автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и обоснование основных параметров обрезчика ветвей для крестьянских (фермерских) хозяйств

6 / Ч ' * ; - ?

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РФ ДЕПАРТАМЕНТ КАДРОВОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ ГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ГГАУ)

На правах рукописи УДК 631.3:634.1/7

ТУРИЕВ Олег Игорьевт

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБРЕЗЧИКА ВЕТВЕЙ ДЛЯ КРЕСТЬЯНСКИХ (ФЕРМЕРСКИХ) ХОЗЯЙСТВ

Специальность 05.20.01 -Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: К.Т.Н., С.Н.С. Р. М. ТАВАСИЕВ к.т.н., доцент К. Д. ЖУДЗИЕВ

Владикавказ 1999

СОДЕРЖАНИЕ 2

Введение .......... 1. Состояние вопроса и задачи исследований . . . - „ 4 7

1.1 Анализ способов и технических средств для детальной обрезки ветвей

растений............... 7

1.2. Анализ полумеханизированных средств обрезки ветвей . 9

1.3. Механизированные средства обрезки ветвей...... 15

1.4. Выводы.............. 34

1.5. Цель и задачи исследований.......... 34

2. Обоснование объекта исследований . . ^го** ( .... 36

2.1. Выбор мобильного энергетического средсйй 'вбртзки ветвей . 36

2.2. Изыскание оптимальной схемы компоновки обрезчика с мотокультиватором 42

2.3. Выводы.............. 51

3. Размерные показатели и некоторые физико-механические свойства ветвей плодовых растении................52

3.1. Программа и условия проведения исследований.....53

3.2. Определение габитуса крон и размерных характеристик обрезаемых ветвей 54 3.3 Определени зависимости твердости плодовой древесины от ее влажности

температуры окружающей среды.........57

3.4. Выводы..............61

4. Теоретическое обоснование основных параметров обрезчика ветвей . . 63

4.1. Исследование механизма привода........65

4.1.1. Кинематический анализ механизма привода......67

4.1.2. Определение усилия механизма, действующего на силовой гидроцилиндр 71

4.2. Динамический расчет гидравлической цепи ......77

4.3. Выводы..................89

5. Экспериментальные исследования обрезчика ветвей „ . . . .91

5.1. Цель и программа исследований.....

5.2. Результаты лабораторных исследований ....

5.2.1. Определение усилия среза ветви . . . . .

5.2.2. Определение параметров рабочего процесса гидросистемы

5.3. Определение оптимального режима работы обрезчика ветвей

5.4. Испытание гидропривода на герметичность и надежность

5.4.1. Контроль герметичности гидропривода .

5.4.2. Определение надежности гидропривода .

5.5. Определение оптимальной конструкции секатора

5.6. Результаты производственных испытаний агрегата

5.6.1. Техническое описание и принцип работы

5.6.2. Описание технологического процесса

5.6.3. Техническая характеристика агрегата

5.6.4. Результаты испытаний агрегата.

5.7. Выводы.......

6. Экономическая эффективность обрезчика ветвей

6.1. Методика и исходные данные расчета.

6.2. Сравнительные показатели экономической эффективности

6.3. Выводы...........

Заключение и рекомедации производству ....

Приложения.

91

91

92 94 96

104 104 106 108 117 117 121 121 125 127 129

129

130

131

132 135 141

ВВЕДЕНИЕ

В условиях рыночной экономики появление небольших по размеру крестьянских (фермерских) хозяйств - объективно обусловленный процесс. Число зарегистрированных крестьянских (фермерских) хозяйств в России в 1997 году составило более 280 тыс., площадь предоставленных им земельных участков - более 12 млн. га. При этом средний размер земельного участка составил 42,8 га на одно хозяйство [1].

В структуре производства продукции сельского хозяйства крестьянские (фермерские) хозяйства занимают более 4 % в 1997 году, в то время как в 1990 году он составлял всего 0,2% [1]. В основных зонах садоводства и виноградарства каждое второе хозяйство имеет сады, виноградники, ягодники [2].

Ведущей агротехнической операцией в садах, виноградниках, ягодниках, обеспечивающей высокие урожаи качественных плодов и ягод, является ежегодная (своевременная) обрезка ветвей растений. Кроме того, правильная обрезка способствует механизации опрыскивания и, самое главное, - уборке урожая [3].

К числу факторов, сдерживающих становление и развитие фермерства можно отнести недостаток специальной техники, а также высокие цены на существующие машины и агрегаты [4]. Большая часть техники из существующей системы машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства ориентирована на крупные растениеводческие и животноводческие комплексы с индустриальными технологиями. Ее использование в малых и средних хозяйствах невозможно или экономически нецелесообразно.

В складывающейся ситуации одним из наиболее рациональных, оперативных и достаточно эффективных путей повышения производительности и облегчения труда производителей сельскохозяйственной продукции представляется оснащение фермерских хозяйств средствами малой механизации.

Их преимущество определяется такими их свойствами, как минимальные

массо-габаритные характеристики, высокая маневренность, небольшие расходы на приобретение, эксплуатацию и ремонт, простота обслуживания, способность удовлетворять различным условиям эксплуатации, минимальное отрицательное воздействие на организм человека, на почву и окружающую среду [4... 9].

В настоящее время в нашей стране ни одно малогабаритное энергетическое средство (мотоблоки, минитракторы) не имеет устройства для обрезки ветвей в садах, виноградниках, ягодниках. В то же время более 25 % всех трудозатрат на производство плодово-ягодной продукции занимает операция по обрезке ветвей растений.

В связи с изложенным, разработка и обоснование основных параметров обрезчика ветвей для крестьянских (фермерских) хозяйств, обеспечивающего качественный срез ветвей растений, является актуальной задачей настоящего времени.

На защиту выносятся следующие основные положения:

— результаты исследований размерных показателей и некоторых физико механических свойств растений.

— результаты изысканий по выбору базового энергетического средства и обоснования объекта исследований.

— теоретическое обоснование основных параметров обрезчика ветвей растений.

— результаты лабораторно-полевых исследований опытного образца об резчика ветвей, а также его испытаний в хозяйственных условиях, позволившие установить хорошую согласованность расчетных и экспериментальных показателей.

— расчет экономической эффективности, показывающий, что внедрение обрезчика ветвей обеспечивает экономический эффект в размере 6135,5 руб. в год (сезон).

Работа выполнена в Горском государственном аграрном университете (ГГАУ) в 1995-1998 гг.

Экспериментальные исследования проводились: в крестьянских (фермерских)

хозяйствах, садоводческих товариществах, садоводческом хозяйстве «Осетия» Республики Северная Осетия-Алания.

Проведенные исследования явились составной частью НИР, выполняемых в Горском ГАУ по теме «Разработка средств малой механизации» (шифр 13-13 1М, заказчик - МСХП РФ, департамент кадровой политики и образования), а также Федеральной целевой программы «Социально-экономическое развитие Северной Осетии-Алании до 2000 года» /Утв. Постановлением правительства РФ от 12.03.1996 г. № 269, подпрограмма «Горы Осетии», кн. 111, п.п. 17. Офици аль-ное издание/. - Владикавказ, 1996. - 532 с.

Научная новизна работы состоит в обосновании основных параметров обрезчика ветвей на базе мотокультиватора «Крот» МК-1А: обоснована рациональная компоновочная схема обрезчика с мотокультиватором «Крот»; определены размерные показатели надземной части растений и некоторые физико-механические свойства древесины; установлены зависимости между параметрами обрезчика и требуемым усилием среза ветвей; получена математическая модель гидравлической цепи; изложены результаты лабораторно-полевых исследований опытного образца обрезчика, подтверждающие правильность теоретических разработок и дающие возможность обосновать методом полнофакторного эксперимента его оптимальные параметры; приведены результаты испытаний обрезчика ветвей и экономический расчет, показывающие его высокую эффективность. Материалы исследований приняты и используются департаментом механизации, электрификации и МТС сельского хозяйства, ассоциацией крестьянских (фермерских) хозяйств Северной Осетии-Алании, Центральным опытно-конструкторским бюро (г. Владикавказ), дирекцией Программы «Горы Осетии» при разработке и освоении серийного производства обрезчика на базе мотокульти ватора «Крот» (приложения 1 - 4).

Все хозяйства, в которых проводились испытания обрезчика, в актах испытаний рекомендуют немедленное освоение его серийного производства (приложения 5...8).

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ способов и средств механизации для детальной обрезки ветвей растений

В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом применяют два способа обрезки ветвей: детальный, осуществляемый вручную, и сплошной - с помощью контурных обрезчиков. С помощью детального способа вручную проводят выборочную вырезку отдельных ветвей, так как оценка необходимости ее в каждом случае определяется рабочим. При сплошном способе обрезка проводится контурными обрезчиками (МКО - 3, ЧВЛ - 3 и т. п.), которые формируют крону по ширине вдоль ряда, а также по их высоте [10].

Средства для осуществления детальной обрезки ветвей при ручном способе можно разделить на три основные группы: простые секаторы, в которых используется мышечная сила руки человека без всяких усилителей (механических, гидравлических); секаторы с полумеханизированным приводом, в которых с целью облегчения работы рабочего применяются различные механизмы для увеличения усилия среза; секаторы, работающие под действием сил электричества, сжатого воздуха и жидкости.

Простые секаторы по принципу действия подразделяются на

- секаторы двустороннего резания;

- секаторы одностороннего резания;

- секаторы с резанием в упор.

Их конструкции и функциональные особенности достаточно полно отражены в работе [11]. В ней приводится вывод о том, что основным типом простых секаторов, нашедшим широкое применение во всех странах с развитым садоводством, является секатор одностороннего резания. Однако они пока обладают рядом существенных недостатков.

Рис. 1.1. Классификация способов и средств обрезки ветвей растений

В частности, несовершенна геометрия режущих органов, необходимо большое мышечное напряжение человека (300... 400 Н). Более того они, как правило, рассчитаны на срез ветвей диаметром в пределах 15 мм. В конечном счете они обладают очень низкой производительностью.

На рис. 1.1. представлена классификация способов и средств обрезки ветвей растений, применяемая в настоящее время.

1.2. Анализ полумеханизированиых средств обрезки ветвей

На рис. 1.2. представлены садовые ножницы, которые можно отнести к секаторам с полумеханизированным приводом (с механическим усилителем) [12].

Садовые ножницы состоят из ручки 1, выполненной в виде коробчатого желоба с пазами 2 с наружной стороны для крепления крышки 3, снабженной отверстием 4, в котором смонтирована шлицевая ось 5, а на ней двуплечий рычаг 6 с роликами 7 и 8, причем шлицевая ось снабжена кольцевой проточкой 9 для фиксирования ее от осевого смещения пружинистой шайбой 10, режущего ножа 11с рамкой 12, в которой выполнен косой сквозной паз 13, противорежущего ножа 14 с рамкой 15, в которой выполнен косой сквозной паз 16. На противорежу-щем ноже 14 шарнирно смонтирован хвостик 17, шарнирно соединенный с тягой 18, второй конец которой шарнирно соединен со стенкой коробчатого желоба. Подвижная ручка 19 снабжена в шарнирных соединениях шлицевыми шайбами 20, фигурная пружина 21 соединена одним концом со шлицевой осью, а втором концом - с коробчатым желобом, фиксатор 22 с зубом 23 контактирует с вырезом 24 крышки 3.

Садовые ножницы работают следующим образом.

До начала работы сдвигают фиксатор 22 вниз. Зуб 23 выходит из выреза 24 крышки 3. Отпускают ручку 19. Фигурная пружина 21 воздействует на шлицевую ось 5, которая вместе с двуплечим рычагом 6 проворачивается, и ролики 7 и 8, взаимодействуя с косыми сквозными пазами 13 и 16, размыкают ножи 11 и 14, заводя ножницы в зону обрезки так, чтобы срезаемая ветка зашла между

Рис» 1.2. Садовые ножницы (с механическим усилителем): а - общий вид; б - без 4: крышки; в - разрез А-А; г - двуплечий рычаг

ножами. Ножи 11 и 14 прижимают подвижной ручкой 19, при этом ручка 19 поворачивает шлицевую ось 5 вместе с двуплечим рычагом 6, который, контактируя роликами 7 и 8 с косыми сквозными пазами 13 и 16 рамок 12 и 15, смыкает ножи, срезав ветку. Отпускают подвижную ручку, и под действием растяжения фигурной пружины 21 все части ножниц занимают исходное положение.

Дворянинов А. Г. изобрел секатор с ножным гидроприводом, способным увеличить усилие среза [13]. На рис. 1.3. показан ножной секатор в неработающем положении, его общий вид.

Ножной секатор содержит шарнирно установленные подпружиненные ножи 1 с рычагами 2 и 3 и рукоятками 4 и 5, трос 6 с боуденовской оболочкой 7. Один конец троса 6 взаимосвязан с ножом, а другой - с нажимным элементом, выполненным в виде установленного в гильзе 8 ползуна 9, которые изогнуты по радиусу движения. Один конец боуденовской оболочки 7 закреплен на рукоятке 5, а другой на опорной пластине 10.

На гильзе 8 смонтирована задвижка 11 со стопорным винтом 12 для фиксации ползуна 9 в нижнем положении. На соединенной с тросом 6 рукоятки 4 установлен съемный удлинитель 13, который соединен с рукояткой при помощи скоб 14.

На нижнем конце гильзы 8 установлена опорная пластина 15. Гильза 8 имеет прорезь 16, в которой размещена шейка 17, соединяющая ползун 9 с подпятником 18.

Ножной секатор работает следующим образом.

Ножи 1 секатора подводятся к отрезаемой ветви. Оператор нажимает ногой на подпятник 18, опуская ползун 9 вниз по гильзе 8. Соединенный с ползуном 9 трос 6 воздействует на рукоятку 4, и ножи 1 смыкаются, перерезая ветвь.

Для удобства среза труднодоступных ветвей устанавливается удлинитель 13.

С целью повышения удобства перемещения ползун может быть зафиксирован задвижкой 11.

Применение секатора позволяет повысить удобство обрезки ветвей, т.к. оператор имеет возможность фиксировать перемещение ползуна и производить обрезку в труднодоступных местах.

Рис, 1.3. Секатор с ножным гидроприводом: а - общий вид, б - нажимной эле* - мент, в - разрез А-А общего вида, г - разрез Б-Б нажимного элемента.

На рис. 1.4. изображен секатор механический для обрезки ветвей деревьев и кустарников [14]. Целью изобретения является повышение удобства пользования.

Секатор содержит полый корпус 1 с колпачком 2, внутри которых размещен боек 3 с пружиной 4. Боек 3 связан с подвижным ножом 5. В задней части корпуса размещен ударник 6 с приводной пружиной 7 и кольцевой проточкой 8 для зацепления с собачкой 9 рычага 10, являющегося спусковым элементом. Собачка 9 связана с рычагом 10 шарнирно посредством пружины 11. Корпус 1 имеет продольный паз 12, по которому перемещается собачка 9. На колпачке 2 корпуса установлен неподвижный противорежущий нож 13.

Секатор работает следующим образом. Срезаемую ветвь оператор вводит в зев ножей 5 и 13 и пальцами руки начинает прижимать рычаг 10 к корпусу 1. Подвижный нож 5 предварительно врезается в древесину срезаемой ветви, при этом собачка 9 через продольный паз 12 корпуса входит в зацепление с кольце вой проточкой 8 ударника 6 и упирается в ее торцовую поверхность, перемещая ударник в заднюю часть корпуса, сжимая пружину 7. При дальнейшем нажатии на рычаг собачка, благодаря скосу продольной грани, выходит из зацепления с кольцевой проточкой ударника 6 и освобождает пружину 7, усилие которой действует на ударник 6, который, в свою очередь, наносит удар по бойку 3 ножа 5, производя срезание ветви.

После срезания ветви пружина 11 перемешает скошенный конец собачки по продольному пазу 12 корпуса в сторону ножей и заводит его в кольцевую проточку ударника. Нажатием пальцев руки ударник 6 отводится от бойка и пру жина 4 возвращает подвижный нож 5 в раскрытое положение.

Анализ конструкций полумеханизированных секаторов всех типов позволяет сделать вывод о том, что они обеспечивают удобство для рабочего за счет уменьшения прикладываемой им силы. Однако, практически все полумеханизированные секаторы по массе значительно (в два и более раз) превосходят простые секаторы, не говоря уже об их сложной конструкции. Вследствие сказанного секаторы с полумеханизированным приводом не получили широкого распространения.

г

Рис. 1.4. Секатор (механический): а - разрез общего вида; б - то же самое в момент среза ветви

1.3. Механизированные средства обрезки ветвей

Детальная обрезка - это очень эффективный и ответственный агроприем, от которого зависит рост, развитие, плодоношение и долговечность растений [1517]. Поэтому ведущими учеными и специалистами в области создания машин для садоводства и виноградарства сформулирована еще в конце 70-х годов конкретная научно-техническая задача: «... ускорить создание хорошего механизированного инструмента, в первую очередь, - гидравлического, для обрезки