Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ способов и средств определения повреждений клубней картофеля 16
1.1 Анализ причин и виды повреждений клубней картофеля при уборке 16
1.2 Анализ способов определения повреждений клубней картофеля 28
1.3 Анализ устройств для определения повреждений клубней картофеля 32
1.4 Анализ выполненных исследований по разработке способов и устройств для определения повреждений клубней картофеля 38
1.5 Постановка проблемы, цель работы и задачи исследования 44
2 Теоретическое обоснование способа оперативного определения степени повреждения клубней картофеля 46
2.1 Исследование объёмной деформации повреждённых и неповрежденных тканей клубня картофеля 46
2.2 Конструктивно-технологическая схема устройства оперативного определения степени повреждения клубней картофеля 51
2.3 Работа сил сжатия клубней картофеля в устройстве оперативного определения степени повреждения 54
2.4 Обоснование параметров устройства оперативного определения степени повреждения клубней картофеля 56
2.4.1 Определение геометрических параметров устройства 56
2.4.2 Определение объёма рабочей жидкости устройства 63
Выводы 65
3. Исследование процесса повреждения клубней картофеля в лабораторных и производственных условиях 66
3.1 Программа и методика исследования повреждаемости клубней картофеля на маятниковом копре 66
3.2 Результаты лабораторных исследований повреждаемости клубней картофеля на маятниковом копре 81
3.3 Программа и методика исследования повреждённых и неповрежденных клубней картофеля на разработанном устройстве в лабораторных условиях 91
3.4 Результаты лабораторных исследований клубней картофеля на разработанном устройстве 102
3.5 Обоснование величины пробы клубней картофеля, единовременно помещаемой в устройство для оперативного определения степени повреждения 114
3.6 Методика настройки картофелеуборочной машины с учётом оперативного контроля степени повреждения клубней картофеля 118
3.7 Программа и методика производственных исследований 125
3.8 Результаты производственных исследований 139
Выводы 146
4. Внедрение результатов исследования и экономическая эффективность 148
4.1 Результаты внедрения способа и устройства оперативного определения степени повреждения клубней картофеля 148
4.2 Экономическая эффективность внедрения устройства оперативного определения степени повреждения клубней картофеля 151
Выводы 162
Общие выводы и предложения производству 163
Литература 165
Приложения 174
- Анализ устройств для определения повреждений клубней картофеля
- Определение геометрических параметров устройства
- Результаты лабораторных исследований клубней картофеля на разработанном устройстве
- Экономическая эффективность внедрения устройства оперативного определения степени повреждения клубней картофеля
Введение к работе
Актуальность темы. Картофель в мировом производстве занимает четвёртое место среди продуктов питания после пшеницы, кукурузы и риса. Являясь ценным источником высококачественного протеина, витаминов, минералов и углеводов картофель в некоторых странах является одним из главных продуктов питания растительного происхождения для человека.
В настоящее время потери урожая картофеля достигают 25-30 %. Из них при механизированной уборке - до 13 %, при погрузочно-разгрузочных работах и транспортировке - до 5-9 %, и при хранении и сортировке - до 7-Ю %. Главным образом эти потери связанны с механическими повреждениями клубней картофеля.
В процессе механизированных уборочных работ клубни картофеля получают механические внутренние и внешние повреждения от воздействия рабочих органов картофелеуборочной машины. Объём наносимых повреждений зависит как от конструктивных особенностей рабочих органов, так и от соответствия их кинематических параметров и режимов условиям работы, сложившимся на момент уборки. Неправильно подготовленный картофелеуборочный комбайн в процессе работы может повреждать более 60 % клубней, что говорит о необходимости периодического контроля качества убираемого картофеля с целью своевременного вмешательства в процесс уборки и оказания влияния на присутствующие повреждающие факторы.
Использующиеся на настоящее время способы определения повреждений клубней картофеля в большинстве своём не могут быть использованы для оперативного определения повреждений непосредственно в поле на момент уборки. Одни из них требуют значительного количества времени, необходимого для получения результата, некоторые экономически не выгодно использовать в полевых условиях в связи со спецификой использующегося при реализации способа оборудования, другие требуют использования довольно сложной методики.
В связи с вышеизложенным, тема диссертации, направленная на разработку способа и устройства оперативного определения степени повреждения клубней картофеля, повышение эффективности работы картофелеуборочных агрегатов за счёт снижения повреждаемости клубней картофеля и соответственно потерь урожая путём своевременной настройки машин на оптимальный режим работы, является актуальной и имеет важное народнохозяйственное значение.
Целью работы является повышение эффективности механизированной уборки картофеля, снижение затрат труда и средств на определение повреждений клубней картофеля и настройку машин на необходимый режим работы, уменьшение повреждений и потерь клубней при механизированной уборке картофеля путём разработки способа и устройства для оперативного определения степени повреждения клубней картофеля.
Объект исследования. Процесс объёмного сжатия клубня в устройстве оперативного контроля повреждений клубней картофеля.
Методика исследования. Теоретические исследования проведены с использованием методов механико-математического моделирования функционирования технологического процесса разработанного устройства.
Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и полевых условиях с использованием отраслевых и частных методик, теории планирования многофакторного эксперимента, тензометрирования, а также специально изготовленного оборудования: копра, для моделирования ударного воздействия на клубни и устройства оперативного определения степени повреждения клубней картофеля. Обработка экспериментальных данных проводилась методами математической статистики при помощи программы для ЭВМ - STATISTICA v6.0.
Научную новизну работы составляют: технология оперативного определения степени повреждения клубней картофеля, математическая модель расчёта коэффициента повреждения по уменьшению уровня жидкости мерного баллона от воздействия на пробу избыточного давления, устройство
5 оперативного определения степени повреждения клубней картофеля, позволяющее повысить точность полученных измерений и уменьшение затрат труда, режимы работы прибора оперативного определения степени повреждения клубней картофеля. Новизна технического решения подтверждена свидетельством на полезную модель РФ № 23989.
Практическая ценность работы. Разработан и испытан новый способ оперативного определения степени повреждения клубней картофеля, а также устройство для реализации этого способа, который позволяет непосредственно в полевых условиях в процессе уборки осуществлять оценку как внешних, так и внутренних механических повреждений клубней, что способствует проведению более точной настройки рабочих органов картофелеуборочной техники на рациональный режим работы.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований, предложенный способ и устройство нашли применение в сельскохозяйственных предприятиях Рязанской области, возделывающих картофель, материалы исследований используются в учебном процессе инженерного факультета Рязанской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора ПА Костычева.
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований доложены и обсуждались на: научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Рязанской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора П.А. Костычева (1999...2003 годы), межрегиональной научной конференции Мичуринского аграрного университета (2000 год), Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи НТТМ-2002.
Публикации. По теме диссертации опубликованы четыре печатные работы, в том числе свидетельство на полезную модель.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4-Х разделов, общих выводов, списка литературы из Ус наименований, в том числе Т на иностранном языке и приложений. Работа изложена на 236 страницах
(в том числе страниц приложений), содержит таблицу и 36 рисун-
ков.
Анализ устройств для определения повреждений клубней картофеля
Существующие на данное время способы определения повреждений клубней картофеля реализуются как с помощью специальных устройств, так и с помощью вспомогательного оборудования и инструментов. Наличие того или иного зависит от метода реализации способа. Отметим, что далеко не все методики определения повреждений подразумевают применение специальных устройств.
Так, например, стандартная методика определения повреждений клубней картофеля по ОСТ 10 8.5 - 87 не требует специальных устройств. Для её использования необходимо лишь следующее вспомогательное оборудование:
- тара для хранения тестируемых на повреждение клубней картофеля;
- режущий инструмент (нож) для разрезания клубней после 10-ти дневного хранения на ломтики толщиной по 3 мм;
- измерительный инструмент (линейка) для замера глубины потемнения мякоти клубня образовавшегося при хранении от наличия внутренних повреждений. [34]
Данная методика отличается простотой вспомогательного оборудования, она проста при осуществлении, даёт наиболее точную информацию о повреждениях клубней, однако не является оперативной, что представляет собой единственный её недостаток.
Другой метод, который не требует специализированных устройств, — метод герметичного хранения. Он позволяет определить как механические повреждения, так и поражение клубней грибковыми и вирусными заболеваниями. При его реализации используются те же вспомогательные инструменты, что и для стандартной методики плюс полиэтиленовые пакеты размером 70x70 см, в которых производится хранение клубней при нормальных условиях (температура окружающего воздуха примерно равна 15С, влажность воздуха от 60 до 80 %) в течение 14-ти дней. В результате хранения поврежденная мякоть клубня приобретает тёмную окраску вследствие образования меланина, а микроклимат, созданный в герметичном пакете, способствует быстрому развитию паразитов (грибки, вирусы, бактерии) на повреждённых участках. При исследовании внутренних повреждений клубни, так же как и в стандартной методике нарезают ломтиками толщиной по 3 мм. [38]
Результаты анализа повреждений при использовании данной методики схожи с результатами, полученными при определении повреждений при помощи методики ОСТ 10 8.5 - 87. Но дополнительный плюс — выявление не только механических повреждений, но и поражения паразитическими фор мами жизни и возможность прогнозирования потерь при хранении от их присутствия. Недостаток метода герметичного хранения такой же, как и у метода, ОСТ 10 8.5 - 87 - длительный срок до получения результатов.
Ещё один метод определения повреждений — метод окрашивания. Для его реализации необходимо следующее вспомогательное оборудование:
- краситель;
- ёмкость для водного раствора красителя;
- сетчатая ёмкость для исследуемой пробы клубней, необходимая для погружения в краситель;
- режущий инструмент для нарезания клубней ломтиками по 3...5 мм толщиной;
- измерительный инструмент для замера глубины повреждённой (окрашенной) мякоти. [13]
Так, например, Шотландский центр сельскохозяйственной инженерии (SCAE) предлагает использование раствора, состоящего из 5 л воды и 100 г Catechol. В 1977 году Украинский научно-исследовательский институт овощеводства и бахчеводства предлагал применение для такого метода в качестве красителя генциановилет концентрации 0,04-0,07 % или кислый фуксин концентрации 0,2-0,4 %. Подобный метод определения повреждений позволяет выявить от 70 до 100 % всех повреждённых участков клубня. К преимуществам можно отнести короткие сроки получения результата, а к недостаткам - необходимость тщательной утилизации отходов, так как, например, раствор Catechol ядовит.
Перечисленные выше методы определения повреждений клубней картофеля относятся к разрушающим методам (клубень при анализе на повреждения разрезается), всех их отличает простота исполнения и простота конструкций вспомогательного оборудования.
Однако предпочтение на настоящий период следует отдавать неразру-шающим методам контроля повреждений. Они более подходят для автоматизированных процессов уборки и переработки картофеля.
Один из неразрушающих методов определения повреждений подразумевает оценку повреждённости по тепловыделению клубней. На рисунке 1.1 ; представлена схема устройства, реализующего подобный метод. [16]
Устройство содержит бункер-дозатор 1, наклонный транспортёр 2, над которым установлен приёмник 3 инфракрасного излучения. Последний связан с электронным блоком 4, выход которого связан с электромагнитными клапанами 5 управления соплами 6 подачи сжатого воздуха, связанными с источником 7 сжатого воздуха. Под транспортёром 2 установлены приёмные бункеры 8-10 для здоровых клубней, больных и повреждённых клубней, комков почвы соответственно.
Работает устройство следующим образом. При закладке клубней на хранение компоненты массы транспортируют по наклонному транспортёру 2. Приёмником 3 инфракрасного излучения определяют тепловое излучение каждого компонента массы. В электронном блоке 4 сравнивают измеренное тепловое излучение с заданными значениями теплового излучения здоровых клубней и комков почвы. В результате сравнения на электромагнитные клапаны 5 подают давление сжатого воздуха соответственно определению компонента массы. Сжатым воздухом из сопла 6 компонент массы поступает в приёмный бункер 8-10.
Недостатком метода оценки повреждений данным устройством является то, что он не даёт полного представления об объёме повреждения клубня, а главным образом свидетельствует только о том, есть значительные повреждения у клубня или нет. Громоздкое конструктивное исполнение устройства объясняется тем, что в его функции входит так же и сортировка потока клубней на повреждённую и неповреждённую фракции.
Устройство, представленное на рисунке 1.2 реализует оптический метод определения повреждений клубней картофеля. Оно включает в себя механизм 1 поштучной подачи клубней, роликовый транспортёр 2 с приводом, источники 3 света, установленные над зоной контроля и сканирующее распознающее приспособление 4, связанное с исполнительным механизмом 5. Вал 6 привода роликового транспортёра соединён с валом 7 сканирующего диска 8, например, с помощью гибкого вала 9 и повышающего редуктора 10. Передаточное отношение редукции (частота сканирования) пропорционально числу роликов 11 роликового транспортёра.
Определение геометрических параметров устройства
На рисунке 2.3 представлена принципиальная схема устройства оперативного контроля степени повреждения клубней картофеля.
Устройство включает в себя корпус 1 в виде мерного баллона изготовленного из стальной трубы с внутренним диаметром D. В верхней части устройство имеет крышку 2 с воздушным штуцером 5 и манометром 6. Нижняя часть крышки имеет вытеснитель 3 в виде стакана. Внешний диаметр вытеснителя обозначим буквой и . К корпусу устройства приварены два патрубка, на которых закреплена хомутами пластиковая трубка 4 с внутренним диаметром dmv , играющая роль уровнемера. Герметичность соединения крышки и корпуса устройства обеспечивается винтовым механизмом 7.
На рисунке 2.3 буквой Н обозначена высота вытеснителя. Далее пол полезньш объём, то есть внутренний объём устройства от нижней части (дна) вытеснителя до дна мерного баллона. Урабоч Рачий объём, то есть внутренний объём корпуса устройства от верхнего края стакана вытеснителя до дна мерного баллона. Указанные выше геометрические характеристики являются основными величинами, необходимыми для изготовления устройства. Определим их.
Полезный объём устройства предназначен для размещения тестируемой на повреждение пробы клубней картофеля. Его можно вычислить по формуле
При сжатии пробы клубней картофеля, помещённой в жидкость внутри устройства, происходит деформация пробы на величину 0. В это время происходит уменьшение уровня жидкости в мерном баллоне, которое можно наблюдать по уровнемеру. Причём начальный уровень жидкости совпадает с уровнем верхнего края стакана, а конечный уровень не должен опускаться ниже уровня дна стакана.
Это значит, что V кольг,а должен быть не менее объёмной деформации пробы. Ещё одной величиной необходимой для определения рабочего объёма устройства является объём стакана вытеснителя Увыт . Очевидно, что его величину определяют высота Н и диаметр и стакана вытеснителя. В свою очередь эти характеристики зависят от цены деления Ц шкалы уровнемера, которой необходимо достичь. Цена деления в данном случае характеризует величину изменения объёма жидкости в мерном баллоне устройства при изменении её уровня на одно деление.
Результаты лабораторных исследований клубней картофеля на разработанном устройстве
Степень адекватности данных математических моделей рассчитывали также при помощи программы для ЭВМ - STATISTICA_v6 [21]. В результате получили степень адекватности выражения (3.31) равную 93,418 %, выражения (3.32) - 93,801 %, выражения (3.33) - 99,068 %, выражения (3.34) - 99,153 %. Подробнее результаты математического анализа зависимостей относительных объёмных деформаций неповреждённых клубней картофеля по сортам от величины сжимающего давления представлены в приложениях А-Д.
Анализируя графические зависимости рисунка 3.17 можно сделать вывод о том, что предел упругости при объёмной деформации клубней для исследуемых сортов картофеля находится в промежутке от 0,250 до 0,275 МПа.
При проведении данных лабораторных исследований было замечено, что увеличение давления в устройстве оперативного определения степени повреждения клубней картофеля выше 0,29 МПа приводит к возникновению процесса впитывания клубнями рабочей жидкости устройства (воды). Так при давлении 0,3 МПа прирост массы сжимаемых клубней за счёт впитанной жидкости составляет до 0,7 %, а при давлении 0,375 МПа - от 1,9 до 3,4 % в зависимости от сорта. Причём воздействие на клубни картофеля сорта Лато-на давлением 0,4 МПа привело к образованию трещин на клубнях и резкому увеличению процента впитанной жидкости до 6,9 %.
При нахождении оптимального рабочего давления внутри устройства оперативного определения степени повреждения клубней картофеля необходимо было определить предел упругости 100%-но повреждённых тканей клубня для чего создавали математическую модель зависимости их относительной объёмной деформации от величины избыточного давления. Согласно таблице планирования эксперимента 3.5, результаты представим в следующем виде (таблица 3.9).
В приложении Л-М представлены результаты расчета математической модели. Уравнение регрессии для зависимости относительной объёмной деформации 100%-но повреждённых клубней картофеля от величины избыточного давления согласно расчётам следующее: у = 0,001002 + 0,0893 84- х- ОД 51867-х2. (3.35)
Процент адекватности данной математической модели составил 97,754 %. На рисунке 3.18 показано её графическое изображение.
Анализируя графическую зависимость рисунка 3.19 можно сделать вывод о том, что для 100%-но повреждённых клубней картофеля сорта Латона предел упругих деформаций наступает при объёмном сжатии давлением 0,25 МГТа. Проводя сравнение относительных объёмных деформаций 100%-но повреждённых клубней картофеля сортов Латона, Романо, Луговской и Сантэ нами были выявлены незначительные расхождения, что дало повод сделать вывод о том, что уравнение регрессии (3.35) можно считать справедливым для всех четырёх сортов клубней картофеля.
Оптимальная величина рабочего давления внутри устройства оперативного определения степени повреждения клубней картофеля не должна превышать предела упругости как для повреждённых, так и для неповреждённых тканей клубня, исходя из чего рекомендуем рабочее давление равное 0,25 МПа.
Далее, согласно пункту третьему программы лабораторных исследований раздела 3.3, было проведено исследование зависимостей относительных объёмных деформаций от величины избыточного давления для трёх проб клубней картофеля имеющих соответственно степени повреждения равные 5 %, 10 % и 15 %. Напомним, что степень повреждения в данном случае определяется выражением
По результатам анализа данных таблицы ЗЛО получены следующие уравнения регрессии (приложения Е-К), характеризующие зависимость относительной объёмной деформации проб клубней картофеля сорта Латона, имеющих различные степени механических повреждений, от величины избыточного давления: для клубней картофеля с пяти процентной степенью повреждения
у = -0,001 + 0,0461-х- 0,0693 х2; (3.37) для клубней картофеля с десяти процентной степенью повреждения
у = -0,0008 + 0,0481 x - 0,072 x2; (з.з8) для клубней картофеля с пятнадцати процентной степенью повреждения
у = -0,0007 + 0,0497 х - 0,0739 х1. (з.39)
Процент адекватности математических моделей деформации клубней картофеля (3.37), (3.38) и (3.39) составил соответственно 95,532%; 97,142 % и 98,142%. На рисунке 3.20 представлено графическое изображение данных математических моделей.
Экономическая эффективность внедрения устройства оперативного определения степени повреждения клубней картофеля
Очевидно, что рассчитываемые затраты будут зависеть от марки настраиваемой картофелеуборочной машины. В хозяйствах, где проводились полевые испытания устройства оперативного контроля степени повреждения клубней картофеля, основная нагрузка приходилась на картофелеуборочные комбайны марки КПК-2-01, поэтому затраты на настройку будем определять для КПК-2-01.
В таблице 4.9 раздела 4.5 данной диссертационной работы отмечались рабочие органы, при регулировке которых рекомендуется использование предлагаемого устройства. К ним относятся выкапывающие диски и продольный шнек между ними, поперечные шнеки первого и второго элеваторов, основная и дополнительная пальчиковая горка.
Далее в таблице 4.3 приведены результаты расчёта затрат на настройку картофелеуборочной машины с применением предлагаемого устройства оперативного контроля степени повреждения клубней картофеля.
Расчёт экономического эффекта от снижения механических повреждений клубней картофеля в результате настройки картофелеуборочной машины с применением предлагаемого устройства оперативного контроля степени повреждения клубней картофеля.
Предлагаем следующее выражение для расчёта годового экономического эффекта, руб./год: Эгод =Пр-Зэ-т, (5.15) где
Зэ — эксплуатационные затраты при настройке картофелеуборочной машины с применением устройства оперативного контроля повреждений клубней картофеля, руб.;
Пр — прибыль от снижения механических повреждений убранных клубней, руб.;
ЇУІ — число картофелеуборочных машин, задействованных в уборочном процессе, и настраиваемых с использованием предлагаемого устройства оперативного контроля степени повреждения клубней картофеля, шт.
Годовой экономический эффект от снижения механических повреждений и потерь клубней картофеля в результате настройки картофелеуборочной машины с применением предлагаемого устройства оперативного контроля степени повреждения клубней картофеля составит, руб./год
Так, например, в 1999 году в ЗАО «Павловское» Рязанского района в результате корректировки регулировок рабочих органов картофелеуборочных комбайнов КПК-2-01 удалось снизить процент повреждения убранных клубней с 12,1 до 8,3 %, потери — с 1,36 до 1,02 т/га, при урожайности культуры 32,30 т/га. А в 2003 году - снизить степень повреждения с 16,5 до 12,9 %, потери с 1,65 до 1,10 т/га при урожайности 34,00 т/га (смотри приложение). Тогда используя выражение (5.17) и цены 2004 года (продовольственный картофель - 8... 10 тыс. руб./т; фуражный — 5...6 тыс. руб./т; семенной, супер элита — 47...50 тыс. руб./т) можно рассчитать годовой экономический эффект от настройки картофелеуборочных комбайнов следующим образом. За 1999 год, руб./год.
