автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование основных конструктивно-технологических параметров устройства предпосадочной обработки картофеля электрогидравлически обработанным торфом

На правах рукописи 005051957

ФЕДЮК ВИТАЛИИ ВЛАДИМИРОВИЧ

ОБОСИОВАНИЕ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ПРЕДПОСАДОЧНОЙ ОБРАБОТКИ КАРТОФЕЛЯ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫМ ТОРФОМ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 В АПР 2013

Киров-2013

005051957

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого Российской академии сельскохозяйственных наук.

кандидат технических наук, доцент Триандафилов Александр Фемистоклович.

Сычугов Николай Павлович, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Вятская государственная сельскохозяйственная академия», профессор кафедры «Эксплуатация и ремонт машинно-тракторного парка»;

Игнатьев Сергей Петрович, кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия», исполняющий обязанности заведующего кафедрой «Безопасность жизнедеятельности».

Государственное научное учреждение СевероЗападный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук.

Защита состоится «25» апреля 2013 года, в _часов на заседании

объединенного диссертационного совета ДМ 006.048.01 при Государственном научном учреждении Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 610007, г. Киров, ул. Ленина, 166 а, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого Российской академии сельскохозяйственных наук.

Автореферат разослан «15_» марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

А.Л. Глушков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Картофель относится к числу важнейших сельскохозяйственных культур разностороннего применения. Он успешно используется во многих странах с умеренным климатом как продукт питания, сырье для крахмально-спиртового производства и кормовая культура. Высокая значимость этого продукта подтверждается постоянным ростом его производства в мире и стабильным спросом.

Одним из способов повышения урожайности картофеля является предпосадочная обработка клубней различными стимуляторами роста. Применение биологических и химических стимуляторов роста ускоряет репродуктивное развитие клубней в вегетационный период с неустойчивой погодой, позволяет снизить дозы вносимых органических удобрений и повысить урожайность на 15 — 40 % и по сравнению с влиянием агротехнических способов на рост и развитие клубней является наиболее оперативным и эффективным приемом. Обработка регуляторами роста повышает лежкость клубней, в них больше накапливается крахмала, толще становится кожура. Благодаря этому клубни меньше травмируются при уборке, меньше повреждаются болезнями, лучше сохраняются.

Одним из биостимулирующих препаратов является электрогидравлически обработанный торф (ЭГ-торф). Сущность электрогидравлического эффекта состоит в том, что при осуществлении внутри объема жидкости, находящейся в открытом или закрытом сосуде, специально сформированного импульсного электрического (искрового, кистевого и других форм) разряда вокруг зоны его образования возникают сверхвысокие гидравлические давления, способные совершать полезную механическую работу и сопровождающиеся комплексом физических и химических явлений. ЭГ-обработка активизирует органическое вещество и азот торфа, повышая питательную ценность обрабатывающего состава.

В ГНУ НИИСХ Республики Коми Россельхозакадемии проводились исследования по обработке клубней картофеля ЭГ-торфом, суспензией влажностью 80 - 85 %, обладающей клеящей способностью и биостимулирующими свойствами, выдерживанием в емкости 3-5 минут с последующей сушкой. В результате исследований установлено, что использование ЭГ-торфа обеспечивает повышение урожайности на 32 — 38 %, причем стоимость применяемого состава значительно ниже традиционно применяемых биостимулирующих препаратов. При этом было выявлено, что в процессе выдерживания клубни, пораженные основными болезнями, всплывали в результате разности их плотности и применяемого состава, что также положительно сказалось на качестве семенного материала.

Позже для увеличения адсорбируемости и массы фиксируемого ЭГ-торфа применяли перфорирование поверхности клубней мелкими иглами. Данный прием позволил увеличить урожайность картофеля на 8 - 9 %.

Таким образом, являются актуальными разработка средства механизации процесса предпосадочной обработки клубней картофеля и исследования по определению его оптимальных параметров.

Степень разработанности. Уровень разработки превышает отраслевой, так как применение устройства позволяет получить урожайность картофеля до 22 т/га, что превышает среднюю урожайность по Российской Федерации на 80 - 85 %.

Цель и задачи работы. Цель работы - обоснование основных конструктивно-технологических параметров устройства предпосадочной обработки клубней электрогидравлически обработанным торфом, обеспечивающего снижение энергозатрат и повышение урожайности картофеля.

Поставлены следующие задачи научных исследований:

- разработать конструктивно-технологическую схему устройства предпосадочной обработки клубней картофеля ЭГ-торфом;

- провести теоретические исследования по обоснованию параметров узла перфорации устройства и процесса взаимодействия перфорирующих барабанов с клубнями картофеля;

- провести исследования по изменению плотности клубней картофеля в зависимости от поражения распространенными заболеваниями, обосновать целесообразность применения механизма для удаления пораженных клубней;

- оптимизировать основные конструктивно-технологические параметры узла перфорации устройства предпосадочной обработки клубней картофеля;

- обосновать оптимальные режимы выгрузки и сушки обработанных клубней;

- оценить эффективность функционирования устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом.

Научная новизна. Конструктивно-технологическая схема устройства предпосадочной обработки картофеля, состоящего из емкости, заполненной биостимулирующим препаратом, установленных в ней. перфорирующих барабанов и транспортеров выгрузки обработанных клубней (патент № 2421964 РФ на изобретение).

Схема устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом, модели регрессии, позволяющие определить его основные конструктивно-технологические параметры при обработке клубней ЭГ-торфом с применением перфорации их поверхности, последующей погрузке в контейнер и сушке.

Теоретическая и практическая значимость. Разработан экспериментальный образец устройства предпосадочной обработки картофеля электрогидравлически обработанным торфом, определены оптимальные конструктивно-технологические параметры узла перфорации устройства, а также режимы выгрузки и сушки обработанных клубней.

Устройство предпосадочной обработки картофеля прошло опытно-производственную проверку, в ходе которого семена картофеля, обработанные ЭГ-торфом на устройстве, высаживались на поле СПК «Палевицы» Сыктыв-динского района Республики Коми.

Методология и методы исследования. При проведении экспериментальных исследований использовались общие и частные методики, приборы и установки. Разработан и изготовлен экспериментальный образец устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом. При реализации, подготовке и обработке результатов экспериментов применялись методы математической статистики и теории планирования многофакторного эксперимента с применением ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

- конструктивно-технологическая схема устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом;

- математические зависимости определения оптимальных параметров и режимов работы узла перфорации устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом;

- результаты экспериментальных исследований работы узла перфорации устройства, а также режимов выгрузки и сушки обработанных клубней;

- результаты экспериментальных исследований по изменению плотности клубней картофеля в зависимосги от поражения распространенными заболеваниями;

- эффективность функционирования устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность экспериментальных данных оценивалась F-критериями Фишера, критериями Кохрена, коэффициентами детерминации и подтверждена положительными результатами лабораторно-полевых и производственных проверок устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом.

Основные положения диссертационной работы были изложены на научных конференциях Сыктывкарского лесного института (г. Сыктывкар, 2010.„2011 гг.), Вятской ГСХА (г. Киров, 2012 г.), Курской ГСХА (г. Курск, 2012 г.), ГНУ НИИСХ Северо-ВоСтока Россельхозакадемии (г. Киров, 2012 г.), а также на 14-ом международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» (г. Москва, 2011 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 1 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, и получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, включает 132 страницы основного текста, содержит 37 рисунков, 15 таблиц и 6 приложений. Список литературы включает в себя 115 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, показана ее научная и практическая значимость, дана общая характеристика выполненных исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние изученности вопроса и задачи исследования» проведен анализ существующих технологий, способов и технических средств предпосадочной обработки и подготовки картофеля и семян других сельскохозяйственных культур.

Исследованиями процесса предпосадочной обработки и подготовки картофеля и семян других сельскохозяйственных культур занимались Вагин Ю.П., Верещагин Н.И., Гордеев Ю.А., Горячий И.В., Грушанин A.A., Дульский A.A., Камалетдинов P.P., Коршунов A.B., Лохач H.H., Лудилов В.А., Рубцова Е.И., Савина О.В., Собинин В.А., Ченцов В.В., Шарупич В.В. и др. Исследованиями

электрогидравлического эффекта и его использования для изготовления биопрепаратов и удобрений на основе торфа занимались Гольцова Л.И., Лейкина Г.К., Сытник И.А., Триандафилов А.Ф., Юткин Л.А. и др. Рассмотрением вопросов взаимодействия цилиндрических рабочих органов с клубнем картофеля и обоснованием их основных параметров занимались Бойко А.И., Борычев С.Н., Бы-шов Н.В., Долгов И.А., Сорокин A.A., Алешкин A.B., Остальцев В.П. и др.

В результате проведенного анализа установлено, что основными недостатками современных протравливателей и устройств обработки корнеплодов и клубней картофеля защитно-стимулирующими веществами являются неравномерность нанесения препаратов на их поверхность, недостаточная универсальность при работе с различными препаратами, возможность применения только при совместной работе с транспортерами-загрузчиками.

Во второй главе «Разработка и теоретическое обоснование конструктивно-технологической схемы устройства» представлена конструктивно-технологическая схема устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом, теоретически определены некоторые конструктивно-технологические параметры узла перфорации устройства.

На рисунке 1 представлена схема устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом.

Рисунок 1 - Схема устройства предпосадочной обработки картофеля: 1 - контейнер; 2 - механизм регулирования угла наклона выгрузного транспортера; 3,4- транспортер выгрузной; 5 - механизм привода выгрузных транспортеров; 6 - механизм привода перфорирующих барабанов регулируемый; 7 - емкость; 8 - барабан перфорирующий; 9 - вентиль

Устройство содержит:

- емкость 7, заполненную жидким биостимулятором (ЭГ-торфом);

- рабочий орган, установленный в емкости, в виде двух вращающихся навстречу друг другу перфорирующих барабанов 8, имеющих эластичную поверхность, на которой установлены иглы для накалывания клубней (перфора-

ции), при этом размеры и параметры вращения барабанов позволяют создавать условия для перемешивания биостимулятора, оседающего на дне емкости, и исключить применение дополнительных перемешивающих устройств;

- контейнер 1 для сбора и сушки обработанных клубней;

- выгрузные транспортеры 3 и 4, причем первый транспортер 4 расположен в емкости, а второй 3 установлен над контейнером 1 для загрузки и сушки обработанных клубней, при этом транспортер 3, выполнен с возможностью установки под углом к первому, что обеспечивает загрузку обработанных клубней картофеля в контейнер 1 с заданным по агротехническим требованиям значением высоты падения, исключающим повреждение клубней и чрезмерное удаление зафиксированного биостимулятора на поверхности клубня при ударе о дно контейнера 1 или о другие клубни;

- регулируемый механизм привода б перфорирующих барабанов 8, состоящий из электродвигателя, червячного редуктора, цепной передачи, обеспечивающей вращение перфорирующих барабанов навстречу друг другу;

- механизм привода 5 выгрузных транспортеров 3 и 4, состоящий из электродвигателя, цилиндрического редуктора, цепных передач;

- вентиль 9 для слива биостимулятора из емкости;

- механизм регулирования угла наклона 2 выгрузного транспортера 3, необходимый для изменения высоты падения обработанных клубней при их загрузке в контейнер 1.

Технологический процесс обработки осуществляется следующим образом.

Очищенные клубни семенного картофеля посредством транспортера равномерно подаются в емкость 7, наполненную обрабатывающим раствором, в зону захвата вращающихся навстречу друг другу перфорирующих барабанов 8. Иглы герметично закреплены в эластичном материале перфорирующих барабанов 8. При прохождении клубня между барабанами иглы наносят на его поверхности сетку углублений, которая создает каркас для крепления оболочки из жидкого биостимулятора, в результате чего улучшается его фиксация на поверхности клубня. Форма и размеры игл позволяют обеспечить наиболее оптимальное качество перфорации и возможность самостоятельного отделения клубней от барабанов после процесса перфорации и их падения на дно емкости под действием сил тяжести и инерции и исключить применение дополнительных устройств для отделения. В процессе обработки клубней вращающиеся барабаны позволяют создать условия перемешивания биостимулятора, оседающего на дне емкости, и обеспечивают равномерную концентрацию биостимулятора по всему объему емкости.

Для повышения эффективности процесса перфорации во внутрь перфорирующих барабанов 8 под избыточным давлением накачивается воздух посредством системы создания избыточного давления, состоящей из компрессора, шлангов и манометра. Избыточное давление воздуха, накачиваемого во внутрь перфорирующих барабанов, создает оптимальные условия воздействия барабанов на клубень, обеспечивает равномерное распределение перфорационной сетки углублений на неровной поверхности клубня, исключает ухудшение про-

цесса перфорации клубней различных размеров и форм. Давление воздуха внутри барабанов регулируется.

Отделившиеся клубни выдерживаются в емкости 3-5 минут, удаляются при помощи транспортеров выгрузки 3 и 4 и подаются в контейнер для сушки 1 с заданным значением высоты падения.

При этом в процессе ведения обработки возможно всплытие и удаление клубней, пораженных распространенными заболеваниями, что может положительно сказаться на качестве семенного материала и урожайности картофеля.

Таким образом, предложенная схема устройства предпосадочной обработки картофеля позволяет устранить недостатки, присущие прототипам, повысить урожайность картофеля и обеспечить высокое качество семенного материала.

С целью определения максимальной ширины зоны подвода клубней к перфорирующим барабанам и максимально допустимой угловой скорости их вращения рассмотрим схему взаимодействия клубня с перфорирующим барабаном (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема взаимодействия клубня с перфорирующим барабаном: а) в общем случае; б) в момент отрыва; 1 - барабан перфорирующий; 2 - игла; 3 — клубень

На клубень картофеля при его взаимодействии с перфорирующим барабаном в общем случае (рисунок 2, а) действуют следующие силы: реакция иглы, которую раскладываем на составляющие У,, хл (реакция иглы не совпадает с нормалью к поверхности клубня вследствие ее деформации); сила тяжести т; центробежная сила ; сила Архимеда Т-л; сила нормальной реакции по-

У

\

а)

б)

верхности барабана Ñ; сила трения /•'. Так как количество неизвестных сил (УА; ХА; N; F) превышает количество возможных уравнений, задача является статически неопределимой. Поэтому рассмотрим момент отрыва клубня от поверхности перфорирующего барабана, когда N и F стремятся к нулю. Составим систему уравнений, которые включают: сумму моментов сил относительно

точки С - центра тяжести клубня, и сумму проекций сил на оси Сх и Су:

]Г Мс :-Ya ■ RK - eos а + Хл- RK • sin а = 0;

■ ]Г X : XÁ - mkg ■ sin(p0 -m6t) + FA ■ sin(<p0 - a>6t) = 0; (1)

Y, У ■ ~mKg ■ cos((30 - m6t)+YA+N + Ф„ + Fa ■ eos (<p0 - co6t) = 0, где Rk. - радиус клубня, м;

а - угол между линией \СА\ и осью Сх, который зависит от высоты иглы Л„,,, и диаметра клубня, рад; тк - масса клубня, кг; g — ускорение свободного падения, м/с2;

(ро - угол, соответствующий начальному положению клубня на перфорирующем барабане, определяется местом попадания клубня на барабан при загрузке в емкость устройства подающим транспортером, рад;

a>ñ - угловая скорость вращения перфорирующего барабана, с"1. С учетом того, что а=90° - />':

' hl

а = arcsin

.+2 -RfK

Центробежная и сила Архимеда определяются соответственно: Ф„ =тк-а>1 -(Яб+ Д.);

Рк

где рж и рк — плотности соответственно обрабатывающей жидкости и

(2)

(3)

(4)

клубня, кг/м .

Решая систему (1), получим:

N

1-і

Аг

(5)

mKg eos a g

Так как перфорирующие барабаны расположены симметрично (рис. 1) и вращаются навстречу друг другу, угол, характеризующий зону загрузки клубней к перфорирующим барабанам, определяется:

<р0 < arceos

cosa

Р,

S J

Из анализа неравенства (6) следует, что оно имеет решение при

соБа

Рч

Из неравенства (7) можно определить максимально допустимую угловую скорость вращения перфорирующих барабанов, при которой будет обеспечиваться захват клубня перфорирующим барабаном и исключаться возможность перебрасывания клубня через соседний барабан:

g■

1(лб +л,)-соба '

(8)

при этом

<Р0тах= - а. (9)

Ширина зоны подачи клубней определяется из следующего выражения:

Ьр = 2-Яб-(1 + вт «50п,ах) + ^, (Ю)

где 5„ - зазор между перфорирующими барабанами, м. .

Перфорация поверхности клубней картофеля осуществляется при захватывании клубня вращающимися перфорирующими барабанами, находящимися в биостимулирующем растворе, и прохождении клубней между ними. Начало процесса перфорирования клубня обусловит угол захвата клубня у (рисунок 3):

2-Я,

или

Ш = -

Г2-Я„+ 2-Й.Л

V 2-Л, +36

-1

(12)

Условие захвата клубня определяет связь между углом захвата клубня у и коэффициентом трения-зацепления

(13)

Выражая из (12) Яб с учетом (13) получаем:

кв---—• (14)

После подстановки значений, входящих в выражения (2), (8), (9), (10) и (14) -0,004 м; Я,=0,025 м; />«.-1180 кг/м3; р,.=1250 кг/м3; &~=0,025 м;/=1, получаем «=46,2°; «^=2,12 с<р0тах=-46,2°; >0,017 м (для унификации с баллонами комкодавителей картофелеуборочного комбайна ККУ-2А принимаем ^=0,15 м); ¿,=0,11 м.

Были проведены теоретические исследования по определению загрузки перфорирующих барабанов устройства.

Угол, характеризующий дугу взаимодействия клубня с поверхностью перфорирующего барабана (рисунок 3), определяется:

АС

2у = 2 агс5Іп . . (15)

Длина дуги конгакгаЛ;С/=4. клубня с перфорирующим барабаном определяется:

н

2ІІ6 + а,

где ак - средняя длина семенного клубня, м.

і 2

1К =2 R6 • arcsin—- ---(16)

Рисунок 3 - Схема прохождения клубня между перфорирующими барабанами и их взаимодействия: 1 - перфорирующий барабан; 2 - клубень картофеля

Для клубней картофеля сорта Невский, имеющих округло-овальную форму и наибольший поперечный диаметр (ширина клубня) 30 - 60 мм, индекс формы клубня (отношение длины к ширине) составляет 1,10 - 1,29. Тогда допустимые значения длины клубня составляет 33 - 77 мм, а среднее значение длины ак-55 мм.

Количество клубней, которое попадает на дугу контакта перфорирующего барабана, определяется:

2 О ■ arcsin —!--

--

тк ■

где О, - подача клубней в емкость устройства, кг/с;

тк - масса клубня (принимаем тк =0,05 кг).

Количество клубней, захватываемых перфорирующими барабанами за один оборот:

2яг-0

-(18)

тк ■со б

Получаем, используя выражение (18), что количество клубней, захватываемых за один оборот перфорирующих барабанов равно па1о6 = 130,34 » 130.

По выражению (17) определено количество клубней, одновременно находящихся в контакте с перфорирующими барабанами: «„ = 23,42 ~ 23 клубня.

По выражению (16) определена длина дуги контакта клубня с перфорирующим барабаном, составившая 1К = 0,169м.

Проведены исследования по обоснованию рациональной толщины эластичного материала оболочки перфорирующего барабана. При этом составлена силовая схема захвата клубня перфорирующими барабанами (рисунок 5).

Рассматриваемый материал перфорирующего барабана рассчитывали по закономерностям, свойственным коротким оболочкам.

Определим значение результирующей силы, приложенной к материалу перфорирующего барабана в месте взаимодействия с клубнем:

О. Р= №1+0.1+0:1, (19)

где 0рх,Яру,0рг - составляющие результирующей силы, приложенной к материалу перфорирующего барабана в месте взаимодействия с клубнем, спроецированной соответственно на оси ОХ, О У, 02, Н. Результирующая сила вдоль оси ОХ (¿рх = 0. Результирующая сила вдоль оси О)'равна:

. О,,, = 0„г, + 0У„, (20)

где 0в5 - сила избыточного давления воздуха в перфорирующем барабане, приложенная к его материалу в месте взаимодействия с клубнем, Н;

£?,,„ - сила упругой деформации материала перфорирующего барабана, возникающая при его взаимодействии с клубнем картофеля, Н.

Проекция результирующей силы ОвС, от давления воздуха в перфорирующем барабане, действующей на его материал в центре площадки контакта с клубнем картофеля:

= (21) где - площадь поверхности контакта клубня с эластичным материалом перфорирующего барабана, м2.

Глубина деформации эластичного материала Ьд перфорирующих барабанов определяется:

К ~ 0,22• \ак -Зб). (22)

Преобразовывая выражение (21) (рисунок 4) получаем:

1?'

—, 12 V

<2*5 = Ре

0,22<а.-д\

1+

( \

Ъ1

х1 0,25 - У

1 <

.1^+21 4 4

К ск

с1хс1у

(23)

где ак,Ьк,ск - длина, ширина и толщина семенного клубня, принимаем соответственно 0,055 м; 0,045 м; 0,045 м.

Результирующая сила вдоль оси 02 равна:

(24)

где £}кач - сила трения качения клубня по поверхности эластичного материала перфорирующего барабана, Н.

У

С? /

х Г"

П.. _л О

/ г

В,

Рисунок 4 — Схема к определению площади поверхности взаимодействия клубня и эластичного материала перфорирующего барабана: 1 - клубень картофеля; 2 - перфорирующая игла; 3 - оболочка перфорирующего барабана

Силы т& и І-'арх в расчете не учитываем, так как они уравновешиваются нормальными реакциями N..

N.

Я ф

Є* Г

Рисунок 5 - Схема к силовому расчету взаимодействия клубня и перфорирующего барабана

Сила трения качения клубня по поверхности эластичного материала перфорирующего барабана равна:

~ я,-Л ' ( )

где - плечо качения, м.

Таким образом, результирующая сила, приложенная к материалу перфорирующего барабана в месте взаимодействия с клубнем, определяется:

(26)

Определим значение силы упругой деформации материала перфорирующего барабана:

е,_„

---(27)

1 + ' " '

е„ =

К.-А, у

Подставив известные значения в выражение (27), получаем 2^=30,0 Н. Определим основные параметры взаимодействия клубня с материалом перфорирующего барабана (рисунок 5), для чего составим систему уравнений:

^(r,) _ ^2^1(0)

Л/

— 4C1/f3(j3) +С2Л'0(£) +C4/f2(/J),

= 4С,/Г2(/,) — 4С2Л"3(/() —CiKl(/i);

(28)

Db2n 01

Dbl

= -4C2/f2(/,) -4С3АГ3(/() + C4ff,

где - смещение точки средней линии материала оболочки перфорирующего барабана с координатой х/, м;

" Угол поворота края оболочки перфорирующего барабана с координатой xj, рад;

Мх(Х]) - изгибающий момент, приложенный к краю материала перфорирующего барабана с координатой х1 вдоль оси ОХ, Н-м/м;

Qkr{Г] ) - усилие, воздействующее на материал перфорирующего барабана в точке с координатой х/, Н/м;

С/, С2, Ci, С_, — функции, характеризующие соответственно смещение точки средней линии, угол поворота края оболочки, изгибающий момент, приложенный к краю оболочки, усилие, воздействующее на оболочку перфорирующего барабана.

В системе (28) величины Kj - функции А.Н. Крылова.

Проведенные теоретические исследования и расчеты позволили определить рациональную толщину материала перфорирующего барабана, которая составила Иб = 8,2 мм.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены программа, методика и условия проведения экспериментов, приведены технические средства для проведения исследований, рассмотрены методы обработки результатов опытов, представлены оборудование и методика изготовления ЭГ-торфа.

В ходе проведения экспериментальных исследований предусматривалось:

- обоснование основных конструктивно-технологических параметров узла перфорации экспериментального образца устройства предпосадочной обработки картофеля;

- обоснование оптимального значения скорости движения транспортера выгрузки готовой продукции;

- исследования изменения плотности клубней картофеля в зависимости от поражения основными заболеваниями;

- выявление оптимальной высоты падения обработанных клубней;

- обоснование параметров сушки клубней после обработки;

- полевые испытания картофеля, обработанного ЭГ-торфом на экспериментальном образце устройства;

- расчет экономической и энергетической эффективности применения устройства.

Экспериментальные исследования и обработка результатов проводились в соответствии с действующими ГОСТами и общепринятыми методиками испытаний машин. Для решения задач был изготовлен экспериментальный образец устройства предпосадочной обработки картофеля.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» представлены и проанализированы полученные данные.

Экспериментальные исследования по определению оптимальных конструктивно-технологических параметров узла перфорации проводили на экспериментальном образце устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом.

В задачу исследований входило определение рациональных значений следующих факторов: х/ - частота вращения перфорирующих барабанов, мин"1; хг - избыточное давление воздуха внутри перфорирующих барабанов, кПа; х3 -зазор между перфорирующими барабанами, мм; х4 — количество перфорирующих игл на единице площади, ед/м2; _х5 - продолжительность выдерживания клубней картофеля в емкости с ЭГ-торфом, мин.

Для обоснования рациональных значений указанных факторов были выбраны следующие критерии оптимизации: У] - фиксация ЭГ-торфа на клубнях картофеля (масса биостимулятора, зафиксированная на единице массы клубней), г/кг; У2 - повреждаемость клубней картофеля, %; У3 - производительность работы экспериментального образца устройства, т/ч.

Для оптимизации выбранных конструктивно-технологических параметров был реализован трехуровневый план эксперимента Бокса-Бенкина второго порядка для пяти факторов.

После реализации плана эксперимента и обработки результатов получены следующие модели регрессии, проверенные на адекватность по ^критерию Фишера (вероятность р = 0,95):

У, = 65,15 + 2,93-хг - 2,1в-х3 И 5,42-х, + + 15,63-х^ - 13,17-х/ + 5,Ю-х/х5 - 8,92-х/; (29)

У2 = 2,31 + 1,65-х/ + 1,33-х2 - 1,44 х3 + 1,3 9-х, + + 1,33-х/ +0,77-х;-Х2 — 0,80- х,-х3 + 0,81-х/ -- 1,52 -х2хз + 0,91-х/ + 0,65-х/; (30)

У'з= 0,34 + 0,15-х, - 4,16- х5 - 0,52-х/- х5 + 4,00-х3" (31)

Из анализа двумерных сечений (рисунок 6) и поверхности отклика (рисунок 7) полученных моделей регрессии можно установить следующее.

Фактор частота вращения п перфорирующих барабанов не оказывает влияние на фиксацию У; ЭГ-торфа на клубнях картофеля. Ее увеличение от п = 20 мин"1 до п = 60 мин"1 повышает повреждаемость клубней от 1,0...2,0 %до 11,0... 12,0 %, при этом наименьшая повреждаемость установлена при и = 32 мин"1 (х/=-0,4) (рисунок 6, а, б). Увеличение частоты вращения перфорирующих барабанов от я = 20 мин"1 до п = 60 мин' повышало производительность экспериментального образца на 14,0... 18,8 % (рисунок 7).

Повышение избыточного давления воздуха р внутри перфорирующих барабанов от 0 до 20 кПа с увеличением количества игл г„ на единице площади барабанов при фиксированных значениях факторов х/=-0,4; х^=0; х/-0 приводит к увеличению фиксации биостимулятора на 75,0...80,0 %, при этом повреждаемость клубней во всех диапазонах изменения факторов имеет допустимые значения и составляет 0,5.. .5,0 % (рисунок 6, в). Увеличение давления р с уменьшением зазора между барабанами Зв ведет к повышению повреждаемости клубней от 2,5 до 7,5 % и незначительному увеличению (на 15,0...15,5 %) фиксации биостимулятора (рисунок 6, д). Наименьшая повреждаемость установлена при /?=10...13 кПа На производительность экспериментального образца устройства избыточное давление воздуха р внутри перфорирующих барабанов не оказывает влияние.

Уменьшение значения зазора между перфорирующими барабанами в пределах <5б=50...0 мм с увеличением количества игл 2„ на единице площади барабанов при фиксированных значениях факторов х/=-0,4; х2=0; х,=0 повышает фиксацию биостимулятора на поверхности клубней на 75,0...80,0 %, но приводит к увеличению повреждаемости клубней до 5,0 % (рисунок 6, г). Наименьшая повреждаемость клубней, составляющая 0,5... 1,2 %, установлена при значении зазора между барабанами в пределах ¿¡¿-"25...30 мм. На производительность экспериментального образца устройства зазор (У,, между перфорирующими барабанами не оказывает влияние.

Увеличение количества г„ перфорирующих игл на единице площади от 0 (гладкий перфорирующий барабан) до 5000 ед/м2 при фиксированных значения факторов х/=-0,4; х2=0; х3=0 значительно повышает фиксацию ЭГ-торфа на клубнях картофеля во всем диапазоне увеличения продолжительности х; выдерживания клубней в емкости. При этом фиксация биостимулятора повышалась

4 . ММ

25

12,5 0

* / 3,0 / ' 1 X] \ 0.5 \ 4.01 \

/ -1/ -0,5 \ 0 \ 0,5 \ 3,0 1 1

Г~ 1 1 -0,5 1 2,0 / х, 1 / 4,0

\ \ ч_ / / / / / / 5,0' / /

40 «.мин1 60

20 30

а (х, =-1; х4 =0; х} =0)

Ю ру кГТа 20 в (х, =-0,4; х3 =0; х5 =0)

50 4, мм

25 12,5 О

66/ х3 // 70

/ 68 / / V / /0.5 / у /

-1 / / /' / / ДбЧ / / 4,0' Л у 72^ Г ^5.0 /

У / V Г/^0.5 / -1 У/ /У г ' у 7,0

О

10 р, кПа 20

д (х, =-0,4; х4 =0,69; х3 =0)

50 д., мм 25 12.5

О

I Х3 / / / / / / /

---- ^3,0 0,5 5,0' / У /

-1 -0,5 0 У ✓ ' 0,5 7,0 / 1 К ' /

-0,5 У 9,0' У / / 11,0

40 Я)мин-' 60

20 30

б (х, = 1; х4 =0; х5 =0)

5000

, еД'М

2500

О 12,5 25 4. мм 50 г (х, =-0.4; х: =0; х3 =0)

г

О 1250 2500 ги, ед/м 5000 е (х, =-0,4; х, =0; х, =0)

--фиксация

Рисунок 6 - Двумерные сечения поверхностей отклика: —

ЭГ-торфа на клубнях картофеля (У,), г/кг;.....повреждаемость клубней

картофеля (У2), %

Рисунок 7 - Поверхность отклика, характеризующая производительность (У3, т/ч) устройства

на 275,0...280,0 %, а максимальное ее значение, составляющее 70...75 г/кг, установлено при 2„=3450 ед/м2 (х/=0,69) (рисунок 6, е). Повреждаемость клубней при х/=0,69 во всех диапазонах изменения факторов лг2 и х3 не превышает 5,0 % (рисунок 6, в, г). На производительность экспериментального образца устройства количество 2„ перфорирующих игл на единице площади не оказывает влияние.

Увеличение продолжительности 1в выдерживания клубней картофеля в емкости с ЭГ-торфом от 0 до 5 мин при фиксированных значениях факторов X/—0,4; д-2=0; х3=0 способствует увеличению фиксации биостимулятора от 20. ..45 до 40...75 г/кг или на 100,0...275,0 %, при этом дальнейшее увеличение значений продолжительности 4 выдерживания клубней от 5 до 10 мин незначительно повышало фиксацию биостимулятора (на 5,0...7,5 %) (рисунок 6, е). Увеличение продолжительности и выдерживания клубней картофеля в емкости с ЭГ-торфом от 0 до 10 мин снижает производительность экспериментального образца устройства от 8,00...9,50 т/ч до 0,17...0,20 т/ч (рисунок 7).

Проведенные исследования позволили определить следующие оптимальные значения конструктивно-технологических параметров, обеспечивающие компромиссное соотношение фиксации биостимулятора, повреждаемости клубней и производительное™ экспериментального образца устройства: л=32 мин"1 (х,=-0,4) при радиусе перфорирующего барабана =0,15 м; />=10 кПа (х2=0)\ 4=25 мм (х3^0)\ г„=3450 ед/м2 (хг=0,69); 4 "5 мин (ху=0). При данных значениях факторов обеспечиваются следующие значения критериев оптимизации: фиксация ЭГ-торфа на клубнях картофеля К;=б8...70 г/кг; повреждаемость клубней картофеля Уу=2,5...3,0 %; производительность работы экспериментального образца устройства У3 =0,25.. .0,30 т/ч.

Нами проведены исследования, позволившие определить плотности здоровых и пораженных клубней путем измерения объема и массы отдельно взятых клубней различных сортов. Средняя плотность здоровых клубней составила 1200 кг/м3, тогда как плотность пораженных клубней - 1000 - 1100 кг/м3, причем выяснилось, что

пораженные клубни плотностью менее 1000 кг/м3 не тонут в ЭГ-торфе. Проведенные исследования позволили сделать вывод, что плотность клубней снижается в зависимости от степени их поражения каждого определенного сорта. Было установлено, что из всех испытываемых пораженных клубней сорта Изора всплывало 40 % клубней, сорта Невский - 20 %.

Эти данные свидетельствуют о незначительности количества всплывае-мых клубней, поэтому был сделан вывод о нецелесообразности применения механизации процесса удаления всплывших пораженных клубней, и принято решение производить их удаление «вручную».

С целью определения оптимальной скорости движения полотна транспортера были проведены экспериментальные исследования по определению времени стока биостимулятора с поверхности клубней в зависимости от их количества, находящихся на планке полотна транспортера.

С увеличением количества клубней продолжительность стока раствора с них увеличивается, а при значении количества клубней 7 и более постепенно стабилизируется. Средняя продолжительность стока при количестве клубней на планке полотна транспортера 7 ед. и более составляет 5,07 с.

С учетом этого, была определена линейная скорость движения транспортера выгрузки готовой продукции, которая составила итр =0,2 м/с.

Были проведены исследования по определению оптимальной высоты падения обработанных клубней.

Анализ влияния высоты падения клубня на фиксацию ЭГ-торфа на его поверхности показывает, что при увеличении высоты падения клубней на гладкую деревянную поверхность в пределах 0,3...0,7 м интенсивность удаления биостимулятора с поверхности клубней повышается. В пределах значений высоты падения 0,3.. .0,5 м фиксация ЭГ-торфа составляет 54 - 74 г/кг или 65 - 85 % (потери ЭГ-торфа 15 - 25 %) от массы, зафиксированной после обработки. С дальнейшим увеличением высоты падения (0,5...0,7 м) фиксация биопрепарата снижается и составляет 31-54 г/кг или 33 - 65 % (потери 35 - 67 %). При дальнейшем увеличении высоты падения клубня (свыше 0,7 м) потери препарата чрезмерно высоки. При этом фиксация ЭГ-торфа составляет 9-31 г/кг или 10 - 33 % (потери 67 - 90 %).

При падении клубней на слой ранее упавших с высоты 0,3...0,5 м фиксация ЭГ-торфа оставляет 72 -- 79 г/кг или 80 - 88 % (потери 12-20 %). Фиксация биопрепарата снижается при падении клубней с высоты 0,5...0,7 м и составляет 55 - 72 г/кг или 62 - 80 % (потери 20 - 38 %). При увеличении высоты падения свыше 0,7 м фиксация и потери ЭГ-торфа так же, как и при падении клубней на гладкую поверхность, имеют недопустимые значения и составляют 33 — 55 г/кг и 38 - 62 % соответственно.

Исходя из приведенного выше, оптимальным значением высоты падения клубней после обработки биостимулятором ЭГ-торфом можно считать 0,3 - 0,5 м.

В ходе исследований по определению оптимального режима сушки обработанного ЭГ-торфом картофеля было установлено, что наиболее экономически выгодным способом является естественная сушка, так как при ней не при-

меняется дополнительных технических средств и затраты энергии равны нулю. Однако продолжительность такой сушки чрезмерно велика, а в процессе хранения картофель интенсивно гнил. Так, после семисуточного срока хранения обработанного ЭГ-торфом картофеля, подвергшемуся естественной сушке, количество клубней, пораженных гнилью, составило 45,35 %, что не соответствует требованиям к качеству подготовки семенного материала картофеля.

Установлено, что при активном вентилировании наименее энергозатратным способом является сушка не подогретым воздухом, затраты энергии при этом составили 0,0775 кВт-ч/кг.

Применение подогрева воздуха при активном вентилировании обработанного картофеля значительно повышало затраты энергии на сушку при незначительном снижении ее продолжительности. При данном способе энергозатраты составили 0,4010 кВт-ч/кг, что в 5,2 раза превысило расход электроэнергии при использовании не подогретого воздуха и значительно повышало стоимость процесса сушки.

Таким образом, проведенные исследования позволили установить, что оптимальным режимом сушки обработанных ЭГ-торфом клубней картофеля является активное вентилирование не подогретым воздухом с расходом 1800 м3/т'ч в течение 24 ч.

В пятой главе «Оценка эффективности функционирования устройства для предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом» приведены результаты полевых испытаний картофеля, обработанного ЭГ-торфом на экспериментальном образце устройства, представлены исходные данные и результаты исследований и расчетов по оценке эффективности функционирования экспериментального образца устройства.

В результате проведенных полевых испытаний картофеля установлено, что предпосадочная обработка клубней ЭГ-торфом на экспериментальном образце устройства позволяет повысить урожайность на 27,7 %, увеличить количество клубней семенной фракции в общем урожае на 18,1 % и снизить себестоимость производства картофеля на 15,1 %.

В результате энергетической оценки функционирования устройства установлено, удельный расход энергии на предпосадочную обработку составляет 287,5 МДж/т при средней производительности устройства 0,25 т/ч и расходе ЭГ-торфа 75 кг/т. Годовой экономический эффект от эксплуатации устройства для предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом составил 660280,5 руб. при сроке окупаемости Ток = 0,25 года. Годовой экономический эффект в расчете на 1 га посадок картофеля составил 49886,9 руб/га.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана конструктивно-технологическая схема устройства предпосадочной обработки картофеля жидким биостимулирующим препаратом в виде ЭГ-торфа (патент № 2421964 РФ на изобретение), состоящего из емкости, заполненной биостимулирующим препаратом, установленных в ней перфорирующих барабанов и транспортеров выгрузки обработанных клубней.

2. Теоретическими исследованиями взаимодействия клубня картофеля с перфорирующим барабаном устройства определены:

- ширина зоны подвода клубней к перфорирующим барабанам Ьр— 0,11 м, минимальный радиус перфорирующего барабана Яб =0,017 м, максимальная угловая скорость вращения перфорирующих барабанов при взаимодействии с одним клубнем соотах=2,12 с'1;

- количество клубней, одновременно находящихся в контакте с перфорирующими барабанами устройства - 23 клубня, длина дуги контакта 1К =0,169 м;

- толщина материала оболочки перфорирующего барабана Ь„ =8,2 мм.

3. Экспериментальными исследованиями установлено, что эффективная и качественная работа узла перфорации устройства обеспечивается при следующих оптимальных конструктивно-технологических параметрах: частота вращения перфорирующих барабанов радиусом =0,15 м п~ 30...35 мин"1; избыточное давление воздуха внутри перфорирующих барабанов р = 10... 13 кПа; зазор между перфорирующими барабанами ёб = 25...30 мм; количество перфорирующих игл на единице площади ги = 3400...3500 ед/м2; продолжительность выдерживания клубней картофеля в емкости с ЭГ-торфом 1„ = 5 мин.

4. Экспериментальными исследованиями установлено, что плотность клубней снижается в зависимости от степени поражения клубней основными заболеваниями. Из всех испытываемых пораженных клубней сорта Изора при погружении в ЭГ-торфе всплывало 40 % клубней, сорта Невский - 20 %. Ввиду незначительности количества всплываемых клубней сделан вывод о нецелесообразности применения механизации процесса удаления всплывших пораженных клубней, и принято решение производить их удаление «вручную».

5. Определена скорость движения полотна транспортеров выгрузки обработанных клубней, при которой обеспечивается сток «лишнего» ЭГ-торфа с поверхности клубней обратно в емкость устройства и исключающая его перерасход: опр= 0,2 м/с, и оптимальная высота падения клубней после обработки ЭГ-торфом, составляющая 0,3.-0,5 м. Установлено, что оптимальным режимом сушки обработанных ЭГ-торфом клубней картофеля является активное вентилирование не подогретым воздухом с расходом 1800 м3/т-ч в течение 24 ч.

6. Предпосадочная обработка клубней ЭГ-торфом на экспериментальном образце устройства обеспечивает повышение урожайности картофеля на 27,7 %, увеличение количества клубней семенной фракции в общем урожае на 18,2 % и снижение себестоимости производства картофеля на 15,1 %. Удельный расход энергии на предпосадочную обработку составляет 287,5 МДж/т при средней производительности устройства 0,25 т/ч и расходе ЭГ-торфа 75 кг/т. Годовой экономический эффект от эксплуатации устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом составил 660280,5 руб. при сроке окупаемости Ток = 0,25 года. Годовой экономический эффект в расчете на 1 га посадок картофеля составил 49886,9 руб/га.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Патент № 2421964 РФ, МПК6 А01С 1/00. Устройство для предпосадочной обработки клубней семенного картофеля / А.Ф. Триандафилов, В.В. Федюк (РФ). - №2009145262; Заявлено 07.12.2009 // Бюл. № 18.

2. Федюк, В.В. Устройство для обработки клубней ЭГ-торфом / В.В. Федюк, А.Ф. Триандафилов // Картофель и овощи. - 2011. - № 2. - С. 24 - 25.

3. Триандафилов, А.Ф. Определение рационального избыточного давления воздуха в перфорирующих барабанах при предпосадочной обработке картофеля / А.Ф. Триандафилов, В.В. Федюк // Достижения науки и техники АПК. — 2011.— №9.-С. 81 -83.

4. Федюк, В.В. Определение оптимальных конструктивно-технологических параметров узла перфорации при предпосадочной обработке картофеля ЭГ-торфом / В.В. Федюк, А.Ф. Триандафилов // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - 2012. - № 4 - С. 72 - 76.

5. Триандафилов, А.Ф. Обоснование некоторых конструктивно-технологических параметров устройства для предпосадочной обработки клубней семенного картофеля ЭГ-торфом / А.Ф. Триандафилов, В.В. Федюк // Научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава Сыктывкарского лесного института по итогам научно-исследовательской работы в 2009 году: Материалы науч.-практ. конф. 11-18 февраля 2010 г. - Сыктывкар: СЛИ, 2010.-С.618-622.

6. Федюк, В.В. Обоснование частоты вращения перфорирующих барабанов устройства для предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом / В.В. Федюк // Февральские чтения по итогам научно-исследовательской работы СЛИ в 2010 году: Материалы науч.-практ. конф. 15-18 февраля 2011 г. - Сыктывкар: СЛИ, 2011.-С, 547 - 552.

7. Триандафилов, А.Ф. Устройство для предпосадочной обработки клубней картофеля биостимуляторами роста / А.Ф. Триандафилов, В.В. Федюк // 14-ый московский международный салон изобретений и инновационных технологий «Архимед». - Москва, 4-8 апреля 2011 г.

8. Федюк, В.В. Влияние применения устройства для предпосадочной обработки клубней ЭГ-торфом на урожайность и качество картофеля / В.В. Федюк, А.Г. Тулинов // Международная научно-практическая конференция «Научное обеспечение агропромышленного производства»: Материалы науч.-практ. конф. - Курск: КурГСХА, 2012. - С. 152 - 156.

9. Федюк, В.В. Исследование параметров и режимов работы перфорирующих барабанов устройства для предпосадчной обработки картофеля ЭГ-торфом / В.В. Федюк, А.Ф. Триандафилов // V Международная научно-практическая конференция «Наука-Технология-Ресурсосбережение», посвященная 60-летию инженерного факультета: Материалы науч.-практ. конф. - Киров: ВятГСХА, 2012. - С. 173 - 177.

Подписано в печать 07 марта 2013 г. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90 экз. Заказ №11. Отпечатано с оригинал-макета.

Типография ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии 610007, г. Киров, ул. Ленина, 166-а.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ЗОНАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СЕВЕРО-ВОСТОКА ИМЕНИ Н.В. РУДНИЦКОГО РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

На правах рукописи

ПА О 041541*1

IV г

Федюк Виталий Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ПРЕДПОСАДОЧНОЙ ОБРАБОТКИ КАРТОФЕЛЯ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИ ОБРАБОТАННЫМ ТОРФОМ

05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент А.Ф. Триандафилов

Киров-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 4

1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................................................... 9

1.1 Общая характеристика способов и технологий подготовки посадочного материала картофеля............................................... 9

1.2 Краткий обзор стимулирующих препаратов для обработки корнеклубнеплодов...................................................... 15

1.3 Анализ технологий и технических средств обработки корнеклубнеплодов............................................................ 17

1.3.1 Протравливание корнеклубнеплодов...................... 17

1.3.2 Нетрадиционные способы предпосадочной обработки корнеклубнеплодов............................................ 31

1.4 Обоснование применения ЭГ-торфа................................. 37

1.4.1 Сущность ЭГ-эффекта......................................... 37

1.4.2 Состав и свойства ЭГ-торфа................................. 41

1.5 Обоснование стимулирующих повреждений семенных клубней........................................................................... 43

1.6 Постановка задач исследований........................................ 44

2 РАЗРАБОТКА И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА...... 45

2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы устройства предпосадочной обработки картофеля................................ 45

2.2 Определение максимальной ширины зоны подвода клубней к перфорирующим барабанам и максимально допустимой угловой скорости их вращения............................................ 50

2.3 Определение загрузки перфорирующих барабанов устройства. 56

2.4 Обоснование рациональной толщины оболочки перфорирующих барабанов............................................................. 59

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................... 71

3.1 Программа экспериментальных исследований...................... 71

3.2 Экспериментальные установки, приборы и оборудование....... 71

3.3 Методика проведения многофакторного эксперимента и анализа экспериментальных данных..................................... 75

3.4 Методика определения фиксации ЭГ-торфа на поверхности клубней, повреждаемости клубней и производительности экспериментального образца устройства............................... 78

3.5 Методика определения удельных энергозатрат на предпосадочную обработку картофеля ЭГ-торфом.......................... 79

3.6 Методика исследований сушки обработанного картофеля...... 80

3.7 Методика и условия проведения полевых опытов.................. 82

3.8 Методика изготовления ЭГ-торфа..................................... 83

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...... 86

4.1 Определение оптимальных конструктивно-технологических параметров узла перфорации устройства........................... 86

4.1.1 Выбор факторов и обоснование уровней их варьирования................................................................................ 86

4.1.2 Результаты экспериментальных исследований............ 90

4.2 Исследования изменения плотности клубней семенного картофеля при поражении основными заболеваниями................ 101

4.3 Обоснование оптимального значения скорости движения полотна транспортера выгрузки обработанных клубней............ 102

4.4 Обоснование оптимальной высоты падения обработанных клубней..................................................................... 104

4.5 Обоснование оптимального режима сушки обработанного картофеля.................................................................. 107

5 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВА ПРЕДПОСАДОЧНОЙ ОБРАБОТКИ КАРТОФЕЛЯ ЭГ-ТОРФОМ.......................................................................... 110

5.1 Полевые испытания картофеля, обработанного ЭГ-торфом на экспериментальном образце устройства........................... 110

_5.1.1_Урожайность картофеля и содержание клубней семен--

ной фракции в урожае......................................... 110

5.1.2 Биоэнергетическая и экономическая эффективность

выращивания картофеля...................................... 113

5.2 Энергетическая оценка функционирования экспериментального образца устройства................................................ 116

5.3 Экономическая оценка функционирования экспериментального образца устройства.................................................... 117

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ............................................................... 120

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................... 122

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................... 133

ВВЕДЕНИЕ

Картофель относится к числу важнейших сельскохозяйственных культур разностороннего применения. Он успешно используется во многих странах с умеренным климатом как продукт питания, сырье для крахмально-спиртового производства и кормовая культура. Высокая значимость этого продукта подтверждается постоянным ростом его производства в мире и стабильным спросом.

Почвенно-климатические условия Северо-Восточного региона европейской части РФ приемлемы для производства и получения высоких и стабильных урожаев картофеля. Однако выращивание картофеля на севере имеет свои особенности. Короткий вегетационный период, недостаток тепла, бедные подзолистые почвы, их переувлажнение, развитие фитофторы и других болезней отрицательно сказываются на формирование урожая картофеля. Развитию и росту растений картофеля в северных условиях благоприятствуют длинный световой день, достаточное количество влаги и умеренные температуры в период клубнеобразования, что позволяет за короткий период накапливать высокий урожай клубней [4, 47, 48, 84, 85].

По выносу питательных веществ из почвы картофель занимает одно из первых мест по сравнению с другими культурами. Соотношение азота, фосфора и калия в выносе с урожаем соответствует 3:1:4,5 [84]. Вместе с тем почвы Республики Коми бедны питательными веществами, поэтому при возделывании картофеля для воспроизводства и улучшения плодородия почв необходимо внесение значительных доз минеральных и органических удобрений. В период с начала 90-х по конец 2000-х гг. в хозяйствах республики в 3 - 4 раза снизилось поголовье крупного рогатого скота, что привело к резкому снижению доз вносимых органических удобрений [82]. Это обусловило поиск иных низкозатратных способов повышения продуктивности картофеля.

Одним из таких способов является предпосадочная обработка клубней различными стимуляторами роста. Применение биологических и химических стимуляторов роста ускоряет репродуктивное развитие клубней в вегетацион-

ный период с неустойчивой погодой, позволяет снизить дозы вносимых органических удобрений и повысить урожайность на 15 - 40 % и по сравнению с влиянием агротехнических способов на рост и развитие клубней является наиболее оперативным и эффективным приемом. Обработка регуляторами роста повышает лежкость клубней, в них больше накапливается крахмала, толще становится кожура. Благодаря этому клубни меньше травмируются при уборке, меньше повреждаются болезнями, лучше сохраняются [31, 41].

Многочисленные опытные данные подтвердили высокую эффективность предпосадочной обработки клубней картофеля биостимулирующими препаратами [31, 41, 83, 102, 103].

Одним из биостимулирующих препаратов является электрогидравличе-ски обработанный торф (ЭГ-торф). В ГНУ НИИСХ Республики Коми Россель-хозакадемии проводились исследования по обработке клубней картофеля ЭГ-торфом, суспензией влажностью 80 - 85 %, обладающей клеящей способностью и биостимулирующими свойствами, выдерживанием в емкости 3-5 минут с последующей сушкой. В результате исследований установлено, что использование ЭГ-торфа обеспечивает повышение урожайности на 32 — 38 %, повышение сохранности на 12 - 14 %, причем стоимость применяемого состава значительно ниже традиционно применяемых биостимулирующих препаратов. При этом было выявлено, что в процессе выдерживания клубни, пораженные сухой гнилью, фитофторой, кольцевой гнилью, всплывали в результате разности их плотности и применяемого состава, что также положительно сказалось на качестве семенного материала [1,2, 76, 94].

Позже для увеличения адсорбируемости и массы фиксируемого ЭГ-торфа применяли перфорирование поверхности клубней мелкими иглами. Данный прием позволил увеличить урожайность картофеля на 8 — 9 %.

Таким образом, являются актуальными разработка средства механизации процесса предпосадочной обработки клубней картофеля и исследования по определению оптимальных параметров процесса.

Степень разработанности. Уровень разработки превышает отраслевой, так как применение устройства позволяет получить урожайность картофеля до 22 т/га, что превышает среднюю урожайность по Российской Федерации на 80 - 85 %.

Цель и задачи работы. Цель работы - обоснование основных конструктивно-технологических параметров устройства предпосадочной обработки клубней электрогидравлически обработанным торфом, обеспечивающего снижение энергозатрат и повышение урожайности картофеля.

Поставлены следующие задачи научных исследований:

- разработать конструктивно-технологическую схему устройства предпосадочной обработки клубней картофеля ЭГ-торфом;

- провести теоретические исследования по обоснованию параметров узла перфорации устройства и процесса взаимодействия перфорирующих барабанов с клубнями картофеля;

- провести исследования по изменению плотности клубней картофеля в зависимости от поражения распространенными заболеваниями, обосновать целесообразность применения механизма для удаления пораженных клубней;

- оптимизировать основные конструктивно-технологические параметры узла перфорации устройства предпосадочной обработки клубней картофеля;

- обосновать оптимальные режимы выгрузки и сушки обработанных клубней;

- оценить эффективность функционирования устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом.

Научная новизна. Конструктивно-технологическая схема устройства предпосадочной обработки картофеля, состоящего из емкости, заполненной биостимулирующим препаратом, установленных в ней перфорирующих барабанов и транспортеров выгрузки обработанных клубней (патент № 2421964 РФ на изобретение).

Схема устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом, модели регрессии, позволяющие определить его основные конструктивно-технологические параметры при обработке клубней ЭГ-торфом с применением перфорации их поверхности, последующей погрузке в контейнер и сушке.

Теоретическая и практическая значимость. Разработан экспериментальный образец устройства предпосадочной обработки картофеля электрогидрав-лически обработанным торфом, определены оптимальные конструктивно-технологические параметры узла перфорации устройства, а также режимы выгрузки и сушки обработанных клубней.

Устройство предпосадочной обработки картофеля прошло опытно-производственную проверку, в ходе которого семена картофеля, обработанные ЭГ-торфом на устройстве, высаживались на поле СПК «Палевицы» Сыктыв-динского района Республики Коми.

Методология и методы исследования. При проведении экспериментальных исследований использовались общие и частные методики, приборы и установки. Разработан и изготовлен экспериментальный образец устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом. При реализации, подготовке и обработке результатов экспериментов применялись методы математической статистики и теории планирования многофакторного эксперимента с применением ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

- конструктивно-технологическая схема устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом;

- математические зависимости определения оптимальных параметров и режимов работы узла перфорации устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом;

- результаты экспериментальных исследований работы узла перфорации устройства, а также режимов выгрузки и сушки обработанных клубней;

- результаты экспериментальных исследований по изменению плотности клубней картофеля в зависимости от поражения распространенными заболеваниями;

- эффективность функционирования устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность экспериментальных данных оценивалась Б-критериями Фишера, критериями Кохре-на, коэффициентами детерминации и подтверждена положительными результа-

тами лабораторно-полевых и производственных проверок устройства предпосадочной обработки картофеля ЭГ-торфом.

Основные положения диссертационной работы были изложены на научных конференциях Сыктывкарского лесного института (г. Сыктывкар, 2010...2011 гг.), Вятской ГСХА (г. Киров, 2012 г.), Курской ГСХА (г. Курск, 2012 г.), ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии (г. Киров, 2012 г.), а также на 14-ом международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» (г. Москва, 2011 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, и получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, включает 132 страницы основного текста, содержит 37 рисунков, 15 таблиц и 6 приложений. Список литературы включает в себя 115 наименований.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ГНУ НИИСХ Республики Коми Россельхозакадемии по выполнению задания Россельхозакадемии 09.01.02.01 «Разработка устройства для предпосадочной обработки семенного картофеля электрогидравлически обработанным торфом», номер государственной регистрации 15070.77210229.

Автор выражает глубокую благодарность кандидату технических наук, директору ГНУ НИИСХ Республики Коми Россельхозакадемии А.Ф. Трианда-филову - научному руководителю на протяжении всей работы по данной проблеме; кандидату сельскохозяйственных наук, заместителю директора ГНУ НИИСХ Республики Коми Россельхозакадемии Г.Т. Шморгунову, сотрудникам ГНУ НИИСХ Республики Коми Россельхозакадемии за содействие на различных этапах диссертационной работы - кандидату сельскохозяйственных наук А.Г. Тулинову, инженеру A.B. Колпащикову, аспирантам A.A. Бакаеву и А.Ю. Лобанову.

1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общая характеристика способов и технологий подготовки посадочного

материала картофеля

В картофелеводстве уровень урожайности в значительной степени определяется качеством семенного материала, при условии соблюдения требований технологии возделывания. Поэтому улучшение этого показателя стоит на одном из первых мест при выращивании картофеля. Исходя из того, что здоровый (без какой-либо инфекции) и богатый сухим веществом клубень способен обеспечить хорошие темпы развития растения и достижение высокого уровня урожайности, становится очевидным необходимость выделения такого материала на семенные цели [6, 7, 31, 33, 34, 35, 102 и др.].

Гарантированное высокое качество посадочного материала картофеля можно получить только при строгом соблюдении технологических процессов при подготовке клубней к посадке, используя проверенные методы контроля и оценки качества выполнения основных операций.

Предпосадочная подготовка семенных клубней включает следующие технологические операции: выгрузку из хранилищ, сортирование, воздушно-тепловой обогрев или проращивание, протравливание и обработку клубней стимулирующими веществами [9, 37, 38, 39, 81]. Семенной материал готовят к посадке в зависимости от технологии послеуборочной доработки (заложен с поля без предварительного сортирования, с предварительным сортированием без калибрования, предварительно отсортированный и откалиброванный, протравленный с осени, не протравленный) и хранения. Клубни картофеля, используемые на семенные цели, должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 53136-2008 [25].

Подготовку семенного материала начинают не позднее, чем за 2...4 недели до посадки, механическую обработку (погрузку, сортирование, переборку и др.) — при температуре 8...10° С. Высота падения клубней при работе машин

допускается не более 0,3 м. Дня уменьшения высоты падения используют спуски-гасители скорости из мешковины или брезента.

Выгруженный картофель доставляют самосвалами или системой транспортеров в приемные бункера сортировальных пунктов. Сортирование и калибрование клубней на фракции проводят на стационарных картофелесортиро-вальных пунктах КСП-25, ПКП-25 и передвижных КСП-15Б, КСП-15В.

Так же для этой цели завод «Рязсельмаш» выпускает малогабаритную к