Теоретические исследования рабочего органа машины для проведения сортофитопрочисток посадок картофеля
Картофель является одной из основных продовольственных культур России и мира. Он обладает высокой урожайностью и неприхотливостью к условиям выращивания, что делает его доступным и недорогим продуктом питания. Клубни картофеля содержат большое количество питательных веществ, таких как крахмал, витамины C, B1, B2, B6, минералы (калий, фосфор, магний) и белок. Благодаря этому картофель представляет собой важный источник энергии и полезных веществ для человека.
Ценность картофеля как продовольственной культуры заключается в его питательных свойствах, универсальности использования, урожайности, доступности, а также в том, что он может долго храниться без потери своих качеств.
При выведении и размножении новых сортов особое внимание уделяется вопросам ограничения распространения вирусных, грибных и бактериальных болезней. В дополнение к стандартным агротехнологическим приемам на семеноводческих посадках проводят дополнительные оздоровительные мероприятия по сортофитопрочистке, которые направлены на повышение качества семенного материала. В ходе данных мероприятий производятся выявление и удаление больных растений, не соответствующих сортовым признакам.
Для проведения мероприятий по сортофитопрочистке разработаны различные машинно-технологические комплексы, предназначенные для мониторинга и удаления зараженных растений. Иностранные компании создают подобные машинные и технологические комплексы, в том числе с элементами автоматизации. При этом они не используют широко цифровые технологии в действующих элементах машин., а ведь эти технологии могли бы помочь исключить или хотя бы снизить антропогенное воздействие на показатели качества очистки.
В настоящее время машины для проведения сортофитопрочисток выпускаются такими компаниями, как VSS Agro (Канада), Goucon Selection (Нидерланды) и Gerkon Techniek (Нидерланды). Машины от данных компаний работают, как правило, под управлением операторов, которые в процессе движения осуществляют мониторинг посадок и в случае обнаружения зараженного растения осуществляют его удаление и погрузку в накопительный бункер.
Основные отличия между данными машинам — типы приводных механизмов (механический, гидравлический или электрический), количество мест для операторов, тип шасси (гусеничное или колесное), возможность регулировки ширины колеи. В настоящее время производители отечественной сельскохозяйственной техники не предлагают к реализации данную категорию машин.
Важно отметить, что имеющиеся на рынке машины для осуществления сортофитопрочисток практически не имеют в своей конструкции современных цифровых технических решений, направленных на повышение качества выполняемых операций.
В связи с вышеизложенным сотрудниками Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» была предложена конструкция машины для сортофитопрочистки овощных культур и картофеля (рис. 1).
Машина имеет рабочие органы для извлечения из почвы пораженных растений вместе с корневой системой и окружающей ее почвой. Рабочий орган представляет собой два гидроцилиндра (актуатора) с установленными на их концах ковшами с заостренными кромками или парой вил, имеющими возможность замены в зависимости от условий работы машины и типа почвы. При движении по полю установленная на машине система распознавания, основанная на работе обученной нейронной сети в связке с системой машинного зрения при помощи установленных камер, выявляет зараженные растения картофеля или растения, не соответствующие сортовым признакам, заданным в системе. В случае выявления забракованного растения машина определяет его координаты и останавливается так, чтобы рабочий орган находился над удаляемым растением, после чего происходят процесс заглубления ковшей (вил) рабочего органа до полного их смыкания и последующее извлечение самого растения с окружающей его землей с помощью подъемного механизма машины. Далее извлеченный ворох выгружается в бункер за счет раскрытия ковшей механизма над ним, после чего земля с зеленой массой и клубнями поступает на планчатый транспортер, на котором происходит сепарация почвы от растительных остатков, при этом почва ссыпается в нижестоящий бункер, а растение поступает в саморазгружающийся бункер для последующей эвакуации с поля и утилизации.
Цель исследования — теоретическое обоснование технико-технологических параметров рабочих органов машины для сортофитопрочистки посадок картофеля и овощных культур.
Материалы и методы
В 2022 году на базе ФНАЦ ВИМ были проведены теоретические исследования, в ходе которых использовались методы математического моделирования работы выкапывающего устройства для определения сил, действующих на механизм.
Для получения аналитических зависимостей использовались программы MathCad (PTC, США) и Microsoft Excel (Microsoft, США).
В процессе анализа полученных данных оценивалось усилие, которое необходимо создать исполнительным механизмам для заглубления и последующего извлечения зараженных растений картофеля в зависимости от конструкции выкапывающих ковшей.
Результаты и обсуждение
Для определения достаточных усилий, создаваемых основными исполнительными механизмами при работе машины для осуществления операций по сортофитопрочистке, представляющей собой сложную динамическую систему, имеет смысл рассмотреть функционирующие элементы машины отдельно. Так, согласно заложенному алгоритму работы машины, после определения зараженного растения выкапывающее устройство (рис. 2) в форме двух ковшей (вил) устанавливается непосредственно над данным растением.
Затем осуществляется первый этап работы — окапывание растения. Для этого при помощи гидроцилиндров (актуаторов) осуществляется заглубление каждого из ковшей. Так как ковши между собой независимы, а осуществляемая ими работа идентична, то можем рассмотреть принцип работы на примере одного из них. Для этого составляем кинематическую схему выкапывающего устройства (рис. 3). Гидроцилиндр (актуатор) ковша прикреплен шарнирно к направляющей, а шток гидроцилиндра (актуатора) — к ковшу в точке А. В свою очередь, ползун жестко закреплен к ковшу.
Рассмотрим проекции сил на оси координат, действующих на механизм выкапывающего устройства в процессе его работы:
где: Fц — усилие воздействия гидроцилиндра (актуатора) на ковш, Н; α — угол между цилиндром и осью ординат, рад.; Fтр — сила трения качения между ползуном и направляющей, Н; Fш — усилие реакции шарнира, Н; γ — угол наклона реакции шарнира относительно центра вращения механизма ковша к оси абсцисс, рад.; Rτ — касательное усилие сопротивления копанию, Н; Rn — нормальное усилие сопротивлению копанию, Н; β — угол между нормальным усилием сопротивления копанию и осью абсцисс, рад.; G — сила тяжести механизма ковша, Н; lOA, lOB, lOC, lh — длины плеч, воздействующих на механизм усилий, м; Мш — момент шарнира относительно центра вращения механизма ковша, Н/м; Θ — угол наклона усилия цилиндра относительно центра вращения механизма ковша с осью абсцисс, рад.; f — коэффициент трения механизма ковша относительно направляющей.
Подставим значение силы трения в первое уравнение системы и выразим из него усилие воздействия гидроцилиндра (актуатора) на ковш:
Подставив в уравнение системы (2) полученное выражение и значение силы трения, определим усилие реакции шарнира:
Значение касательного усилия, возникающего при копании, можно определить по формуле Н.Г. Домбровского:
где: К — удельная энергоемкость копания грунта, Н‧м/м³; Sг — площадь стружки, м².
Нормальную составляющую сопротивлению копанию можно определить по формуле:
где: ψ — коэффициент, зависящий от физико-механических свойств грунта, формы рабочего органа, его затупления, величины заглубления; значения принимаются от 0,2 до 0,6 (наибольшее затупление режущей части).
С учетом выражений (4) и (5) уравнение для определения усилия реакции шарнира можно записать:
Важно обратить внимание, что усилие сопротивления грунта копанию будет зависеть в том числе и от конструкции используемого ковша. Для оценки данного фактора авторами были предложены следующие конструкции ковшей (рис. 4).
Стоит обратить внимание, что основные геометрические параметры, такие как ширина ковша и глубина копания, для каждого из ковшей идентичны и составляют 300 мм и 250 мм соответственно, при этом важно отметить, что пиромидообразный ковш имеет максимальную ширину в основании пирамиды (300 мм), при этом расстояние от вершины пирамиды до ее основания составляет 250 мм.
Пиромидообразный ковш и ковш экскаваторного типа выполняются из листового метала, в то время как вилообразный ковш выполнен из стальных прутков диаметром 10 мм, расстояние между которыми составляет 43 мм.
Для определения характеристики изменения необходимого усилия воздействия гидроцилиндра (актуатора) в зависимости от конструкции ковша в программе MathCad на основе выражений (2) и (6) были вычислены значения усилия гидроцилиндра (актуатора) в зависимости от степени заглубления ковша. В качестве исходных параметров задавались удельная энергоемкость копания грунта (соответствующая тяжелым почвам), площадь стружки, сопротивление трения качения, сила тяжести.
В результате исследований получены графики зависимости усилия воздействия гидроцилиндра (актуатора) от степени заглубления ковша (рис. 5).
Анализируя графики, можно заметить, что в момент проникновения ковша в почву (от 0 до 0,05 м) наблюдается резкое увеличение необходимого усилия гидроцилиндра (актуатора). Так, для ковша экскаваторного типа оно составляет от 0 до 1500 Н, а для вилообразного ковша — от 0 до 420 Н. Это обусловлено тем, что при проникновении ковша непосредственно в грядку происходят отделение стружки от основного массива и ее разрушение.
Дальнейшее движение ковша происходит по дугообразной траектории с захватом уже разрушенного почвенного массива, что приводит к некоторому снижению усилия. С увеличением проникновения ковша в почву от 0,07 до 0,25 м наблюдается последующий плавный спад данного показателя до значений 1085 Н и 290 Н соответственно. Сравнивая усилия для разных типов ковшей, установлено, что вилообразный ковш имеет наименьшее сопротивление при внедрении в грядку для тяжелых почв. На песчаных и сыпучих почвах следует отдавать предпочтение сплошным ковшам, выполненным из листового металла.
После осуществления окапывания растения начинается следующий этап извлечения растения совместно с почвой и основной корневой системой. Данный процесс осуществляется при помощи втягивания штока гидроцилиндра (актуатора), который приводит в движение подъемный механизм, при этом рабочие органы в виде ковшей (вил) находятся в сомкнутом положении.
Рассмотрим данный процесс более подробно, для этого составим кинематическую схему подъемного механизма (рис. 6).
Рассмотрим проекции сил на оси координат, действующих на подъемный механизм в процессе его работы:
где: N и N’ — силы реакции опоры, Н; G2 — сила тяжести, действующая на рабочий орган, заполненный почвой с основной корневой системой растения, Н; Fтр2 — сила трения качения между кареткой и направляющей, Н; Fц2 — усилие гидроцилиндра (актуатора), необходимое для извлечения рабочего органа, заполненного почвой с основной корневой системой растения, Н; l1, l2, l3 и l4 — длины плеч, воздействующих на механизм усилий, м.
Выразим из второго выражения системы уравнений (7) значение усилия гидроцилиндра (актуатора), необходимое для извлечения рабочего органа, заполненного почвой с основной корневой системой растения, заменив значение силы трения выражением из четвертого уравнения системы (7):
Из первого выражения системы уравнений (7) следует, что N = N’. Подставив данное выражение в третье уравнение системы (7), выразим из него силу реакции опоры:
Подставив значение силы реакции опоры в выражение (8), окончательно выразим значение усилия гидроцилиндра (актуатора), необходимое для извлечения рабочего органа:
Полученная зависимость позволяет определить усилие гидроцилиндра (актуатора), необходимое для извлечения рабочего органа, заполненного почвой с основной корневой системой растения. Данный параметр будет определяться массой рабочего органа, заполненного почвой с основной корневой системой растения.
В связи с этим на основании выражения (10) в программе MathCad были рассчитаны значения усилия гидроцилиндра (актуатора), исходя из параметров используемого рабочего органа, плотности почвы и средней массы извлекаемого растения (рис. 7).
Анализ графика показывает, что для стабильной работы выкапывающего устройства на всех типах почв подъемный механизм для извлечения рабочего органа, заполненного почвой с основной корневой системой растения, должен быть оборудован гидроцилиндром (актуатором) с тянущим усилием более 750 Н.
Выводы
В ходе проведенных теоретических исследований были определены основные силы, действующие на механизм выкапывающего устройства в процессе его работы. Анализ данных сил и их влияние на работу выкапывающего механизма позволили установить, что в зависимости от конструкции используемых ковшей в процессе проникновения их в почву наблюдается резкое увеличение необходимого усилия гидроцилиндра (актуатора). Максимальные значения данного показателя для ковша экскаваторного типа составляют 1500 Н, а для вилообразного ковша — 420 Н. В свою очередь, на извлечение выкапывающего устройства вместе с почвой и корневой системой картофеля основное воздействие оказывает сила тяжести.
Полученные результаты позволяют определиться с рациональными параметрами выкапывающего устройства для обеспечения эффективной работы машины для сортофитопрочистки. Так, рабочий орган должен быть оборудован двумя гидроцилиндрами (актуаторами), осуществляющими заглубление ковшей и создающими усилие не менее 1500 Н на каждый ковш, а также должен иметь один гидроцилиндр (актуатор) с усилием не менее 750 Н для извлечения ковшей с почвой и растением.
Полученные результаты исследования могут быть использованы при разработке и модернизации рабочих органов машин для осуществления фитопрочисток посадок картофеля и овощных культур.
Об авторах
Яков Петрович Лобачевский, доктор технических наук, профессор, академик РАН, главный научный сотрудник отдела почвообрабатывающих машин
lobachevsky@yandex.ru https://orcid.org/0000-0001-7863-2962
Владимир Сергеевич Тетерин, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела возделывания и уборки овощных культур открытого грунта
v.s.teterin@mail.ru https://orcid.org/0000-0001-8116-723Х
Николай Сергеевич Панферов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела возделывания и уборки овощных культур открытого грунта
nikolaj-panfyorov@yandex.ru https://orcid.org/0000-0001-7431-7834
Сергей Александрович Пехнов, старший научный сотрудник отдела возделывания и уборки овощных культур открытого грунта
pehnov@mail.ru https://orcid.org/ 0000-0001-9471-6074
Максим Сергеевич Трунов, аспирант
makstrunov1998@mail.ru https://orcid.org/0009-0006-8973-5995
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 1-й Институтский проезд, 5, Москва, 109428, Россия
УДК 632.935:631.171
DOI: 10.32634/0869-8155-2025-392-03-116-122
