ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ МАШИН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЛОДОВ

Уборочный процесс отличается большим разнообразием как набора отдельных операций, так и средств их реализации. Выполненные ранее такими учеными, как Л.С. Бакулев, В.А. Бичерев, И.Ф. Бородин, И.С. Егоров, В.П. Луценко, В.И. Малюков, Ф.С. Пак, Е.Ю. Раков, Н.М. Сазонова, А.Н. Сибельков, К.П. Синча, П.И. Сыроежкин, О.Н. Терехов, В.А. Федоров, А.Н. Цепляев, Л.Н. Чабан, А.Д. Эм исследования показали, что одним из технологических свойств плодов арбуза, функционально связанным со зрелостью, является его размер. Причем зависимость эта справедлива как для богары, так и для возделывания в условиях орошения. Размер плода зафиксирован также в нормативно-технической документации, как один из признаков стандартности (ГОСТ 7177-80).

В общем случае изменение качественных и количественных показателей выборочной уборки плодов арбуза по размеру может быть представлено зависимостями изображенными на рис. 1.

19 25 27 31

Рис. 1. Показатели выборочной уборки по размеру Здесь Td - товарность плодов сорванных и подобранных при условии, что ихдиаметр (D) больше выбранного (DK),%;

td - полнота подбора товарных плодов, имеющихся на поле к моменту уборки,%;

Qd - сборовая урожайность, т/га.

Td = 100mdm/md% (2)

td = 100mdm/mm. % (3)

Qd =10 md/F,т/гa, (4) где mdm - масса подобранных товарных плодов с D>DK, кг;

md - общая масса подобранных плодов с D >Dk, кг;

mm - общая масса товарных плодов, имеющихся на поле к моменту уборки,кг;

F - площадь поля, м2.

Товарными считались плоды зрелые (балл 5-7), нестандартные недозрелые (балл 3-4) и перезрелые (балл 8-9), пригодные к употреблению в свежем виде или на переработку [53]. Показатели, определяемые пересечением кривых с ординатой 19 см обозначают, что среди имеющихся на поле плодов с диаметром более 19 см количество товарных плодов будет 83%, полнота подбора товарных плодов-87%, а урожайность - 38 т/га.

«Априори» можно предположить, что, собрав с поля все плоды получим td = 100% и Qd max, но Td min. Если же выбирать плоды покрупнее, то величины td и Qd будут уменьшаться, a Td увеличиваться.

На поздних сроках уборки возможен вариант протекания процесса для Td по пунктирной линии. В начале Td

Степень зрелости плода, хотя не является единственным показателем его качества, в значительной мере определяет его. Поэтому одним из основных требований к способам и средствам измерения является достоверная оценка степени зрелости плодов.

Поисковые опыты в содружестве с селекционерами привели нас к выводу, что визуальные признаки семян и мякоти, видимые после разреза плода, позволяют достаточно четко разделить их по степени зрелости на девять фракций [К.Е. Дютин,1980].

Вторым вопросом проблемы является поиск определенного инструментальным методом показателя изменяющего свое значение с изменением зрелости плода. Диапазоны его распределения для плодов разной зрелости не должны в значительной мере накладываться.

В настоящее время процедура определения качества партий арбузов регламентирована ГОСТ 7177-80. Производится в основном органолептическая оценка выборки наружным осмотром и после разреза части плодов. Объем выборки зависит от массы плодов в партии, а для оценки внутреннего состояния из выборки выделяют 10…20% плодов. Причем, как выборку из партии, так и 10-20%-ную пробу, в основном, предполагается производить однократно, а результаты анализа распространять на всю партию. Нам представляется, что такая методика не имеет достаточного обоснования.

Действительно, оценка доли плодов того или иного качества по выборке из всей партии как правило не совпадает с фактически имеющейся.

При выборочном обследовании для получения обоснованных выводов необходимо применение статистических методов (Г. Шварц, 1978).

Методика выборочного контроля партий изделий по качественным признакам однократной выборкой достаточно четко разработана и применяется в ряде отраслей промышленности [ГОСТ 18242-72).

Целесообразно найти свойство плода, позволяющее инструментальным способом (наличие датчика, выдающего сигнал о состоянии зрелости плода без его разреза) определять его качество.

Среди известных способов определения могут быть названы размер
плода [П.И.Сыроежкин 1970,1977гг;Л.Н.Чабан, 1972;В.П.Луценко 1972, 1974], объемный вес плода[В.М.Марков, 1956; П. Радченко, 1970; В.А Борисов, 2003],блеск коры, треск при сдавливании [В.Ф. Белик, 1975], усилие на прокол кожицы, твердость коры [С.А.Зубанов,1988] сопротивление прохождению рентгеновских лучей [И.С.Егоров, 1973], акустическое свойства плода - звук при щелчке пальцем, либо ударником по плоду и т.п. [Л.П.Стрекалова, 1989; В.Ф.Яковлев,1982,1988], электропроводность плода [Г.В.Вартанян, 1962].

В технике известно применение такого показателя как полное электрическое сопротивление (импеданс) различных веществ протеканию переменного электрического тока для оценки их физико-механических свойств (Г.В. Вартанян, 1962, А.И. Науменко, 1970, J. Tajiri, 1975), величина которого Z (для последовательного соединения составляющих определяется выражением)

Z = (R2+( L - 1/ C)2 ) 1/2, (5)

где R – активная составляющая, оМ

- круговая частота переменного тока, с-1 (=2f),

f - линейная частота переменного тока, Герц

L – индуктивность, Генри

С – емкость, Фарада.

Схема замеров электропроводных свойств плода в общем виде представлена на рис. 2а.

Считается (А.И. Науменко, 1975; А.В. Арчаков, 1979; Г.Г. Снапян, 1985; F.W. Allen,1932; Z. Carles, 1983; J. Tajiri, 1976;.M. Werver, 1966), что суммарное электрическое сопротивление животных и растительных тканей складывается из активной и реактивной составляющих. Последняя представлена в основном емкостью клеточных стенок и образца (рис.2б).

На практике ( А.В. Арчаков, 1979) при определении электропроводности живых систем в основном используются схемы с параллельным включением емкости и активного сопротивления (рис.3в). С увеличением частоты переменного тока реактивная составляющая уменьшается, но величина её на частотах до 5,0 МГц остается на порядок выше активной составляющей. В этом случае эквивалентная схема замещения может быть представлена в виде изображенной на рис. 2г.

В связи с большими различиями в строении клеток, химического
состава внутриклеточных жидкостей и мембран сопротивление протеканию
электрического тока будет различным для коры и мякоти плода.

Поэтому суммарное сопротивление плода протеканию переменного тока по плоду через внедренные в его кору электроды могут быть представлено в виде параллельно включенных сопротивлений коры и мякоти и подлежат экспериментальному определению выражениями:

Rп = U/J ( 6 )

Rп = Rк · Rм /(Rк + Rм), ( 7 )

Rм = Rк · Rп/ (Rк – Rп) ( 8 )

Рис.3. Схема замера электропроводных свойств плода арбуза:

а – датчики 1 измерительного прибора ИП, введенные в кору 2, обеспечивают прохождение тока от генератора Г через кору и мякоть плода 3; U- вольтметр, J – амперметр; б- эквивалентная схема прохождения электрического тока через растительную ткань, R п – активное сопротивление, Ом; Со и С –емкость клеточных стенок и образца в целом, Ф; в- эквивалентная схема замещения для плода; Сп – емкость плода, как геометрического тела, Ф; Rп - суммарное активное сопротивление клеточного пространства коры и мякоти плода, оМ; г - рабочая эквивалентная схема ; Rk, Rм- сопротивление коры и мякоти плода арбуза, Ом..

В связи с количественными и качественными изменениями в размере клеток, разделяющих их мембран и химического состава сок обоснованным будет предположить необходимость проведения замеров для выявления оптимальных значений частоты переменного тока.

Вопросам оценки качества плодов овощебахчевых культур как с точки зрения химического состава, органолептических оценок, так и изыскания технических средств для их выявления большое внимание уделяли И.Ф. Бородин, Г.В. Вартанян, С.А. Зубанов, П.Ф. Сокол, Е.П., В.Ф. Яковлев.

Ресурсосбережение в сфере производства – одна из главных задач и результативных следствий ускорения научно-технического прогресса (Б.Н. Волков, 1991 г.). Освоение достижений науки и техники в производственных условиях должно в конечном счете приводить к существенной экономии труда, энергии и материалов на производство конечной продукции. Этим вопросам в бахчеводстве уделяли большое внимание такие ученые, как Н.Е. Руденко, П.П. Рудь и Н.В. Челобанов.

Основными направлениями ресурсосбережения растениеводства являются:

• ограничение затратных агроприемов;
• разработка системы ресурсосберегающих приемов, технологий;
• разработка систем механизации для возделывания арбузов.

Наиболее важным направлением ресурсосбережения и снижения затрат в растениеводстве является переход на приоритетную основу в распределении органических ресурсов для достижения цели.

В первую очередь выбираются к реализации те направления, которые исключают разрушение природных ресурсов и способствуют обеспечению долговременной устойчивости воспроизводства плодородия почвы (Г.В. Гуляева,2000; И.С. Шатилов,1984). По результатам исследований отечественных и зарубежных авторов как в бахчеводстве, так и смежных отраслях известно, что интенсификация с.-х. производства сопровождается ростом затрат энергии. Особенно на невозобновляемые источники (топливо-смазочные материалы, техника, удобрения, средства борьбы с сорняками и вредителями и т.п.). Эффективность использования энергии определяется коэффициентом (В.В. Коринец,1990).

Е = Qр / Qз, ( 9 )

где Qр – энергия, накопленная в культивируемых растениях (плоды, листо- стебельная масса и корни), МДж/га;

Qз, - затраты энергии на производство, МДж/га.

Отсюда ясно, что увеличение эффективности производства при условии роста затрат энергии (знаменатель) возможно только при более интенсивном увеличении продуктивности растений (числитель). К аналогичному выводу приходят авторы, исследующие динамику затрат энергии на производство с.-х. продукции в смежных с бахчеводством отраслях (И.А. Минаков, 1986.

А это возможно только при мобилизации всего арсенала агрономической науки от размещения производства в той или иной природно-климатической зоне, определения места возделываемой культуры в севообороте до своевременного выполнения в рекомендованных режимах мероприятий по внесению удобрений, борьбе с сорняками и вредителями, организации уборки, послеуборочной обработки и транспортировке продукции.

В настоящее время, когда ранее выпущенной специализированной техники для бахчеводства уже не осталось, наиболее затратными как по труду, так и по энергии являются операции по уходу за посевами – 54,1 и 55,6%, соответственно. На уборку приходится 43,3% затрат труда и 9,2% затрат энергии. Большая доля затрат энергии приходится на материалы (26,5%). Это невозобновляемые затраты энергии на удобрения, средства защиты от сорняков, болезней и вредителей, на семена. В целом коэффициент эффективности использования затраченной энергии при производстве плодов арбуза составляет:

Е = QР/ QЗ = 32780/98153 = 0,33

QР = U· KВ·KЭ = 20000 · 0.11 · 14.9 = 32780 МДж/га,

где U – урожай плодов базового варианта (20 т/га),

KВ – коэфф. перевода единицы урожая в сухие вещества ( KВ= 0,11),

KЭ - содержание энергии в 1 кг сухого вещества арбуза (KЭ= 14,9 МДж/кг).

Фактически сложившийся в настоящему времени уровень механизации в бахчеводстве в пределах 7-10% не позволяет резко увеличить производство плодов арбуза в ближайшие годы.

В завершение главы определены цели и задачи исследований.

где U – урожай плодов базового варианта (20 т/га),

Kв – коэфф. перевода единицы урожая в сухие вещества (Kв = 0,11),

Kэ содержание энергии в 1 кг сухого вещества арбуза (Kэ = 14,9 МДж/кг).

Фактически сложившийся в настоящему времени уровень механизации в бахчеводстве в пределах 7-10% не позволяет резко увеличить производство плодов арбуза в ближайшие годы [65].

В завершение главы определены цели и задачи исследований.

Глава 2. Условия работы и общая методика проведения исследований. Работа выполнена в 1967-2005 гг. по гостематике ВАСХНИЛ, Минсельхоза, Минплодоовощхоза СССР и РАСХН на базе ГНУ ВНИИОБ, хозяйств Камызякского, Красноярского и Харабалинского районов, а также заготовительных пунктов «Зайковка» и «Копановка» Астраханской области, заготовительных баз городов Уфы и Костромы. Соисполнителями работы в разные годы были Научно-исследовательский институт овощного хозяйства (НИИОХ), Среднеазиатский институт механизации и электрификации (САИМЭ), Государственное специальное конструкторско-технологическое бюро по овощеводству (ГСКТБО – г.Москва) и его Николаевский филиал, государственные специализированные конструкторские бюро по посевным и почвообрабатывающим машинам (г. Кировоград), по культиваторам и сцепкам (г.Ростов-на-Дону), Ташкентский

филиал ГСКБ по комплексу машин для садов и виноградников, а также государственные машиноиспытательные станции - Поволжская (г.Кинель, Самарская обл.) и Южно-Украинская (г. Херсон). Методической основой выполняемых работ были лабораторные, полевые и производственные опыты, физическое и статистическое моделирование технологических процессов и рабочих органов. Почвы опытных участков аллювиальные, средне- и тяжелосуглинистые, слабо- и среднезасоленные. По количеству питательных веществ почвы относятся к слабообеспеченным азотом (содержание легкогидролизуемого азота 28-32 мг/кг) и фосфором (52-76 мг/кг Р2О5) и средне обеспеченным обменным калием (157-257 мг/кг). Климат континентальный.

Среднегодовое количество осадков 150-200 мм, годовое испарение влаги 1000-1200 мм, сумма температур выше 100С равна 3800-4000. Безморозный период длится 150-180 дней. Средняя длина гона в Астраханской обл. составляет 600-1000 м. Без орошения эффективное растениеводство практически невозможно.

Для изучения физико-механических свойств плодов, а также конструктивных и технологических показателей (МТА) использовали: маятниковый копер МК, динамометры ДТ-3, ДПУ; пинетрометры конструкции НИИОХ и собственной, упругомер собственной конструкции, экспериментальные установки различного назначения (трение, скатывание плодов, заполнение плодами контейнеров и кузовов транспортных средств и т.п.), стандартные и собственной конструкции приборы и установки для изучения электрических параметров плодов.

Исследования проводили в соответствии с требованиями следующих методик:

• Доспехов, Б.А.Методика полевого опыта.(С основами статистической обработки результатов исследований).- М.: Колос, 1979, 1985 гг.
• Методика опытного дела в овощеводстве и бахчеводстве /Под ред. В.Ф. Белика.- М., 1992 г.
• Методические указания по разработке системы машин для комплексной механизации растениеводства на 1986-1995 гг. Части I, II и III.- М., 1983.
• Методические указания о порядке разработки, согласования и утверждения исходных требований на с.-х. технику.- М.:ВАСХНИЛ, 1988.
• Руководящие документы (РД), ОСТы, ГОСТы на испытания новой техники на государственных машиноиспытательных станциях (РД 10.8.7-89; РД 10.10.6-89, ОСТ 70.2.2-71; ОСТ 70.4.3-74; ОСТ 70.5.1-73; ГОСТ 7.1.-2003; ГОСТ 7177-80; ГОСТ 18242-72; ГОСТ 23728-79; ГОСТ 24055-80).
• Методические указания по определению качества плодоовощной продукции и картофеля (приложение к приказу Госагропрома СССР №242 от 7 апреля 1988 г.)

Ареал размещения и возделывания с.-х. растений (Методические указания) : Системно-энергетический подход /Составители В.В. Коринец [и др., всего 6 авторов].- Л., ВИР, 1990

Математическая обработка результатов исследований проведена методами дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализов по Б.А. Доспехову (1979); Г.Ф. Лакину (1973) и Н.А. Плохинскому (1970) с применением современной вычислительной техники.

Глава 3. Схемы посева и механизация производственных процессов бахчеводства. Большое разнообразие ширины междурядий применяемых ранее схем посева бахчевых не позволяло подойти к разработке системы специализированных машин. Так, для арбузов ширина междурядий колеблется от 0,7 до 3,5 м, а расстояние между гнездами в ряду (междугнездья) – от 0,5 до 3 м.[ В.Ф. Белик,1975, А.И. Филов А.И.,1969]. При механизированном уходе за растениями очень важно согласовать величину междурядий и число одновременно обрабатываемых рядков с конструктивными и энергетическими показателями пропашных тракторов, а также технологией возделывания бахчевых. Технологическая необходимость прохода МТА по междурядьям на протяжении всего периода вегетации предусматривает создание посередине междурядий полос, свободных от растений. В свою очередь, проход трактора посередине междурядий вызывает необходимость посева бахчевых с равными междурядьями, не превышающими 180 см (наибольшая ширина колеи тракторов типа «Беларусь»). При этих условиях число одновременно обрабатываемых рядков должно быть равно трем. Предлагаемые схемы посева бахчевых культур с шириной междурядий от 120 до 180 см и эквивалентны исторически сложившимся [43].

По результатам НИОКР, проведенным совместно с Кировоградским ГСКБ по посевным машинам разработаны агротехнические требования на сеялку бахчевую комбинированную СБН-3, сеялка была изготовлена заводом «Красная звезда» опытной партией, прошла испытания на государственных МИС и рекомендована в производство.

Глава 4. Формирование надземной массы растений и размещения плодов на поле. Применение машинно-тракторных агрегатов при производстве плодов бахчевых культур в настоящее время сдерживается отсутствием технических средств для механизированного формирования надземной массы растений. В связи с этим доля работ, выполняемых вручную при возделывании арбузов и дынь в орошении, к настоящему времени достигает 90% [41].

По результатам НИОКР, проведенным совместно с ГСКБ по культиваторам и сцепкам (г.Ростов-на-Дону) разработаны агротехнические требования, разработана конструкция и выпущена опытная партия культиваторов КНБ-5,4. Культиваторы испытаны на Поволжской и Южно- Украинской МИС и получили рекомендацию в производство. В опытах 1974-1977 гг. операции по формированию листо-стебельной массы производились специальными рабочими органами опытного образца культиватора КНБ-5,4. Они навешиваются впереди трактора и включают в себя плетеотводы с фиксаторами плетей. Процесс обрезки плети на выбранном расстоянии от оси ряда выполняется диском-фиксатором плетей при снятом корпусе плетеотвода.

В целях исключения контакта рабочих органов с ранее уложенными плетьми процесс формирования ленты начинали не дожидаясь смыкания плетей в междурядьях, а когда их длина не превышала 50-60 см (первая обработка) [55,57,76].

Исследования проводили с арбузом сорта Астраханский.Схема посева

180х110см.

Вариант 1. Ступенчатая укладка плетей на ленту шириной 60,100 и 140 см при первой, второй и третьей обработках соответственно.

Вариант 2. Ступенчатая обрезка плетей на ленту шириной 60,100 и 140 см при первой, второй и третьей обработках.