Оценка качества уборки моркови: влияние скорости зажимного транспортера

Китай занимает первое место в мире по площади посадок и валовому сбору моркови, однако уровень механизации уборки моркови в стране остается относительно отсталым. В процессе эксплуатации существующих машин возникает множество проблем, среди которых основными трудностями являются высокий процент потерь (недобора) и высокий процент повреждений корнеплодов. Для изучения этой проблемы был разработан экспериментальный стенд, состоящий из зажимного, выдергивающего и транспортирующего устройств. Данный стенд позволяет за один цикл провести эксперименты по зажиму, выдергиванию, транспортировке растений моркови и сбору ботвы.

В ходе испытаний скорость зажима была разделена на четыре уровня: 0,40 м/с (T1), 0,85 м/с (T2), 1,30 м/с (T3) и контрольный тест (CK). Каждый уровень скорости испытывался трижды при различных скоростях движения агрегата. В конечном итоге был проведен статистический анализ процента потерь и повреждений.

Результаты показывают, что средний процент повреждений за два года для сорта Сяхун-2 при скоростях зажима и транспортировки T1, T2 и T3 составил 6,13%, 3,53% и 9,36% соответственно, а для сорта Саньхун – 6,22%, 3,76% и 9,88% соответственно. Средний процент неподобранной моркови за два последовательных года для двух сортов, Сяхун-2 и Саньхун, составил 3,68% и 4,14% соответственно. В контрольной группе (CK) для обоих сортов процент неподобранной моркови был высоким и стабильным, составляя от 96,2% до 97,5%. В то же время общая тенденция изменения высокого процента потерь моркови при различных скоростях зажима и транспортировки для режимов T1, T2 и T3 у обоих сортов была схожей. Данный контрольный эксперимент также доказывает научность и точность организации испытаний. Средний процент потерь моркови для сорта Сяхун-2 при режимах T1, T2 и T3 составил 3,91%, 3,42% и 6,22%, а для сорта Саньхун при T1, T2 и T3 – 4,06%. Результаты исследования могут послужить теоретической основой и справочным материалом для оптимизации и совершенствования зажимных и транспортирующих устройств для уборки моркови, а также дать рекомендации по снижению потерь при уборке моркови комбайнами в Китае.

Будучи важной товарной культурой в Китае, морковь имеет обширные площади посадки и значительный экспортный объем. Согласно данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), в 2023 году площадь посевов моркови и репы в Китае составит 429 208 гектаров, а объем производства — 18 463 396,03 тонны. Несмотря на обширные площади посадки и значительный экспортный объем, в большинстве регионов по-прежнему доминирует ручное и полумеханизированное производство. По мере ускорения процесса урбанизации в Китае массовый отток молодых сельских работников приводит к росту затрат на рабочую силу, что серьезно препятствует развитию производства в отрасли выращивания моркови. В настоящее время в Китае быстро развивается оборудование для комбайновой уборки моркови с захватом и выдергиванием, которое может выполнять операции по выкапыванию, захвату-выдергиванию и сбору стеблей за один проход, с производительностью до 6–8 му/ч, что значительно высвобождает рабочую силу и повышает эффективность производства [1,2,3].

Хотя комбайны для уборки моркови с захватом и выдергиванием играют все более важную роль в уборке моркови в современном Китае, наша исследовательская группа обнаружила, что существующие машины, как правило, имеют высокий уровень повреждений и пропусков при выдергивании, что приводит к огромным ежегодным потерям при уборке моркови, в ходе обследования операций по уборке моркови в Цзянсу, Шаньдуне и Аньхое в 2023–2024 годах. Результаты исследования показали, что существуют два основных фактора, вызывающих высокий уровень повреждений и пропусков при уборке моркови: Первый заключается в том, что эффект зажима и транспортировки зажимно-транспортирующего устройства нестабилен, надежность низка, и эффект значительно колеблется в различных условиях работы. Вторая причина заключается в том, что в Китае существует множество сортов моркови, и зажимно-транспортирующее устройство морковоуборочного комбайна обладает разной адаптируемостью к различным сортам моркови. Эта ситуация вызывает беспокойство и тревогу у производителей моркови относительно качества машин для уборки моркови. Поэтому изучение наилучшего эффекта зажима и транспортировки (низкий уровень повреждений, низкий уровень пропусков и высокий уровень выдергивания) при различных скоростях движения зажимно-транспортирующих устройств и машин имеет большое значение для низкопотеринной, бесперебойной и высококачественной уборки моркови в Китае [4,5,6,7].

Судя по развитию и современному состоянию мировой технологии уборки моркови, Япония, Южная Корея и другие развитые страны раньше начали проводить исследования по комбайновой уборке моркови; многолетние усовершенствования и инновации привели к появлению интеллектуальных новых технологий, а уровень механизации продолжает повышаться. Морковоуборочный комбайн CH-201C был разработан компанией Kubota в Японии; вся машина имеет боковую навесную конструкцию, бесступенчатое изменение скорости HST, выходную мощность 14,6 кВт и рабочую скорость 0,8 м/с. Для рыхления почвы с целью отделения плодов от почвы перед последующим выдергиванием используются рыхлительные скобы L-образной формы, однако автоматизация сбора моркови не реализована, и для работы требуются два оператора: один отвечает за вождение, а другой — за погрузку и разгрузку моркови [8,9,10].

Судя по развитию и современному состоянию технологии уборки моркови в Китае, китайские ученые добились определенного прогресса в уборке моркови за последние годы.

Сюй, 2021 создал конечно-элементную модель столкновения моркови и горизонтального выдергивающего стержня на основе Abaqus/Explicit, наблюдал за визуализированными результатами, получил эффективные данные с помощью программного обеспечения для постобработки, определил критическую силу удара, вызывающую повреждение моркови в моделируемом состоянии, в соответствии с измеренным пределом текучести, проанализировал факторы повреждения при столкновении моркови с горизонтальным выдергивающим стержнем и предложил меры по снижению потерь [11]. Чжао, 2024 создал дискретную элементную модель взаимодействия выкапывающего лемеха, моркови и почвы для решения проблемы высокого уровня пропусков моркови. Принимая длину и ширину поверхности выкапывающего лемеха и угол наклона лезвия лемеха в качестве факторов испытания, а сопротивление выкапыванию и степень крошения почвы в качестве показателей испытания, был проведен симуляционный эксперимент по выкапыванию моркови и проведен дальнейший углубленный анализ соответствующих структурных и рабочих параметров [12]. Лю, 2019 исследовал механические свойства редькоуборочной машины, взяв в качестве объекта исследования зеленую редьку; процесс выкапывания зеленой редьки был смоделирован и проанализирован с использованием дискретной элементной программы EDEM, а затем были определены мощность и механическая прочность выкапывающей части. В конечном итоге были оптимизированы параметры ключевых компонентов редькоуборочного комбайна [13]. Шао, 2024 исследовал кинематические и механические характеристики выкапывающих органов моркови с целью решения проблем морковоуборочных комбайнов, таких как трудность заглубления выкапывающего лемеха в почву, неточный зажим, вызванный выкапыванием верхнего слоя почвы, и большое сопротивление выкапыванию [14]. Была создана математическая модель механических характеристик выкапывающих органов и их взаимодействия с почвой, теоретически проанализирована взаимосвязь между углом выкапывания, ходом выкапывания, сопротивлением выкапыванию и конструкцией выкапывающего органа. С помощью дискретной элементной программы моделирования EDEM были проанализированы ход выкапывания и механические характеристики взаимодействия лемеха, а также проведен полевой проверочный эксперимент. Яо и др., 2022 использовали контактную модель EEPA в программе моделирования EDEM для построения контактных механических моделей между почвой и редькой и смоделировали процесс выдергивания при различных уровнях плотности почвы, местах установки рыхлителя, углах и скоростях выдергивания [8]. Был проведен эксперимент по выдергиванию для проверки точности моделирования, а также проведены полевые испытания редькоуборочного комбайна [15]. Ли Сян, 2020 создал параметрическую модель взаимодействия компонентов, почвы и сельскохозяйственной культуры на основе дискретного элементного метода и провел виртуальное имитационное испытание рыхлителя, исследовал рабочий механизм рыхлителя, создал механическую модель снижения сопротивления и увеличения возмущения, а также проанализировал влияние структурных параметров крыла лемеха на сопротивление движению машины вперед и усилие выдергивания моркови при уборке моркови [16]. С помощью программного обеспечения Design-Expert8.0.6 была определена оптимальная комбинация параметров рыхлителя и проверена работоспособность высокоэффективного рыхлителя для снижения сопротивления.

Благодаря вышеупомянутому международному поиску и анализу литературы было обнаружено, что текущие исследования в основном включают три аспекта: Первый — это моделирование и анализ процесса уборки с помощью дискретной элементной модели, а второй — улучшение и оптимизация структурных параметров, параметров движения и структурной конфигурации зажимно-транспортирующего устройства. В-третьих, в настоящее время в мире проводится мало исследований машин для уборки моркови и еще меньше исследований взаимосвязи между зажимным транспортером и качеством уборки моркови. Поэтому в данной статье инновационно анализируется и оценивается влияние на качество уборки зажимного транспортера моркови, в надежде предоставить больше научных исследовательских данных для решения проблем высокого уровня повреждений и высокого уровня пропусков машин для уборки моркови в Китае [17,18,19].

2.1. Подготовка материалов

Экспериментальный район расположен в городе Сюйчжоу (117° 8′ в.д., 34° 21′ с.ш.), провинция Цзянсу, и исследовательская группа отслеживала посадку и уборку моркови в экспериментальном районе в 2023–2024 годах. Экспериментальными сортами моркови были 'Сяхун2' и 'Саньхун'. Оба сорта были высеяны стандартизированным способом в феврале соответствующего года. Затем в течение вегетационного периода проводилось эффективное внесение удобрений и водоснабжение, а также наблюдение за ростом, и осуществлялась комплексная борьба с вредителями и сорняками. В июне каждого года для проведения подвесного испытания по сбору соответствующих данных выбирались опытные делянки с однородным ростом.

Физические характеристики почвы пяти опытных участков были статистически оценены, как показано в Таблице 1. Видно, что, помимо большого стандартного отклонения показателя твердости почвы на пяти опытных участках, разница между содержанием влаги в почве и показателем веса почвы невелика; отсюда видно, что, помимо большого различия в твердости почвы на пяти опытных участках, разница в размере частиц почвы и содержании влаги неочевидна, и это в определенной степени также отражает погрешность ручного измерителя твердости почвы в процессе испытания. Как показано в Таблице 1, среднее содержание влаги в почве пяти опытных участков составило 25,12%, средняя твердость почвы — 1118,02 кПа, а средняя плотность почвы — 1,28 г/см³ [20,21,22].

Таблица 1. Параметры физических свойств почвы.

Разработанный комбайн для извлечения моркови прошел полевые испытания на участке посадки моркови в городе Сюйчжоу. Испытательное оборудование включало комбайн для зажима и извлечения моркови, измеритель твердости почвы, рулетку, электронные весы и секундомер. Место проведения полевых испытаний показано на Рисунке 1. Температура составляла 26 °C, на момент уборки на опытном участке осадков не было. Опытный участок представлял собой супесчаную почву общей длиной 240 м и шириной 60 м.

Рисунок 1. Фотографии места проведения полевых испытаний.

2.2. Экспериментальный стенд для зажима и извлечения моркови

Экспериментальный стенд для зажима и извлечения моркови в основном состоит из зажимно-извлекающего устройства, транспортирующего устройства и т.д., что позволяет за один раз провести испытания по зажиму, извлечению, транспортировке растений моркови и сбору стеблей и корнеплодов. При работе экспериментальный стенд для зажима и извлечения моркови движется вперед с ходовой системой с определенной скоростью, находящийся снизу рыхлительный механизм рыхлит почву, зажимно-извлекающий транспортирующий механизм зажимает ботву и листья моркови и транспортирует их назад, и, наконец, ботва и листья моркови попадают в мешкосборочный механизм в конце хвостовой части.

2.3. Методы измерений

Предварительные испытания показали, что структура и форма зажимно-транспортирующего устройства влияют на высокий уровень повреждений и высокий уровень пропусков в процессе зажима и выдергивания моркови. В ходе испытаний скорость зажима была разделена на четыре уровня: 0,40 м/с (T1), 0,85 м/с (T2), 1,30 м/с (T3) и контрольный тест (CK). Каждый уровень скорости испытывался трижды при различных скоростях движения агрегата.

Во время испытания были выбраны четыре группы полей с морковью, наиболее схожих по росту, и четыре типа экспериментальных стендов с зажимным и выдергивающим устройством последовательно двигались со скоростью 0,95 м/с. В режимах T1, T2 и T3 по три экспериментальные делянки каждого сорта на каждом уровне скорости зажима и транспортировки были случайным образом выбраны методом случайной выборки, и было взято среднее значение. Земля в экспериментальной зоне была ровной, скорость ветра подходящей. Испытательные приборы также включали секундомер, весы, рулетку, линейку, электронные весы BS200S (компания Sai Dolis, Геттинген, Германия), анемометр FT-DLY-1063A (компания Delixi Group Instrument Co., Ltd., Вэньчжоу, Китай), калькулятор и пакеты для сбора образцов. Чтобы обеспечить сходство внешних условий испытания, таких как скорость ветра и температура, в этом исследовании были определены соответствующие внешние физические условия во время испытания, в котором влажность и температура измерялись портативными детекторами; соответствующие данные показаны в Таблице 2 [23,24].

Таблица 2. Различные уровни настроек и соответствующие условия окружающей среды.

2.4. Показатели и методы испытаний

Проверка испытаний проводилась в соответствии с соответствующим стандартом [25]. На участке уборки моркови в опытной делянке был выбран участок длиной 30 м в качестве зоны испытаний, 10 м перед зоной испытаний были установлены как зона регулировки машины, и скорость увеличивалась до равномерного состояния в зоне регулировки в начале каждого испытания. При одном и том же уровне скорости зажима с использованием различных скоростей движения подсчитывалась общая масса моркови, масса поврежденной и масса неподкопанной моркови, и испытание повторялось три раза. Показатели испытаний в основном включали уровень повреждений и уровень пропусков подкапывания. На Рисунке 2 показаны место проведения и процесс испытания.

Рисунок 2. Сцена испытания. (a) Измерение высоты роста моркови; (b) зажимная уборка, ракурс 1; (c) вид сверху; (d) зажимная уборка, ракурс 2; (e) взвешивание поврежденной моркови; (f) взвешивание пропущенной моркови.

2.4.1. Метод измерения уровня повреждений

Уровень повреждений — это процентное отношение массы поврежденной моркови к общей массе моркови после операции. Процедура измерения следующая: из моркови, собранной на каждой опытной делянке, случайным образом выбираются 3 участка, взвешивается общая масса поврежденной моркови на этих 3 участках и рассчитывается масса всей убранной моркови для вычисления уровня повреждений. Метод измерения уровня повреждений показан в Формуле (1).

Здесь S1 — уровень повреждений, %; W1 — общая масса поврежденной моркови на трех участках, г; а W2 — масса всей убранной моркови, г.

2.4.2. Измерение уровня пропусков

Уровень пропусков — это процентное отношение массы пропущенной моркови к общей массе моркови после операции. Процедура измерения следующая: из моркови, собранной на каждой опытной делянке, случайным образом выбираются 3 участка, взвешивается общая масса пропущенной моркови на этих 3 участках и рассчитывается масса всей убранной моркови для вычисления уровня пропусков. Расчет уровня пропусков показан в Формуле (2).

Здесь S2 — высокий уровень пропусков выдергивания, %; W2 — масса всей убранной моркови, г; а W3 — общая масса пропущенной при выдергивании моркови, г, на трех участках.

3.1. Влияние зажимного транспортера на уровень повреждений при различных скоростях движения

Таблица 3 представляет собой таблицу дисперсионного анализа для четырех уровней испытаний (T1, T2, T3 и CK). Из таблицы видно, что четыре уровня испытаний и скорость движения являются высокозначимыми, и в то же время существует взаимодействие между четырьмя уровнями испытаний и скоростью движения; значение p для взаимодействия четырех уровней испытаний и скорости движения составляет 0,003, что показывает, что взаимодействие между уровнем испытания и скоростью движения оказывает значительное влияние на результаты испытания, что доказывает обоснованность и научность данного испытания.

Таблица 3. Таблица дисперсионного анализа.

Таблица 4 представляет собой таблицу регрессионного анализа для экспериментальных уровней T1, T2, T3 и CK и различных скоростей движения. Из таблицы видно, что нестандартизированный коэффициент экспериментального уровня составляет 1,199, что указывает на то, что каждое изменение единицы экспериментального уровня может повлиять на уровень повреждений моркови на 1,199 единицы, а нестандартизированный коэффициент скорости движения составляет 0,535, что указывает на то, что каждое изменение единицы экспериментального уровня может повлиять на уровень повреждений моркови на 0,535.

Таблица 4. Таблица регрессионного анализа.

На Рисунке 3 показаны кривые результатов испытаний уровня пропусков для двух видов моркови. Из рисунка видно, что уровень повреждений в контрольной группе CK стабильно составляет от 81,2% до 91,9%. Причина такого уровня повреждений заключается в том, что корнеплод моркови в лунке повреждается из-за столкновения между корнеплодом моркови и механическими частями (рыхлительный механизм, вспомогательный рыхлительный механизм и т.д.) под испытательным стендом во время движения испытательного стенда. Рисунок 3 показывает, что при трех видах скоростей зажима и транспортировки (T1, T2 и T3) тенденция изменения уровня повреждений двух сортов моркови под действием зажимно-транспортирующих устройств чрезвычайно согласована, при этом средние уровни повреждений за два года для Сяхун2 составляют 6,13%, 3,53% и 9,36%, для Саньхун — 6,22%, 3,76% и 9,88% соответственно, и для Сяхун то же самое.

Рисунок 3. (a) Уровень повреждений Сяхун2 в 2023 г.; (b) уровень повреждений Саньхун в 2023 г.; (c) уровень повреждений Сяхун2 в 2024 г.; (d) уровень повреждений Саньхун в 2024 г.

Значительная разница в уровне повреждений была вызвана различными скоростями зажима и транспортировки T1, T2 и T3. Хотя значение T2 было больше, чем T1, его скорость зажима и транспортировки обеспечивала моркови стабильную прочность зажима и выдергивания из лунки. Степень соответствия между прочностью зажима и выдергивания ботвы моркови в единицу времени и скоростью движения машины была самой высокой, а весь процесс выдергивания и транспортировки был относительно связным, поэтому средний уровень повреждений был самым низким. В условиях испытания T1, из-за низкой скорости зажима и выдергивания, некоторая ботва моркови не зажималась во время движения испытательного стенда, что приводило к пропуску корнеплодов моркови, а механические части под испытательным стендом (рыхлительный механизм, вспомогательный рыхлительный механизм и т.д.) приводили к повреждению корнеплодов моркови в лунке роста, и в то же время корнеплоды моркови в лунке механически сталкивались с рыхлительным механизмом и вспомогательным рыхлительным механизмом перед выходом из лунки, что приводило к повреждению некоторых корнеплодов моркови, а затем увеличивало уровень повреждений корнеплодов моркови. В условиях испытания T3, из-за высокой скорости зажима и выдергивания, одновременно зажималось больше ботвы моркови, чем в T2. Во время движения испытательного стенда некоторая ботва моркови не зажималась вовремя, и корнеплоды моркови в лунке механически сталкивались с рыхлительным механизмом и вспомогательным рыхлительным механизмом перед выходом из лунки, что приводило к повреждению некоторых корнеплодов моркови, что также увеличивало уровень повреждений корнеплодов моркови. С другой стороны, T3 имел самую высокую скорость зажима и транспортировки и самую низкую степень соответствия между прочностью зажима и выдергивания ботвы моркови в единицу времени и скоростью движения машины, поэтому его средний уровень повреждений был самым высоким. В то же время такая закономерность контрольных испытаний между одним и тем же сортом и различными сортами доказывает научность организации испытаний.

3.2. Влияние различных уровней испытаний на уровень пропусков

На Рисунке 4 показано изменение уровня пропусков при выдергивании моркови для двух сортов моркови при различных вариантах испытаний со скоростью зажима и транспортировки в течение испытательного цикла. За два года эксперимента средний уровень пропусков моркови для Сяхун2 и Саньхун составил 3,68% и 4,14% соответственно, и на Рисунке 4 видно, что уровень пропусков моркови в группе CK для Сяхун2 и Саньхун был высоким и стабильным на уровне 96,2–97,5%, потому что не было зажимно-транспортирующего устройства для выполнения процесса зажима и выдергивания, и от 3,8% до 2,5% моркови было выдернуто из-за столкновения растений моркови с механическими частями (зажимно-выдергивающий механизм, транспортирующий механизм и т.д.) во время хода движения до попадания в зажимно-транспортирующее устройство, что приводило к выходу моркови из нормального положения в лунке. В то же время общая тенденция уровня пропусков моркови при различных скоростях зажима и транспортировки была схожей для T1, T2 и T3 для обоих сортов моркови, и это контрольное испытание также доказало научную точность организации эксперимента: средний уровень пропусков моркови для T1, T2 и T3 для Сяхун2 составил 3,91%, 3,42% и 6,22%, а для T1, T2 и T3 для Саньхун — 3,91, 3,42 и 6,22 процента. Для Саньхун средний уровень пропусков моркови был высоким и составил 4,06%, 3,58% и 6,08%; следовательно, качество зажима и выдергивания моркови ухудшалось в порядке T2, T1 и T3. Причина может заключаться в том, что степень соответствия между скоростью транспортировки T2 и скоростью движения 1,0 м/с выше, а зажим и выдергивание проходят более плавно, в то время как уровень пропусков при выдергивании T3 для двух сортов моркови был значительно выше, чем для T1 и T2. Возможная причина может заключаться в том, что зажим и выдергивание при условиях T3 были слишком быстрыми, и некоторая ботва моркови не была выдернута вовремя, что привело к более высокому уровню пропусков.

Рисунок 4. (a) Уровень пропусков моркови Сяхун2 в 2023 г.; (b) уровень пропусков моркови Саньхун в 2023 г.; (c) уровень пропусков моркови Сяхун2 в 2024 г.; (d) уровень пропусков моркови Саньхун в 2024 г.

3.3. Влияние различной высоты ботвы моркови на уровень повреждений

Таблица 5 представляет собой таблицу регрессионного анализа уровня повреждений при различной высоте и различных скоростях движения. Из таблицы видно, что значения VIF для различной высоты и различных скоростей движения равны 1. Следовательно, между переменными нет серьезной проблемы мультиколлинеарности. Коэффициенты регрессии для уровня повреждений при различной высоте и различных скоростях движения являются значимыми, среди которых коэффициент регрессии для экспериментального уровня составляет -0,624, что показывает, что высота отрицательно коррелирует с уровнем повреждений, то есть чем выше высота, тем меньше может быть уровень повреждений, а коэффициент регрессии для скорости движения составляет 2,336, что показывает, что скорость движения положительно коррелирует с уровнем повреждений, то есть чем выше скорость движения, тем больше уровень повреждений.

Таблица 5. Таблица регрессионного анализа уровня повреждений для групп с различной высотой.

Поскольку высота ботвы моркови оказывает значительное влияние на положение зажима зажимного механизма, а также на положение соударения корнеплодов моркови с механическими компонентами, такими как рыхлительный механизм, что, в свою очередь, влияет на повреждение моркови, высота ботвы моркови была протестирована по трем категориям: низкая (высота ботвы моркови ≤ 22 см) (обработка H1), средняя (22 < длина < 42 см) (обработка H2) и высокая (42 ≤ длина ≤ 62 см) (обработка H3); из результатов испытаний видно, что данные о повреждениях имеют четкую закономерность распределения. Рисунок 5 показывает распределение уровня повреждений в условиях H1, H2 и H3, демонстрируя, что распределение влияния уровня повреждений в условиях H1, H2 и H3 показало явную согласованность. Для Сяхун2, рассматривая повреждения трех типов моркови — низкой, средней и высокой, — уровень повреждений в условиях испытания H1 составил 5,12%, уровень повреждений в условиях испытания H2 — 4,73%, уровень повреждений в условиях испытания H3 — 6,19%, а среднее весовое соотношение повреждений для низкой, средней и высокой моркови составило 2,9:3,2:5,4; для Саньхун повреждения ботвы низкой, средней и высокой моркови после испытания H1 составили 5,69% в условиях испытания H2, 5,24% в условиях испытания H2 и 6,78% в условиях испытания H3, а среднее весовое соотношение поврежденной ботвы трех типов моркови — низкой, средней и высокой — составило 2,8:3,1:5,9; для Саньхун эффекты распределения H1, H2 и H3 на уровень повреждений при различных скоростях зажима и транспортировки показали явную согласованность, и испытание показало, что морковь с высотой ботвы ≤ 22 см повреждалась больше. Причины этой ситуации следующие: Более короткую морковь трудно зажимать, поэтому она легко отпадает в процессе зажима, и отпавшая морковь повреждается при соударении с механическими частями, в то время как морковь с высотой ботвы от 22 до 42 см зажимается надежно и нелегко отделяется от зажимного устройства, потому что зажатое положение приходится как раз на середину ботвы моркови, и корнеплод моркови нелегко отделить от зажимного устройства в зажимных частях, нижних рыхлительных частях и вспомогательных частях. Между зажимной частью, нижней рыхлительной частью и вспомогательной частью корнеплод моркови нелегко ударить и нелегко повредить, в то время как ботва моркови в диапазоне высот 42–62 см также зажимается надежно и нелегко отделяется от зажимного устройства, но размер корнеплода моркови такой высоты, как правило, больше, и размер корнеплода моркови легко может превысить размер пространства между зажимной частью, нижней рыхлительной частью и вспомогательной частью в процессе зажима, поэтому его легко ударить и легко повредить. Корнеплоды моркови легко ударить и легко повредить.

Рисунок 5. Диаграмма распределения уровня повреждений в условиях H1, H2 и H3: (a) уровень повреждений Сяхун2 в 2024 г. в условиях H1; (b) уровень повреждений Сяхун2 в 2024 г. в условиях H2; (c) уровень повреждений Сяхун2 в 2024 г. в условиях H3; (d) уровень повреждений Саньхун в 2024 г. в условиях H1; (e) уровень повреждений Саньхун в 2024 г. в условиях H2; (f) уровень повреждений Саньхун в 2024 г. в условиях H3.

В настоящее время операция зажима и выдергивания моркови становится одним из важнейших способов зажима моркови в Китае; уровень повреждений и пропусков моркови во время работы этого способа напрямую влияет и даже определяет влияние этого способа, поэтому необходимо изучать различные зажимно-транспортирующие устройства для разных сортов моркови на разных уровнях скорости зажима и транспортировки и при разных скоростях движения в отношении повреждений, уровней пропусков и степени повреждения моркови. Это имеет большое теоретическое и практическое значение для улучшения эксплуатационных показателей орудий для уборки моркови и выбора наилучшего зажимно-транспортирующего устройства и наиболее подходящих условий скорости зажима и транспортировки для каждого сорта моркови, чтобы улучшить и снизить уровень пропусков. В этом исследовании зажимно-транспортирующие устройства T1, T2, T3 и CK использовались для испытания репрезентативных сортов моркови, выращиваемых на больших площадях в морковепроизводящих районах Китая, с целью оценки и сравнения качества и адаптируемости зажимно-транспортирующих устройств различной конструкции для типичных сортов моркови путем оценки уровня повреждений и пропусков моркови, и полученные данные показали, что качество зажима и выдергивания ухудшалось в порядке T2, T1, T3 и CK.

Чтобы получить оптимальные параметры конструкции устройства для отделения ботвы моркови путем выдергивания для достижения наилучшего эффекта отделения, Цзэн и др., 2018 создали кинематическую модель устройства для отделения ботвы путем выдергивания и качественно проанализировали влияние соответствующих параметров на кинематические характеристики выдергивающего стержня [1]. Был разработан экспериментальный стенд для отделения ботвы моркови и проведен ортогональный эксперимент по отделению ботвы. После анализа было обнаружено, что скорость вращения выдергивающего стержня оказывает наибольшее влияние на эффект отделения ботвы моркови, а угол между выдергивающим стержнем и транспортерной лентой оказывает значительное влияние на эффект отделения ботвы моркови; в то же время мы получили оптимальное сочетание параметров устройства для отделения ботвы моркови: скорость вращения выдергивающего стержня составляла 200 об/мин, а линейная скорость транспортерной ленты — 1,2 м/с. Уровень повреждений для этой комбинации составил 7,7%, в то время как средний уровень повреждений испытательного стенда в данной статье для Сяхун2 за два года составил 3,53% и для Саньхун за два года — 3,76% при скорости зажимного транспортера 0,85 м/с. С точки зрения влияния на уровень повреждений разница между этими двумя исследованиями велика; возможная причина заключается в том, что Цзэн и др., 2018 расширили исследование, включив в него скорость вращения тягового стержня, но этот параметр не изучался, так как на испытательном стенде в данном исследовании не было устройства с тяговым стержнем, однако другие компоненты и конструкции очень схожи, поэтому результаты исследования высоко сопоставимы с нашим исследованием [1].

С точки зрения уровня повреждений моркови, Яо и др., 2023 протестировали уровень повреждений белой редьки, и результат испытания показал, что уровень повреждений был менее 2,7% [15]. Хотя белая редька отличалась от моркови, изучаемой в данной статье, внешние характеристики и особенности посадки белой редьки были очень схожи с морковью, изучаемой в данной статье, и средний уровень повреждений Сяхун2 в данной статье при скорости зажима и транспортировки 0,85 м/с составил 3,53%. Средний уровень повреждений Саньхун за два года составил 3,76%. С точки зрения влияния на уровень повреждений результаты двух исследований схожи. С конструктивной точки зрения, конструкция испытательного стенда, изучаемого в данной статье, очень схожа с конструкцией Яо и др., 2023, поэтому результаты данного исследования дополнительно подтверждают точность результатов исследования Яо и др., 2023 [15].

С точки зрения уровня пропусков моркови, Яо и др., 2023 провели полевые испытания комбайна для уборки белой моркови, и результаты испытаний показали, что вся машина имеет стабильные показатели и что уровень пропусков составляет менее 1,8% [15]. Хотя белая морковь отличается от моркови, изучаемой в данной статье, и принцип работы этого комбайна для уборки белой моркови отличается, внешние характеристики и особенности посадки белой моркови и моркови, изучаемой в данной статье, очень схожи, и уровень пропусков составляет менее 1,8%, в то время как уровни пропусков для моркови Сяхун2 и Саньхун в данной статье составляют 3,68% и 4,14% соответственно; средний уровень пропусков Сяхун2 за два года при скорости зажима и транспортировки 0,85 м/с составляет 3,53%, а средний уровень пропусков Саньхун за два года составляет 3,76%, поэтому эти два исследования схожи только с точки зрения влияния уровня пропусков. Только с точки зрения влияния уровня пропусков эти два исследования дали схожие результаты, а с конструктивной точки зрения испытательный стенд, изучаемый в данной статье, был очень схож по конструкции с комбайном для уборки белой редьки Яо и др., 2023, поэтому результаты данного исследования дополнительно подтвердили точность выводов Яо и др., 2023 [15].

Ли, 2020 провел полевые испытания морковоуборочного комбайна, и результаты полевых испытаний показали, что машина имела хорошие эксплуатационные показатели при скорости движения 0,7 м/с. Испытательная скорость стенда для испытания моркови, изучаемого в данной статье, составляла 0,85 м/с, и эти две испытательные скорости были близки друг к другу, а уровень пропусков морковоуборочного комбайна, разработанного Ли, 2020, составлял максимум 3,6% и минимум 2,7%, а уровни пропусков в данной статье для двух сортов моркови Сяхун2 и Саньхун составили 1,89% и 2,12% соответственно. Причина такого большого различия заключается в том, что конструкция выкапывающего механизма морковоуборочного комбайна, изучаемого Ли, 2020 [16], имеет большую рабочую площадь и большее сопротивление выкапыванию, чем выкапывающий механизм испытательного стенда в данной статье, и такая конструкция может привести к более высокому уровню пропусков при выдергивании [22].

Это исследование достигло определенных экспериментальных инноваций; однако существуют определенные ограничения, подробно описанные ниже:

(1) Из-за субъективных и объективных факторов, таких как время и условия, в этом исследовании анализировались уровень повреждений и уровень пропусков двух сортов моркови путем установки испытаний на уровнях скорости зажима и транспортировки T1, T2, T3 и CK и 10 уровнях скорости движения, уделяя основное внимание макроскопической точке зрения, и не проводилось углубленного исследования характеристик и закономерностей движения растения моркови и корнеплодов в различных зажимно-транспортирующих устройствах. На следующем этапе планируется изучить характеристики и закономерности движения с помощью высокоскоростной съемки с высоким разрешением.

(2) Из-за ограничений программы исследования и экспериментальных условий объектами испытания в данной статье являются только два сорта моркови, а изменения усилия разрыва корнеплодов, усилия разрыва корнеплодов и их механических свойств в зависимости от скорости зажима и транспортировки, а также изменения в различных частях корнеплодов и различных компонентах зажимно-транспортирующего устройства и способ приложения усилия неодинаковы для разных сортов моркови, поэтому в последующих экспериментах мы проведем исследование на большем количестве сортов моркови и изучим различные характеристики зажимно-транспортирующего устройства для разных сортов моркови, а затем исследуем характеристики и закономерности работы различных зажимно-транспортирующих устройств на разных сортах моркови при различных скоростях зажима и транспортировки, и выявим наиболее подходящие скорости зажима, выдергивания и транспортировки, а также зажимно-транспортирующие устройства при подходящих скоростях движения для различных сортов моркови.

Основываясь на соответствующих данных, полученных в этом исследовании, существующим уборочным машинам для моркови, имеющим схожую с данной статьей конструкцию, следует сначала сравнить рост и сорта моркови с физическими характеристиками растений, шириной междурядий и расстоянием между растениями двух сортов моркови, изученных в данной статье. Если они одинаковы или схожи, работу можно проводить в условиях скорости зажима и транспортировки = 0,85 м/с и скорости движения машины v = 1,0 м/с, что может эффективно снизить уровень повреждений и пропусков по сравнению с предыдущими. Если высота роста моркови, подлежащей уборке, намного меньше, чем у двух сортов моркови, изученных в данной статье, согласно результатам исследования данной статьи, более короткая морковь легко отпадает в процессе зажима, и отпавшая морковь повреждается при соударении с механическими частями. Поэтому необходимо установить соответствующие вспомогательные устройства или отрегулировать соответствующие параметры зажимных устройств, чтобы обеспечить хороший зажим и снизить уровень потерь. Если высота роста моркови, подлежащей уборке, намного больше, чем у растений двух сортов, изученных в данной статье, согласно результатам исследования данной статьи, хотя морковь зажимается надежно и нелегко отделяется от зажимного устройства, размер корнеплода моркови на такой высоте часто бывает большим. В процессе зажима размер корнеплода моркови легко превышает размер пространства между зажимной частью, рыхлительной частью внизу и вспомогательной частью, и его легко ударить и повредить. Поэтому необходимо установить соответствующие вспомогательные противопударные устройства или увеличить свободное пространство для моркови, чтобы снизить уровень потерь.

Благодаря непрерывному отслеживанию трех различных форм зажимно-транспортирующих устройств на двух сортах моркови на разных уровнях скорости зажима и транспортировки, было проведено данное сравнительное экспериментальное исследование для получения различных закономерностей повреждений и пропусков моркови, для решения проблем высокого уровня повреждений и высокого уровня пропусков, а также для предоставления теоретической основы для оптимизации показателей зажимного транспортера моркови.

(1) На уровнях T1, T2 и T3 влияние тенденции изменения уровня повреждений двух сортов моркови при скорости зажима и транспортировки показало высокую согласованность: средний уровень повреждений Сяхун2 за два года составил 6,13%, 3,53% и 9,36%, а средний уровень повреждений Саньхун за два года составил 6,22%, 6,53% и 9,36%. Средние уровни повреждений составили 6,13%, 3,53% и 9,36% для Сяхун2 и 6,22%, 3,76% и 9,88% для Саньхун.

(2) Средний уровень пропусков при выдергивании моркови за два последовательных года для двух сортов моркови, Сяхун2 и Саньхун, составил 3,68% и 4,14% соответственно. Как видно из рисунка, уровень пропусков при выдергивании моркови в контрольной группе CK для двух сортов моркови, Сяхун2 и Саньхун, был высоким и стабильным на уровне 96,2–97,5%. В то же время T1, T2 и T3 имеют схожую общую тенденцию уровня пропусков моркови для двух сортов моркови при различных скоростях зажима и транспортировки. Средний уровень пропусков моркови для T1, T2 и T3 для Сяхун2 составляет 3,91%, 3,42% и 6,22%, а для T1, T2 и T3 для Саньхун — 4,06%, 3,58% и 6,08%.

(3) Эффекты распределения уровней повреждений в условиях H1, H2 и H3 показали явную согласованность. Для Сяхун2 повреждение трех типов моркови — низкой, средней и высокой — после испытания T1 составило 5,12% в условиях испытания H1, 4,73% в условиях испытания H2 и 6,19% в условиях испытания H3, а среднее весовое соотношение повреждений составило 2,9:3,2:5,4; для Саньхун повреждение трех типов моркови — низкой, средней и высокой — после испытания T1 составило 5,69% в условиях испытания H1, 5,24% в условиях испытания H2 и 6,78% в условиях испытания H3, а среднее весовое соотношение поврежденных трех типов моркови — низкой, средней и высокой — составило 2,8:3,1:5,9; для Саньхун эффекты распределения T1, T2 и T3 на его уровень повреждений при различных скоростях зажима и транспортировки показали явную согласованность, и испытание показало, что высота ботвы моркови ≤ 22 см была более восприимчива к повреждению.

1.    Zeng, G.J.; Chen, J.N.; Xia, X.D. Design and Experiment on Pull Type of Tassel Fruit Separation for Carrot. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2018, 49, 73–79. (In Chinese) [Google Scholar]

2.    Gong, Y.; Tong, L.; Qin, J. Design and experiment on carrot micro-comminution cutters. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng. 2012, 28, 64–69. (In Chinese) [Google Scholar]

3.    Jin, W.; Xiang, L.; Peng, G.; Ming, N.; Qi, W.; Wen, Z. Design and Experiment of High Efficiency Drag Reducing Shovel for Carrot Combine Harvester. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2020, 51, 93–103. (In Chinese) [Google Scholar]

4.    Li, K.F. Research on the Key Techniques of Self-Propelled Carrots Combine Harvester. Master’s Thesis, Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing, China, 2015. [Google Scholar]

5.    Fu, W.; Chen, H.; Kan, Z. Optimizing parameters on vibration breakshovel of radish harvester. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng. 2011, 27, 46–50. (In Chinese) [Google Scholar]

6.    Cheng, H.; Yu, H.; Wei, L. Influencing factors and reduction strategies of subsoiling tillage resistance. J. Northwest A F Univ. 2016, 44, 202–208. [Google Scholar]

7.    Wei, H.; Liu, D.; Fu, M.; Zhou, D.; Wu, B. Design and DEM Analysis of Bionic Drag-reducing Slant Column Subsoilers. Agric. Eng. 2022, 12, 84–88. (In Chinese) [Google Scholar]

8.    Yao, S. Research on the Design of Combined Harvesting Technology and Device of Pulling White Radish. Master’s Thesis, Jiangsu University, Zhenjiang, China, 2022. [Google Scholar]

9.    Guan, R. Design and Experiment of Bionic Single Disc to Top Cutting Device for Carrot Combine Harvester. Master’s Thesis, Northeast Agricultural University, Harbin, China, 2020. [Google Scholar]

10. Qiu, Z.; Zhang, H.; Zhang, F.; Mao, P.; Ma, Y. Simulation analysis of Corrugated bionic deep slooping Shovel based on Finite element Method. Jiangsu Agric. Sci. 2018, 46, 201–203. [Google Scholar]

11. Xu, Z.H. Study on Impact Damage Mechanism of Carrot Root-stem Pulling Separation and Development of Separation Device. Master’s Thesis, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou, China, 2021. [Google Scholar]

12. Zhao, Z.H.; Wang, J.S.; Yang, L.L.; Shao, Z.T. Optimal Design of Carrot Digging Shovel Based on Discrete Element Method. J. Agric. Mech. Res. 2024, 46, 139–145. (In Chinese) [Google Scholar]

13. Liu, Q. Design and Research on Key Components of Excavating Radish Combine Harvester. Master’s Thesis, Shandong Agricultural University, Tai’an, China, 2019. [Google Scholar]

14. Shao, S.T.; Wang, J.S.; Zhao, Z.H.; Zang, D.C.; Liu, Y. Analysis of Motiom and Mechanical Properties of Digging Parts of Carrot Combine Harvester. J. Agric. Mech. Res. 2024, 46, 49–54+59. (In Chinese) [Google Scholar]

15. Yao, S.; Xue, Z.; Miao, L.; Tan, J.; Huang, Y.C.; Zhao, Z. Design and experiment of pulling white radish combine harvester. J. Chin. Agric. Mech. 2023, 44, 27–33. (In Chinese) [Google Scholar]

16. Li, X. Structural Design and Experimental Study of High Efficiency Drag Reducing Shovel for Carrot Combine Harvester. Master’s Thesis, Northeast Agricultural University, Harbin, China, 2020. [Google Scholar]

17. Gowripathi, N.N.V.R.; Chaudhary, H.; Sharma, A.K. Kinematic analysis of bionic vibratory tillage subsoiler. In Advances in Engineering Design; Springer: Singapore, 2018; pp. 187–195. [Google Scholar]

18. Li, B.; Chen, Y.; Chen, J.S.; Research, T. Modeling of soil–claw interaction using the discrete element method (DEM). Soil Tillage Res. 2016, 158, 177–185. [Google Scholar] [CrossRef]

19. Zhang, Z.; Gan, S.; Zuo, G.; Tong, J. Bionic Design and Performance Experiment of Sandfish Head Inspired Subsoiler Tine. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2021, 52, 33–42. (In Chinese) [Google Scholar]

20. Zhao, Z.Q.; Liu, D.W.; Xiao, X.; Xie, F.P.; Zheng, P.; Li, X. Study and experiment on the key factors affecting the extraction force of white radish. J. Hunan Agric. Univ. Nat. Sci. 2024, 50, 95–102. (In Chinese) [Google Scholar]

21. Zhang, J.; Tong, J.; Ma, Y. Design and Experiment of Biomimetic Drag Reduction Deep Loose Shovel. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2014, 45, 141–145. (In Chinese) [Google Scholar]

22. Chen, H.; Ren, K.; Yu, J. Experimental study on Physical and Mechanical Properties of Carrot. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng. 2010, 26, 163–169. (In Chinese) [Google Scholar]

23. Liu, Z.; Wang, J.; Dai, Q.; Zhang, J.; Zhao, G. Experimental study on geometric parameters and mechanical properties of carrotbased on digging and plucking. J. Agric. Mech. Res. 2021, 43, 176–179+185. (In Chinese) [Google Scholar]

24. Liu, J. Research on Parameter Optimization of Subsoiling Shovel and Comprehensive Effect of Loosening Soil Based on Discrete Element Method; China Agricultural University: Guangzhou, China, 2018. [Google Scholar]

25. Xia, L. Parameter Optimization and Experimental Research on Subsoiling Shovel Wing Based on Discrete Element Method; Northwest A & F University: Xianyang, China, 2018. [Google Scholar]

Wang B, Hu Z, Wu F, Gu F. Analysis and Evaluation of Harvest Quality Effectiveness of Carrot Clamping and Conveying Device. Agriculture. 2025; 15(3):275. https://doi.org/10.3390/agriculture15030275

Перевод статьи «Analysis and Evaluation of Harvest Quality Effectiveness of Carrot Clamping and Conveying Device» авторов Wang B, Hu Z, Wu F, Gu F., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык