Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Уровень механизации и задачи совершенствования системы улавливания смородиноуборочного комбайна 8
1.1. Типы и конструкции систем комбайна 8
1.2. Требования к агрофону , 1
1.2.1. Характеристика участков 15
1.2.2. Характеристика растений 17
1.3. Обзор известных улавливающих устройств 19
1.4. Сравнительная оценка ягодоуборочных комбайнов и перспективы развития систем улавливания 30
ГЛАВА 2. Размерные характеристики и физико-механические свойства насаждений смородины 39
2.1. Анализ сведений об изученных свойствах смородины. 39
2.2. Определение упругих свойств растений в основании.. 40
2.3. Определение пространственного положения ветвей в горизонтальной плоскости ряда 43
ГЛАВА 3. Теоретический анализ процесса взаимодействия улавливателя с основанием кустов 49
3.1. Обоснование направления теоретических исследований 49
3.2. Создание новой кромки на улавливающих дисках 50
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования процесса взаимодействия улавливающей системы с растением 60
4.1. Обоснование последовательности экспериментальных исследований 60
4.2. Методика исследований 61
4.3. Анализ уравнения регрессии бб
4.4. Сравнительная оценка улавливающих устройств щеточного и дискового типа . 70
4.5. Анализ уравнений регрессии для двух типов улавливания 77
4.6 Определение воздействия диска улавливателя на ветвь растения 83
4.7 Производственные испытания улавливающих систем 87
4.7.1. Система улавливания, модернизированная пружинами растяжения 88
4.7.2. Система улавливания с разрезными дисками 90
ГЛАВА 5. Экономический анализ процессов улавливания ягод 96
Выводы 99
Библиография 101
Приложения 112
- Обзор известных улавливающих устройств
- Определение пространственного положения ветвей в горизонтальной плоскости ряда
- Создание новой кромки на улавливающих дисках
- Сравнительная оценка улавливающих устройств щеточного и дискового типа
Введение к работе
Для обеспечения населения и перерабатывающих отраслей пищевой и фармацевтической промышленности в плодах и ягодах, обладающих ценными пищевыми и лечебно-профилактическими свойствами, необходима система промышленного возделывания этих культур. Определяющим звеном в технологическом процессе производства ягод является механизированная уборка урожая, так как при ручной уборке около 80% общих трудовых затрат по возделыванию плодоносящих ягодников приходится на сбор ягод [1].
Создание и внедрение в производство высокопроизводительных машин для уборки смородины и других культур позволило значительно увеличить производительность, существенно сократить затраты труда и повысить рентабельность производства ягод в целом [2J, фактически вывело технологию выращивания смородины на уровень промышленного производства.
На сегодняшнем этапе разработки ягодоуборочной техники на первый план вышла задача уменьшения негативного воздействия рабочих органов машин на растения и снижения потерь ягод при уборке. Отдельные элементы уборочных машин, контактирующие с ветвями растения, могут вызывать повреждения ветвей, обдиры коры, смятие отделенных ягод и т.д. [3]. В настоящее время производители ягодной продукции несут огромные убытки, связанные, в первую очередь, с потерями при улавливании. До 40-60% ягод теряются во время уборки. Это связано как с состоянием агрофона, так и с несовершенством уборочной техники. В реальности насаждения ягод не соответствуют установленным требованиям: разросшиеся основания достигают 70-80 см (вместо положенных 35 см), междурядья, как правило, не задерняются должным образом -сорная растительность, порой, перерастает культурные насаждения.
5 Поэтому дальнейшее совершенствование уборочных машин с
целью повышения качества их работы всегда будет актуальным в
соответствии с принципами адаптивного ягодоводства - минимально
необходимое и достаточно допустимое воздействие рабочих органов
на растения, позволяющее стабилизировать полноту улавливания в
соответствии с нормами агротребований и не снижающее их
продуктивность в последующий период.
По результатам анализа существующих конструкций улавливающих систем, выявившего их основные технологические недостатки (нанесение повреждений элементам растений и нестабильность достижения установленной агротребованиями полноты улавливания), сделан вывод о необходимости адаптирования улавливателей к изменениям агрофона насаждений. В связи с этим, разработка конструкции улавливателя, позволяющего повысить эффективность и стабильность улавливания ягод, является актуальной задачей.
С другой стороны на современном уровне развития
компьютерной техники существуют высокоэффективные
программные комплексы для динамического и кинематического анализа механических систем. Использование подобных комплексов при создании и всестороннем анализе виртуальных компьютерных моделей разрабатываемого изделия на ранних стадиях проектирования, проверочного расчета и анализа работы уже спроектированных изделий позволяет заменить проведение натурального моделирования и испытания созданных образцов компьютерным моделированием, значительно сокращая при этом затраты времени и материальных средств. Поэтому применение подобных программных комплексов при решении проблем механизации и совершенствовании технологических процессов уборки ягод также является актуальной задачей.
На современном уровне развития компьютерной техники существуют высокоэффективные программные комплексы для кинематического анализа механических систем. Использование подобных комплексов при создании и всестороннем анализе щ виртуальных компьютерных моделей разрабатываемого изделия на ранних стадиях проектирования, проверочного расчета и анализа работы уже спроектированных изделий позволяет заменить проведение натурального моделирования и испытания созданных образцов компьютерным моделированием, избегая при этом значительных затрат времени и материальных средств. Поэтому применение подобных программных комплексов при решении проблем механизации и совершенствовании технологических процессов уборки ягод также является актуальной задачей.
Научная новизна работы состоит в изучении физико-механических свойств растений черной смородины и определении их новых параметров в зоне работы улавливателя (структура оснований кустов, просветы между ветвями на высоте 300 мм от уровня почвы). Предложена новая концепция взаимодействия кромки улавливающего диска с ветвями смородины.
Практическую значимость работы составляют разработанные по предложенной концепции элементы конструкции улавливающих дисков использованных в системе улавливания комбайна КПЯ-1. Новая кромка дисков дает возможность проникнуть сквозь внешний контур кустов и уменьшить неперекрытую площадь в основании.
На защиту выносятся следующие положения:
результаты исследований технологических параметров насаждений кустов смородины на высоте 300 мм от уровня почвы в зоне работы улавливателя;
обоснование профиля кромки разрезного диска;
"обоснование формы кривой разреза;
7 "результаты экспериментальных исследований процесса
взаимодействия диска с растением;
конструкционные изменения дисковых улавливателей.
Работа выполнена в отделе механизации Всероссийского
селекционно-технологического института садоводства и
питомниководства в соответствии с планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ВСТИСП по проблеме "Разработать и освоить зональные ресурсосберегающие системы производства, уборки, хранения, переработки и доведения до потребителя экологически безвредной продукции садоводства с высокими пищевыми и вкусовыми качествами и свойствами", зарегистрированной в реестре № 01.9.80 009174.
Результаты исследований докладывались на Ученом совете ВСТИСП (2000-2003 годы), на заседаниях секции и отделения механизации (2000-2003 годы), на 1-ой международной научно-практической конференции "Земледельческая механика в растениеводстве" (Москва, ВИМ, 2001 год), на 2-ой международной научно практической конференции "Научно-технический прогресс в садоводстве" (Москва, 2003 год).
Результаты исследований приняты во ВСТИСП для использования при совершенствовании комбайна КПЯ-1 и к внедрению СХПК "Племзавод Майский".
Обзор известных улавливающих устройств
В 1985 году для повышения полноты улавливания ягод в комбайне МПЯ-1 в Украинском НИИ садоводства разработан специальный делитель-отражатель (авторское свидетельство №3644094). Он имеет форму округлой трубы с конусными обтекателями на концах, устанавливается горизонтально на кронштейнах в промежутке между пальчатым барабаном (активатором) и транспортерами-улавливателями (рис. 1.7).
Потери ягод на машине со стандартным улавливателем в ряде случаев достигали 25-30%, главным образом из-за деформации желобов продольного транспортера. Наибольшая деформация эластичных желобов создается в центральной зоне ряда, где ветви куста размещены наиболее густо. Эта зона перекрывается трубой делителя-отражателя. Центральные ветви куста при этом наклоняются в стороны за счет воздействия делителя. Крона уплотняется, и крайние ветви наклоняются на угол р2. Следует отметить, что при этом отклоняется и ягодосодержащая часть кроны. Ширина ее меняется с b на d, что положительно сказывается на полноте улавливания. Падающие ягоды ударяются о поверхность трубы, отскакивают от нее и попадают на нижнюю часть желобов или транспортеры. Таким образом через щели между деформированными желобами проваливается значительно меньше ягод. Подтверждается это увеличением в лабораторных условиях полноты улавливания с 79% до 84,6%. Дальнейшее изучение показателей качества работы комбайна с описанным приспособлением осуществлялось в лабораторно-полевых условиях в 1983-1984 гг, в ОПХ "Новоселки" УкрНИИ садоводства. Экспериментальным путем было определено, что применение делителей-отражателей, изготовленных из труб различного диаметра и установленных на различной высоте от уровня почвы в зависимости от типа насаждений, позволяет увеличить полноту улавливания с 84,2% до 91,7% в полновозрастных насаждениях с раскидистой кроной и с 76% до 85% в насаждениях с более компактным кустом [35-37]. Однако такое устройство имеет большое количество недостатков. Труба делителя, уплотняя крону, ухудшает воздействие активатора и снижает полноту съема. Существует достаточное количество улавливающих устройств, защищенных в авторскими свидетельствами. Диски одного из улавливающих приспособлений выполнены из набора прилегающих друг к другу радиально расположенных пальцев с заостренными свободными концами. Во время движения машины эластичные пальцы дисков благодаря заостренным концам входят в основание куста, отклоняясь при встрече с ветвями, а затем занимают первоначальное положение. Диски вращаются только при встрече с ветвями. Падающие ягоды попадают на вращающиеся диски и скатываются на транспортеры. Далее ягоды вместе с ворохом листьев проходят через систему воздушного обдува, где они очищаются от посторонних примесей. После этого очищенные ягоды по транспортерам поступают в ящики для конечного затаривания [38]. Недостатком такого варианта системы улавливания является появление слишком больших просветов между эластичными пальцами в момент отклонения последних. Большие просветы открывают области свободного просыпания ягод через которые происходит наибольшая доля потерь. В другом устройстве для улавливания плодов и ягод, с целью исключения потерь при сборе урожая, улавливающая поверхность образована цилиндрическими щетками, закрепленными на бесконечном тяговом органе. При перемещении устройства ветви кустов попадают в раствор между щетками, образующийся в местах закруглений тяговых органов. При дальнейшем перемещении устройства ветви плотно охватываются щетиной со всех сторон без образования щелей [39].
В запатентованном улавливателе ягод бесконечный приводной элемент с ковшами в зоне ввода и вывода расположен под углом и направлению движения, а ковши имеют шторки и механизм их выдвижения в момент перемещения по направляющей дорожке, рассмотренной в рабочей зоне. Механизм выдвижения шторок имеет ролики, связанные между собой тягами, закрепленными на ковше, а свободные концы шторок связаны с ковшом пружинами [40].
Определение пространственного положения ветвей в горизонтальной плоскости ряда
Определение пространственного положения ветвей заключается в изучении структурного строения плантации таким образом, чтобы полученные данные можно было подвергать дальнейшей обработке.
Исследования геометрических параметров кустов смородины в зоне их оснований проводились в СПК "Одоевский" Тульской области. Замеры проводились на сортах "Зеленая дымка" и "Черный жемчуг".
Цель исследований-определение геометрии расположения ветвей в основании кустов в зоне работы улавливателя и просветов между ними в реальных условиях на плантациях с неподготовленным агрофоном.
Проводились замеры 10 кустов каждого сорта последовательно по ряду, на высоте 300 мм от поверхности почвы. Применяемыми инструментами были координатная линейка и кронциркуль. Координатная линейка представляет собой специально разработанную конструкцию, состоящую из П-образной рамки, на перекладине которой закреплена подвижная каретка. Перекладина представляет собой линейку, имитирующую одну из осей. В подвижную каретку вставляется другая линейка под углом 90 к первой, имеющая способность свободно передвигаться. Таким образом получается система координат с подвижной осью.
В процессе измерений фиксировались следующие параметры:
координаты ветвей (х,у);
диаметр ветвей (de);
количество ветвей на куст(]Чв).
Измерения происходили следующим образом (рис 2.3). Первоначально, параллельно оси ряда на высоте 300 мм устанавливалась линейка, соответствующая оси X. Вторая линейка, соответствующая оси Y, может свободно перемещаться относительно первой. После установки линеек производились измерения координат: передвижная каретка устанавливалась напротив замеряемой ветви, и Y-линейка выдвигалась до тех пор, пока ее торцевая часть не входила в контакт с ветвью. Затем фиксировались обе координаты, и замерялся диаметр. Таким образом отмечалось положение каждой ветви основания.
Х-линейка имеет максимально допустимый предел измерений 110 см. После использования всей ее длины, она перемещалась так, чтобы последующие фиксируемые координаты суммировались с конечной предыдущей. Таким образом, получалась непрерывная цепочка координат х.
Обработка материалов исследования проводилась на компьютере при помощи программы "Компас-График версия 5.5" [99] и позволила получить данные для горизонтального сечения куста на высоте 300 мм, представленные в таблице 2.1.
Полученные данные позволяют смоделировать на компьютере ряд насаждения смородины в зоне основания для проведения дальнейших исследований (рис. 2.4).
При дальнейшей обработке данных была рассчитана часть площади основания куста, которую можно перекрыть, используя ламельиую систему улавливания, в которой каждый лоток имеет индивидуальную для соответствующего просвета между ветвями ширину (рис.2.5 а).
Создание новой кромки на улавливающих дисках
Настоящие теоретические исследования были направлены на поиск новой формы дисков, способных проникнуть хотя бы за внешний контур куста. Главной целью исследований было создание принципиально новой кромки улавливающих элементов, отвечающей поставленным требованиям. Охватывание ветви поверхностью диска позволяют осуществить разрезы на его плоскости, выполненные таким образом, чтобы ветвь имела возможность беспрепятственного ввода и вывода из контура диска. Таким образом, контур диска и контур основания куста будут перекрещиваться друг с другом, тем самым, уменьшая площадь неперекрываемого пространства (рис. 3.2). Целью моделирования являлось построение такой модели, которая предоставляла бы объективную информацию, во-первых, об адекватном состоянии моделируемого объекта или процесса, которое проверяется на основе статистических критериев проверки адекватности, во-вторых, о тенденциях и закономерностях развития объекта или процесса, которые можно использовать для прогнозирования и планирования урожаев. Моделирование профиля диска в улавливающем устройстве ягодоуборочного комбайна выполнялось на компьютере. Натуральное моделирование и испытание созданных образцов требует значительных затрат времени и материальных средств, в то время как в мире на сегодняшний день существуют высокоэффективные программные комплексы для динамического и кинематического анализа механических систем. Использование современного математического обеспечения в виде расчетных модулей и алгоритмов позволяет промоделировать процесс взаимодействия рабочего органа уборочной машины с растением, оптимизировать конструктивные параметры и режимы работы уборочных модулей для конкретных условий (раскидистость, ориентация ветвей в пространстве) с учетом рекомендаций и данных ранее проведенных в этой области исследований [106].
Наибольшую сложность представляло выявление формы кривизны разреза, поскольку диск улавливающего устройства совершает неравномерное сложное движение. Решение задачи проведено при помощи компьютерной программы "КОМПАС 3D 5.11" [101-104].
Прежде всего, необходимо было выяснить, по какой траекторий движется проекция ветви куста относительно поверхности диска. Диск улавливающего устройства приводится во вращение от контакта с ветвями растения, то есть, таким образом, ои совершает поступательно-вращательное движение. Так как настоящее исследование осуществляется на заведомо широких основаниях кустов, то диски отклоняются ветвями на значительные расстояния, что приводит к значительным силам трения, возникающими между ними. Следовательно, в дальнейшем проскальзывание дисков не учитывалось. Проекция ветви, охватываемой диском, остается неподвижной относительно земли. Если проследить последовательно в каждый момент времени движения диска за взаимным расположением последнего и ветви растения, то мы сможем получить некоторую кривую на поверхности диска, каждая точка которой является точкой контакта ветви и диска. Разрез, выполненный по этой кривой, теоретически позволит ветви растения без отклонения ее проникать во внутренний контур эластичного диска, тем самым, сужая неперекрытуго улавливающей поверхностью зону. Эта задача была решена графическим методом при помощи российской программы "КОМПАС". Рис. 3.3. Схема определения формы кривой разреза, на рисунке: a fi углы попеременного поворота диска а, Ьу с - вспомогательные базовые npsmtbie А, В, С - точки искомой кривой Для построения необходимо вычертить две окружности, имитирующие улавливающий диск: на одной впоследствии получится требуемая кривая, на другой будут вспомогательные построения (рис. 3.3). Решать поставленную задачу будет проще, если принять, что диск совершает только вращательное движение, а ветвь, в свою очередь, движется ему навстречу. Было проведено несколько предварительных опытов, в которых была определена оптимальная глубина захода ветви в плоскость диска. Эта величина составляет 100 мм и обусловлена тем, что дальнейшее увеличение прорези приводит к нарушению прочностных свойств диска, диаметр которого составляет 360 мм.
Точка касания ветви и диска - точка А. Это и есть точка захода ветви в диск. Прямая о является вспомогательной и соединяет точку захода ветви А и центр диска. Это основная линия для будущего построения.
Вследствие движения комбайна диск повернулся на некоторый угол а и прямая а соответственно повернулась на тот же угол. Прямая Ъ -новое положение прямой а. Согласно начальным условиям ветвь движется поступательно, поэтому и ее проекция движется горизонтально вдоль прямой Z относительно контура диска. При повороте на угол а точка на окружности диска проходит расстояние A-Nb. Теперь откладываем такое же расстояние на прямой 1=43,9 мм Полученная таким образом точка В является второй искомой точкой на кривой разреза. Ее расположение относительно прямой а можно определить при помощи двух взаимно перпендикулярных отрезков Nb-Mb и В-МЬ. Далее находим месторасположение точки В на второй окружности относительно прямой а.
Сравнительная оценка улавливающих устройств щеточного и дискового типа
Следующим этапом было определение эффективности предлагаемой конструкции по сравнению с классической моделью -дисковым улавливателем. Для выполнения соответствующего анализа потребовалось провести дополнительно два синхронных факторных эксперимента, позволяющих сравнение характеристик двух различных улавливающих систем в одинаковых условиях.
Из предыдущих опытов известно, что зависимость потерь ягод, являющаяся выходным параметров модели, от указанных факторов носит линейный характер, поэтому для расчетов был принят план ПФЭ 23.
Была построена полиномиальная математическая модель процесса работы улавливателя комбайна. В результате выбора, оценки и ранжирования факторов, влияющих на работу улавливателя, сделан вывод, что в качестве варьируемых факторов, создающих одинаковые условия работы обоих систем, целесообразно принять урожайность куста, скорость движения комбайна, а также степень перекрытия зоны основания.
Опыты проводили в лабораторных условиях на специальном стационарном стенде, состоящем из рамы с подвижной тележкой, на которой была закреплена модель куста (рис 4.4). С одной стороны испытательного стенда устанавливалась модернизированная секция дискового улавливателя, демонтированная с комбайна промышленного образца. Спиральные пружины рычагов были заменены комплектом, состоящим из двух пружин растяжения, вследствие чего улучшились характеристики подокатия зоны основания куста. С противоположной стороны лабораторного стенда была закреплена модель щеточного улавливателя, использованная в предыдущем опыте.
Ветви для опытов подбирали длиной 100 - 130 см и срезали с куста так, чтобы разброс их диаметров в основании соответствовал реальным значениям, полученным при лабораторных замерах. Перед установкой ветвей в зажимы плиты ягоды полностью собирали вручную, а ветви группировали так, чтобы они образовывали полноценный куст.
В ходе эксперимента ягоды высыпали сверху сквозь ветви равномерно в зону работы обоих улавливателей, при этом тележку с моделью куста протягивали вдоль стенда с постоянной скоростью. Равномерность распределения ягод обеспечивалась специальным устройством, представляющим собой короб с решетчатым дном и снабженный откидывающимися шторками. Решетчатое дно позволяло обеспечить равномерное распределение ягод по сечению короба, а шторки - одновременность высыпания ягод. Переменную величину степени перекрытия зоны основания моделировали путем изменения расстояния между геометрическим центром куста и крайней линией, ограничивающей поверхность улавливания. Полноту улавливания определяли взвешиванием ягод, попавших на улавливатели и прилегающую поверхность. Потери и собранные ягоды рассчитывали в процентах по отношению к высыпанным. Условия планирования эксперимента приведены в таблице 4.6. Результаты экспериментов и расчетные параметры для определения коэффициентов уравнения регрессии для двух опытов (с дисковым и щеточным улавливателем) представлены в таблице 4.7. Расчет последующих величин, необходимых для вывода уравнения регрессии проводился по формулам, приведенным в таблице 4.4.
Дисперсия воспроизводимости выходного параметра в нулевых точках составляет:
S(yuj2=0,56 -для дискового улавливателя S{yu}2=0,925 -для щеточного улавливателя Среднеквадратичное отклонение выходного параметра в нулевых точках составляет:
Syo=0,75 -для дискового улавливателя Syo=,96 -для щеточного улавливателя
