Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 7
1.1. Виды обрезки ягодных кустарников
1.2. Применяемые машины для механизированной обрезки
1.3. Пневматический и гидравлический привод для обрезки 14
1.4. Анализ параметров ягодных кустарников (смородина, крыжовник, малина) для механизированных процессов обрезки 15
1.5. Резание стеблей ягодных кустарников ...18
1.6. Физико-механические свойства древесины ветвей ягодных кустарников 22
1.7. Уход за кустарниками 26
1.8. Сравнительный анализ навесного оборудования для подрезки ягодных кустарников 27
Выводы 33
2. Теоретические исследования и обоснование рабочих органов для обрезки ягодных кустарников 34
2.1. Исследование усилий резания 34
2.2. Разработка серпообразных ножей 38
2.3. Расчет серпообразных ножей 46.
2.4. Расчет на прочность серпообразных ножей 47
2.5. Эксперимещально-аналитические исследования работы серпообразных ножей 51
2.6. Анализ высокочастотного электропривода для серпообразных ножей 56
Выводы 59
3. Математическое моделирование динамических параметров рабочего органа машины для трехсторонней обрезки ягодных кустарников 60
3.1. Исследования силовых и энергетических характеристик процесса резания ягодных кустарников серпообразными ножами в стречно-вращательным движением 60
3.2. Исследования динамических характеристик машины для трехсторонней обрезки ягодных кустарников 63
Выводы 81
4. Построение математической модели чистоты среза ягодных кустарнков 82
4.1. Чистота среза ягодных кустарников 82
4.2. Общие положения планирования эксперимента 84
4.3. Экспериментальное определение чистоты среза ягодных кустарников 85
4.3.1. Объект моделирования 85
4.3.2. Задача моделирования 86
4.3.3.Решение модели 87
.Выводы 95
5. Разработка и производственные испытания опытного образца рабочего органа машины для трехсторонней обработки ягодных кустарников .96
5.1. Подготовка к проведению производственных испытаний серпообразных ножей со встречным движением 96
5.2. Лабораторные испытания резания ягодных кустарников серпооб разными ножами со встречно- вращательным движением 96
5.3 Производственные испытания ножей , 98
5.4. Принципиальная схема и аксонометрическое изображение машины для трехсторонней обрезки ягодных кустарников 106
5.5. Работа машины на террасированных склонах 110
Выводы 115
6. Экономическая эффективность машины для контурной обрезки ягодных кустарников 116
Выводы 123
Общие выводы 124
Рекомендации производству 125
Список использованной литературы 126
Приложение 136
- Анализ параметров ягодных кустарников (смородина, крыжовник, малина) для механизированных процессов обрезки
- Эксперимещально-аналитические исследования работы серпообразных ножей
- Исследования силовых и энергетических характеристик процесса резания ягодных кустарников серпообразными ножами в стречно-вращательным движением
- Чистота среза ягодных кустарников
Введение к работе
В настоящее время основными направлениями перспективного развития ягодных насаждений является интенсификация производства на основе механизации трудоемких процессов, химизации, внедрения новых высокоэффективных технологий и высокопродуктивных сортов в производство с одновременным улучшением экологических показателей. Наиболее трудоемкими вопросами в развитии горного и предгорного садоводства остаются проблемы механизации технологических операций возделывания культур. Механизация имеет решающее влияние на экономическую выгодность отрасли в целом, поскольку, завершая технологии обработки, позволяет как развивать достижения, так и сгладить, компенсировать недоработки селекции, размножения, обоснованности выбора агроприемов. Таким образом, реализуется объединяющий принцип агротехники: механизация во исполнение агроприемов, обеспечивающих максимальное использование биологически присущих и научно-прогрессивных, экономически выгодных параметров ягодных растений используемых на равнине, в предгорье и горной местности.
Практика реального возделывания ягодников и питомников даже по рекомендуемым, наиболее механизированным, интенсивным технологическим картам показывает, что до настоящего времени большое число технологических операций выполняется либо вручную, либо с использованием средств малой механизации. Одной из наиболее трудоемких операций в технологии возделывания смородины, малины, крыжовника является их обрезка и формовка, а также подготовка для машинной сборки урожая.
В таком случае целенаправленный анализ, обобщение имеющихся на
работок, научно-обоснованных новых технологических и технических реше
ний, снижающих затраты труда, повышающих культуру обработки кустарни
ковых, является актуальной. Практическое использование результатов в
виде внедрения более совершенных средств механизации, реализующие под-
ные технологические циклы при минимуме затрат, имеет важное народнохозяйственное значение {59,65.66,82,353.
В действующих технологиях; совершенствуются отдельные приемы или группы элементов без дринтщпиадьных их изменений. Как дравидо, рни да^ правлены, щ дриск рещенщ лучшего иецрдьзрвдіця природного дртенниадді этих растений, почвы и других ресурсов, а также организагБлонно-ігравовьгх форм ведения производства. Конечно, при этом совершенно невозможно за-бывать о том, что в технологический процесс работы по уходу за кустарниками входит и уход за ними, в частности - обрезка.
Раздумывая над техническим потенциалом в питомниководстве, а также ягодных плантаций с позиции адаптивности, можно говорить о трех этапах. Наибольший успех сейчас достигнут в техническом обеспечении технологий возделывания и .уборки урожая смородины, косточковых и семечковых. Следующим этапом, может быть повышение уровня механизации возделывания как основных, так и редких, вновь введенных в і^оизводство культур. Третьим шагом должны быть разработки, связанные с механизацией возделывания культур.
Одним из объединяющих, связующих звеньев этих этапов становятся универсальные технологии. Таким ключевым фактором для ягодных кустарников может стать агроприем одновременной 3-х сторонней обрезки кустарников ( в горизонтальной и вертикальной плоскостях ), способный повлиять на экономическую эффективность их обработки, особенно при дефиците средств механизации, и тем более на террасированных, склонах, в услрлидх.
горного и предгорного садрводства{37]-
Целью работы является обоснование параметров, разработка опытного образца рабочего органа серпообразных ножей со встречно-вращательным движением, имитирующих работу ручного секатора для обрезки ягодных и других кустарников, значительно повышающих производительность обрезки, по сравнению с существующими машинными и ручными методами.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Выполнить анализ способов резания и обосновать выбор режущего инструмента;
Установить физико-механические параметры резания при обрезке ветвей кустарников и разработать конструкцию серпообразных ножей со встречно-вращательным движением;
Разработать зубчатый механизм привода серпообразных ножей со встречно-вращательным движением;
Выполнить математическое моделирование динамических параметров рабочего органа машины для трехсторонней обрезки ягодных кустарников;
5. Построение математической модели чистоты среза ягодных кустарников;
6. Разработать опытный образец рабочего органа с с^пообразными, со встречно-вращательным движением, ножами и провести его производственные испытания.
Анализ параметров ягодных кустарников (смородина, крыжовник, малина) для механизированных процессов обрезки
Машина ОКС-0,9 предназначена для обрезки черной смородины и других ягодных кустарников срезанием кустов на уровне почвы; Ее навешивают сзади на трактор тягового класса 1,4. Машина снабжена ротационным режущим аштаратовд с четырмя шарнирно закрепленными ножами. При вращении дисков с частотой 1220 мин"1 ножи располагаются по радиусу и срезают кусты на уровне 2... 3 см от почвы.
Аппарат АПП-2,5 предназначен для сплошной осенней подрезки однолетнего прироста виноградной лозы одновременно на двух вертикальных шпалерах в виноградниках с междурядьями 2...2,5 метра. Его навешивают спереди на трактор Т-54В. Аппарат снабжен двумя режущими рабочими органами, смонтированными на выдвижных штангах. Рабочий орган состоит из копирующего пальцевого колеса диаметром 0,7м и диска с шарнирно-закрепленньши ножами. Диски вращаются в горизонтальной плоскости с частотой вращения 2200 мин"1. Ножи срезают лозу, попадающую в промежутки между пальцами.
Для обрезки кустарника применяют также и ручные переносные агрегаты, Агрегат "Секор" содержит в качестве источника энергии велосипедный двигатель Д-5 мощностью 0,8 кВт. Вращение от вала двигателя к пильному диску передается через центробежную, фрикционную муфту, жесткий и гибкий валы расположены в трубе, служащей корпусом агрегата. К ней крепятся кожух диска, корпус муфты и ДВС. На рукоятку, охватывающую трубу, выведен рычаг управление оборотов ДВС.
Бензомоторная сучкорезка БС-1, как и агрегат "Секор предназначена для срезания стеблей кустарников, сучьев и деревьев диаметром до 0,15 м. Режущий аппарат с пильной цепью приводится в движение от ДВС, мощностью 2кВт. Трансмиссия включает те же элементы, что и в агрегате «Секор», кроме гибкого вала, который заменен конической зубчатой парой. Оператор удерживает агрегат двумя руками за переднюю и заднюю рукоятки. Скорость резания в обоих агрегатах около 12 м/с. Масса каждого 8 кг[ 19 ]. Для обрезки ветвей диаметром до 25 мм используются пневматические инструменты, так как они значительно уменьшают трудозатраты на обрезку[104-116].
Так, известная фирма «Corapagnova» (Франция) разработала для обрезки плодовых деревьев секаторы, цепную сучкорезку, сегментную пневмопи-лу, пневматическую сучкорезку, снабженную циркулярной пилой [НО, 112]. Фирма «Nobile» выпускает серию ручных моторизированных и навесных компрессорных установок, к которым по требованию покупателей прилагается режущий инструмент различного типа и назначения [114].
В плодоводстве Германии используется ручной пневмосекатор SPN - 2, предназначенный для обрезки ягодников и плодовых кустарников. Рабочий цилиндр жестко соединен с нижним противорежущим ножом, а подвижный нижний нож присоединен к поршневому ходу. Перед работой SPN - 2 необходимо подсоединить к разъему высокого давления в 0,8-1,0 Мра пневматической установки и проверить его на холостом ходу. Масса инструмента -715 гр. , длина присоединительного шланга- 0,45м, длина основного шланга - 25 м, диаметр срезаемых веток - до 25 мм. Испытания показали, что качество среза хорошее, сила резания и чистота удовлетворяют требованиям обрезчика. Недостатки SPN - 2: невысокая надежность эксплуатации клапана, недостаточный срок эксплуатации секатора, значительная вибрация деталей пневмосекатора, которые отражаются на обслуживающем персонале, плюс малый диаметр среза [108] Кроме SPN - 2 в Германии используется пневмосекатор Р 800 [109] и модернизированный Р 800 В, который имеет меньшую массу. Повышение се зонной производительности труда достигнуто благодаря использованию но вых аппаратов. Кроме того, вместо имевшихся ранее пневмосекаторов Р 800 подключили 10 секаторов Р 800 В, тем самым производительность уве личилась в 2 раза. То есть, с 0,15 чел/ч до 0,3 чел/ч. В Италии фирма «Тогта» выпускает пневмосекаторы, способные перерезать ветки толщиной до 4 см. , рабочая скорость - 40 срезов в минуту. Удлиненная ручка позволяет срезать ветки до высоты 4 м от земли. Дисковые пилы диаметром ОД 5... 0,2 м срезают ветки диаметром 0,05... 0 Д м. [ 123] В Институте садоводства в Пловдиве (Болгария) создали агрегат для: обрезки деревьев в сочетании с платформой ПБРН - 3; все узлы агрегата смонтированы на самоходном шасси Т-16. Основные элементы агрегата: компрессор, рама, дневмоножницы, вдадухопривод, платформа ПБРН - 3, компрессор марки ТОР - 4 поршневой двухступенчатый с воздушным охлаж дением, создаваемое давление 1 МПа.[122] Компрессор приводится в работу от карданного вала самоходного шасси Т-16 через клинор сменную передачу. На раме сварной конструкции монтируется компрессор и остальные узлы. Агрегат укомплектован пневмонож-ницами «Старкут» или В-8-66, сконструированными на центральной экспе-риментальной базе в Ботенграде. Провзводительность труда тю отношению к ручной повысилась на 34%. [123]
Эксперимещально-аналитические исследования работы серпообразных ножей
Лучшим из существующих для этих целей электродвигателей можно считать современный, применяемый для электроинструментов повышенной частоты {ЭИПЧ), которые успешно применяются в различных сферах производства ]. Достоинства их обусловлены приводными трехфазными асинхронными двигателями повышенной частоты (АДПЧ), которые по массога-баритам и себестоимости в1,5...2иЗ.„4 раза ниже, перегрузочной способ-; ности и надежности в 1,2... 1,5 и более 10 раз выше соответственно однофаз-5 ных коллекторных двигателей, приводящих в работу наиболее распространенные бытовые ручные электроинструменты, ЭИПЧ могут применяться во влажных, пыльных, с агрессивной средой помещениях и площадях, харак терных для сельского хозяйства, тогда как эксплуатация электроинструмен тов с приводными коллекторными двигателями в указанных сферах нецеле сообразна или даже невозможна. Одной из основных причин малого использования ЭИПЧ является существенный недостаток: его нельзя питать непосредственно от сети, для этого нужны устройства, преобразующие системную частоту 50 (60) Гц в повышенную - 200, 300, 400 Гц. Наиболее подходящим двигателем для привода планетарного механизма с ножами можно считать ЭИПЧ от 0,4 - 0,75 кВА, который можно выбрать из таблицы 5.1. Актуальная задача механизации обрезки деревьев и кустарников у нас и за рубежом решается в трех направлениях: с механизированными секаторами (веткорез, сучкорез), приводимыми в работу гидравлическими, пневматическими и электрическими приводами. Опустив рассмотрение их конкретных конструкций заметим, что первые два сектора, громоздки, требуют компрессоры, гидроприводы к ним и, как правило, используются в промышленном садоводстве т.е. на больших площадях. Электросекаторы же с приводными АДПЧ более универсальны и могут применяться как в промышленном, так и в индивидуальном (частном) садоводстве площадью 0,5... 1 га Неслучайно для привода серпообразных ножей выбрали электродвигатель повышенной частоты мощностью 0,6 кВА, напряжением 42 V, 200 Гц и массой да 3 кг (см. таблицу 5-ї). Его использование позволяет эффективно использовать ножи со встречным движением для обрезки кустарника. При этом, выполняется все выше указанные требования по технике безопасности (42 V), габаритам (незначительные), массе (3 кг), потребляемой мощности 0,6 кВА (вполне достаточной для привода ножей в действие и их работе, учитывая, что число оборотов с 6000, в мин. снижается через понижающий редуктор с примерным соотношением 60:1, достаточное с учетом рекомендаций). Использование асинхронных электродвигателей повышенной частоты тока для привода ножей со встречным движением резко снижает вес всей машины, что скажется на весе всего агрегата, поэтому проанализируем асинхронный электродвигатель повышенной частоты тока (АДПИ), применяемый в сельском хозяйстве [125] АДПЧ выполняются с короткозамкнугым ротором для питания бГсети трехфазного тока частотой 200 Гц. При постоянном числе пар полюсов (р) синхронная скорость вращения асинхронных электродвигателей () пропорционально частоте тока (f). С увеличением частоты тока увеличивается скорость вращения где f-частота тока; р-число пар полюсов t шт. При одной и той же мощности электродвигателя, которая пропорциональна скорости вращения ротора и электромагнитному моменту двигателя. Увеличение скорости вращения приводит к снижению электромагнитного момента. Габариты электродвигателя и его вес зависят от величины электромагнитного момента, развиваемого двигателем, следовательно, с увеличением частоты тока снижаются вес и габариты двигателя. Обратим внимание на зависимость, определяющую вес активной части короткозамкнутых электродвигателей от скорости вращения, которая выражается уравнением) где Go - удельный вес активной части электродвигателя, кг/кВт; п -скорость вращения электродвигателя,в об/мин. Особое значение имеет правильный выбор мощности электродвигателя, что имеет большое значение, так как от него зависят затраты и размеры эксгшуатационных расходов. В случае выбора двигателя недостаточной мощности, он будет не в состоянии обеспечить нормальную работу привода ножей. А при излишней мощности это может ухудшить технико экономические показатели механизма, приведет к удорожанию изготовления механизма, повысит потери энергии и снизится коэффициент мощности асинхронного двигателя. Используя мощность двигателя трактора для привода в действие генератора от ВОМ, можно составить схему привода зубчатого механизма и серпообразных ножей (рис. 2.15., 2.16.,2.19.,2.20.).
Исследования силовых и энергетических характеристик процесса резания ягодных кустарников серпообразными ножами в стречно-вращательным движением
Решение математической модели нами выполнено с использованием комплекса программ «DYNAR» (КП «DYNAR»), разработанного в Московским государственным технологическим университетом «Стан-кин».
КП DYNAR предназначен для автоматизированного расчета механических систем приводов на основе использования метода конечных элементов (МКЭ) и модального анализа, применительно к механическим системам приводов [3, 22, 47, 52, 55].
Автоматизированный расчет позволяет проводить анализ и синтез механической части привода рабочего органа машины для трехсторонней обрезки ягодных кустарников. Анализ заключается в определении статистических и динамических характеристик механической системы (рис. 3.8.), синтез - в возможности целенаправленного изменения параметров (моментов инерции, податливости элементов и демпфирования в них) с целью удовлетворения заданным критериям качества. КП DYNAR позволяет следующие виды расчетов: 1. Статистический расчет: - расчет углов закручивания элементов привода от приложенного в произвольном месте крутящего момента и приведения их к заданному валу; - расчет моментов в упругих элементах. 2. Динамический расчет. Модальные параметры механической сис темы: - собственные частоты и модальные коэффициенты демпфирования; собственные формы колебаний по углу, приведенные к заданному валу; собственные формы колебаний по упругому моменту; распределение модального демпфирования по упругим эле ф ментам. 3. Динамический расчет. Частотные характеристики: динамическая податливость (амплитудно-частотная характе ристика) по углу; динамическая податливость (амплитудно-частотная характеристика) по упругому моменту. 4. Динамический расчет. Переходные характеристики , реакция по углу на единичное ступенчатое воздействие; реакция по упругому моменту на единичное ступенчатое воз действие. Точность полученных результатов определяется точностью исходных данных и качеством расчетной схемы. Поскольку в настоящее время не всегда имеется надежная информация по контактной жесткости, демпфированию, получение абсолютно точных результатов расчетным путем представляет определенную сложность. Однако, проводя расчеты # при сравнительном анализе вариантов, мы получаем не менее ценную информацию, позволяющую нам принять обоснованное решение о выборе лучшего варианта конструкции привода. Отнесение того или иного конструктивного элемента привода к определенному типовому элементу зависит от решаемой задачи, постановки вопроса и ряда других причин. Расчет частотных и переходных характеристик проводится методами теоретического модального анализа. При этом используются соответствующие входы и выходы механической системы строки матрицы нормальных форм колебаний (модальной матрицы), а также значения модельных коэффициентов демпфирования. Последние рассчитываются на основе данных о коэффициентах рассеивания энергий колебаний в упругих элементах привода с учетом их участия в соответствующих формах колебаний. Параметры математической модели механической системы - инерция (момент инерции) его звеньев, жесткость их соединений и демпфирование. В процессе проектирования можно изменять инерцию и жесткость соединений звеньев. Это управляемые параметры. Их значения можно рассчитать с достаточной для моделирования достоверностью. Вместо коэффициентов демпфирования более предпочтительно использовать коэффициенты поглощения энергии. Момент инерции звена определяется в зависимости от его объема и удельного веса для сплавов на основе железа удельный вес: у = 7,87103. кг/м3. Подавляющее большинство деталей геометрически представляют собой тела вращения. Для вычисления момента инерции относительно оси вращения, деталь разбивают на участки постоянного диаметра, определяют их моменты инерции, а затем результаты суммируют. Моменты инерции цилиндрических участков детали рассчитывают по формулам где / и d - длина и диаметр участка вала. Если деталь имеет полости, то из момента инерции сплошного тела вычитают момент инерции тела, имеющего объем полости. При расчете момента инерции шестерни, ее можно рассматривать, как сплошное цилиндрическое тело диаметром, равным диаметру делительной окружности.
Чистота среза ягодных кустарников
Результаты моделирования динамических параметров позволяют сделать следующие выводы: 1. Напряжения при статическом действии нагрузок в соединениях звеньев конструкции рабочего органа машины для трехсторонней обрезки ягодных кустарников распределены равномерно. Наибольшее напряжение наблюдается в соединении оси - фланца с корпусом ведущей шестерни, однако оно находится в пределах, допускаемых нагружением деталей машин. Анализ форм колебаний звеньев конструкции показывает, что наибольшие амплитуды колебаний звеньев соответствуют высоким собственным частотам колебаний (693 и 4692 Гц), поэтому конструкция достаточно надежно отстроена от резонанса, возникающего от действия частотных гармоник сил резания кустарника. Модальное демпфирование, определяющее потери энергии от трения в соединениях звеньев рабочего органа машины возникает также на высоких собственных частотах, поэтому его вклад в общую потерю энергии незначителен. Конструкция рабочего органа машины для трехсторонней обрезки ягодных кустарников по статической нагруженности звеньев и потерям энергии на трение работает на оптимальных динамических режимах. 2. Амплитудно-частотные характеристики конструкции показывают возможность возникновения резонанса на трех значимых собственных частотах колебаний (218, 474 и 693 Гц). При этом ожидается наибольшая амплитуда колебаний на второй собственной частоте, равной 474 Гц. Возникновение такой частоты менее вероятно в процессе резания ягодных кустарников, поэтому конструкция защищена от резонансных колебаний ножей, щэиводящих к интенсивному затуплению, вплоть, до разрушения (при заклинивании ножей). При перерезании стеблей кустарников серпообразными ножами со ступенчатыми выступами, процесс перерезания двумя ножами со встречным движением, оказался без явно замеченных дефектов в плоскости торца стебля, с хорошим качеством за счет повторения движения режущих кромок ножей - движение режущих кромок секатора. Термин среза качества при бес стружечном перерезании древесины не имеет четкого определения [1, 9, 21, 35, 36]. В связи с этим нет единого перечня факторов, определяющих качество. Чаще всего под этим понимают трещины, значительные микронеровности, порывы в торце стебля при срезе. Представляется более логичным качество среза считать зависящим от характера нарушения микроструктуры древесины в переходной зоне и от отклонений поверхности торца от плоскости среза. К первой группе относятся трещины, расслоения, отцепы и вырывы; ко второй - косорезы, уступы, негатоскостность, ярко выраженная микронеровность. Наличие тех или иных пороков зависят от вида режущего органа, его конструктивного исполнения, способа перерезания и влияния природных факторов. Трещины являются основным подтверждением, понижающим качество сортаментов и ограничивающих применение бесстружечного резания. Природа их возникновения обусловлена характером взаимодействия древесины с режущим органом и его конфигурацией. Из теоретических исследований вытекает, что расслоение при бесстружечном резании является неизбежным пороком, обусловленным са- мим принципом резания. При проведении экспериментов резания стеблей кустарника, ножами со встречным движением, поверхность торцов среза проверяли визуально. Отмечались различные дефекты, вырывы древесины, сколы (в основном это имело место в ветвях сухостоя). Производились замеры штангенциркулем диаметров стеблей, а также выявлялись заметные глазу микронеровности в торце среза. Высоту микронеровностей можно сравнить с требованиями ГОСТ 2.300 - 73. Каждому из этих параметров соответствуют определенные численные значения. Например, поверхность, отнесенная по чистоте к I-му классу точности, будет иметь шероховатость от 1250 до 1600 мк (т.е., от 1,25 мм до 1,6 мм), а шероховатость среза торца отнесенная к 10 классу, - не свыше 16 мк (0,016 мм). Для улучшения чистоты срезаемого кустарника пользуются различными способами: 1. Увеличением скорости резания, для повышения естественного (инерционного) подпора волокон (встречное резание). 2. Благодаря подпору стебля двумя ножами, они перерезаются прежде, чем успевают отклониться. 3. Угол заточки ножей, от которого зависит чистота среза, наиболее оптимальным принимаем 30. Для использования в качестве одного из параметров решения математической модели режущих ножей со встречным движением было использована чистота среза стеблей кустарников, при которой за единицу чистоты была принята срезанная поверхность по 10-му классу точности с параметрами микронеровностей, составляющими 0,016 мм (16 мкм).
