Influence of the shape of potato tubers on the quality of separation into fractions by the working bodies of potato sorting machines

Full Text

Введение Картофель является одной из основных сельскохозяйственных культур, производимых на территории Республики Беларусь. Ежегодный объем его производства составляет от 13 до 15 % на территории стран СНГ и от 4 до 6 % - мирового производства. Беларусь поставляет на рынки соседних стран около 500 тыс. т продовольственного картофеля и 250 тыс. т семенного [1]. Несмотря на это, согласно официальной статистике, производство картофеля в сельскохозяйственных организациях республики неуклонно снижается. Так, за последнее десятилетие максимальный пик производства картофеля сельскохозяйственными предприятиями республики составлял 1240,2 тыс. т в 2012 г., а уже в 2018 г. он снизился до 598,6 тыс. т; при этом на приусадебных участках населения картофель неуклонно занимает лидирующие позиции (в 2018 г. он составил 5266,5 тыс.т). Снижение производства картофеля сельскохозяйственными организациями республики вызвано отходом от применения этой овощной культуры в качестве кормовой, а также высокая трудоемкостью ее производства, которая прежде всего связана с послеуборочной обработкой и хранением. Государственной программой развития аграрного бизнеса в Республике Беларусь на 2016-2020 гг. [2] предусмотрено наращивание объемов производства картофеля путем совершенствования технологий производства, увеличения урожайности и существенного снижения потерь, большая часть которых имеет место быть при уборке, послеуборочной доработке и хранении. Современные тенденции производства картофеля по европейским технологиям направлены на увеличение его урожайности. В Германии в 2017 г. урожайность картофеля составляла 468 ц/га, в Польше - 278,5 ц/га [3], в то время как в сельскохозяйственных организациях Беларуси - 291 ц/га [1]. Несмотря на это, в республике остро стоит вопрос сохранности выращенной продукции, ее качественными показателями и товарным видом. Сортирование картофеля направлено на получение нескольких фракций, отличающихся по массе, размеру или другим признакам. Обычно выделяют примеси растительные, почвенные включения и три основные фракции картофеля: крупную (столовую), семенную и мелкую. Современные технологии, применяемые в сельскохозяйственном производстве, используют целый ряд признаков, по которым производят сортирование продукции. Эффективность разделения картофеля на фракции зависит от физико-механических свойств клубней, к которым следует отнести: форму, геометрические размеры, массу, плотность, коэффициенты трения по поверхностям, упругость, цвет и отражающую способность, проницаемость рентгеновскими лучами. При разделении картофеля на размерные фракции необходимо учитывать, что наиболее точно определенную фракцию характеризуют масса или объем клубня. На практике определение массы и объема каждого отдельного клубня произвести весьма трудоемко, нетехнологично и занимает много времени. В высокопроизводительных машинах наибольшее распространение получили роликовые калибрующие поверхности, использующие при разделении клубней на фракции их линейные размеры. При закладке на хранение клубней разного размера скважность массы уменьшается из-за заполнения промежутков между крупными клубнями, картофелем более мелкой фракцией. Кроме того, с течением времени клубни картофеля деформируются, плотнее прилегая друг к другу, тем самым снижая скважность. В целом эти факторы ухудшают возможность достаточной вентиляции картофельной массы в процессе хранения, что ведет к потерям. Как правило, потери при хранении характеризуются усыханием клубней, прорастанием в насыпях и гниением [5, 17]. Существенное влияние на реализационную стоимость картофеля оказывает внешний вид клубней, основными показателями качественности товара являются выравненность фракционного состава, отсутствие загрязнений и повреждений картофеля. Данные показатели обеспечиваются посредством операции сортирования. Целью исследований Определение причин повреждения клубней при сортировке и способы их устранения. Обзор литературы В процессе разделения картофеля на фракции клубни получают механические повреждения, которые можно разделить на внешние и внутренние. Внешние повреждения (содранная кожура, трещины, вырывы мякоти, раздавленные, разрезанные клубни) возникают в результате защемления при взаимодействии клубней срабочими органами калибрующих поверхностей, связанные со скоростными режимами работы, а внутренние (потемнение мякоти) - из-за высоких напряжений и деформаций, возникающих в процессе прохождения клубня через калибровочное отверстие [8]. Степень механических повреждений и потерь при хранении зависит от типа применяемой технологии послеуборочной доработки. По усредненным данным [22], при поточной технологии послеуборочной доработки, повреждения клубней достигают 66,4 %, а потери за 8 месяцев хранения - 32,2 %; при перевалочной - повреждения 31,3 %, потери 18,7 %. Наименьшие повреждения наблюдались при прямоточной технологии - 20,2 % при потерях 8,3 %. Исследованиями [9] установлено, что потери при хранении могут превышать 20 %, и в значительной степени их уровень зависит от поврежденности закладываемого на хранение картофеля. Необходимо отметить, что неповрежденные клубни за весь период хранения теряют до 5 % от своей массы, клубни с содранной кожурой - до 11 %, а клубни с вырывами и разрезами -от 15 до 19 % [21]. Задержка всходов поврежденного семенного картофеля составляет от 8 до 18 дней в зависимости от их размеров, при этом количество невзошедших клубней достигает 35 % и более, травмирование семенного картофеля приводит также к снижению будущего урожая от 15 до 25 % [10, 14]. Уровень и тип повреждений клубней в значительной степени зависит от сорта картофеля и его физико-механических свойств, температуры окружающей среды, влажности, особенностей технологического процесса сортировки, и взаимодействия с рабочими органами [16]. Влияние низких температур на уровень повреждений клубней картофеля наблюдается при температурах ниже 10 °С. Снижение температуры на 1 °С приводит к увеличению уровня повреждений на 5 % [9]. Вместе с тем при 10 °С сопротивляемость клубней к возбудителям болезней значительно снижается в результате замедления процесса восстановления, а при 5 °С заживление травм практически прекращается [9]. Исследованиями Т.И. Валуевой установлено, что снижение прочности кожуры и мякоти наблюдается у клубней картофеля, убранных при влажности почвы более 27 %. Снижение стойкости клубней к нагрузкам вызвано увеличением тургора клеток картофеля [6]. Вместе с тем уровень повреждений картофеля при сортировке ограничивается требованиями ТКП 277-2010 (02150) и для семенного картофеля не должен превышать 2 %, для продовольственного - 5 % (ГОСТ 7176-85) [13]. С целью снижения уровня повреждения картофеля рабочими органами машин для уборки и послеуборочной доработки клубней в технологии предусмотрены такие операции, как уборка ботвы и лечебный период. Уборка ботвы картофеля до основной уборки способствует созреванию и увеличению прочности кожуры [25]; лечебный период - временное хранение от 10 до 14 дней - способствует просушиванию, увеличению прочности и выявлению больных клубней, после чего проводят сортировку картофеля с последующей закладкой на хранение [11, 12]. Применение той или иной технологии определяется условиями хозяйствования. Из анализа результатов исследований видно, что потери картофеля при хранении напрямую зависят от степени его повреждения. Снижение повреждения картофеля возможно при условии, что конструктивные и кинематические параметры рабочих органов калибрующих поверхностей сортировальных машин будут использоваться с учетом особенностей разных сортов клубней картофеля [23]. Следует отметить, что основным фактором, влияющим на качественные показатели процесса разделения клубней картофеля на фракции, а также его повреждение рабочими органами сортировальных машин, является взаимодействие поверхности клубня с гранями калибрующих ячеек. Поскольку необходимым условием точности разделения является прохождение клубня в калибрующий зазор, размер которого близок к размеру клубня, то повреждения от взаимодействия неизбежны. Вместе с тем, степень этих повреждений зависит от количества клубней, размеры которых близки к размерам калибрующих отверстий и формы самих клубней. А.А. Герасимов [4] предложил выделять формы клубней по коэффициенту формы Кф: (1) где lк - длина клубня, м; bк - ширина клубня, м; cк - толщина, м. Согласно классификации А.А. Герасимова, выделяют следующие формы клубня: округлая Кф менее 1,20; округло-овальная - Кф от 1,20 до 1,30; овальная - Кф от 1,30 до 1,40; удлиненно-овальная - Кф от 1,40 до 1,50; удлиненная Кф более 1,50. Материалы и методы Форма клубня влияет на процесс его взаимодействия с рабочими органами, ориентацию картофеля относительно калибрующих отверстий, траекторию движения по калибрующим поверхностям. К примеру, при качении клубня ось его вращения ориентируется параллельно оси рабочих органов и перпендикулярно направлению движения. Этот эффект широко используется на роликовых калибрующих поверхностях для ориентации клубней относительно щелей и калибрующих отверстий. Проведенный анализ работы роликовых калибрующих поверхностей позволил определить связь кинематических параметров роликовой поверхности и формы клубня [7, 24, 27, 28]. На рис. 1 представлена схема прохождения клубня эллиптической формы между двумя роликами круглого сечения, центры которых обозначены О1 и О2; радиусы роликов - R1 и R2, зазор между роликами - С, в поперечном сечении толщина клубня - 2rc, ширина - 2rb. Рис. 1. Схема взаимодействия клубня овальной формы с роликами Рассматривая движение клубня (рис. 1), было установлено, что при повороте его на угол θ относительно точек контакта с роликами путь, пройденный клубнем относительно каждого из роликов, отличается тем больше, чем больше разница между толщиной и шириной клубня. Поскольку ролики вращаются с одинаковой частотой и имеют одинаковый размер, то очевидно, что клубень, поворачиваясь относительно каждого из роликов на угол θ1 = θ2, будет проскальзывать относительно одного из них, а следовательно, защемления и проскальзывания клубней неизбежны. В свою очередь значительные повреждения при движении по роликам клубень получает при защемлении. Анализ движения клубня эллиптической формы по роликовой поверхности показал, что защемление клубня можно избежать, если учесть соотношение размеров клубня в поперечном сечении. Так, пути Δl1 и Δl2, которые проходит клубень относительно каждого из роликов, смещение центра масс, веса клубня G и изменение сил нормальных реакций N1, N2 и сил трения F1 и F2 позволило получить соотношение скоростей двух соседних роликов, при котором клубни не защемляются роликами. Увеличение скорости каждого последующего ролика Vвых, при которой клубни будут выкатываться из впадины между роликами, определено по выражению: (2) где nN-1 - частота вращения предыдущего ролика, с-1; RN-1 - радиус предыдущего ролика, м; rb - радиус клубня по ширине, м; rc - радиус клубня по толщине, м. Учитывая окружные скорости первого V1, второго V2 роликов и разность скоростей Vвых, определено передаточное отношение между роликами [5]: (2) где n1 - частота вращения первого ролика, мин-1; n2 - частота вращения второго ролика, мин-1; V1 - окружная скорость поверхности первого ролика, мин-1; V2 - окружная скорость поверхности второго ролика, мин-1. Полученное выражение (2) позволяет учитывать форму клубней и производить настройку машины в зависимости от особенностей сорта картофеля и его геометрических параметров. В процессе калибрования роликовые поверхности ориентируют клубни картофеля таким образом, что их длина - наибольшая ось вращения - располагается параллельно роликам, следовательно, на процесс калибрования оказывает минимальное влияние. На основании вышеизложенного коэффициент формы Kр, определяемый как отношение ширины клубня к его толщине, будет достаточным для калибрующих поверхностей роликового типа: (3) Используя выражение (3) и учитывая классификацию А.А. Герасимова, при проведении исследований на сортах картофеля «скарб», «ласунак», «адрета» нами выделено пять основных форм поперечного сечения клубней (см. табл.). Таблица Коэффициент формы клубня в поперечном сечении [٢٤, ٢٦] Форма клубня Коэффициент формы, Кр Округлая более ٠,٩ Округло-овальная от ٠,٨٩ до ٠,٨ Овальная от ٠,٧٩ до ٠,٧ Удлиненно-овальная от ٠,٦٩ до ٠,٦١ Удлиненная (плоская) менее ٠,٦ Методика определения условия защемления клубней картофеля роликами калибрующей поверхности Для подтверждения теоретических предпосылок и аналитических выражений необходимо установить связь между формой клубня, передаточным отношением окружных скоростей роликов и количеством клубней, проходящих через калибрующий зазор за определенный период времени. Для определения оптимальных кинематических режимов работы калибрующей поверхности в зависимости от формы клубней и, соответственно, сорта калибруемого картофеля исследовалось защемление клубня, размеры которого близки к размерам калибрующей щели. Для исследований использовались группы клубней картофеля округлой, овальной и удлиненной формы. Диаметр гладких калибрующих роликов составляет 32 мм, зазор между роликами - 42 мм, размер клубней, по которому производили калибрование - толщина (40, 42 и 43 мм). Калибрующая поверхность располагалась горизонтально, передаточное отношение между роликами варьировалось от 0,9 до 0,6 с интервалом в 0,15. Регулировка передаточного отношения осуществлялась изменением передаточного числа механизма привода роликов. Минимальная частота вращения первого ролика составляла 1,33 с-1. В качестве контролируемой переменной использовали время нахождения клубня на роликовой поверхности. Учитывая производительность роликовых поверхностей, максимальное время экспериментов принято 5 с [7]. Исследование разбили на две части. Первая часть исследований проводилась с группой клубней одинаковой формы и толщиной 43 мм, что на 1 мм больше калибрующего зазора. В данном случае фиксировали количество клубней, которые прошли сквозь калибрующую поверхность за время 5 с. Интервал времени был определен из условия, что скорость движения клубней по поверхности 0,2 м/с, при длине поверхности 1 м. Во второй части проводили опыты с группой клубней 25 шт. одинаковой формы и контролируемым размером (ширина 40 мм), что меньше зазора между роликами на 2 мм и шириной 42 мм и равно калибрующему зазору между роликами, и фиксировали время полного прохода всей группы клубней. В данном случае время позволило определить оптимальную длину рабочей поверхности при определенной скорости движения, позволяющей клубням пройти сквозь калибрующий зазор. Оценка адекватности полученных результатов проводилась статистическими методами оценки. Результаты и обсуждение Исследование определения условия защемления клубней картофеля толщиной 43 мм осуществлялось на роликовой поверхности, образованной параллельно расположенными цилиндрическими роликам с калибрующим зазором 42 мм (рис. 2). На всех графиках (рис. 2) прослеживается параболическая зависимость количества клубней, прошедших сквозь поверхность, от соотношения окружных скоростей между роликами. При соотношении, близком к 0,9, количество клубней удлиненной и овальной формы, прошедших сквозь поверхность за время 5 с стремилось к максимуму. Данный факт объясняется тем, что клубни удлиненной и овальной формы затаскивались роликами в калибрующий зазор. Соответственно, точность разделения клубней овальной и удлиненной фракций ухудшилась с приближением соотношения окружных скоростей между роликами к 1, а количество деформированных клубней увеличилось. Вместе с тем, изменение соотношения к 0,75 для клубней овальной формы является оптимальным и позволяет увеличить точность разделения, что полностью соответствует теоретическим предпосылкам. Однако для клубней удлиненной формы расчетные значения соответствуют не в полной мере, а точнее только правая часть графика с оптимумом в районе 0,7, в то время как теоретически оптимум должен находиться на уровне 0,6. Это объясняется тем, что высокая разность в скоростях роликов приводит к проскальзыванию клубня, и он начинает двигаться по менее быстрой поверхности ролика. Результаты эксперимента для клубней округлой формы значительно не изменяются и не удовлетворяют теоретическим предпосылкам в полной мере. Прежде всего это связано с неидеальностью формы самих клубней, поскольку даже незначительные выступы компенсировали разницу в размере между щелью и клубнем в 1 мм. На основании проведенных экспериментов нами установлено, что соотношение окружных скоростей соседних роликов, образующих калибрующую щель, оказывают существенное влияние на качество разделения клубней на фракции и являются причиной нанесения им повреждений, связанных с деформацией. Вторая часть исследований проводилась с клубнями округлой и овальной форм, размеры которых соответствовали размерам калибрующей щели или были меньше ее на 2 мм. На рис. 3 представлены графики зависимости изменения времени прохождения группы клубней толщиной 40 и 42 мм через щель между роликами шириной 42 мм от соотношения окружных скоростей между роликами. Рис. 3. Графики зависимости изменения времени прохождения группы клубней толщиной 40 и 42 мм через щель между роликами шириной 42 мм от соотношения окружных скоростей между роликами Время прохождения группы клубней через калибрующую щель характеризует вероятность того, успеет ли клубень «просеяться» от начала до конца роликовой калибрующей поверхности. Из рис. 3 очевидно, что клубни округлой формы лучше проходят через щели поверхности, кроме того, размер клубней практически не влияет на время сепарации. В отличие от округлых, клубни удлиненной формы дольше ориентируются относительно калибрующего отверстия, и значительную роль здесь оказывает форма. Поскольку благодаря большей разнице между толщиной и шириной в поперечном сечении клубни проскакивают оптимальное положение и не успевают пройти в щель, это, прежде всего, связано с закономерностями движения клубня между роликами, поскольку чем ближе размеры клубня к размерам калибрующей щели, тем дольше он вращается между ними. С увеличением разности между окружными скоростями роликов время ориентации увеличивается. Учитывая то, что, согласно теоритическим исследованиям, оптимальным режимом для клубней овальной формы является интервал соотношения окружных скоростей между роликами от 0,7 до 0,79, результаты экспериментов полностью подтверждают теоретические предпосылки. Заключение Проведенные теоретические исследования и полученные аналитические выражения позволили установить взаимосвязь между формой поперечного сечения клубней картофеля и кинематическими параметрами роликовой калибрующей поверхности, а также основные формы клубней (округлую, овальную и плоскую) и соответствующие им передаточные соотношения окружных скоростей между роликами калибрующей поверхности, составившие 0,9, 0,75 и 0,6. На основании результатов теоретических исследований и анализа литературных источников установлено, что причины повреждений (трещины, вырывы мякоти и раздавленные клубни) картофеля при сортировании на роликовых поверхностях связаны с деформацией клубней, получаемой в результате протаскивания их через калибрующую щель либо отверстие, размеры которых меньше размеров клубней. Причиной, вызывающей содранную кожуру клубня, является продолжительное его нахождение на калибрующей поверхности, а также защемление клубней роликами. Результаты экспериментальных исследований показали, что при соотношении окружных скоростей роликов на уровне 0,9, более 60 % клубней, размеры которых больше размеров калибрующей щели за время 5 секунд проходят сквозь калибрующую поверхность. При соотношении скоростей 0,75 количество клубней овальной формы сократилось до 40 %, а удлиненной - менее 30 %. На основании этого можно сделать вывод о влиянии соотношения окружных скоростей и формы клубней на их деформацию. Кроме того, установлено, что клубни округлой формы быстрее проходят сквозь калибрующую щель за время до 2 с, а клубни овальной формы могут находиться на поверхности более 3 с, чем ближе размеры калибрующей щели к размерам клубней, тем дольше продолжается процесс калибрования. Таким образом, представленный анализ позволяет оценить влияние формы клубня на качество разделения картофеля роликовыми калибрующими поверхностями картофелесортировальных машин, а также показывает пути совершенствования техники для послеуборочной доработки картофеля, причины повреждения клубней рабочими органами роликового типа и способы их устранения. При сортировке клубней картофеля необходимо учитывать особенности формы, соответствующей определенным сортам. Для клубней овальной и удлиненной формы необходимо изменять передаточное соотношение окружных скоростей между роликами калибрующей поверхности, а также удлинять зону выделения соответствующей фракции. Рис. 2. Экспериментальные зависимости количества клубней толщиной 43 мм, прошедших в калибрующий зазор между роликами 42 мм за время, равное 5 с, от соотношения окружных скоростей между роликами

About the authors

N. N Romanyuk

Belarusian State Agrarian Technical University

PhD in Engineering Minsk, Belarus

V. N Yednach

Belarusian State Agrarian Technical University

PhD in Engineering Minsk, Belarus

S. A Voynash

Novosibirsk State Agrarian University

Email: val-e@mail.ru. sergey_voi@mail.ru
Novosibirsk, Russia

References

Supplementary files