Параметры определителя повреждаемости клубней картофеля

К составляющим производства картофеля относится селекция, создающая генетическую основу семеноводства – сорт. Сорт во многом определяет урожай. Как правило, новые сорта превосходят старые по урожайности. Исследованиями и практикой установлена высокая эффективность сортосмены: прибавка урожая составляет 10-30 % по сравнению со старыми сортами. Среди других культурных растений картофель выделяется наличием богатейших генетических ресурсов и легкостью передачи наследуемых признаков сорта. Различные сорта картофеля, кроме урожайности, в разной степени обладают такими наследуемыми признаками, как выход крахмала, продолжительность вегетации, устойчивость к болезням, вредителям, неблагоприятным факторам среды и т.д. А в связи с совершенствующимися приемами и способами возделывания и уборки, а также длительного хранения картофеля к новым сортам предъявляются дополнительные требования. Так, возрастающий удельный вес механических повреждений клубней при уборке, закладке на хранение и транспортировке определил необходимость вести селекцию на повышенную устойчивость картофеля к механическим нагрузкам [1].

В связи с этим в последние годы у нас в стране и за рубежом изучаются и разрабатываются методики и средства для определения пригодности сортов к механизированной уборке. Несмотря на наличие и разнообразие существующих методов оценки небольших партий клубней, все они направлены в основном на выявление отдельных факторов устойчивости. К тому же, как отмечают исследователи [2], реакция сорта меняется в зависимости от метода испытания их устойчивости.

Механические характеристики мякоти клубней тесно связаны с ее внутренним строением и состоянием, поэтому они влияют на устойчивость клубней к механическим повреждениям. Таким образом, для оценки селекционного материала на устойчивость к механическим повреждениям, особенно на ранних этапах селекционного процесса (при наличии ограниченного количества клубней), имеют огромное значение лабораторные методы определения механических (упруго-прочностных) свойств мякоти клубней.

Как показывают опыты, за время взаимодействия тел при ударе (в среднем t= 0,013 с) и скорости распространения волны в клубне 63,93 м/с [3] волна успевает пройти сквозь клубень и отразиться 6…9 раз (в зависимости от размеров клубня). Из этого следует вывод о том, что можно использовать при расчетах формулы статического сжатия.

Анализируя эти результаты, авторы пришли к выводу, что мякоть клубня обладает как упругими, так и упруго-пластическими свойствами. Таким образом, в качестве модели мякоти клубня картофеля можно выбрать модель твердого тела Зинера или обобщенную модель, состоящую из абсолютно упругой и упруго-пластической частей, соединенных последовательно.

Эффективность картофелеводства в значительной степени зависит от производства семенного картофеля. В настоящее время на первый план выдвигается пригодность сорта картофеля к запланированной цели использования. При этом сортоиспытание все больше заменяют многофакторными экспериментами, при которых подвергают проверке не только сорт, но и комплекс агротехнических мероприятий. Благодаря этому удается получить ценные рекомендации по агротехническим мероприятиям, связанным с возделыванием определенного сорта, т.е. разработать сортовую агротехнику [2]. Существующая сейчас методика оценки имеет ряд недостатков. Главным является невозможность сделать достоверную оценку устойчивости в процессе селекции, так как испытания необходимо проводить методами, наиболее близкими к воссозданию условий, имеющих место при обычном механизированном возделывании.

Условия и методы исследований

Авторами был разработан ряд технических средств [4, 5, 6], предназначенных для использования в процессе выведения новых сортов картофеля.

В 1990 г. проводились испытания имитатора повреждений клубней картофеля. Недостатком имитатора является то, что условия испытаний клубней не полностью соответствуют реальным условиям возделывания и уборки картофеля. Так, устройством не создаются такие динамические нагрузки, которые имеют место при реальной работе картофелеуборочных машин: поверхность внутри барабана имеет форму цилиндра, в то время как поверхность прутковых элеваторов плоская. Таким образом, был разработан определитель повреждаемости клубней картофеля (далее ‒ определитель).

Определитель защищен патентом на изобретение Российской Федерации [6] и предназначен для определения уровня повреждаемости клубней картофеля при оптимизации работы картофелеуборочных машин, а также при селекции сортов картофеля, предназначенных для механизированного возделывания.

Были определены рациональные параметры и режимы работы определителя повреждения клубней: длина пруткового полотна ‒ 3978 мм, шаг прутков ‒ 32 мм, ширина лопасти ‒ 150 мм, скорость движения полотна ‒ 2,02 м/с, для этого был рассмотрен процесс движения клубней внутри имитатора повреждений клубней. При вращении пруткового полотна клубни перекатываются по прутковой поверхности до тех пор, пока не подхватываются лопастью и поднимаются на определенную высоту, откуда они падают на поверхность полотна, и так цикл повторяется до остановки определителя.

Итак, рассмотрим начало скатывания клубня по лопасти перед падением на наклонную поверхность площадки (рис. 1).

В этом случае на клубень, находящийся на лопасти барабана, действуют сила тяжести m g , нормальная составляющая N и сила трения F :

ma = mg + N + F_mp;                             (1)

m(a пер+ a отн+ a Юр )= mg + N + Fmp, где a ‒ ускорение переносного движения; a ‒ ускорение относительного движения; а ‒ кориолисово ускорение.

Рисунок 1 – Движение клубня вдоль лопасти

Движение клубня возможно только по направлению оси X и начнется с того момента, когда сумма проекций всех сил на ось OX будет равна нулю. Проецируя на ось OX, получим: ma oTH =— am nep ⁺ mg sin Ф"fmg cos Ф ⁺ fm • a kop ,              ⁽²⁾

где                                         a nep = anep = to2(R — x), так как aTnep = e(R — x) = 0, (e = 0 - вращение равномерное) f - коэффициент сопротивления движению,

a = 2 co v ко р            о тн .

Движение начинается с момента:

• — to2 R + g (sin ф — f cos ф) = 0.                            (3)

Таким образом, можно определить скорость клубня в момент отрыва от лопасти и угол подъема лопасти в этот момент.

Далее рассмотрим полет клубня в момент падения его с лопасти до удара о внутреннюю поверхность полотна (рис. 2). В момент отрыва от лопасти клубень будет иметь скорость v, равную сумме скорости относительно лопасти v_omH и скорости вращения полотна v_neр = tol .

При проецировании на оси OX и OY получим:

mx" = 0;

my" = — mg.

Откуда следует, что:

v x = ^{— ( v}отн cos ф+^ю ^ sin ф);

V y =— V отн sin Ф + ® ^ cos Ф — gt; x = — ( v_0TH cos ф + to ^ sin ф ) 1 + ^ cos ф ;

gt2

y = ( — V_0TH sin ф + to ^ cos ф )1 —— + I sin ф .

Рисунок 2 ‒ Полет клубня от лопасти до поверхности полотна

Тогда уравнение траектории полета клубня:

У =

( то £ cos ф- v_omHsin ф )(£ cos ф- x ) g ----------------------------------------------- ^— --

v_omHcos Ф + ^ю £ sin Ф

£ cos ф - x

I v omH cos Ф ^{+ ю £ sin} Ф)

+ £ sin ф .

По результатам исследований для определения повреждаемости клубней картофеля создана установка «Определитель повреждаемости клубней картофеля», научная новизна которой подтверждена патентом на изобретение РФ. Также определены рациональные параметры, режимы работы определителя повреждения клубней, уравнение траектории полета клубня и уравнение точки пересечения траектории полета клубня с линией полотна. Длина пруткового полотна ‒ 3978 мм, шаг прутков ‒ 32 мм, ширина лопасти ‒ 150 мм, скорость движения полотна ‒ 2,02 м/с.

Результаты анализа данных на определителе показали, что повреждаемость клубней картофеля при 2 оборотах составила 6,25%, при 4 оборотах – 14,58%, при 6 оборотах – 17,78%. Обработку результатов проводили при помощи автоматизированной программы Microsoft Office Excel. Зависимость количества повреждений клубней от режимов работы определителя отражена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Зависимость количества повреждений клубней от режимов работы определителя

Из рисунка 3 видно, что при увеличении оборотов от 2 до 6 идет рост повреждаемости клубней картофеля по видам повреждений: обдир кожуры более ¼ до менее ½, обдир кожуры более ½, потемнение мякоти глубиной до 5 мм.

Анализ рисунка 3 показывает, что наибольшая зависимость между механической повреждаемостью клубней на определителе и на комбайне наблюдается по следующим видам повреждений: потемнение мякоти, вырывы и обдир кожуры.

При помощи автоматизированной программы STATISTICA 6.1 построены поверхности отклика (рис. 4). Анализируя данные сечения поверхностей отклика (см. рис. 4), можно сделать вывод, что для имитации работы определителя повреждаемости клубней картофеля не- обходимо выбирать следующие режимы: для картофелекопателя КТН-2В и комбайна SE-75-30 необходимо 2 оборота, а для комбайна ККУ-2А – 4 оборота.

+1

Рисунок 4 – Карта линий уровня двухфакторного эксперимента определителя повреждений клубней картофеля

0 -1000

-2000

-3000

Выводы

• 1.    Результаты исследования процессов пластической деформации и релаксации образцов, вырезанных из мякоти клубней, подтверждают, что в качестве модели мякоти клубня картофеля необходимо выбрать обобщенную модель твердого тела, состоящую из абсолютно упругой и упруго-пластической частей, соединенных последовательно.

• 2.    Применение разработанных авторами специальных технических средств позволяет ускорить и упростить метод оценки устойчивости клубней к механическим повреждениям в селекции картофеля.

• 3.    Одним из путей снижения повреждений клубней является дальнейшая селекция сортов пригодных для механизированной уборки.