автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Научные основы динамики рабочих процессов и обоснование параметров машин для уборки ягод облепихи в природно-климатических условиях МНР

& и 9 В-

Ленинградская ордена Яенина лесотехническая академия имени С.М.Кирова

На правах рукописи

ЧИШАМАВЫН АВДЫ

УДК 630х 283.1.002.Ь:582.866

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ДИНАМКИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШН ДНЯ УБОРКИ ЯГОД ОБЛЕПИХИ Б ПРИГОдаа-гаИМАШЕШК УСЛОВИЯХ МНР

Специальность 05.21.01. Технология и машины лесного

хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Ленинград - 1990

Работа выполнена на кафедре проектирования специальных лесных машин Ленинградской ордена Ленина лесотехнической академии имени С.М.Кирова и кафедрах технической механики и технологии общественного питания и пищевых продуктов Монгольского Политехнического института.

Научный консультант - доктор технических наук,

профессор Александров В.А.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Андреев В.Н.

- доктор технических наук, профессор Винокуров В.Н.

- доктор технических наун, профессор Утков Ю.А.

Ведущее предприятие - Ленинградский научно-исследовательский

институт лесного хозяйства (ЛенНШЛХ)

Защита диссертации состоится " 31 " октября 1990 г. в 11-00 час. на заседании специализированного совета Д 063.&0.С1 при Ленинградской ордена Ленина лесотехнической академии имени С.М.Кирова (194018 Ленинград, Институтский пер., С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан 'У/- " 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета Анисимов Г.и.

доктор технических наук, профессор

ОЕЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В целевой программе развития сельского хозяйства и улучшения продовольственного обеспечения населения, принятой июньским (1985 г.) Пленумом ЦК ШРП, поставлены задачи по увеличении объемов производства пищевых продуктов, расширению ассортимента продуктов питания путем рационального использования плодов ягод, грибов и других полезных видов растений.

В производстве лекарственных средств и ряда ценных продуктов важное место занимает облепиха, в ягодах которой содержится целый комплекс витаминов, масла и другие биологически активные вещества, эффективное воздействие которых на организм человека подтверждено практикой современной мировой и народной медицины. Особое качество ягод облепихи заключается в их проти-ворадиактивном воздействии.

В условиях МНР облепиха произрастает вдоль берегов рек северо-западной части страны в виде естественных зарослей пло-щедыо около 30 тыс.га и на культурных плантациях, урожай ягод на которых (50...80 ц/га) в 3...6 раз выше, чем з диких зарослях. В результате последовательных мероприятий, принятых Правительством ШР и при' сотрудничестве с Советским Союзом в Монголии успешно ведутся работы по расширению посевных площадей культурных высокоурожайных сортов облепихи и использования получаемого урожая ее ягод.

По перспективному плану развития народного хозяйства МНР в стране в ближайшие годы намечается организация нескольких специализированных хозяйств по облепихе, строительство новых заводов и реконструкция существующих цехов по переработке ягод. В плане также предусмотрено, что к 2000 году заготовка ягод облепихи будет доведена до 3200 тонн в год.

Для успешного выполнения этой еэжной задачи необходимо радикально решить ряд вопросов механизации заготовки урожая облепихи и ее последующей переработки, которые задерживают дальнейшее расширение культурных плантаций, т.к. в настоящее время 80$ всех трудовых затрат при возделывании облепихи приходится на

уборку урожая.

Применение приметивньк приспособлений для повышения производительности труда повреддает кусты, а после наступления мороза ухудшаются условия труда сборщиков. В связи с этим большая часть урожая естественных и культурных плантаций остается неубранной и ежегодно погибает, что приводит к постоянному недостатку сырья на предприятиях-, перерабатнвапцих ягоды облепихи.

Для создания надежной сырьевой базы промышленности за счет расширения культурных плантаций и полного сбора плодов"со всей площади, занятой облепихой, требуется внедрение механизированного способа заготовки ягод. Это одна из основных проблем, требующих неотложного решения в народном хозяйстве ЫНР.

В связи с стим разработка научных основ динамики рабочих процессов отрыва ягод облепихи с кустов различными способами, методов расчета и выбора оптимальных параметров механизированного сбора и на этой основе обоснование конструктивных параметров облепихоуборочной машины и ее рабочих органов, является крупной научной проблемой, решение которой позволяет повысить эффективность разработки, проектирования, изготовления и внедрения системы машин и механизмов для заготовки ягод облепихи с одно временный решением ряда социальных задач. Решение проблемы проектирования и изготовления облепихоуборочной машины вибрационного типа должно базироваться на комплексном подходе, включающем: внешнюю среду (агрофон), оператора,машину и предмет гида - куст облепихи.

Цепь -работы. Разработка научных основ динамики рабочих процессов отрыва ягод от ветвей куста облепиха различны«« способами, методов расчета и выбора оптимальных параметров механизированного сбора, и на этой основе обоснование конструктивных параметров облепихоуборочной «днями И ее рабочих органов.

Объекты исследования. В качестве основных объектов исследования использовались дикие заросли облепихи и ее районированные и перспективные сорта "Витаминная", "Дар Кахуш", "Золотой початок", "Масличная", "Новость Алтая", "Хэс", "Улаангом", "Чандмакь", "Щербинка" и другие; михропровидь облепихового поля; стенды, макеты; опытные образцы облепихоуборочной мяиинн и ее рабочие органы; устройства для создания и регулирования

частоты и амплитуды вибрации ветвей; для определения усилий отрыва ягод от них, а также осевой жесткости и жесткости на изгиб кустов; различные приборы для измерений; машины и механизмы по уборке различных плодов, ягод и др.культур, изготовляемые рядом стран.

Метод исследования. Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы. В основу теоретических исследований положено математическое моделирование колебательного процесса ветви с ягодами и их отрыв от ветвей; математическая модель облепихоуборсчной машины.

Экспериментальное исследование направлено на получение необходимых данных для обоснования механизированных методов, параметров машины и ее рабочих органов и апробации математических моделей и проверка полученных теоретических результатов в конкретных технических разработках. В работе широко использованы численные методы исследования и методы оптимизации параметров, а также вычислительная техника, оборудование для скоростной киносъемки и тензомегрированяя движущихся процессов.

Научная новияна состоит в комплексном подходе к язучгяха процессов разработки и обоснования технологических и конструктивных параметров машин для уборки урожая ягод облепихи применительно к природнот-климатическим условиям МНР; всестороннем анализе свойств'ягод облепихи и кустов, подвергающихся действию механических вибраторов и воздушного потока; в определении теоретических зависимостей частоты и амплитуды возмущающей силы от параметров ветвей и ягод облепихи, обеспечивающих отрыв ягод от ветвей при вибрационном способе уборки; в установлении оптимальных технологических параметров рабочего органа машины, определяющих наибольшую полноту сбора при наименьшем повреждении кустов; в определении рациональных параметров скоростей воздушного потока, обеспечивающих отделение ягод от ветвей, их транспортировки и витания в потоке; в оптимальном проектировании машины для уборки замерзших ягод облепихи (или ягод облепихи с большими рааиераки и с меньшими усилиями отрыва) путем сообщения колебаний плодоносящим ветвям; в обосновании снижения невозвратимых потерь урожая облепихи.

Новизна технических решений, подтверждающих теоретические выводы, защищена авторскими свидетельствами и реализована в конструкциях облепихоуборочных машин.

Положения, выносимые на защиту. В результате выполненной работы на защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика и результаты исследований физико-механических и аэродинамических характеристик облепихи, послужившие исходным материалом для выбора и обоснования параметров рабочего органа облепихоуборочной машины.

2. Элементы теории отделения ягод от ветвей при колебании плодоносящих ветвей и всасывании воздушным потоком отдельных ягод.

3. Оптимальные параметры технологического процесса механизированного сбора ягод облепихи, которые обеспечивают наибольшую полноту сбора при минимальном повреждении кустов при их вибрации.

4. Разработанные рабочие органы машины для уборки ягод облепихи и конструктивные схемы облепихоуборочных машин.

5. Методологический подход к исследованию взаимодействия облепихоуборочной машины с внешней средой, предметом труда и оператором, отвечающий оптимальному проектированию облепихоуборочной машины.

6. Методика оценки и прогнозирования динамической нагру-женности элементов металлоконструкции облепихоуборочной машины.

V. Технические решения, защищенные авторскими свидетельствами, направленные на создание облепихоуборочных машин.

Практическая значимость заключается в разработке и обосновании рабочих параметров машин для заготовки ягод облепихи применительно к природно-климатическим условиям МНР, обеспечивающих высокую производительность уборки урожая б различные периоды.

Разработанные математические модели системы "внешняя среда - оператор - машина - предмет труда" (куст облепихи) являются базой для дальнейшего совершенствования существующих конструк-

ций и создания новых: облепихоуборочных машин, а также являются составными элементами автоматизированной системы проектирования (САПР).

Одновременно проведенные исследования вьдвигают перед конструкторами новые задачи, связанные с проектированием облепихо-уборочной малины П-образного типа и с изучением условий труда операторов и сборщиков ягод облепихи в зимних условиях.

Реализация работы. Основные научные положения и результаты исследований внедрены: научно-производственным объединением "Облепиха" при создании первых образцов облепихоуборочных и облепихоочистительных маиин. В 1983-1988 гг. построены под руководством автора в Монголии четыре цеха по переработке ягод облепихи (получение сока, производство различных пищевых продуктов с повышенным содержанием витаминов, масла облепихи и т.д.), что дает реальный экономический эффект 800 тыс.тугриков в год. Ожидаемый экономический эффект - 1,6-2,5 млн.тугриков в год с каждого цеха.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались:

- на научно-производственных конференциях профессорско-преподавательского состава ТИИИМСХ (г.Ташкент, 1973, 1974, 1975 гг);

- на республиканских научно-практических конференциях, проведенных по вопросам облепихи (г.Улан-Батор, 1976, 1985, 1986 гг.);

- на научных конференциях профессорско-преподавательского состава МонГУ и МонПИ (г.Улан-Батор, 1976, 1979, 1981, 1982, 1984, 1987, 1988, 1989, 1990 гг.);

- на научно-практическом семинаре Научно-производственного объединения "Облепиха" (г.Улан*Гом, 1981, 1989 гг.);

- на научном семинаре кафедры проектирования специальных лесных машин ЛГА им.С.М.Кирова, с участием ведущих ученых некоторых кафедр академии (г.Ленинград, 1990 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в двух книгах, 23 статьях и 5 авторских свидетельствах на изобретения общим объемом 14,5 п.л.

Результаты исследований отражены в 3 научных отчетах Монгольского Политехнического Института.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения. Работа изложена на 280 страницах машинописного текста, содержит 100 рисунков, список использованной литературы из 225 наименований и приложения на 107 страницах.

В приложениях даются кроме материалов, обработанных на ЭВМ, акты внедрения результатов научных исследований в производство и результаты исследования по интенсификации технологического процесса получения масла облепихи.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Е виде краткой аннотации изложено содержание работы, показана актуальность и научная новизна выполненных исследований, их практическая значимость и реализация работы, а также сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

I. Состояние проблемы и задачи исследования.

В первой главе описаны основные биологические характеристики облепихи, народно-хозяйственное значение и результаты изучения современного состояния уборки урожая. Здесь же всесторонне проанализированы существующие ручные и механизированные способы, машины и оборудование для уборки различных плодов и ягод при вибрационном и пневматическом способах, сформулированы основные задачи данной работы.

Облепиха (Н'/рро^ 4га, е. ) - многолетний древовидный кустарник высотой 1,5...5 ы семейства лоховых лучше всего произрастает на воздухопроницаемых нейтральных почвах (рН=б...7), обеспеченных проточной грунтовой водой с высоким содержанием кислорода и солей фосфора. Корневая система облепихового куста располагается на глубине до I м от поверхности почвы и выходит за

пределы проекции кроны, обеспечивая кустами высокую устойчивость. Ветвление кустарника начинается вблизи поверхности земли с образованием нескольких вертикальных и наклонных скелетных ветвей. Ягоды облепихи в условиях МНР начинают созревать в конце августа - начале сентября и прикреплены к ветвям настолько прочно, что могут сохраняться на них до апреля следующего года; накопление масла в ягодах достигает максимума в конце октября, одновременно заканчивается и листопад.

На культурных плантациях кусты облепихи располагаются рядами на рсстоянии 4 м друг от друга по ширине, 2 и 2,5 м по длине ряда. Уборка урожая облепихи является самым трудоемким процессом. Зачастую она производится вручную с применением различных приспособлений в зависимости от стадии созревания и температуры окружающей среды.

В МНР широко применяется отряхивание замерзших ягод облепихи после наступления морозов ниже -16°С, когда снежный покров на плантациях не превышает 10 см и не затрудняет передвижение сборщика между кустами. Поиском путей механизированной . уборки ягод облепихи в СССР занимаются несколько организаций, в том числе НИИ Сибири ич.Лисавенко, BMP, ВИСХОМ, НПО по машинам для садов и виноградников зоны Средней Азии и другие. В МНР данную работу проводит Политехнический институт вместе с НПО "Облепиха" в Убсадурском аймаке.

Изучение литературных источников по механизированной уборке плодов и ягод показало, что за последние 30 лет в СССР и других странах созданы различные машины и оборудование, предназначенные для сбора слив, вишни, черешни, миндаля, яблок, смородины, винограда и др. Данные машины работают на принципе механической или пневматической вибрации, передаваемой стволам, отдельным ветвям и плодам деревьев или кустарников с последующим улавливанием отделенной массы.

Исследователями Г.П.Варламовым, А.3.Ульяновым, Б.И.Тру-биным, Ю.А. Утковым, В.А. Чарушниковым, С.И.Филимоновым, В.Г. Протасовым, A.M.Кротовым, Х.А.Хачатряноа, Р.Р.Ягубяном, В.Д.Зобросаевнм, Ю.С.Осиповым, Ф.Газиевым, М.Э.Мравьяном, А.П.Стрекачом, Э.Хорватии, Д.Якобом, Г.М.Соболевой, Дж.Р.Ку-ксм, P.X.Рандом, К.Д.Трушиным, С.Г.Иоффе, М.В.Цицивым, А.А.Цыы-

балом, Н.П.Гаврилюком, В.Д.Бартеным, В.М.Земляковкм, Х.Л.Вро-ур и Вагом, Джо Кой, Я.Немети и другими доставочно тщательно изучены возможности механизированной уборки плодов и сделаны попытки объяснения физической сущности процесса отделения плодов и ягод от ветви при вибрационной уборке.

Анализ проведенных теоретических и экспериментальных исследований показал, что в полной мере еще не изучена сущность процесса отрыва ягод облепихи, которые плотно сидят на коротких плодоножках и не создана универсальная машина, пригодная для уборки ягод облепихи на различных стадиях их созревания и после наступления морозов.

Для решения поставленной задачи наш была высказана гипотеза, что отрыв ягод от Еетвей может быть осуществлен аэродинамическими силами воздушного потока или инерционными силами при механическом вибрировании кустов без их повреждения в том случае, если эти силы превышают минимально необходимые для отрыва ягод от ветвей. Экспериментальная проверка данного положения показала, что вибрационный метод наиболее эффективен для сбора замерзших ягод облепихи, а аэродинамический может использоваться в различных режимах в течение всего времени уборки.

Эффективность применения машины для уборки урожая плодово-ягодных культур, в том числе облепихи, зависит от совершенства ее конструкции, правильного выполнения агротехнических приемов по подготовке поля и степени приспособленности сортов этих культур к машинному сбору.

Одним из главных требований при подготовке облепихового поля к машинной уборке является его выравненность, обеспечивающая плавное движение машины, стабильное, устойчивое положение уборочных рабочих органов относительно обрабатываемых кустов облепихи, а также создающая необходимые условия, отвечающие требованиям охраны здоровья оператора, управляющего данной малиной.

В связи с этим задача создания облепихоуброчной машины требует решения широкого круга проблем, связанных как с изучением самих растений, так и исследованием состояния микропрофиля ноля, выявлением условия отрыва ягод от ветвей и другие.

Наряду с этим, необходима разработка проблемы создания рабочих органов машины и оптимального проектирования ^амой машины, наиболее полно отвечающей конструкторскому решению и

обеспечивающий наибольший съем ягод от ветвей при наименьшем повреждении самого растения и вместе с тем создающий благоприятные условия для работы оператора.

В результате анализа существующих проблем по разработке и обоснованию параметров машин для уборки ягод облепихи в настоящей работе выдвинуты следующие основные задачи:

- изучение результатов теоретических и экспериментальных исследований и практических достижений в области механизации заготовки плодов и ягод в СССР и других странах;

- исследование физико-механических свойств облепихи, необходимых для обоснования механизированной технологии уборки урожая;

- исследование аэродинамических характеристик ягод облепихи с точки зрения механизированной уборки, очистки,транспортировки и улавливания ягод воздушным потоком;

- теоретическое и экспериментальное исследование возможности уборки ягод облепихи механизированным способом;

- обоснование оптимальных параметров технологического процесса механизированной уборки ягод;

- разработка рабочих органов облепихоуборочной машины;

- разработка модели динамической системы "внешняя среда (агрофон) - облепихоуборочная малина";

- проектирование облепихоуборочной малины с оптимальными параметрами;

- исследование энергетических и экономических показателей рекомендуемых способов для заготовки ягод облепихи в условиях МНР.

П. Определение физико-механических.свойств облепихи.

В этой главе разработана методика изучения физико-механических свойств облепихи, имеющих существенное значение при разработке технологии механизированной уборки ее ягод и приведены результаты проведенных исследований.

В результате исследований установлено следующее:

I. При посадке кустов на плантациях по схеме ВхС=4х2 м и 4x2,5 м с учетом агротехнических требований по обеспечению питания кустов, полива и обработки почвы в междурядьях 8355 всех случаев закона нормального распределения исследуемых величин

лежит в пределах:

в _ 4+0,06 0 _ р+0,38 г _ о с+0,16

13 ~ -0,08 м> 0 " ^-0,30 ы и и - ¿,о_о,27 м

т.е. отклонения междурядий значительно меньше, чем интервалы между отдельными кустами в рядке. Неравномерное распределение кустов в рядке снижает урожай вследствие загущения плантации, а также способствует увеличению потерь при уборке.

2. Размерные характеристики кустов и их частей, определенные методом перспективного проектирования, неодинаковы как для различных сортов облепихи, так и кустов одного и того же сорта. Установлено, что высота кустов Н при 6-8-летнем возрасте колеблется 1,45...2,8 м (рис.1), диаметр кроны 1,41...2,75 м; высо-

—> ч

- Д: L\

\ 1 \ 1

Lh

2

10 м.

_ 20 -4Q Ягода, у.

Рис.1. Размещение ягод облепихи на кустах:'

а - куст: I - зона без ягод, 2 - ягодная зона; б - распределение ягод по высоте кустов: I - сортов "Витаминная", "Масличная" средней высотой 220 см; 2 - сортов "Дар Катуни", "Золотой початок", "Новость Алтая", "Щербинка", "Гэс", "Улаангом", "Чандмань" средней высотой 190 см.

та ствола от почвы до ветвей до 0,4 м, его диаметр у поверхности почвы 0,053...0,097 м; число скелетных ветвей куста 2...7, их длина 0,84...2,22 и и угол их наклона к горизонту 22...88°. Средняя высота от поверхности земли до наивысшей и низшей точек скелетных ветвей составляет соответственно для разных сортов 1,4...2,58 и и 0,15...О,55 м; а средняя длина плодоносящих ветвей - 0,12...0,4 м.

3. Ягоды облепихи густо облепляют двухлетние ветви охватывая 35...46$ общей длины скелетлых ветвей на высоте 0,5...1,8 м от поверхности почвы. Распределение ягод по высоте кустов показано на рис.16.

4. Плотность свежеубранных ягод облепихи находится в пределах 989...1023 кг/м3, а насыпная масса 770...840 нг/м3.

5. Форма и масса ягод облепихи разнообразна и зависит от сорта - яйцевидная для сортов "Дар Катуни", "Масличная", "Тэс", шаровидная для сорта "Щербинка", "Чандмань", "Улаангом". Масса отдельных ягод составляет 0,2...0,6 г., длина (8...14) Ю-3 м, диаметр или ширина (7...11) Ю-3 м, что позволяет использовать при разработке транспортных, сортировальных и очистительных устройств.

6. Длина плодоножки - один из основных параметров,. определяющих возможность механизированной уборки ягод методом встряхивания, лежит в пределах (2...5) 10~3 м, а ее диаметр 0,5'10-3м. Плодоножки соединены с веткой значительно прочнее, чем с ягодами. Поэтому ягоды отрываются от них в первую очередь, кожица

их лопается и вытекает сок. Уборка ягод в замороженном состоянии устраняет данный недостаток.

7. Повреждаемость (раздавливание) ягод облепихи зависит от степени созревания и сроков уборки, а также скоростей и высот падения в приемное устройство ягод. Замерзшие ягоды не повреждаются так, как в начальном периоде уборки урожая, величина усилия раздавливания при воздйествии сжимающей силы превышает 3,5...4,5 Н, что на порядок вше начального периода уборки ягод.

8. Величина силы отрыва ягод в биологической спелости (в начале сентября) находится в пределах 1,3...1,8 Н, а после замерзания - 0,04...О,19 Н в зависимости от сорта облепихи.

9. Коэффициент трения скольжения ягод по различным материалам (алюминиевый лист, паролон, брезент) лежит в пределах 0,5 ...0,94 для состояния покоя, 0,43...О,73 в движении.

Ю. Модуль упругости при изгибе для ствола (5,3.. .7,8)-10? мПа, для скелетных ветвей - (1,6...4,5)ЛО3 мПа и для плодоносящих ветвей (0,3...2,6)-Ю3 мПа (в зависимости от размеров). Эти величины после наступления мороза ниже -1б°С увеличиваются в 2...5 раз.

Приведенный модуль упругости куста при осевом его сжатии лежит в пределах (8,8. ..14,1) ЛО3 мПа, при изгибе (13,8. ..16,4)-Л0Э мПа, то есть почти в 2,8 раза больше модуля упругости ствола данного куста при влажности 15...20$.

По результатам проведенных исследований разработана геометрическая модель облепихового куста, необходимая для проектирования рабочего органа облелихоуборочной машины.

Ш. Определение аэродинамических свойств ягод облепихи.

В третьей главе разработана методика исследований по определению скорости витания ягод облепихи, коэффициента полной аэродинамической силы и величины сил, действующих на ягоды облепихи от обтекающего их воздушного потока с разной скоростью для пневматического метода уборки ягод, а также приведены результаты этих исследований.

В результате проведенных исследований установлено:

1. Скорость витания варьируется в пределах: для шарообразных форм ягод II,9...18,2 м/с; для элипсоидных форм 12,4...18,5 м/с; для листьев 0,12...0,16 м/с; для сухой кожицы 0,11...0,14 м/с; для семян ягод 7,2...10,4 м/с.

2. Коэффициент полной аэродинамической силы, действующей на ягоды облепихи почти не зависит от их форм и составляет для шарообразных форм ягод = 0,4 и эллипсоидных форм CR3 - 0,38.

3. Полная аэродинамическая сила, действующая на ягоду облепихи, обуславливается в основном коэффициентом давления и зависит от формы и размеров ягод, скорости воздушного потока обтекающего её. С увеличением их она возрастает.

4. На основе полученных данных может быть спроектирована облепихоуборочная машина для сбора ягод облепихи, их транспортировки и очистки от примесей воздушным потоком.

1У. Теоретическое исследование возможности механизированной уборки ягод облепихи. В четвертой главе приведены результаты теоретического определения параметров колебаний веток, обеспечивающих действие на ягоды сил инерции, достаточных для отрыва ягод от ветвей при различной спелости и массе, но в тоже время не вызывающих повреждений веток. Также изложены результаты теоретического исследования по определению скорости воздушного потока, обеспечивающего отрыв ягод от ветвей и транспортирование их в трубе; рассмотрен процесс выделения ягод из транспортирующего воздушного потока; дана схема и основные параметры пневматического рабочего органа облепихоуборочной машины.

Для изучения процесса взаимодействия рабочего органа машины с кустом облепихи разработана математическая модель системы "машина-предмет труда" или "вибрирукщий щит-куст облепихи {рис.2) и приняты следующие допущения:

I. В процессе взаимодействия рабочего органа с кустом не происходит размыкания связей вибриругацих стержней, насаженных на щит, с плодоносящими ветвями;

Рис.2. Эквивалентная расчетная схема динамической системы

вибрирукщий щит-куст

т* - приведенная масса вибрирующего щита с кинематическим возбудителем;

тг - приведенная масса кроны (ветвей и ягод) куста; С - приведенная жесткость штанги и вибрирующего щита; , с1г- приведенная жесткость ветвей кроны куста и стержней; обобщенные координаты приведенных масс и ' ; - амплитуда колебания вибрирующего щита.

2. В процессе отряхивания ягод облепихи приведенная масса (масса куста и масса ягод) уменьшается несущественно.

Колебания масс гп1 и Л7г происходят под воздействием кинематического возбуждения с амплитудой = .4 и частотой ¿¿/ .

Уравнения движения системы "вибрирующий щит-куст" составлены в форме уравнения Лагранжа П-го рода

/ ЭТ \ Э/7 п ...

где Т - кинетическая энергия системы

П -

^ г* (2)

' 2 1 ~2— 2 '

потенциальная энергия системы

+ (3)

Уравнения движения колебательной системы имеют вид Щ + (С 1-С,.2) | ^

Подставляя пробные решения в виде

= 2Г- созгО-б. ; = ;

получим уравнение

(С+ С^- *пга)г) = С&0 + с«я-2г 1 7 / *» V (5)

Из уравнения (5) легко можно определить перемещения приведенных масс-

С Р,* /

С 1.2.

с

нагрузки, действующие на куст и штангу

г Ж

(■Г. 2. /-

(<- -ж!

с

1~)(<-»-I 1 с />*)У />*) с _

> (7)

При известных значениях ^ Скарк = 950 кН/" и Светв

'штанг = 1050 Сстерж = 360 кН/м>

180 кН/м, /77, = 92 кг, /772= 38 кг,

т<,*= 13 мм получили следующие значения:

12,01 мм; 13,2 мм; 0,15 кН; = 0,66 кН.

Для анализа процесса отрыва ягоды при колебании куста ветвь,на которой располагаются плодоносящие веточки (или только ягоды), рассматривается как стержень с равномерно распределенной по длине массой и считается, что ягоды при колебании благодаря своей короткой плодоножке и тесному расположению движутся вместе с ветвью по закону ее движения.

При действии сосредоточенной гармонической в любой точхе длины ветви уравнение вынужденных колебаний запишется в виде

где - жесткость ветви на прогиб;

в - модуль упругости данной ветви; У - момент инерции поперечного сечения стержня

относительно нейтральной оси сечения, перпевди-кулярной к плоскости колебаний;

р И

---масса единицы длины ветви с ягодами;

р - площадь поперечного сечения ветви; / - плотность стержня (ветви с ягодами);

- ускорение силы тяжести;

у - отклонение точек оси стержня от первоначального положения; (х- х*) - дельта-функция;

X - абсцисса рассматриваемой точки на ветви; Ха- расстояние от точки ответвления ветви (т.е. от начала координат) до точки приложения всзмущапцей силы;

¿¿>ё у- ех - фаза колебания;

- начальная фаза;

со - известная (заданная) частота возмущающей силы

или искомая собственная частота главного колебания стержня; -6 - время.

Установившиеся вынужденные колебания так же, как и главные свободные колебания подчиняются одному и тому же закону:

¥>(*)¡¿л(аМ^-сс), (9)

где - форма или максимальное значение амплитуды колебаний

Подставив уравнение (9) в уравнение (8), после некоторых преобразований имеем

где

Для уравнения (10) имеется решение, удовлетворяпцее условию X - 0

где С » ~ постоянные интегрирования, зависящие от краевых условий.

При х=е 4Х=

где

л = ¿'(к^-у^е) тСке)

£ - длина стержня; и, V, 5 и- Т - функции А.Н.Крылова. Подставляя найденные значения С и 7) в уравнение (II) определяем формы (амплитуды) колебаний различных точек ветви:

а

К3£7Л

О

при о < X

¿7

Ч>(*)=

т1к(г-ха)1

у [к Се-5 £и (г-

£С<е)

и ¿кх) УСкО

V С к

т(к£) ¿СкС)

I/ (к х) Т(к{)

(12)

(13)

при /а.< х е.

Из формулы (12) и (13) видно, что амплитуда колебаний различных точек ветви изменяется в зависимости от абсциссы X, рассматриваемой точки на вет'ви.

Известно, что отрыв отдельной ягоды от ветвей при колебании должен происходить при удовлетворении условия

Рс,т< Ри= Л7-Ар*£6П('ш-1 *сх) (14)

обычно в момент изменения направления колебательного движения ветви (т.е. при максимальном значении ускорения движения ягоды

< Ри ">(*) ■ Р1-, (15)

где Ри - сила инерции ягода;

/77 - масса ягоды;

А - амплитуда колебаний отдельной ягоды;

1р(Х) - максимальное значение амплитуды колебаний ветви и определяется по формуле (12) и (13); р - требуемое значение круговой частоты колебаний ветви, определяется из условия резонансного режима колебаний

Из уравнения (12) и (13) видно, что амплитуда колебаний стремится к бесконечности цри равенстве нулю знаменателя. Это условие представляет собой резонансную область частоты, когда частота возмущащей силы ¿и равна частоте Р одной из собственных форм колебаний ветви, то есть

Из условия резонанса (при А = 0) получается

сА к£аозк£ч--{ = с. (16)

Первые четыре корня этого уравнения следупцие: ке = 1,875 ; 4,694; 7,855; 10,996

Отсюда можно определить круговую частоту колебаний, соответствующую случаям резонанса по формуле

При известных значениях параметров ветви и ягод, используя формулы (12), (13), (14) и (15) можно определить необходимые величины амплитуды и частоты колебаний, обеспечивапцие отрыв ягода, находящейся на определенной точке ветви.

Для общего анализа параметров-колебаний ветви определин-зу-амллитуду колебаний, которая является средней для совокупности всех точек на ветви.

Если приложить возмущающую силу близко к точке ответвления ветви, то среднее значение амплитуды колебаний ветви или амплитуды возмущающей ,:илы имеет вид:

Т1Г (18)

Подставив в формулу (18) значение из уравнения

(13) и после интегрирования по X то формула (18) принимает вид:

(рС/0 (х) = А- С/v, , (19)

где ,]}*[<//■*■*/-<

к3VгСкеДс?- .

Для значений параметров ветвей третьего порядка: £ = в 0,9 м, Хл. » 0,1 м плотности ветви с ягодами 0,8-Ю3 кг/м3, диаметра ветви с£ = 1,8'10~^м, модуля упругости ветви до наступления мороза ¿Г, = 39,25*10^ Па и после наступления мороза (ниже -16°С) Ег = 64,74-ю' Па, силы отрыва ягод от ветвей в эти периоды соответственно = 1,3...1,8 Н, = = 0,04...0,19 Н и массе ягоды /77»= (2,2...6,б)»10""*кг теоретически - по формулам (15), (17) и (19) установлено, что приемлемый для наших целей интервал амплитуд в начале спелости составляет 35...39 мм при частотах 65...90 Гц, а после замерзания ягод соответственно равен 13...16 мм и 15...23.3 Гц.

Отсюда видно, что уборка незамерзших ягод вибрационным способом невозможна, так как при колебании с большой частотой (65...90 Гц) по длине ветви возникают узловые точки, на которых ускорение движения равно нулю, т.е. по длине вибрирующей ветви образуются такие точки, при которых происходит повреждение (излом) ветвей. Уборка замерзших ягод этим методом вполне возможна и такие параметры колебаний создают существующие этОра-ционные машины, предназначенные для уборки различных плодов и ягод при малом повреждении ветвей.

Скорость воздушного потока, необходимая для отрыва ягоды от ветви определялась из условий

(20)

или ,_

' (21)

- коэффициент полной аэродинамической силы;

- площадь миделева сечения;

- плотность воздуха данного района;

- скорость воздушного потока, обеспечивающего отрывание ягод.

Используя соображения о неизменности коэффициента полной аэродинамической силы шарообразных и тел в пределах 103< <

<10®, где_ - число Рейнольдса и подставив в формулу (21)

значения , Ра„л , ^^ и г£„я получили для периода

где

С*

начала спелости ягод, когда = 1,4.. .1,8 Н необходимую

скорость = 260...450 м/с, а после их замерзания при = 0,04...0,19 Н соответственно 50. ..90 м/с.

При теоретическом определении параметров пневматического рабочего органа рассматривалось действие всасывающего воздушного потока.

Наш рекомендуется скорость транспортирующего потока - К- 1С = -1,55- 18,5 = 25-"/с

где А" - коэффициент транспортирования.

Скорость потока, обеспечивающая вьщеление ягод из транспортирующего воздушного потока:

'¿¿^ = < = "

5. Экспериментальное исследование по обоснованию основных параметров механизированной технологии уборки ягод облепихи

В пятой главе приведены результаты исследований, позволяющие обосновать основные оптимальные параметры механизированной технологии уборки ягод облепихи путем сообщения стволам либо ветвям вынужденных механических колеба;:ий с последующим улавливанием и транспортировкой собранной массы в приемный бункер. Здесь же приводятся параметры пневматических рабочих органов, осуществляющих отделение ягод всасывающим воздушным потоком, являющимся одновременно и транспортирующим средством. В конце главы представлены технологические схемы машин для уборки ягод облепихи, основные рабочие параметры которых вытекают из результатов проведенных нами исследований.

Для уточнения исходных теоретических данных, необходимых для расчета и проектирования рабочего органа облепихоуборочной машины, решались следующие задачи:

- определение оптимальной высоты приложения возмущающей

силы;

- определение оптимальных значений амплитуды и частоты колебаний при вибрационном методе;

- определение оптимального расстояния между вибрирущими стержнями рабочего органа;

- определение оптимального времени сообщения колебаний ветвям;

- определение некоторых параметров пневматического способа отделения ягод ст ветвей, улавливания и транспортирования отделенной массы в приемный бункер;

- определение величины потребляемой мощности при вибрационном методе уборки ягод.

Для проведения экспериментов были разработаны различные лабораторно-полевые установки.

Так, для сообщения колебаний стволам и скелетным ветвям куста облепихи использовался механический вибратор штакогового типа, обеспечивавшего амплитуду колебаний 10...45 мм при частоте 10...60 Гц. Для сообщения колебаний ветвям высшего порядка применялся ручной механический вибратор с изменяющей амплитудой 7,3...25 мм и частотой от 10...30 Гц. Кроме того, с помощью специально сконструированной установки создавали различные величины амплитуд, частот, величин скоростей и ускорений колебательного движения ветвей.

Определение некоторых параметров пневматического метода уборки ягод облепихи проводилось с помощью ласораторно-полевой установки на базе колесного трактора, обеспечивающей максимальную скорость всасывающего воздушного потока до 120 м/с при диаметре насадки 0,03 м.

Экспериментальные исследования по определению параметров механизированного сбора ягод облепихи вибрационным способом проводилось на кустах всех сортов при всех стадиях спелости их ягод. В связи с тем, что ягоды сорта "Масличная" наиболее прочно связаны с ветвями и имеют наименьшую массу среди остальных сортов облепихи и, следовательно, требуют большей трудоемкости при их уборке, основные исследования проводились нами с данным сортом.

С цель» установления оптимального положения точки приложения возмущающей силы, обеспечивающей наибольшую полноту сбора ягод при минимальном повреждении куста, вибратор закреплялся на нем на различней высоте 0,2...2,2 м от уровня почвы с интер-

валом 0,4 м, включая ветви разного порядка. Определение оптимального времени колебаний производилось с учетом полноты сбора ягод..

я-1001 1 1 / цик/^мин, ^10 с

I I А-а мм / А* 70 мч

—ГУ А - 15 мп- /// А-10 мм Ц/У/ А*11 мм

-1 ч:

- -

0,2 0,£ 1.0 1,4 1,3 Н,м

цг о,£ 1,о /л /.# и,м

Рис.3. Зависимость полноты сбора Р ягод от высоты приложения н возмущающей силы.

Рис.4. Зависимость повреждаемости куста т от высоты н приложения возмущающей силы.

На рис.3 и 4 приведены показатели полноты сбора ягод и повреждаемость кустов в зависимости от высоты приложения возмущающей силы. Анализ полученных данных показывает, что с увеличением высоты приложения возмущающей силы полнота сбора ягод увеличивается на (40...45$), а повреждаемость куста уменьшается. Так, при приложении возмущапцей силы на высоте 0,2 м повреждаемость составляла 22то на высоте 2,1 м она равнялась 8/5.

Б связи с тем, что до наступления морозов полнота сбора ягод данным методом для всех режимов не превышала 30%, а повреждаемость кустов составляла (40...45$) и количество раздавленных ягод более 30$, эксперименты по уборке ягод вибрационным методом были прекращены. Наибольший эффект достигается при использовании данного способа после наступления морозов (ниже -1б°С), когда сила отрыва ягод от ветвей не превышает 0,1...0,2 Н. При этом приложение возмущающей силы непосредственно к стволу куста недопустимо.

Время проЭолжитслтоапц колебаний, 6 с

Рис.5. Зависимость полноты сбора ягод от продолжительности колебаний

На рис.5 приведены данные зависимости полноты сбора ягод облепихи от продолжительности колебаний. При отряхивании ягод в замороженном состоянии оптимальной продолжительностью колебаний следует считать промежуток 3...6 с, когда возможно отделение 90. ..96!? ягод.

Малая продолжительность вибрационного воздействия на кусты делает возможной уборку замерзших ягод поточным методом по ходу движения облепихоуборочной машины.

В работе приводится методика и результаты определения мощности встряхивания как отдельных ветвей, так и куста в целом. Исследования показали, что для одновременного сбора ягод облепихи с двух кустов в двух рядках потребуется мощность около 3...4,5 кВт.

Результаты проведенных исследований подтверждают перспективность создания облепихоуборочной машины на базе трактора, оснащаемого двумя агрегатами арочного типа с вибрирующими рабочими органами, предназначенными для уборки замерзших ягод. Основные параметры этих агрегатов могут быть определены по результатам проведенных нами исследований.

На рис.6 показан график повреждаемости, а рис.7 полноты сбора при работе облепихоуборочной машины, из которых видно,

что с ростом частоты 3,3...20 Гц полнота сбора ягод возрастает с 20...40% (до 96...98%) при различных амплитудах 0,01...О,015м При этом повреждаемость существенное влияние оказывает на увеличение амплит-уды колебаний 0,015...0,025 м. При амплитудах О,005...О,01 м влияние частоты вибрации в указанных пределах 3,3...20 Гц незначительно влияет на повреждаемость кустов при убсркз облепихоуборочном агрегатом.

П7.

/

/

/

f, ' \v у

/ у 1 /

Va ' А

л i/ /

// /

А А А ¿i

И

РЛ

_ /, i А \Л /

/У ' ^ / / л // >

V /

о íjj ко /jjj /ш таощгц

f. A-aeos» т. A'ÜÓÍSM SJ-ÚOÍSM г. А *ао1м * А - аог

Рис.6. График повреждаемости кустов в зависимости от частоты и амплитуды колебаний ветвей вибрирующими стержнями машины.

i JSJ ese

а витаминная о НоВость Алтая

tur is.se 20.0 ш, Гц

-------A'QûtS Л

-A-aot м

Рис.?. График полноты сбора р ягод з зависимости от частоты амплитуды колебаний ветвей виб-рируюшими стержнями машины

На плантациях УланГокского НПО "Облепиха" под руководством автора был испытан опытный образец облепихоуборочной машины. На данной машине отрабатывались основные параметры и конструктивные элементы всех ее составных частей, обеспечивающих мини-ыаяьные (до 0,03?) потери ягод с куста и достижения наибольшей полноты сьема ягод (95...97%) без повреждения последних и плодоносящих ветвей.

После определения основных технологических параметров механизированной уборки замерзших ягод облепихи были оптимизированы эти же параметры. Известно, что полнота сбора ягод Р (%) при минимальном повреждении кустов ^ (%) является основным

выходным параметром или показателем эффективности технологического процесса, анализ которого показал, что в качестве переменных факторов для математического моделирования процесса можно выделить следующие: частота колебаний рабочего органа (ш = <*», амплитуда колебаний рабочего органа (А = ), высота захвата куста облепихи вибрирующим рабочим органом (= Х3 ), расстояние между вибрирующими стержнями рабочего органа ( / = ).

Задача оптимизации технологических параметров механизированной уборки ягод облепихи сформулирована следующим образом: определить значения факторов X¿- = 1,4 из области допустимых значений, при которых достигается максимальная полнота сбора ягод, а повреждаемость плодоносящих ветвей не превысит заданного предельного значения Т^ .

Формализованное представление сформулированной постановки задачи оптимизации.

Целевая функция ,

= ¿"ах У.

Ограничения

/Ч ^ з-, к*,г*.

где - интервал варьирования факторов, найденных из

экспериментальных исследований.

Для решения сформулированной задачи оптимизации следует установить функциональные зависимости

(23)

Т= ГСX,. хг, х3_ хг), что достигается построение регрессионных моделей экспериментально-статистическим методом в виде:

(24)

- V,Хч - 7.01Х,2- Х/)

Г(х<, Кз,Х«)=8.588 +2,3 93 X, -*3, ?3?Хг - % 01?Х3-Ю, "0Ху *

' + ¡,01&х,хг-о,8*зх, Хз ->-о,4?гг,х¥ - г,ОГ2Х,Х3 * (25)

Причем значения коэффициентов в регрессионной модели (24) определялись исходя из условия

-х3,

при минимальной сумме квадратов отклонений для всех опытов.

Полученная нами иерхарическая двухуровневая нелинейная задача оптимизации решалась методом множителей Лагранжа с использованием пакета прикладных программ £ UREA'А на ПЭВМ IBM PC. Найдены после привода переменных факторов в исходный размерный вид значения технологических параметров механизированной уборки ягод облепихи на следующем виде:

при X, = 0,999; Л^ = -0,193; Ха = 0,992; = -0,995, что соответствует значениям переменных факторов в размерном виде UJ = 20 Гц, А - 0,013 м, И = 2,1 м, £ = 0,05 м.

Полученные оптимальные параметры технологического процесса показали, что лучше всего встряхивать плодоносящие ветви куста облепихи с двух сторон, параллельно мелду собой расположенными вибрирующими щитами, на которых насажены многочисленные стержни, расстояние последних равно 0,05 м.

Основные параметры пневматической облепихоуборочной машины отрабатывались на различных лабораторно-полевых установках и опытных образцах машин.

При экспериментах определялись следующие параметры:

- величина скорости воздушного потока;

- величина аэродинамической силы, действующей на ягоду при различных скоростях воздушного потока;

- полнота сбора ягод в зависимости от скорости воздушного потока.

На рис.8 приведены кривые зависимости действующей на ягоду величины аэродинамической силы при различных скоростях воздушного потока для сферической и эллипсоидной форм ягод различной величины. Было установлено, что работа установки на скоростях воздушного потока менее 40 м/с не рациональна: до наступления морозов ягоды не отделялись вообще, а после их наступления полнота отделения не превышала 20£, что наглядно видно из рис.9. При скоростях воздушного потока НО...120 м/с при уборке ягод

0.24 0.20 0.16 0.12 от

ом о

Рис.8. Кривые зависимости величины аэродинамической

силы, действующей на ягоду облепихи при различных скоростях возданного потока: а - для ягоды шаровидной формы; б - для ягоды эллипсоидной формы

1 1 —1 •> и

-

1 !

1 ! 1 —

¡3 33. 131 113

Рис.9. Полнота сбора ягол облепихи сортов "Щербинка", Тэс", "Уланангом" и "Чандмань" в зависимости от скорости воздушного потока

сорта "Щербинка", "Тэс", "Улаангом" и "Чандмань" собирается до 20$ ягод в начале созревания и до 95% с наступлением морозов.

Исследование уборки ягод облепихи пневматическим методом показало, что имеется возможность её применения как до наступления морозов, так и с их наступлением.

Для создания аэродинамической силы, необходимой для отрыва ягод всасывающим потоком воздуха, до наступления морозов требуется скорость потока 260...450 м/с, а с наступлением морозов

50...90 м/с, что приводит к большим затратам энергии.

Поэтому с наступлением морозов более.перспективным является' вибрационный метод, обладающий более высокой производительностью, а до наступления мороза может успешно применяться пневматический метод с пульсирующим воздушным потоком, схема малины для осуществления которого разработана автором.

У1. Модель динамической системы "облепихоуборочная машина-агрофон"

В данной главе приведены результаты исследований статистических характеристик микропрофиля поверхности почвы облепиховой плантации, которые служат для выбора оптимальных параметров основных узлов и решения ряда задач динамики облепихоуборочной малины, в том числе оценки взаимодействия рабочего органа с предметом труда, плавности хода, колебаний её узлов, нагружен-ности и долговечности деталей и т.д.

Измерения микропрофиля полей производились на междурядных полосах плантации по возможной площади следов левого и правого колес облепихоуборочной машины в сезон уборки урожая. Результаты измерений обрабатывались двумя способами с использованием ПЭВМ, цель которых осуществлялась на определении законов распределения параметров неровностей и проведении реализации случайных функций к стационарному виду.

. В результате обработки опытных данных установлено, что:

1. Средняя высота неровностей микропрофиля поверхности почвы лежит в пределах 1,54...2,69 см, а длина неровностей -1,49...1,60 см и расстояние между неровностями 1,42...1,96 м. Однако встречаются неровности (камни, замерзшие части почвы и т.д.) достигающие высоты 10 и более см.

2. Обследованные участки полей почти не отличаются величинами коэффициентов автокорреляционной связи и среднеквадрати-ческими отклонениями.

3. Статистические характеристики микропрофиля поверхности почвы облепиховой плантации по следам левого и правого колес машины отличаются между собой незначительно, что дает возможность выразить характер поверхности почвы в виде одного общего уравнения.

В результате испытаний первой экспериментальной самоходной

машины, имеющей два вибрирующих щита, установленных на П-об-разной раме и определения требуемых параметров для создания облепихоуборочной машины, в общем виде её можно представить как динамическую систему состоящую из многих масс (рис.10), совершающих колебательное движение в вертикальном направлении, параметры которого зависят от характера микропрофиля почвы облепиховой плантации и конструкции самой машины.

Е

4«

]+

4'.

Рис.10. Модель самоходной облепихоуборочной машины: а) модель машины; б) эквивалентная расчетная схема.

приведенные массы колеса (шин), корпуса и оператора с сидением; "С? - приведенные жесткости шин, рессор и сидения машины;

» обобщенные координаты приведенных масс и /л"с при движении.

Кинетическая энергия системы

/ = -2-2^ * » (26) Потенциальная энергия системы

/7 = ^ ~Ф + # Г ^ (27)

После диффзренцирования Т по , > ^ 'Л времени , а Я по Нп г2 и г^ , получим уравнения движения облепихоуборочной машины в вйде:

/П.*еЩ—

После интегрального преобразования Лапласа уравнения (2£ обобщенные координаты приведенных масс примут вид

- Ссс")гУ-

¿и

2г=-

Сш (с?- у г) ■ И 5 игш^

•Я

3 Г'Л

Используя полученные зависимости, определили нагрузки, действующие со стороны машины на оператора ~ (гз и корпус облепихоуборочной машины = (гг - 2^) ср при

её движении над кустами по ряду облепиховой плантации.

УП. Оптимальное проектирование облепихоуборочной машины

В седьмой главе разработан методологический подход (рис.II) к оптимальному проектированию облепихоуборочной

машины. Доказана возможность перехода от моделей динамической системы "Внешняя среда - машина - предмет труда (куст облепихи)" к моделям для исследований труда оператора с точки зрения воздействия колебаний на тело человека.

Оптимальнее преех-тиробаме оНлепаю-у борочной наишы

ПоЬышеж >ухи родитель-поста О,) по-ноты сбора ягод и условии труда сборщикоб (операторе^ Уменьшение поёргмдае -мести кус-те1 ¡{,1

Показатели роботы машины

Устранение Анеши* бездейстбий

Создание благе-, приятных уаюйиц оа&хт акроткра

Миткальные по. /пери и максимо/и маг тытта сбора иММаифшя кмар/г-ш&юс* -----'------'

Сохранит жизнедеятельность и кочестбенше /а-гат(пеш ягод

При оптимальном проектировании основные требования к облепихоуборочным машинам вибрационного типа могут быть сформулированы следующим образом:

1. Внешняя среда (агрофон) - минимизировать возмущающее воздействие со стороны облепихового поля на облепихоуборочную машину и её рабочие органы и оператору (микропрофиль поля, непрямолкнейность расположения кустов в ряду, их стабильность по размеру, климатические условия и т.д.).

2. Человек - максимизировать работоспособность путем создания благоприятных условий работы на машине.

3. Машина - минимизировать потери ягод и повреждения растений, повысить пригодность рабочих органов и конструктивность узлов, обеспечить технологический режим отделения ягод путем улавливания их при уборке, снизить нагруженность и энергоемкость машины. Кроме того при проектировании машины необходимо особое внимание уделять рациональному расположению масс, например, кабины для облепихоуборочной машины относительно опорных элементов.

4. Облепиха - сохранить жизнедеятельность кустов и качественных показателей ягод.

Поскольку принципиально не представляется возможным одно-

.ел. и

Рис.П. Методологический подход *■:< проектированию облепихоуборочной машины

временно удовлетворить перечисленным выше требованиям вследствие их компромиссного характера, то принимают одно из этих требований в качестве критерия, а некоторые из них удается формализовать в виде ограничений. Опираясь на полученные в главах 4.5.6 результаты сформулирована задача оптимального проектирования облепихоуборочной машины. В качестве критериальной функции цели принят - минимум добавочной нагрузки на каркас и тело человека и их вертикальные перемещения при работе машины. Задача решалась методом скользящего допуска.

Особенностью данного метода является то, что улучшение значения целевой функции Р(*) происходит как в области, определяемой граничными условиями, так и в области, близкой к допустимой. При этом данная область в ходе оптимизационного поиска постепенно сокращается, а в пределе стремится к допустимой.

При такой стратегии поиска задачу нелинейного программирования:

найти /т?1г7 Р при ограничениях =а ¿__ .

С¿" - /ГИ--Г...р

возможно заменить более простой, адекватной первой найти /77 ¿ггР(х<л>) ■ при одном ограничении <р'к>-Т(Х<л->)ъ.о, где (рг*) - значение критерия скользящего допуска на к-том этапе поиска;

Т(Х<п>) - функционная, учитывающая степень нарушений ограничений как в виде равенств, так и в виде неравенств.

В качестве критерия дрпуска <р(к) выбиралась положительно убывающая функция, которая обладает следующими свойствами :

- на нулевом этапе поиска она равна некоторой, наперед заданной величине, учитывающей специфику алгоритма;

- по мере приближения к оптимуму <р с*г> г 0 , образуя

при этом последовательность

<?>'% • - •

¿¿т Хе.л>—*

В качестве такой функции можно использовать <р(*> , учитывающую процедуру поиска методом деформируемого многогранника (метод Нельдера и Мида). При этом:

Ç>f% mùrfr*-* ipL ZJUL,

' С+/ c-û у '

где ■£ - величина, характеризующая размер исходного многогранника (симплекса); Л? - число ограничений;

Х[к)- вектор, задающий положение с -й вершины многогранника на к-том шаге поиска; (л-П7) - число степеней свободы целевой • функции (поиска);

■у

л(т*г) - вектор, определяющий положение вершины, который соответствует "центру тяжести" многогранника; к = 0,1,2... индекс, указывающий число полностью законченных этапов процесса вычисления. Функционал Т(х) определяется следующим образом

TÍ*) = +è t¿¿ ?¿ (x)lVz

¿.jrr+f J '

где t¿¿ - оператор Хевисайда, который обладает тем свойством, что при g¿C-x)Z-o Z¿¿>=° i в противном случае 9¿(x) с О U¿ =

На pic. 12 дана принципиальная схема разработанного алгоритма.

В процессе оптимизации варьировались параметры: жесткости шины Сщ и рессор Ср машины. Считали, что при перемещении машины динамическая нагрузка действует на каждую шину одинаково.

В задачу оптимального проектирования вводи- .

лись ограничения вида

Гz«. -г<) (Х<п>)= f.e*//,

а также

В данном случае в качестве ограничения выступает предельно допустимое перемещение каркаса, т.е.

° < max

В. результате решения задачи установлено, что оптимальными значениями варьируемых параметров, соответствующих минимальной добавочной нагрузке при выполнении условий ограничения, являются Ср = 367,6 кН/м, Сш = 312,4 кН/м и /??£ = 365 кг (для одной шины). При этих значениях добавочная нагрузка, действующая

на корпус машины £>£,{■ = = 1,128 кН, на тело человека = = 0,219 кН; максимальное вертикальное перемещение 3,7 см. В целом.же результаты исследований показали, что при малых скоростях движения облепихоубороч-ной машины величина добавочной нагрузки незначительная и не достигает предельного значения.

Так же были определены максимальные значения скорости и ускорения колебательного движения оператора с целью проверки соблюдаемоети допустимых уровней колебаний.

В нашем случае эти же величины найдены S3> тах = 0,4^ ¿Зта= 0,5 м/с, что не превышает установленную норму.

УШ. Экономическая эффективность внедрения рекомендуемых

машин и оборудования в производство Экономическая эффективность внедрения машин для уборки ягод облепихи определялась путем сравнения ряда показателей

["/fygvr. liod усгод. оамшл\

г

I Построить начальный c-j/i-I мек? -r^. t-f,i,s...r,'i

Вычислить F(x') |

_J Определить, х»-яшал. I___| Вычислит тижесл,

~ .л*.,) J,'*ni>u,Xt-t~fl\—" /шоеоугмбнша

|

I I-

Рис.12. Схема разработанного алгоритма

предлагаемых нами машин и ручных способов. При этом установлено, что затраты труда при применении машинного сбора по сравнению с ручным сокращаются в доморозный период примерно в 3 раза, а в после морозный примерно 4 раза. Расчет экономического эффекта проведенный по методике ВИСХОМа с учетом существующих норм выработки и тарифов оплаты труда в сельском хозяйстве МНР показал, что экономия от применения машины с пневматическим рабочим органом на уборке незамерзших ягод составляет около 217,5 тугр./т, в сравнении с ручным ошмыгиванием, а от применения машины с вибрирующим рабочим органом на уборке замерзших ягод 269,3 тугр./т, в сравнении с ручным отряхиванием.

вывода И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

В результате исследований дано новое решение актуальной научной проблемы механизации уборки ягод облепихи в природно-климатических условиях МНР, позволяющее повысить эффективность сбора урожая культурных насаждений.

1. В результате исследований установлено, что применяемый в производстве способ уборки ягод облепихи, основанный на использовании ручного труда малопроизводителен (дневная норма выработки на одного рабочего до наступления мороза 10...25 кг, а после наступления достаточного мороза 40...60 кг), требует привлечения большого числа людей.

Немеханизированные способы уборки трудоемки, на их выполнение приходится более 80% (до наступления мороза) от всех трудовых затрат на возделывание облепихи, себестоимость полученных продуктов также высока. При этом, вследствие отсутствия средств механизации и ограниченности людских ресурсов, уборка на искусственных и естественных площадях производится неполностью. В этой связи ежегодно теряется ценное лекарственное и пищевое сырье.

2. Ввиду огромного народнохозяйственного значения ягод облепихи ручной способ уборки её урожая должен быть заменен механизированным способом на основе научных исследований и технических разработок.

Установлено, что выбор способов механизации уборки ягод и обоснование параметров рабочих органов машн в значительной

мере зависит от самых различных характеристик растений.

3. В результате изучения насаждений облепихи установлены основные характеристики:

а) кустов

- ширина междурядий колеблется от номинального размера на ¿0,2 м и расстояние между кустами в рядке на ¿0,5 м;

- высота кустов в 6...8 летнем возрасте изменяется 1,45...2,80 м; диаметр кроны 1,41...2,75 м; средняя высота ствола 0...0,4 м; его диаметр у поверхности почвы 0,053... 0,097 м; средняя высота от поверхности почвы до самой высшей и низшей точек расположения ягод составляет 1,40...2,58 м и О,15...О,55 м; средняя длина плодоносящих ветвей различного сорта 0,12...О,40 м;

- модуль упругости при изгибе для ствола (5,3.. .7,8)-Ю3 мПа; для скелетных ветвей (1,6...6,5)*103 мПа и для плодоносящих ветвей (0,3...4,6)'Ю3 мПа (в зависимости от их размеров). Эти величины после наступления мороза ниже -16°С увеличиваются в 2...3 раза. Приведенный модуль упругости куста при осевом его сжатии лежит в пределах (8,8...14,1),103 мПа, при изгибе (13,8...16,4)'Ю3 мПа, то есть почти в 2,8 раза больше модуля упругости ствола данного куста;

б) ягод

- ягоды густо облепляют двухлетние ветви, расположенные в четко выраженной пространственной зоне, охватывая 35...46% общей длины скелетных ветвей. Большая часть ягод располагается на высоте 0,5...1,8 м от поверхности почвы. При этом для сбора 80...90% урожая достаточно обработать крону кустов сорта "Витаминная" и "Масличная" на высоте до 2 м, а сорта "Тэс", "Улаангом", "Чандмань" и остальные до 1,7 м;

- масса ягод лежит ь пределах 0,2...О,6 г; их длина 8...14 мм и ширина (или диаметр) 7...II мм в зависимости от сорта;

- плодоножки ягод сравнительно короткие, их длина 3... ...6 мм при диаметре около 0,5 мм. С веткой они соединены значительно прочнее, чем с ягодами, поэтому последние отрываются от плодоножек, при этом кожица ягод разрывается, а сок вытекает. Этот недостаток устраняется, когда наступает температура ниже -16°С, при которой ягоды замерзают;

- ягоды очень чувствительны к повреждениям, заметно возрастающим по мере их созревания, а когда они замерзают, подобное не наблюдается;

- величина силы отзыва ягод в биологической спелости

(в начале сентября) находится в пределах 1,3...1,8 Н, а после замерзания 0,04...О,19 Н;

- скорость витания варьируется в пределах: для ягод 12.'. .18 м/с; для листьев 0,12. ..0,16 м/с; для сухой кожицы 0,11...0,14 м/с; для семени ягод 7,2...10,4 м/с;

- коэффициент полной аэродинамической силы лежит в пределах 0,35...0,42 и зависит от формы ягод.

4. На основе изучения различных свойств облепихи и существующих ручных способов установлена возможность механизации уборки её ягод вибрационным и пневматическим методами.

5. Разработана математическая модель системы "рабочий орган-куст облепихи" (или "машина-предмет труда"), позволяющая осуществлять оптимальный выбор параметров оборудования механизированной уборки ягод облепихи вибрационным способом.

Теоретическим и экспериментальным путем определено, что:

- оптимальная высота приложения возмущающей силы для уборки ягод облепихи составляет 2,1 м, то есть лучше всего встряхивать ветки плодоносящие и высшего (3-го и 4-го) порядка;

- оптимальные параметры колебаний (амплитуда, частота и время), обеспечивающие наибольшую полноту сбора (более 94/5) и наименьшее повреждение кустов (менее 6%), составляют

А а 13 мм, л/ = 20 Гц и ^ = 6 с соответственно.

Получены уравнения регрессии, описывающие связь полноты сбора и повреждаемости кустов на параметры колебаний, высоты захвата куста и расстояние между вибрирующими стержнями.

6. Разработана и изготовлена облепихоуборочная машина с вибрирующим рабочим органом (а.с. МНР № 0083), предназначенная для уборки ягод. Установлены основные конструктивные и рабочие параметры рабочего органа машины.

7. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлены основные характеристики рабочего процесса при пневматическом способе уборки ягод облепихи:

- скорость всасывающего воздушного штока, необходимого дня отрыва ягод от ветвей в начале спелости, составляет 260...450 и/с, а в морозный период 50...90 ц/с. При применении же наряду с всасывающим потоком пульсирующих нагнетающих потоков данные величины скорости воздуха могут быть 2В0... ...300 ц/с и 40...70 и/с. Это объясняется тек, что при вибрации ветвей динамическое усилие отргва ягод уменьшается на 25...30% о? статического усилия в зависимости от времени продолжительности отряхивания;

- скорость воздушного потока, обеспечивающая транспортировку ягод, составляет 25 м/с;

- скорость воздуха, обеспечивающая выделение ягод из транспортирующего воздушного потока равна Юн/с.

8. Разработана к наготовлена облепихоуборочная машина с пневматическим рабочим органом (а.с. ПНР 9 0084), предназначенная дхя уборки отдельных ягод при всех стадиях их спелости и после наступления мороза. Установлены основные конструктивнее и рабочие параметры рабочего органа машины.

9. Получены вероятности« характеристики случайных процессов воздействия юяропрофиля поверхности почвы облепихо-вой плантации на ходовую систему уборочной машины:

- в пркродно-ыхматичесгах условиях КНР рельеф почш об-жешосовоВ шантацаи постоянно меняется в зависимости от приемов обработки, умовяй оровения, резкой изменчивости мете-орпяогичаских условий данного района;

- средняя внеота неровностей микропрофивг поверхности потаи хввш* в пределах 1,54...2,63 см, а длина неровностей 1,49... 1,80 м и расстояние кенду неровностями 1,42...1,96 м. □бехвдованше участка палей почти но отличаптся величинами коэ£фщвентов корреляционной связи с среднеквадратическими опиоэеннякн;

- статнспикснке характеристики мякропрофша поверхности почш обгешасозоа пданкщал по следах левого и правого колес маташ отхгшотся ггзяду собой эезиачзтелъно, что д ает возиоа-вэсть вцзезять характер поверхности почш в виде одного об-Е2ЙГО ураадакак.

Ю. Разработана математическая модель динамической системы "внешняя среда-обажаюсоуборочвая мяввша", позволяпцая анали-

тически на стадии проектирования определять уровень динамической нагружекности элементов конструкции машины:

- наибольшее влияние на уровень динамической нагруженное« иашины оказывает следующие факторы: скорость движения обяепихо-уборочкой машины, высота и длина преодолевает* неровностей товеркности почвы;

- при увеличении скорости двшеешш каокнн I.. .10 ц/с, добавочные нагрузки, действующие на каркас калиш воз рас таит

),025...1,4 нН, а на тело человека 0,003...0,262 гН при жест-сости рессор 240 яН/м, пита ЗВ0 Л/и, сидения оператора [2 кН/к. При жесткости рессор 600 еВ/к, вини 360 кЦДг и сяде— гая 12 нН/м соответственно наг"рузки, деЗстзупзяе иа жзреас ка-зинн - 0,025...1,12 нН, а иа тело человека - 0,003...0,2 зН.

11. Р&зработай метододигичеедий подход со ептикаяъив*? [росктарованив облепяхоуборочноЯ идтиич, а гаххе дехпзгна вез— кшюсть перехода от математически* юодезкр дгняэгагчесжвЗ сгс-!езш "Внеяняя среда-*гежэвея-»аазшкг-Ере;з«т труда Скус? сбла— ихи)" х моделям джя эрпшвкссш нссягдсвгянЯ усшггЭ ТР?-д оператора с позиции воздейстаия тшебанЕЭ и вшбрецжя и» ело чгяовека.

12. Прегсрс:« р^лжкщое&сшеть ряяриАяташ-л дтчишадвц оделея в алгорпсах шяаежьшго проеятврезгагя, а ти.яин* становлева совокупность штнгаяьинх Еаргактрвэ» созтэетегззэ-ях »швямуэду дававшпвсвях иад'рузоя ва кор^с оЯ тег' 1 ад& а>'*-ой исвиишд.

ХЗ. По . результатам иссдвдиваашД |взрейэтяая, ззгдвдеет аэ-зратю еввдетеяыягвгаш ИР 0003, 0084, 358, 32 ЕЕ? я гкеявевдэвавн пртниттикм м^'и ваше р^мии^гтота ргйстах ерта-эв и техшшлггасхапэ сбв^дирвааия ж пгреэаЗозж

[*РД ОЙШйШИШ.

14. йхоысаютесаая з^фаидшиаеи» гаг Евдреэет щрсЯ ишинм 1 сборе шщдоэ пйднтинн еаеиаадаег 217,5.. ^сУ.З ■дтр./'Е завипаяюсет от мс издав уйорп.

Осяовше содгрианэяе мцч'руч « э саветвЕдс!

ву^Ьшжованиш работах;

Бришш^н^

I. А«то»й Ч., Заагея 5., И^ьдоидду Ц» ОЗшпаха (га иеег.

языке). Госиздат, У-Б, 1974, 58 с.

2. Чмыр А.Ф., Авдай Ч., Данилов Ю.И. Сбор, хранение и переработка плодов облепихи в СССР и за рубежом. Госкомлес СССР, ВНИЩ Лес.ресурс. М., 1990, 48 с.

Основные статьи:

3. Кошевников Г.А., Авдай Ч. Исследование размерно-весовых характеристик облепихи в природно-климатических условиях МНР. Труды ТШИМСХ, вып.64, Ташкент, 1974, с.101...III.

4. Кошевников Г.А., Авдай Ч. Исследование механических характеристик плодов облепихи в природно-климатических условиях МНР. Труды ТИИИМСХ, вью.68, Ташкент, 1974, с.3.,.9.

5. Авдай Ч. Перспективы" механизации уборки облепихи в условиях МНР, Тезисы XXXIII научно-производственной конференции профессорско-препод.состава ГШИМСХ, Ташкент, 1975, с.20.,.21.

6. Авдай Ч., Кошевников Г.А. Исследование аэродинамических свойств ягод облепихи в условиях МНР (на монг.языке). Груды станции механизации и электрификации сельского хозяйства МНР, бып.1, У-Б., 1975, с.66...74.

7. Авдай Ч. Некоторые физико-механические свойства облепихи, .связанные с механизацией уборки её урожая. - В кн.: "Чацаргана", Госиздат, У-Б., 1974, с.

8. Авдай Ч., Кошевников Г.А. Ягодоуборочная машина (на монг.языке). Еурн. "Шинжлэх ухаан амьдрал", У-Б., 1975, № 3, с.35...36.

9. Авдай Ч. Некоторые результаты исследования возможности механизации уборки ягод облепихи (на монг.языке). Ученые записки МонГУ. №1 (59), У-Б., 1977, с. 107... 126.

10. Авдай Ч. Некоторые результаты исследования по механизации уборки ягод облепихи. Ученые записки МонГУ, № I. 2 (77.78), У-Б., 1982, с.195...204.

11. Авдай Ч., Кульбадный П.Ф., Тимурбатор Н., Пурев Д. Измерение кустов облепиховых плантаций методом перспективного проецирования. Научные труда. ИонПИ. № 2(6), У-Б., 1987,

с.26...31.

12. Авдай Ч., Баасанхуу Г., Балган Б. Некоторые результаты исследования по механизированной уборке и промышленной переработке ягод облепихи (на мон.языке). Нурн.: "Техник техно-

логийн Мэдээ", У-Б,, 1986, № 2, с.13...16.

13. Авдай Ч., Кульбашный П.Ф., Тимурбатор Н., Пурев Д. Методика и результаты измерений осевой жесткости облепихо-вых кустов при сжатии. Научные труда МонПИ. № 1(7). У-Б., 1988, с.33...47.

14. Авдай Ч., Кульбашный П.Ф., Тимурбатор Н., Пурев Д. Геометрическая модель облепихового куста. Научные труды МонПИ. А® I (7). У-Б., 1988, с.34«..38.

15. Авдай Ч., Кульбашный П.Ф., Тимурбатор Н., Пурев Д. Методика и результаты измерений изгибной жесткости облепи-ховык кустов. Научные труда МонПИ. №> 2 (8). У-Б., 1988, с.З ...II.

16. Авдай Ч., Кульбашный П.Ф., Тимурбатор Н., Пурев Д. Модель куста облепихи как упругого элемента, работающего на изгиб. Научные труды МонПИ. № 2 (8). У-Б., 1988, с.II...18.

17. Авдай Ч., Баасанхуу Г., Суренхор Б., Туул Ч. Совершенствование техники и технологии по переработке ягод облепихи (на монг.языке). Материалы научно-производственной конференции "Чацаргана-86", У-Б., 1986, с.35...37.

18. Авдай Ч., Балган Б, К вопросу механизации уборки

ГГПЛГ» 1-чА' ( гчп 1 Г Ш ГГГ-.1 »Т*/-> ) И П ГТ*Г\Т*1 т т * ло т УиЛт* лпгтлшлои.

«дд V Ч1Л • / • ШМ ниjf ^ и^и а ¿-1Ч-/ < 1

ной конференции "Чацаргана-86", У-Б., 1986, с.33...35.

19. Авдай Ч., Чимэд-Очир Г., Суренхор Б., Нацагдорж Ч. Интенсификация технологического процесса получения масла облепихи. Научные труды МонПИ. У-Б., 1989, № 2 (10), с.27... ...39.

20. Авдай Ч., Балган Б. Оптимизация технологических параметров механизированного сбора ягод облепихи. Научные труды МонПИ. У-Б., 1989. №2(10), с.13...26.

21. Федорович Н.В., Хуухенхуу Б., Авдай Ч. Исследование тепло и массообмена в процессах сушки облепихового жома. Научные труда МонПИ. 1989, № 1(9), с.14...27.

22. Авдай Ч., Гарке В.Г., Нацагдорж Ч., Чимэд-Очир Г. К вопросу разработки алгоритма микропроцессорного устройства управления технологической линией производства облепихового масла. Научные труды МонПИ, № 1(11). У-Б., 1990,

с.19...27.

23. Авдай Ч„, Глушковский A.A., Чимэд-Очир Г. Математическое моделирование технологического процесса получения масла из кожуры ягод облепихи. Научные труда МонПИ. № 1(11). У-Б., 1990, C.8...19.

24. Авдай Ч. Модель динамической системы облепихоубороч-ной машины. Научные труда. МонПИ. № 2(12). У-Б., 1990, с.6,.,19.

Авторские свидетельства на изобретения:

25. A.c. 0083 (МНР). Машина для уборки замерзших ягод облепихи. Авдай Ч., Кошевников Г.А., Суренхор Б., Осипов D.C. Решение № 38, ГКНТ МНР от 28 апреля 1975 г.

25. A.c. 0084 (МНР). Машина для уборки ягод облепихи. Авдай Ч., Кошевников Г.А., Тимурбатор Н. Решение № 39 ГКНТ МНР от 28 апреля 1975 г.

27. A.c. 358 (МНР). Машина для очистки ягод облепихи. Авдай Ч., Балган Б. Решение » 22 ГННГ МНР от 13 февраля 1985

28. A.c. 446 (МНР). Способ получения облепихового мас'ла. Авдай Ч., Баасанхуу Г,, Суренхор В., Чимэд-Очир Г., Туул Ч. Решение № 141 ГКНТкЗО МНР от 09 июля 1988 г.

29. A.c. 482 (МНР). Технологическое оборудование для получения масла облепихи. Авдай Ч., Суренхор Б., Чиыэд-Овдр I Нацагдорж Ч, Решение № 194 ГКНТиВО МНР от 31 августа 1989 г.

Отзывы на автореферат с заверенными подписями просим направлять по адресу: 194018 Ленинград, Институтский пер., 5. Лесотехническая академия, ученый совет.

Подписано в печать с оригинал-макета 12.06.90. >2ормат 60x90 1/16. Бумага оберточная. Печать офсетная.Изд.й^ Уч.-изд.я. 2,0. Печ.л. 2,75.Тираж 100 экз. Заказ Я 132. Бесплатно.

Редакционно-издательский отдел ЛТА

Подразделение оперативной полиграфии ЛТА. 194018. Ленинград, Институтский шр., 3.