Основы разработки автоматизированных машин для возделывания, уборки и послеуборочной обработки овощных культур и картофеля с цифровыми системами управления

Функционирующие элементы сельскохозяйственных машин должны обладать современными оптическими, электронными и механическими устройствами [1–3]. Антропогенное воздействие должно быть сведено к минимуму [4–6]. Для разработки и изготовления современных машинно-технологических комплексов с цифровыми системами автоматического контроля и управления необходимы рекомендации по эксплуатации технических средств для предпосадочной обработки почвы, посева/посад-ки, уборки и послеуборочной обработки овощных культур и картофеля [7–9].

Цель исследования – разработать автоматизированные машины для возделывания, уборки и послеуборочной обработки овощных культур и картофеля с цифровыми системами управления.

Обзор литературы

В научной литературе описан ряд конструктивных решений по управлению техническими системами функционирующих элементов машин для производства овощных культур. Они позволяют с помощью одного терминала управлять прицепными и навесными машинами. Для тяжелых условий уборки почвы разработано разделительное устройство с двухступенчатой подъемной цепью, в котором длина двухуровневой подъемной цепи составляла 3,1 м, скорость движения машины 1,2 м/с, скорость подъемной цепной линии 1,5 м/с, полнота сепарации картофеля 98,1 %, а степень повреждения 1,1 % [9–11].

Для повышения эффективности разделения в комбинированном комбайне для сбора картофеля разработано вертикальное круговое транспортное устройство для разделения со средней степенью повреждения 1,46 % и уровнем примесей 2,57 % [3]. А. Б. Калинин исследовал влияние коэффициента отражения, вызванного высотой падения, на повреждение картофеля, а также выявил основные факторы, влияющие на повреждение картофеля [12].

Цель всех вышеупомянутых исследований заключается в снижении потерь качества корнеплодов и картофеля за счет уменьшения количества и интенсивности воздействий в процессе уборки [5]. Взаимодействия картофеля между собой обычно происходят на разделительных устройствах в процессе уборки урожая, где могут быть большие разрывы, повреждения и синяки. Это приводит к большим экономическим потерям для производителей [6]. В связи с этим возникает необходимость в фундаментальных исследованиях механизмов повреждения картофеля [7].

Разработано новое устройство для сепарации картофеля в картофелеуборочном комбайне с двухвибрационным устройством регулировки интенсивности [8; 9]. Для повышения качества уборки были проведены эксперименты по разделению картофеля и почвы в условиях различной интенсивности вибрации. Анализ поверхности отклика помог достичь желаемых характеристик разделения. В таблице 1 систематизированы основные положительные и отрицательные воздействия функциональных параметров технологического и цифрового обеспечения технологий и комплексов машин для производства корнеклубнеплолодов и лука.

Обзор литературы свидетельствует о том, что задачи автоматизации решались поэтапно. Это объясняется ограниченностью материальных и трудовых ресурсов. В техническом отношении развитие автоматизации сельскохозяйственного производства характеризовалось переходом от релейно-контактной к электронной, а в последние годы к микропроцессорной технике. Это сопровождалось внедрением автоматизированных информационных технологий, обеспечивающих более высокий уровень отдачи на вложенные ресурсы.

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Автоматизация растениеводства сегодня принципиально отличается от уровня начала 1950 – конца 1980-х гг. Информационные методы и системы и телекоммуникационные технологии в агропромышленном комплексе вышли на новый уровень.

Материалы и методы

Эффективность работы машиннотехнологического комплекса производства овощных культур зависит от конструктивных, режимных, технологических параметров функционирующих элементов, а также от физико-механических свойств взаимодействующего материала и определяется показателями качества отдельной операции [13–15].

Объектом управления выступает механизм изменения глубины обработки, который представляет собой механизм регулировки опорного колеса (рис. 1).

Возмущением G , действующим на объект управления, является изменение расстояния L между осью O вращения колеса 1 энергетического средства привода почвообрабатывающей машины и осью вращения O ₃ опорных колес 2 машины для обработки почвы.

Изменение расстояния L в большую L ₂ или меньшую L ₁ сторону компенсируется перемещением штока актуатора из точки А в точку A ₂ или A ₁ на расстояние S ₂ или S ₁ соответственно. При обработке для поддержания профилированной (выровненной) предпосевной/предпо-садочной подготовки почвы должно соблюдаться условие

L = OB . (1)

Алгоритм формирования программы управления линейными актуаторами регулирования глубины хода рабочих органов построен из условия идеального отслеживания траектории О 0 О 1 О 2 (рис. 2).

Система управления рабочими процессами машины для посева/посадки семян лука, чеснока, моркови, столовой свеклы и картофеля автоматически регулирует равномерность плотности почвы при заделке семенного/посадочного материала. Необходимо определение и регистрация силового воздействия рабочего органа на почвенный слой соответственно ниже или выше заданных границ поля допуска плотности почвы (рис. 3).

Р и с. 1. Автоматическая система контроля регулирования глубины хода рабочих органов:

1 – колесо энергетического средства; 2 – колесо опорное почвообрабатывающей машины;

3 – датчик лазерный; 4 – электроцилиндр; 5 – устройство навесное

F i g. 1. Automatic control system for adjusting the depth of motion of the working tools:

1 – wheel of the power plant; 2 – support wheel of the tillage machine; 3 – laser sensor;

4 – electric cylinder; 5 – hinged device

Technologies and means of agricultural mechanization                                          149

Р и с. 2. Алгоритм формирования программы управления линейными актуаторами регулирования глубины хода рабочих органов

F i g. 2. Algorithm for making the control program for linear actuators for adjusting the depth of motion of the working tools

Задание и контроль плотности регулируемого дискового заделывающего органа осуществляется автоматически посредством бортового компьютера:

Δ y / y = δρ п2 + K m ⋅ 1 / f m , (2)

где ρп2 – плотность почвы после прохода сошника, г/см³; Km – коэффициент преобразования тензодатчика плотности почвы в частоту электрического сигнала; fm – частота электрического сигнала на выходе из тензодатчика, Гц [2]. В связи с тем, что заделка посев-ного/посадочного материала овощных культур осуществляется на глубину от 3 до 5 см, необходимо более тщательно определить интервалы изменения плотности и влажности почвы в указанном интервале посева овощных культур для наиболее распространенных в Центральной России и Среднем Поволжье типов почвы – выщелоченного чернозема [16; 17].

Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Глубина h , м / Depth h , m

Р и с. 3. Изменение среднего значения плотности почвы по глубине обработки

F i g. 3. Change in the average value of soil density at the depth of processing

Следовательно, конструкция сошниковой группы посадочной машины и режимы работы для обеспечения оптимального уплотненного ложа должны обеспечить плотность семенного ложа ρ _п = 1,3–1,4 г/см³ на глубине посева семян (3–5 см). Это происходит благодаря вертикальному перемещению штока электроцилиндра в соответствии с разработанным алгоритмом перемещения (рис. 4).

Р и с. 4. Схема изменения вертикального перемещения прикатывающих рабочих органов посадочной машины: 1 – шток электроцилиндра;

2 – электроцилиндр; 3 – прикатывающий рабочий орган; 4 – датчик плотности почвы;

5 – микроконтроллер; 6 – реле ограничения подъема штока электроцилиндра

F i g. 4. Scheme of changing the vertical movement of the rolling-down working tools of the planting machine: 1 – electric cylinder rod;

2 – electric cylinder; 3 – rolling working body;

4 – soil density sensor; 5 – microcontroller;

6 – relay for limiting the rise of the rod of the electric cylinder

Для разработки алгоритма функционирования изменения силового воздействия прикатывающих катков посевных и посадочных машин необходимо установить функциональную зависимость между плотностью ρ _п и влажностью W почвы:

ρ _п = f ( W ). (3)

Для выполнения функциональной зависимости (3) необходимо, чтобы ход S ₁ штока 1 (рис. 4) электроцилиндра 2 обеспечивал силовое воздействие прикатывающих рабочих органов 3 на слой почвы ρ _п = 1,3–1,4 г/см³ при изменении ее влажности W = 14–26 % в соответствии с алгоритмом вертикального перемещения прикатывающих рабочих органов посевной/посадочной машины (рис. 5).

Схема управления конструкцией прикатывающего катка представлена на рисунке 6.

Однако известно, что плотность ρ _п почвы изменяется в зависимости от ее влажности W . Следовательно, необходимо определить функциональную зависимость плотности почвы от влажности, представленной выражением (3), что необходимо для программирования микроконтроллера 5 (рис. 4) автоматической системы контроля.

F ( t )

Влажность почвы / Soil

moisture

Скорость катка µ 1 ( t ) /

y ( t )

Плотность почвы / Soil density

Р и с. 6. Функциональная схема прикатывающего катка с автоматической системой контроля

F i g. 6. Functional diagram of a press wheel with an automatic control system

Исследования по определению плотности почвы до посева и после, с учетом влажности, проведены в 2020 году в Пензенской области на базе ИП «Бодягин В. И.» (табл. 2).

Графическая интерпретация функциональной зависимости плотности до ρ _п1 и после ρ _п2 воздействия прикатывающих катков от влажности почвы представлена на рисунке 7.

Корреляционная связь между плотностью почвы до ρ _п1 и после ρ _п2 посева в зависимости от влажности посевного слоя W выражается уравнением параболических функций:

ρ _п1 = 0,27 + 0,11 W – 0,22 W ²,   (4)

ρ _п ^п ₂ = 0,95 + 0,06 W – 0,002 W ².

Силовое воздействие прикатывающих катков на посевной/посадочный слой почвы обеспечивается в результате верти- кального перемещения штока электроцилиндра в соответствии с разработанным алгоритмом перемещения (рис. 5).

Автоматическая система контроля (АСК) рабочего процесса машины для уборки лука должна обеспечивать автоматическую регулировку и контроль

– изменения и поддержания частоты вращения интенсификаторов сепарации в зависимости от фактической урожайности и физико-механических свойств вороха;

– изменения поступательной скорости движения и угла наклона сепарирующих устройств в зависимости от фактической урожайности и физикомеханических свойств вороха.

Функциональная схема автоматической системы контроля режимных и технологических параметров сепарирующей системы машины для уборки лука представлена на рисунке 8.

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Плотность почвы по горизонтам (после посева) Soil density along the horizons (after sowing)

Количество опытов / Number of experiments	Плотность, г/см³ / Density, g/sm³ Горизонты почвы, м / Soil horizons, m 0–0,01       0,01–0,02     0,02–0,03     0,03–0,04     0,04–0,05
1 2 3 Среднее значение / Average value	1,05           1,06           1,08           1,13           1,14 1,04           1,07           1,06           1,12           1,15 1,05           1,03           1,03           1,12           1,12 1,04           1,05           1,05           1,12           1,13

Влажность почвы W , % / Moisture W , %

Р и с. 7. Зависимость плотности от влажности

F i g. 7. Dependence of density on moisture

Лемех подкапывающий / Digging ploughshare

F 2 (t)

Масса вороха корнеплодов и лука / A mass of a heap of root vegetables and onions

Q i (t)

Опорный элемент/ Support element

Упругий элемент / Elastic element

Y i^{( t )}

F i (t)

Масса почвы / Soil hardness

У 1С0

Глубина подкапывания / Digging depth

CO

QV>

Y 2^(t )

Датчик веса 1 /

Weight sensor 1

CO

Датчик веса 2 /

Weight sensor 2

Q 3 (t)

Механизм привода / Drive mechanism

Y 3^(t )

Механизм вертикального перемещения / Vertical movement mechanism

Шток перемещения / Travel rod

Вал интенсификатора / Intensifier shaft

3^ 2⁽ 0

У з⁽ 0

Вал ведомого ролика / Driven roller shaft

Частота вращения интенсификаторов сепарации / Separation intensifier rotation frequency

Угол наклона пруткового элеватора / Angle of inclination of the bar elevator

Р и с. 8. Функциональная схема системы автоматического контроля режимных и технологических параметров сепарирующей системы машины для уборки лука:

1 ‒ измерительный орган; 2 ‒ рабочий орган; 3 ‒ объект управления

F i g. 8. Functional diagram of the system for automatic control of operating and technological parameters of the separating system of the onion harvesting machine:

1 – measuring body; 2 – working body; 3 – control object

В каждый момент времени происходит изменение возмущающего воздействия F ₂ ( t ) (массы вороха лука), которое воспринимается измерительным органом (ИО) (датчик веса) 1 и передается на сравнивающий орган – блок управления (БУ). Если измеряемая величина больше определенного значения, то сигнал поступает на рабочий орган (РО) (механизм вертикального перемещения) 2 и передается на объект управления (ОУ) (вал ведомого ролика и вал интенсификатора) 3 , изменяющий управляемую величину y ₂ ( t ) и y ₃ ( t ) (рис. 8).

В случае если возмущающее воздействие F ₂ ( t ), воспринимаемое ИО, на сходе с первого пруткового элеватора отличается от требуемого значения массы вороха корнеплодов и лука, то сигнал передается на сравнивающий орган БУ. Далее он поступает на РО и передается на ОУ[5].

Конструктивно-технологическая схема автоматизированной сепарирующей системы машины для уборки лука представлена на рисунке 9.

При определении подачи вороха лука на подкапывающий лемех вос- пользуемся функциональной зависимостью, выведенной в одном из предыдущих исследований коллектива авторов:

Q _Вп = m ⋅ V _л / L , (5)

где m – масса луко-почвенного вороха, кг; V _л – поступательная скорость движения уборочной машины, м/с; L – длина подкапывающего лемеха, м [14].

Изменение положения пруткового элеватора в горизонтальной плоскости обеспечивается смещением опорного вала по опорной стойке на расстояние S ₁ согласно аналитической зависимости

S ₁ = ( L _эл – D _вед / 2 + D _пр / 2) ⋅ sin α ₂ , (6)

где L _эл – длина пруткового элеватора, м; D _вед – диаметр ведомого вала барабана пруткового элеватора, м; D _пр – диаметр приводного вала барабана пруткового элеватора, м.

Частота вращения интенсификаторов сепарации в зависимости от массы вороха, поступающего на очистку от механических примесей, nин = (30 ⋅ (QВ.эл. ⋅ Lэл) / m) ⋅ π, (7)

Р и с. 9. Схема автоматизированной сепарирующей системы машины для уборки лука: 1 – лемех подкапывающий; 2, 8 – прутковый элеватор; 3 – датчик веса подкапывающего лемеха;

4 – микроконтроллер; 5 – опорная стойка пруткового элеватора; 6 – интенсификаторы сепарации;

7 – электродвигатели привода интенсификаторов; 9 – датчик инерционный;

10 – реле ограничения подъема; 11 – электроцилиндр

F i g. 9. Diagram of the automated separating system of the onion harvester: 1 – burrowing share;

• 2,    8 – bar elevator; 3 – weight sensor of the digging share; 4 – microcontroller;

• 5    – support post of the bar elevator; 6 – separation intensifiers; 7 – electric motors for driving intensifiers;

9 – inertial sensor; 10 – lifting limit relay; 11 – electric cylinder

KTSJ где QВэл – сход вороха лука, кг; m – масса воро. х.а луковиц на прутковом элеваторе, кг; Lэл – длина пруткового элеватора, м.

Для повышения качества сортирования корнеклубнеплодов и лука по размерному признаку необходимо разработать систему автоматического контроля режимных и технологических параметров. Она позволит исключить ручное сортирование на переборочных столах линии для послеуборочной обработки.

Качественное сортирование корнеклубнеплодов необходимо обеспечить при совершенствовании процесса распознавания сортируемого материала на рабочей поверхности с помощью системы технического зрения.

Комплекс машин для послеуборочной обработки корнеклубнеплодов и лука с системой контроля параметров отдельных функционирующих элементов представлен на рисунке 10 [18–21].

Для распознавания некондиционной товарной продукции разработана

Том 32, № 1. 2022 блок-схема функционирования электронной системы линии (рис. 11).

Сортирование корнеклубнеплодов обеспечивается за счет разделения поврежденной и товарной продукции при скатывании по специальным лоткам. Поступательное движение передаточных транспортеров, а также спиральных очистителей вороха осуществляется при силовой нагрузке электродвигателей. Поток корнеклубнеплодов разделяется транспортерным устройством, представленным двухполосной резиновой лентой, рабочая поверхность которой имеет технологические выступы под углом 45° относительно осевой линии.

Данное конструктивное исполнение позволяет распознавать некондиционную товарную продукцию и перемещать качественную к исполнительным механизмам представленными упруго-пластичными элементами [21; 22].

Р и с. 10. Конструктивно-технологическая схема линии для сортирования корнеклубнеплодов и лука с системой автоматического контроля режимных и технологических параметров: 1 – приемный бункер; 2 – передаточный транспортер; 3 – спиральный очиститель вороха;

4 – транспортерное сортировочное устройство; 5 – транспортерные ленты; 6 – камера;

7 – блок управления; 8 – исполнительные механизмы; 9, 10 – лотки; 11 – электродвигатели

F i g. 10. Structural and technological scheme of a line for sorting root and tuber crops and onions with an automatic control system for operating and technological parameters: 1 – receiving hopper;

2 – transfer conveyor; 3 – spiral heap cleaner; 4 – conveyor sorting device; 5 – conveyor belts;

• 6    – camera; 7 – control unit; 8 – executive mechanisms; 9, 10 – trays; 11 – electric motors

  

  Р и с. 11. Блок-схема автоматизированной линии сортирования корнеклубнеплодов и лука

  F i g. 11. Block diagram of an automated line for sorting root and tuber crops and onions

  
  

Рабочая поверхность исполнительного механизма уменьшает повреждения корнеклубнеплодов при повышении силы взаимодействия для перемещения их в лотки (рис. 12).

Р и с. 12. Взаимодействие луковицы с исполнительным механизмом:

1 – луковица; 2 – лента транспортерная;

3 – механизм исполнительный; 4 – лоток упругий

F i g. 12. Interaction of the onion bulb with the actuator: 1 – onion; 2 – conveyor belt;

3 – executive mechanism; 4 – elastic tray

Для проверки разработанных алгоритмов функционирования систем автоматического контроля режимных и технологических параметров машин для производства овощных корнеплодов, картофеля и лука необходимо выполнить экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях. Важно изготовить разрабатываемые системы и установить на машинно-технологические комплексы.

Результаты исследования

Общий вид программно-аппаратных средств системы автоматического контроля регулирования глубины хода рабочих органов машины для предпо-севной/предпосадочной обработки почвы представлен на рисунке 13.

Для проверки разработанных алгоритмов функционирования системы автоматического контроля регулирования глубины хода рабочих органов машины для предпосадочной обработки почвы необходимо выполнить экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях. Результаты позволили установить разработанную систему (рис. 14).

В связи с тем, что объектом исследований является технологический процесс предпосадочной обработки почвы с цифровой системой автоматического контроля и управления при сохранении конструктивных параметров почвообрабатывающей машины, установленных заводом-изготовителем, основными факторами, влияющими на равномерность глубины обработки почвы при проведении экспериментальных

Р и с. 13. Программно-аппаратные средства системы автоматического контроля регулирования глубины хода рабочих органов машины для предпосевной/предпосадочной обработки почвы: 1 – двигатель шаговый; 2 – микроконтроллер; 3 – реле ограничения подъема;

• 4 – преобразователь веса; 5 – фотодатчик отражения от световозвращателя; 6 – блок питания;

• 7 – провода соединительные

F i g. 13. Software and hardware of the automatic control system for adjusting the depth of travel of the working tools of the machine for pre-sowing/pre-planting soil cultivation: 1 – stepper motor;

• 2    – microcontroller; 3 – lifting limit relay; 4 – weight converter; 5 – photosensor of reflection from the reflector; 6 – power supply unit; 7 – connecting wires

  

Р и с. 14. Общий вид культиватора ГПК-2-01 для обработки почвы, оснащенного системой автоматического контроля регулирования глубины обработки почвы: 1 – блок управления;

• 2    – фотодатчик отражения от световозвращателя; 3 – световозвращатель; 4 – двигатель шаговый;

5 – муфта разъемная; 6 – провода соединительные; 7 – колесо опорное

F i g. 14. General view of the GPK-2-01 cultivator for tillage, equipped with an automatic control system for adjusting the depth of tillage: 1 – control unit; 2 – photosensor of reflection from the reflector;

• 3    – reflector; 4 – stepper motor; 5 – detachable clutch; 6 – connecting wires; 7 – support wheel

исследований, являлась поступательная скорость движения V _До агрегата для обработки почвы и частота вращения n Д_о фрезерного барабана.

Критерием оптимизации при проведении экспериментальных исследований стала равномерность глубины обработки, то есть расстояние от поверхности необработанного поля до дна борозды, образованной рабочим органом.

Зависимость критерия оптимизации от исследуемых параметров представлена на рисунках 15 и 16.

Результаты статистической обработки экспериментальных исследований представлены на рисунках 16 и 17. Они позволяют получить основные статистические характеристики эксперимента: значение табличного t -критерия, t ₀₀₅ = 3,66; табличное значение критерия^, Фишера при 5-процентном уровне значимости для полученного уравнения F _Т = 5,32; расчетное значение критерия Фишера при 5-процентном уровне значимости для полученного уравнения F = 2,2.

С учетом полученных результатов можно указать следующие оптимальные значения основных параметров комбинированного почвообрабатываю- щего агрегата: поступательная скорость движения машины vд = 1,1 м/с, частота вращения фрезерного барабана nДо = = 148 мин–¹ при значениях коэффициента вариации глубины обработки vh в пределах от 13 до 17 %.

Результаты экспериментальных исследований системы предпосевной/ предпосадочной обработки почвы с автоматической системой контроля регулирования глубины хода рабочих органов почвообрабатывающих машин позволили определить, что равномерность обработки почвы по глубине составляет не менее 90 %, отклонение глубины обработанного слоя – не более ±1 см; глыбистость – не более 10–15 %; максимальная высота оставшихся гребней – до 3 см.

Результаты исследований, представленные на рисунках 4–7, позволили разработать систему автоматического контроля плотности почвы при посадке чеснока. Она состоит из основных аппаратно-программных средств: актуаторов поддержания и заглубления прикатывающих рабочих органов, микроконтроллера, блока управления, тензодатчика определения силового воздействия, датчика влажности почвы, блока питания (рис. 17).

Поступательная скорость движения подкапывающего лемеха v _Д, м/с / Forward speed of the machine v _Д, m/s

Р и с. 15. График зависимости коэффициента вариации глубины обработки ( v_h , %) от поступательной скорости движения машины ( v _Д, м/с) при n _До = const

F i g. 15. Graph of the dependence of the coefficient of variation of the tillage depth ( v_h , %) on the forward speed of the machine ( v _Д, m/s) at n _До = const

Technologies and means of agricultural mechanization                                         159

Частоты вращения фрезерного барабана n д _о, мин ¹ / Rotational speed of the milling drum n _До, min^–¹

Р и с. 16. График зависимости коэффициента вариации глубины обработки ( v_h , %) от частоты вращения фрезерного барабана ( n _До, мин^–¹) при v _Д = const

F i g. 16. The graph of the dependence of the coefficient of variation of the depth of processing ( v_h , %) of the rotational speed of the milling drum ( n _До, min^–¹) at v _Д = const

Р и с. 17. Программно-аппаратные средства системы автоматического контроля плотности почвы посадочной машины: 1 – электроцилиндр; 2 – микроконтроллер; 3 – блок управления;

• 4    – тензодатчик; 5 – провода соединительные

F i g. 17. Software and hardware of the automatic soil density control system of the planting machine: 1 – electric cylinder; 2 – microcontroller; 3 – control unit; 4 – strain gauge; 5 – connecting wires

С использованием программно-аппаратных средств проведены эксперименты по проверке алгоритмов работы линейных актуаторов в лабораторных условиях Федерального научного агро-инженерного центра ВИМ. Результаты позволили установить разработанную систему автоматического контроля 160

плотности почвы машины для посадки чеснока (рис. 18).

Для регулирования силового воздействия на слой почвы при посадке внесены изменения в бороздозакрывающие рабочие органы, а именно: выполнен демонтаж одной секции заделывающих рабочих органов 6 , представленных

Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Р и с. 18. Общий вид машины для посадки чеснока: 1 – брус поперечный опорный; 2 – бункер;

3 – высаживающий аппарат; 4 – опорно-приводные колеса; 5 – сошник; 6 – бороздозакрывающий рабочий орган; 7 – прикатывающий каток; 8 – электроцилиндр; 9 – микроконтроллер;

10 – блок управления; 11 – тензодатчик; 12 – датчик влажности почвы; 13 – муфта разъемная

F i g. 18. General view of the machine for planting garlic: 1 – transverse support bar; 2 – bunker;

• 3    – planting device; 4 – supporting and driving wheels; 5 – opener; 6 – furrow-closing working body;

• 7    – a rolling rink; 8 – electric cylinder; 9 – microcontroller; 10 – control unit; 11 – strain gauge;

12 – soil moisture sensor; 13 – split clutch пассивными загортачами (рис. 18), и установлены прикатывающие катки (рис. 19). Они совершают вертикальное перемещение в соответствии с разработанным алгоритмом (рис. 5).

Кроме того, результаты экспериментальных исследований по определению плотности почвы прикатывающим катком с АСК свидетельствуют о том, что размах вариации изменяется в пределах 17 %, а средне линейное отклонение 4,7 % при воздействии электроцилиндра на почвенный слой 7 000 Н/м (рис. 20).

После посадки чеснока произведены замеры плотности почвы с пятикратной повторностью за исследуемыми участками посадочных секций бороздозакрывающих рабочих органов. Результаты сравнительных исследований (табл. 3) изменения равномерности уплотнения почвы свидетельствуют о повышении показателя в результате изменения конструктивной схемы заделывающего устройства посадочной машины.

Для реализации алгоритма управления линейными актуаторами системы автоматического контроля регулирования и контроля угла наклона пруткового элеватора α и частоты вращения интенсификаторов сепарации n _ИН необходимы основные аппаратно-программные средства для расположения в конструкции уборочной машины (рис. 21), а именно: тензометрический датчик веса подкапывающего лемеха (рис. 22), линейные актуаторы поддержания и изменения вертикального положения барабана

Q ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ * и *---------------------------------------------------

a)

b)

Р и с. 19. Общий вид: a) прикатывающий механизм с пружинным механизмом; b) прикатывающий механизм с электроцилиндром; 1 – каток прикатывающий;

• 2    – пружинный упругий механизм; 3 – электроцилиндр; 4 – провода соединительные

F i g. 19. General view: a) a rolling mechanism with a spring mechanism;

• b) a rolling mechanism with an electric cylinder; 1 – rolling roller; 2 – spring elastic mechanism;

3 – electric cylinder; 4 – connecting wires

Силовое воздействие F = 11 000 Н/м / Force impact F = 11,000 N/m

Силовое воздействие F = 7 000 Н/м / Force impact F = 7,000 N/m

Р и с. 20. Результаты экспериментальных исследований зависимости влажности почвы на степень уплотнения посевного слоя

F i g. 20. Results of experimental studies of the dependence of soil moisture on the degree of compaction of the seed layer

Т а б л и ц а 3

T a b l e 3

Результаты измерения плотности почвы Results of measuring soil density

Вид бороздозакрывающего рабочего органа / View of the furrow-closing working body Средняя плотность по посевному слою, кг/м³ / Average density over the sowing layer, kg/m³ 0–20 мм / 0–20 mm 20–40 мм / 20–40 mm 40–60 мм / 40–60 mm Полозовидный загортач / Sliver harvester 990 1 120 1 430 Прикатывающий каток с автоматической системой контроля плотности / Packer roller with 1 120 1 340 1 760 automatic density control

Р и с. 21. Общий вид машины для уборки корнеплодов и лука с системой автоматического контроля регулирования угла наклона полотна пруткового элеватора и частоты вращения встряхивателей: 1 – рама; 2 – приемный лемех для подкапывания/подбора корнеплодов и луковиц; 3 – колеса опорные; 4 – основной сепарирующий прутковый элеватор; 5 – дополнительный прутковый элеватор; 6 – каток-ложеобразователь; 7 – плита регулировочная встряхивателя; 8 – лоток сужающий; 9 – электроцилиндры; 10 – датчик веса лемеха подкапывающего; 11 – микроконтроллер F i g. 21. General view of a machine for harvesting root crops and onions with an automatic control system for adjusting the angle of inclination of the bar elevator web and the frequency of rotation of the shakers:

• 1    – frame; 2 – receiving ploughshare for digging/picking up root crops and onion bulbs; 3 – supporting wheels; 4 – main separating bar elevator; 5 – additional bar elevator; 6 – bed former; 7 – shaker adjusting plate; 8 – narrowing tray; 9 – electric cylinders; 10 – weight sensor of the digging share; 11 – microcontroller

  
  
  

Р и с. 22. Тензометрический датчик веса подкапывающего лемеха: 1 – датчик веса;

2 – преобразователь весовой; 3 – плита опорная; 4 – соединительные провода

F i g. 22. Strain gauge weight sensor of the undercut share: 1 – weight sensor; 2 – weight converter;

3 – support plate; 4 – connecting wires пруткового элеватора, микроконтроллер, драйвер моторов, бесконтактный лазерный датчик, блок питания, а также шаговые электродвигатели привода интенсификаторов сепарации и частоты

Technologies and means of agricultural mechanization

вращения, которые предназначены для контроля частоты вращения (скорости) привода электродвигателей и их аварийного отключения при снижении частоты вращения относительно установленного предельного значения, а также для контроля скорости линейного перемещения пруткового элеватора.

Для реализации алгоритма управления линейными актуаторами системы автоматического контроля регулирования угла наклона пруткового элеватора и частоты вращения интенсификаторов сепарации необходимо провести исследования по определению подачи вороха лука на сепарирующие рабочие органы и массы просеянных почвеннорастительных примесей в зависимости от глубины подкапывания [23].

Проверка показателей качества работы уборочной машины в полевых условиях выполнялась при изменении параметров в следующих пределах:

– глубина погружения в почву подкапывающего лемеха h _Л = 0,02–0,06 м;

– поступательная скорость движения машины для уборки лука v _К = 1,0–1,8 м/с;

– поступательная скорость движения полотна пруткового элеватора v _ЭЛ = 1,55–1,67 м/с.

Результаты статистической обработки экспериментальных исследований качества уборки лука позволили получить графические зависимости полноты сепарации вороха лука ν и повреждений луковиц П от исследуемых параметров при получении аналитической зависимости fv = 103,32 - 324 • ha + 3 000,8 • h^,

[ n = 1,52 - 3,28 • h _Ё - 71,42 • h 2 . ( )

Графическая зависимость на рисунке 23 свидетельствует о снижении полноты сепарации и повреждении товарной продукции (1,1 %) при увеличении глубины подкапывания более 0,02 м при значении качества очистки 98 %.

Увеличение поступательной скорости движения машины для уборки корнеплодов и лука vК способствует повышению повреждений до 1,6 % и полноты сепарации более 97 % в интервале значений исследуемого параметра от 0,9 до 1,8 м/с, что отображает аналитическая зависимость

'v = 115,29 - 23,7 ■ v K + 6,78 ■ v 2 , (9) \ П = 1,39 - 0,85 ■ v _K + 0,53 ■ v 2. ^{( J}

Величина смещения распределения полноты сепарации и повреждений луковиц на прутковом элеваторе с регулируемым углом наклонам полотна

(X -X6A

X CM v X 0       2

(96,8 - 96,5)

= 96,5 -    ,----- = 96,35 %.

X _x ^{( X} 2 "  ^X 0 ⁾ ₌

X CMn X 0       2

. 1,0 -^{( 1},2 - 1,0 ⁾ . 0,9 %.

Среднее значение полноты сепарации и повреждений

У N ⁴ x

X CP v = ^- N = 98,0%,

X CPï

У N " 1 X

^j ^{= 0} j = 1,95 %

N,

Среднеквадратическое отклонение полноты сепарации и повреждений ly N ;4 xc p- x, Stdev(xv)^l^j-0kN-P1 j ’ = 1,67.

Stdev ( x _n ) =

£ N = 0 ( X CP

—

N — 1

0,293.

Коэффициент вариации полноты сепарации и повреждений

Глубина погружения подкапывающего лемеха ℎ Л , м / Depth of immersion of the burrowing share in the soil ℎ Л , m

Р и с. 23. Зависимость полноты сепарации ν , %, и повреждений луковиц П, %, сепарирующего пруткового элеватора с регулируемым углом наклона полотна от глубины h _Л погружения подкапывающего лемеха в почву

F i g. 23. Dependence of the completeness of separation ν , %, and damage to the onion bulbs П, %, of the separating bar elevator with an adjustable angle of inclination of the web on the depth h _Л of immersion of the burrowing share in the soil

^ v

Stdev ( ^{v )}

r - X

CP CM

¹⁶⁷--- = 0,311.

98,0 - 96,35

и

ï

Stdev ( x )

CP CM

0, 293

1,95 - 0,9

= 0,238.

Математическое ожидание М ( Х ) нормального закона распределения сепарации вороха лука и его повреждений на прутковом элеваторе с регулируемым углом наклона полотна

M ( X , ) = 0,2, M ( X „ ) = 0,3.

Квантиль распределения Стьюдента

Ct

T _v = qt 1 1 - -, u 1 = 2,012,

T _n = qt [ 1 - 1 , и j = 1,001.

Общий вид линии для послеуборочной обработки картофеля, лука, моркови и столовой свеклы с автоматической системой контроля, а также сортировочного стола представлен на рисунке 24.

При проведении производственных исследований линии для сортирования корнеклубнеплодов и лука с системой автоматического контроля режимных и технологических параметров по определению оптимального значения поступательной скорости движения транспортера сортировального стола v ТР устанавливались подача луковиц Q _Л = 6,5 кг/с и время срабатывания исполнительного механизма сортирования t _Л = 1,4 с (рис. 25).

a)

b)

Р и с. 24. Общий вид линии для послеуборочной обработки картофеля, лука, моркови и столовой свеклы с автоматической системой контроля: a) 1 – приемный бункер; 2 – передаточный транспортер; 3 – спиральный очиститель вороха; 4 – стол сортировочный; 5 – транспортерные ленты; 6 – электродвигатели; b) 1 – блок управления; 2 – камера; 3 – исполнительные механизмы;

4 – лотки; 5 – электродвигатель привода транспортерной ленты

F i g. 24. General view of the line for post-harvest processing of onion bulbs, carrots and beets with an automatic control system: a) 1 – receiving hopper; 2 – transfer conveyor; 3 – spiral heap cleaner;

4 – sorting table; 5 – conveyor belts; 6 – electric motors; b) 1 – control unit; 2 – camera; 3 – actuators;

• 4 – trays; 5 – conveyor belt drive electric motor

  

  Р и с. 25. Программно-аппаратные средства автоматической системы контроля линии для послеуборочной обработки корнеплодов, картофеля и лука: 1 – микроконтроллер Arduino Mega 2560; 2 – блок питания; 3 – сервопривод SG90; 4 – исполнительный механизм;

  5 – газоразрядная лампа высокого давления «ДНаТ-400»; 6 – кронштейн крепления камеры;

  7 – веб-камера Logitech HD Pro C920

  
  

  F i g. 25. Software and hardware of the automatic line control system for post-harvest processing of root crops, potatoes and onion bulbs: 1 – microcontroller Arduino Mega 2560; 2 – power supply unit; 3 – SG90 servo drive; 4 – actuator; 5 – high pressure gas discharge lamp DNaT-400; 6 – camera mounting bracket; 7 – webcam Logitech HD Pro C920

Результаты статистической обработки экспериментальных исследований позволили получить графическую (рис. 26) и аналитическую (10) зависимости показателей качества сортирования от режимных параметров разработанной системы автоматического контроля и управления.

Jn = 2,86 - 1,71v TP + 1,07 vTp,

K = 94,34 - 0,27vTP - 4,64v2. (10)

Максимальная точность сортирования товарной продукции более 91 % определяется числовыми значениями технологических параметров при адекватности математической модели

выражения (10). Они определяются сравнением расчетного и табличного критериев Фишера ( F _Т = 2,1 >  F = 1,97) в интервале значения поступательной скорости движения транспортера сортировального стола, равной 1,2 м/с, при повреждении луковиц 2,3 %, что соответствует агротехническим требованиям к послеуборочной обработке.

Обсуждение и заключение

Результаты проведенных аналитических и экспериментальных исследований по разработке алгоритмов и программно-аппаратных средств функционирования отдельных элементов машин для возделывания, уборки и послеуборочной обработки овощных

Подача луковиц Q Л, кг/с / Onion bulb delivery Q Л , kg/s

Р и с. 26. Зависимость точности сортирования и повреждений луковиц от поступательной скорости движения транспортера сортировального стола

F i g. 26. Dependence of sorting accuracy and damage to bulbs on the forward speed of the conveyor of the sorting table культур и картофеля с цифровыми системами управления позволили автоматизировать ряд систем:

• 1.    Система автоматического контроля глубины обработки почвы. Для этого внесены изменения в механизм регулировки опорного колеса, совершающего вертикальное перемещение в соответствии с разработанным алгоритмом.

• 2.    Система контроля машины для посадки чеснока. Она автоматически регулирует равномерность плотности почвы при заделке посадочного материала при определении и регистрации силового воздействия рабочего органа на почвенный слой соответственно ниже или выше заданных границ поля допуска плотности почвы.

• 3.    Система контроля режимных и технологических параметров машины для уборки лука. Она позволяет повысить качество уборки в результате регулирования частоты вибрации интенсификаторов сепарации, поступательной скорости движения и угла наклона сепарирующих устройств в зависимости от 168

• 4.    Система контроля линии для послеуборочной обработки картофеля, лука, моркови и столовой свеклы. Она повышает качество сортирования луковиц в результате использования системы технического зрения в виде камеры с зоной покрытия всей рабочей поверхности двух транспортерных лент, блока управления и исполнительных механизмов с упруго-эластичными рабочими органами, которые двигаются благодаря электроприводам.

фактической урожайности и физико-механических свойств вороха.

Результаты исследований по аналитическому обоснованию системы пред-посевной/предпосадочной обработки почвы позволили разработать автоматическую систему контроля регулирования глубины хода рабочих органов почвообрабатывающих машин, выполнить полевые исследования и определить, что равномерность обработки почвы по глубине составляет не менее 90 %, отклонение глубины обработанного слоя не более ±1 см; глыбистость

Технологии и средства механизации сельского хозяйства

не более 10–15 %, максимальная высота оставшихся гребней до 3 см.

Аналитические исследования технологического процесса посева овощных культур позволили разработать систему автоматического контроля посева/посадки, позволяющую регулировать равномерность плотности почвы при заделке семенного материала, а также определять и регистрировать силовое воздействие рабочего органа на почвенный слой соответственно ниже или выше заданных границ поля допуска плотности почвы. Высокие показатели равномерности распределения луковиц вдоль рядка (19 %) достигаются при поступательной скорости движения посадочной машины, равной 1,05 м/с.

Результаты проведенных производственных исследований машины для уборки корнеплодов и лука, оснащенной прутковым элеватором с ре-

гулируемыми углом наклона полотна и частотой вращения интенсификаторов сепарации, показали качественное выполнение сепарации вороха лука при поступательной скорости движения пруткового элеватора v ЭЛ = 1,7 м/с, машины для уборки корнеплодов и лука v _К = 1,0 м/с. Полнота сепарации 98,4 %, повреждения луковиц 1,7 %.

Представлены результаты проведенных лабораторных исследований линии для послеуборочной обработки лука, оснащенной системой автоматического контроля. Она позволяет обеспечить точность сортирования луковиц более чем на 90 %. Данный показатель обеспечивается в результате использования системы технического зрения в виде камеры с зоной покрытия всей рабочей поверхности двух транспортерных лент при следующих оптимальных значениях: Q _Л = 8,0–8,5 кг/с, v _ТР = 0,62–0,75 м/с, t _Л = 1,9–2,3 с.

Поступила 11.08.2021; одобрена после рецензирования 26.10.2021; принята к публикации 10.12.2021

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Submitted 11.08.2021; approved after reviewing 26.10.2021; accepted for publication 10.12.2021

All authors have read and approved the final manuscript.