических и практических основ комплексной механизации технологических операций выращивания вегетативно размножаемых подвоев (что на структурно-функциональной схеме соответствует атрибуту «Механизм»).
Следуя идеологии SADT/IDEF-моделирования нами разработана структурно-функциональная схема реализации поставленных задач, которая в итоге определяет механико-технологические основы создания комплекса для выращивания вегетативно размножаемых подвоев.
Структурно-функциональная модель (рис. 2.3) одним из основных этапов определяет разработку концептуальных моделей рабочих органов и технологических модулей, определяющих техническую составляющую представленного исследования
Процесс проектирования технических средств многовариантен и имеет итерационный характер с обратными связями разной глубины. Для сокращения времени создания комплекса технических средств для выращивания вегетативно размножаемых подвоев яблони предложено применение концептуального моделирования, которое во многих случаях может выступать как формализованное описание сложных слабо структурированных систем. Концептуальные модели удовлетворительным образом интерпретируют закономерности многовариантной изменчивости сложных систем. Реальная сложность систем в концептуальных моделях имеет достаточно упрощенный вид. Сложные слабо структурированные системы, моделируемые в рамках концептуального подхода, должны быть непосредственно наблюдаемыми или логически следовать из эмпирических данных и эмпирических обобщений. Эмпирические данные несут объективную информацию. Эмпирические обобщения воплощаются в основополагающих постулатах, формулируемых экспертами.
Метод концептуального моделирования подвергает реальность всестороннему многоаспектному анализу, конечной целью которого является репрезентативное формализованное описание систем, согласующееся с эмпирическим опытом исследователей. Процесс формализации описания вновь спроектированного технического объекта-системы заключается в построение так называемого концепта (идеальной модели реального технического объекта). Разработана методика построения концептуальной модели технического объекта-системы, которая трактуется как «метод последовательного приближения».
Моделирование процесса открытия маточных растений
Для снижения трудоемкости производства продукции в отводковом маточнике необходимо механизировать специализированные работы: весеннее открытие маточных растений, окучивание отрастающих побегов, ошмыгивание листьев и отделение отводков. Повышение качества механизированного выращивания вегетативно размножаемых подвоев обеспечивается за счет соблюдения технико-технологических требований.
Технико-технологические требования при проектировании машины весеннего раскрытия маточника.
Согласно Системе машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1986-1995 г.г. Ч.1. Растениеводство «Машина для весеннего открытия маточника вегетативно размножаемых плодовых подвоев» (поз. Р 71.87) должна обеспечивать: - степень открытия маточных растений более – 95%; - головки маточных растений должны быть открыты до 3 см.; - отсутствие повреждений головок маточных растений; - повреждение почек не более 10%; - почва с холмиками над маточными растениями должна быть равномерно разбросана по междурядьям. Технико-технологические требования при проектировании машины для окучивания отрастающих побегов.
Согласно Системе машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1986-1995 г.г. Ч.1. Растениеводство «Машина для окучивания вегетативно размножаемых растений в маточном поле плодового питомника» (поз. 71.88) должна обеспечивать: - окучивание маточных растений не более чем за 2 прохода; - окучиваемый валок должен имеет форму трапеции высотой: - при первом окучивании до 7-8 см; - при втором окучивании до 15-18 см.; - при третьем и последующих окучиваниях до 22-25 см.; - ширина основания валка 50-60 см.; - степень рыхления почвы: содержание частиц диаметром от 0,25 до 10 мм не менее 50%; - наличие комков более 50 мм не допускается; - частичное повреждение отводков и корневой системы маточных кустов не должно превышать 1,5%. Допускается частичное присыпание побегов. - при окучивании сорняки в междурядьях должны уничтожаться (не менее 98%).
Технико-технологические требования при проектировании машины для ошмыгивания листьев с побегов клоновых подвоев яблонь
Согласно Системе машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1986-1995 г.г. Ч.1. Растениеводство «Машина для ошмыгивания листьев с побегов клоновых подвоев яблонь перед их отделением от маточных растений» (поз. 71.86) должна обеспечивать удаление листьев со следующим качеством: - остаток листьев, поврежденных до половины их пластинки, не более 10%; - остаток листьев, поврежденных более чем на половину их пластинок, не более 15%; - растения с поврежденными побегами в виде сдирания коры, трещин и изломов не более 5%; - количество поврежденных или сбитых почек на одном растении не более 7%.
Технико-технологические требования при проектировании машины для отделения побегов вегетативно размножаемых подвоев Согласно Системе машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1986-1995 г.г. Ч.1. Растениеводство «Машина для отделения отводков от маточных кустов вегетативно размножаемых подвоев плодовых культур» (поз. 71.09) должна обеспечивать: - степень срезания отводков более 95%. Срезанные отводки должны отбрасываться в сторону с образованием валка; - срезание отводков при удаленном субстрате; - расщепление древесины и коры длиной не более 15 мм от места среза не более 5%, от общего количества срезанных отводков; - механические повреждения надземной части отводков на расстоянии 30 см от места среза не допускаются. Технико-технологические требования при проектировании системы автоматической ориентации машины Система автоматической ориентации рабочего органа машины для работ в маточниках должна обеспечивать: - ориентацию машины над лентой растений; - отклонение от оси ряда растений не должно превышать 50 мм; - исключение срабатывания системы на одиночный побег вегетативно размножаемых подвоев яблони.
Проведенные исследования технических средств для разокучивания позволили определить наиболее перспективную схему машины с активными рабочими органами, содержащей ротор с вертикальной осью вращения и граблинами, на концах которых закреплены щётки с эластичными элементами. Ось ротора может быть наклонена в сторону движения машины. Преимущество роторных рабочих органов состоит в том, что они малоэнергоёмки, просты по конструкции, надёжно выполняют технологический процесс, поддаются регулированию и могут работать на повышенных скоростях.
В результате проведенных исследований предложена схема роторного разокучивателя (рис. 2.3). Он содержит раму 1 с опорно-регулировочными колёсами 2 и установленный на ней ротор 3 с приводом 4. Ротор снабжён граблинами 5 со щётками 6. Ось ротора отклонена в вертикальной плоскости вперёд в направлении движения машины. Рабочими элементами разокучивателя являются эластичные пальцы. 1 - рама; 2 - опорные колеса; 3 - ротор; 4 - привод; 5 - граблина; 6 - щетки Рисунок 3.1 - Схема машины роторного типа для весеннего открытия маточных растений клоновых подвоев
Критериями оценки работы устройства для весеннего открытия маточных растений приняты работоспособность, равномерность раскрытия укрывного вала и энергоёмкость. Общая методика определения указанных параметров приведена в трудах академика В.П. Горячкина, профессоров М.Н. Летошнева, В.Г. Турбина, Г.Е. Листопада, А.Н. Семёнова, Е.С. Босого и других авторов работ по механизации сельскохозяйственного производства и теории сельскохозяйственных машин [31, 47, 89, 115, 116, 168]. В процессе работы каждая граблина (рис. 3.2) сгребает субстрат с площади, ограниченной двумя конгруэнтными трохоидами, смещёнными в направлении поступательной скорости ротора [59, 78, 89, 115, 168].
Моделирование процесса схода побега с диска машины для отделения побегов подвоев яблони
Экспериментальная проверка новых рабочих органов была проведена в маточнике ФГБНУ ВНИИС им И.В. Мичурина на подвоях 54-118 и 62-396 с разными сроками закладки маточных растений и разными субстратами.
В результате обработки полученных данных по полноте удаления субстрата с маточных растений (рис. 5.3) установлено, что с увеличением жесткости эластичных элементов роторного рабочего органа в исследуемых пределах допустимой нагрузки от 3,2 до 80 Н степень раскрытия укрывного вала улучшается, но при этом количество поврежденных почек и отрастающих побегов увеличивается.
Зависимость полноты удаления субстрата укрывного вала и повреждаемости растений параметров лопасти 162 Для обеспечения требований качества выполнения технологической операции рабочий орган должен быть изготовлен из ленты толщиной 8 … 10 мм с шириной полос 40 мм. Определено распределение удаленного субстрата по междурядью маточника (табл. 5.5) в зависимости от частоты вращения ротора при постоянной скорости трактора равной 1,8 км/ч.
Для исключения засыпания соседнего ряда маточных растений субстратом частота вращения ротора должна быть не более 26,2 с-1.
Таким образом, проведенные исследования показывают правильность принятой ранее методики расчета, а механизированное открытие маточных растений с применением органического субстрата путем использования ротационных рабочих органов с эластичными элементами обеспечивает высокое качество выполняемых работ.
Результаты исследований машины для окучивания побегов Программой полевых исследований предусматривалось: - определить зависимость параметров укрывного вала от конструктивных параметров и кинематических режимов окучивающего барабана; - установить влияние конструктивных параметров и кинематических режимов окучивателя на степень рыхления почвы укрывного вала.
Исследования проводили в ОПО ВНИИС им. И.В. Мичурина при следующих условиях: абсолютная влажность в момент проведения опыта составляла – 18,6 … 21,5 %, глубина обработки – 4 см одного ряда ножей, количество рядов ножей на роторе – 3 шт.
Результаты исследований сведены в таблицу 5.6, на основании которых построена зависимость, представленная на рисунке 5.4.
Для оценки влияния переменных факторов на искомый критерий проанализируем уравнение регрессии в кодированных переменных. Наиболее значимым факторами является х1 и х3 с коэффициентами регрессии при членах b1=17,9, b11=109,5 b33=50,3. Положительный знак перед b1 указывает на то, что изменение х1 на начальном этапе вызывает увеличение критерия оптимизации, однако в последующем знак минус перед коэффициентами b11 и b33 влечет к снижению площади сечения перемещенной массы почвы. Коэффициент b13 двойного взаимодействия также является значимым. Это означает, что действие одного из параметров зависит от другого. Отрицательное значение этого коэффициента показывает, что увеличению критерия способствует сочетание факторов на разных уровнях.
На рисунке 5.4 представлена зависимость площади сечения валка перемещенной массы почвы в зоне произрастания побегов от окружной скорости ротора и угла установки ножей, после исключения из уравнения малозначимого фактора n (количество ножей на диске ротора).
Адекватность модели проверяли по F-критерию (критерию Фишера). Для оценки влияния переменных факторов на искомый критерий проанализируем уравнение регрессии в кодированных переменных. Наиболее значимым факторами является х1 и х2 с коэффициентами регрессии при членах b1=3,52 и b2=2,75. Положительный знак перед b1 и b2 указывает на то, что изменение х1 и х2 вызывает увеличение критерия оптимизации. Коэффициент b3 является незначимым.