автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технические средства в технологии ручной уборки ягод земляники

005011305

ФИЛИППОВ РОСТИСЛАВ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА В ТЕХНОЛОГИИ РУЧНОЙ УБОРКИ ЯГОД ЗЕМЛЯНИКИ

Специальность:

.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

1 МАР ^«2

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата сельскохозяйственных наук

МОСКВА-2012

005011305

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийском селекционно-технологическом институте садоводства и питомниководства Российской академии сельскохозяйственных наук.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

член - корреспондент РАСХН Ю.А. УТКОВ

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАСХН,

доктор технических наук, профессор Артюшин Анатолий Алексеевич ГНУ Всероссийский институт механизации Россельхозакадемии

кандидат сельскохозяйственных наук Шевкун Николай Александрович ФГОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет им.В.П. Горячкина

Ведущая организация: ГНУ ВНИИС им. И.В. Мичурина

Россельхозакадемии

Защита состоится «29» марта 2012 г. в 13~ часов на заседании диссертационного совета Д 006.035.01 в Государственном научном учреждении Всероссийском селекционно-технологическом институте садоводства и питомниководства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии) по адресу: 115598, Москва, Бирюлёво-Загорье, ул. Загорьевская 4, конференц-зал, факс 8(495) 329 31 66.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ Всероссийского селекционно-технологическом института садоводства и питомниководства Российской академии сельскохозяйственных наук, с авторефератом - на официальном сайте ВАК РФ - И Нр/Д/ак.ed.gov.ru и на официальном сайте ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии - 11Нр//у5Й8р.о^

Автореферат разослан «/£•» февраля 2012 г.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные и скреплённые гербовой печатью, просим направлять учёному секретарю диссертационного совета.

Учёный секретарь диссертационного совета

кандидат сельскохозяйственных наук С ^ Л.А. Марченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное состояние производства ягод земляники в нашей стране характеризуется снижением площадей и объема выпуска продукции. Изменилась социально - психологическая ситуация в сельской местности, в связи с чем все трудней стало привлекать людей к уборке урожая, да и стоимость ручного труда возросла.

Анализ затрат труда при существующих технологиях возделывания земляники показывает, что наиболее трудоемкими операциями плантации являются уборка урожая, на которую приходится до 60 % от всех затрат.

Традиционный ручной сбор земляники считается тяжелой работой, так как связан с неудобным положением работающих и статическим напряжением мышц конечностей и туловища, что, в свою очередь, является одной из причин профессиональных заболеваний опорно-двигательного аппарата человека.

С целью повышения производительности при уборке ягод земляники вручную, экономии трудовых затрат, создания более комфортных условий работы в последние 25-30 лет наряду со сложными машинами создавались упрощённые технические средства. К ним можно отнести индивидуальные тележки и многоместные платформы, которые кроме экономии трудовых затрат (около 30%), позволяют выполнять работу в удобном положении, что облегчает труд и способствует профилактике профессиональных заболеваний. Разработаны различные подставки для тары, заменяемой по мере наполнения при сборе ягод вручную; мобильные платформы для размещения на них сборщиков ягод, а также порожней и наполняемой ягодами тары; грузовые платформы для промежуточного складирования тары, которые перемещаются по плантации вместе с рабочими, а в определённых местах разгружаются. Однако в комплексе эти технические средства практически не применялись даже в крупных земляничных хозяйствах не только в России, но и за рубежом. Это подтверждает актуальность создания и применения комплекса технических средств для рационализации уборочных работ на промышленных плантациях.

Цель работы. Повышение производительности ручного сбора ягод земляники путём выявления оптимальной технологии процесса уборки с применением технических средств, которые сочетают в себе простоту конструкции и обеспечивают эффективность их использования независимо от антропометрических показателей сборщиков.

Объектом исследования являются технические средства для рационализации процесса сбора ягод земляники.

Предмет исследования. Технологический процесс ручной уборки урожая земляники с применением комплекса технических средств.

Методика исследований. В работе использованы общепринятые методы математической обработки опытных данных. Для комплексного решения поставленных задач применяли элементы системного анализа. Теоретические исследования проводили на основе известных положений высшей математики и физики. Экспериментальные лабораторные и полевые исследования проводили

по общепринятым методикам исследования, включая методы планирования факторных экспериментов. Обработка основных результатов экспериментов проводилась при помощи стандартных компьютерных программ, а также разработанных в процессе исследований.

Научная новизна. Выделены новые элементы классификации способов и средств уборки ягод земляники, ориентированные на рационализацию ручного труда. Методом экспертной оценки и предложенной программой для ЭВМ, выявлены доминирующие факторы, влияющие на процесс ручного сбора ягод (свидетельство о гос. Регистрации программы для ЭВМ № 2010614878 от 27 июля 2010 г.). Теоретически и экспериментально обосновано расположение сиденья сборщика ягод между рядами и установлены основные конструкционные параметры его рабочего места. Сформулированы характеристики технических средств для усовершенствования технологии ручной уборки ягод земляники на всех этапах уборочных операций (патент РФ № 2415550 от 10 апреля 2011 г.). Определены закономерности изменения производительности от применения технических средств различного типа при уборке ягод земляники.

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы заключается в создании условий для повышения производительности ручного сбора ягод земляники путём применения разработанных технических средств в течение всего периода уборки ягод.

Реализация результатов работы. Результаты исследований приняты Акционерным обществом «Головное специализированное конструкторское бюро по комплексам машин для механизации работ в садах, виноградниках, питомниках и ягодниках» (г. Кишинёв, Республика Молдова) для использования при проектировании уборочных технических средств. Комплекс технических средств для уборки урожая земляники положительно оценён научно-производственным отделом ГНУ ВСТЙСП Россельхозакадемии и ФГНУ «Росинформагротех» (протокол № 15-01-2011 (9150016) от 30 сентября 2011 г. предварительных испытаний земляникоуборочной платформы ВПЗ-1 на соответствие техническому заданию).

Апробация. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы обсуждались и одобрены: на заседаниях секции центра механизации (2009 - 2011гг.), на Учёном совете ВСТИСП (20092011гг.), на международной научно-технической конференции «Конструирование, использование и надёжность машин сельскохозяйственного назначения» (г. Брянск, БГСХА, 2011г.); на V международной научно-практической конференции «Наука и молодёжь: новые идеи и решения» (г. Волгоград, 2011г.), на Всероссийском научно-практическом семинаре "Отечественные машины для садоводства" (г. Москва, ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии, 2011г.).

На защиту выносятся:

- Методы определения оптимальных параметров технических средств и рабочего места сборщика при работе на земляникоуборочных платформах, обеспечивающих повышение эффективности уборочного процесса.

- Результаты полевых исследований и испытаний земляникоуборочных платформ и других новых технических средств, улучшающих условия труда.

- Оценка экономической эффективности использования комплекса технических средств на уборке ягод земляники.

Публикации. По результатам исследований опубликованы четыре печатные работы, в том числе две в изданиях, включённых в список ВАК, а также получен один патент РФ на изобретение и одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена на 156 страницах и состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 106 наименований и 7 приложений. Она содержит 84 рисунка, 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность направления исследований и дана общая характеристика выполненной работы.

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» рассмотрены и проанализированы способы и технические средства, применяемые при ручной и машинной уборке урожая земляники на промышленных плантациях.

Мировой и отечественный опыт позволяет выделить несколько направлений в решении проблемы повышения эффективности уборки урожая земляники.

Первое направление - сбор ягод с применением ручного инвентаря и различного вида рациональной тары, и приспособлений для сбора и переноски ягод.

Второе направление - сбор ягод с применением тележек и платформ, которые можно разделить на три класса: перекатываемые самим сборщиком, перемещаемые по плантации с помощью трактора и самоходные.

Третье направление - сбор ягод с помощью передвижных агрегатов, снабженных набором поперечных и продольных транспортеров для транспортировки и накопления собранных ягод.

Четвертое направление - сбор ягод с применением поточных ягодоуборочных машин. В этом случае резко снижаются затраты труда и себестоимость ягод, однако собранные механизированным способом ягоды, годятся в основном для технической переработки. По различным причинам эффективных земляникоуборочных комбайнов пока в мире не создано.

На основании анализа технических средств для рационализации ручной уборки земляники можно отметить, что они широко применяются в зарубежных странах (США, Англии, Италии др.).

На основании работ Айсарова P.M., Борисовой Г. В., Брика B.C., Бычкова В.В., Доломановой Г.С., Евсеевой O.A., Матвеева В.А., Поповой И.В., Трушечкина В.Г., Уткова Ю.А., Цымбала Ю.А.,Чухляева И.И., Яковлева И.Г, Benne R. и других исследователей проведена классификация способов и технических средств для уборки урожая земляники (рисунки 1,2).

Способы уборки урожая згмлишики

Ручной

ГГ

Полумехантнрованный

С применением

ГС

Механизированным

Платформы

Подставок под тару

ИГ

Подносов

Агрегаты, снабжённые транспортёрами

Желобов

Рисунок 1 - Способы уборки урожая земляники

Рисунок 2 - Классификация платформ для

уборки ягод земляники

Рассмотрены свойства растений земляники, которые формируют требования уборочного процесса с использованием технических средств.

На основании результатов анализа литературных источников доказана целесообразность применения различных технических средств, повышающих эффективность ручного сбора ягод.

Целью работы является повышение производительности ручного сбора ягод земляники путём выявления оптимальной технологии уборочного процесса с применением технических средств, которые сочетают в себе простоту конструкции и обеспечивают эффективность их использования за счёт улучшения условий труда независимо от антропометрических показателей сборщиков.

В задачи диссертационной работы входит:

1 .Обоснование оптимальных технологических приёмов и перспективных направлений создания технических средств повышающих эффективность ручного труда.

2.Разработка комплекса технических средств для уборки урожая земляники: -конструкции подставки для тары,

-конструкции грузовой платформы для вывозки урожая, -конструкции различных платформ (1,2,3-х местных).

3.Исследование параметров и режимов работы разработанных технических средств.

4.Проведение испытаний комплекса технических средств.

5.Разработка рекомендаций и внедрение новых технических средств в производство.

Во второй главе «Программа и методика исследований» с использованием элементов системного анализа определены требования к разрабатываемым техническим средствам и предложены методы обоснования их конструкций.

Как известно, на эффективность процесса уборки ягод влияет большое количество различных по значимости факторов, которые условно можно разделить на четыре группы: природно-климатические, биологические, организационно-хозяйственные, инженерно-психологические. Каждой из этих групп свойственно своё множество факторов. На стадии проектирования технических средств необходимо было определить степень влияния этих факторов на процесс уборки. Для этого применены методы системного анализа на основе экспертной оценки, так как оценить влияние разных по своей природе факторов иным путём затруднительно.

Проведение экспертной оценки выполнялось в следующей последовательности:

-выбор метода получения экспертной информации и способов ее обработки;

-подбор экспертной группы; -опрос экспертов (экспертиза);

-разработка программы и методики для обработки и анализа результатов экспертизы;

интерпретация полученных результатов.

Теоретически и экспериментально в лабораторных условиях обоснованы параметры рабочего места сборщика ягод на платформе (рисунок 3).

1 - секция платформы, 2 - вертикальная планка (служит ориентиром начала отсчёта), 3 - транспортиры для измерения отклонения тела, 4 - площадка для имитации параметров рядка, 5 - подножка;

Рисунок 3 - Схема моделирования процесса сбора ягод земляники с платформы в лабораторных условиях для изучения зоны досягаемости

Конструкция технических средств разрабатывалась с применением компьютерной программы АРМ Win Machine.

Методика проведения полевых исследований была направлена на изучение параметров плантации; выявления оптимальных параметров подставки для тары, мобильных и грузовой платформ, в том числе и путём постановки факторных экспериментов; изучение эффективности применения технических средств на товарной плантации, путём проведения хронометражных исследований и постановки факторных экспериментов. Поиск путей улучшения условий труда при применении технических средств (опросы, хронометраж, определение изменения некоторых физиологических параметров человека).

В третьей главе «Результаты проведённых исследований» представлены полученные результаты и дан их анализ.

С помощью специально разработанной компьютерной программы были ранжированы факторы, влияющие на процесс ручного сбора ягод земляники. Для дальнейшего рассмотрения были приняты только те, уровень значимости которых был выше 50% (рисунок 4).

Значимыми оказались следующие факторы: урожайность, размер ягод (масса), дружность созревания, усилие отрыва ягод, погодные условия, наличие сорняков, поражаемость серой гнилью, плотность ягод, выносливость сборщика, уровень организации труда, оплата труда сборщика, квалификация работника.

%

« 12 .16 23 . 18 2§ 22 31 23 6 10 7 9 23 & 30 .33 5 2 '? 21 м 13 Г: : '5 • 11 К

порядковый 11 фактора

Рисунок 4 - График распределения факторов по степени значимости

Так как большое количество значимых факторов относится к различным свойствам растений земляники и параметров плантаций, необходимо было провести более углублённые исследования этих показателей в аспекте полумеханизированного ручного сбора. В частности определены соотношения массы ягоды к их количеству в различные периоды плодоотдачи, установлены некоторые параметры рядков на товарной плантации и проанализировано пространственное расположение ягод на кусте.

Дальнейшим этапом работы явилось теоретическое обоснование оптимального размещения сборщика во время работы путем вычисления затрат энергии в процессе сбора (рисунок 5).

положении сидя.

Полная кинетическая энергия Т складывается из кинетических энергий верхней Т2 (головы) и нижней частей Tj (корпуса) человека:

Т=Т,+Т2 (1)

о т ту о2, Т ™2УС22

Здесь Т, = -j- и Т-> = —-— (2)

где т, - сумма масс верхней и средней частей корпуса; т2 - масса головы сборщика;

Vcl и Vc2 - линейные скорости центров масс корпуса и головы сборщика. Данные скорости определены по формулам: Vc, = со, • ОС, = а1 ■ ОС,; Vc2 = со2 • ОС2 = а2 • ОС2, где - ОС, и ОС2 - расстояния центров масс С, и С? от точки О; со, = а, = а и со2 =а2 = а - угловые скорости нижней и верхней масс (корпуса и головы).

При максимальном угле наклона в 30° значения со, и ю2 будут

• , п ч / тг

одинаковыми и равными со, = а>2 = а =( — •t), = —

о 6

Расстояния ОС, и ОС? возьмем равными ОС,=0,Зм ОС2 = 0,6 м Подставляя в (1) выражения (2), с учётом (3), получим:

1Л[щ{а.0С,У + тг{а-ОСгУ]

1

или Г= - • а (т, ОС,2 + т2 ОС\) (3)

Принимаем т, = 25,5 кг и т2 = 5 кг

Тогда, за один наклон, сборщик потратит энергию, равную

Т=~-~(25,5 ■0,09 + 5 ■ 0,36) = 1,07Дж

Наблюдения показали, что в среднем за смену сборщик совершает 854 наклона. Следовательно, расход энергии за смену, только на наклоны, будет равен:

7=554 -1,07-914 Дж Выполненные расчёты подтверждают, что наиболее выгодное положение сборщика, во время работы - сидя между двумя рядами, когда глубокие наклоны практически исключаются.

С учётом этого были проведены работы по проектированию и изготовлению технических средств в т.ч. земляникоуборочной велоплатформы ВПЗ, используя системы автоматизированного расчёта и проектирования машин, механизма и конструкции АРМ Win Machine, произведены расчёты прочности, жёсткости и устойчивости, а также напряжённо - деформированное состояние конструкции рамы платформы. Расчитаны оптимальные передаточные отношения привода, выбран материал самой конструкции (рисунки - 6,7).

Рисунок 6 - Модель конструкции платформы с приложенными усилиями в АРМ Structure 3D

I Карга результатов - Комбинация загружена

SVM|Wuu"2|. SMAX?AU|K/mu*2|

Рисунок 7 - Карта нагружений, испытываемых конструкцией, в АРМ Structure 3D

В конструкции были учтены антропометрические размеры человека, которые позволили теоретически определить (рисунок 8): возможную площадь

сбора ягод земляники (4), обосновать оптимальную высоту подъёма сиденья, а также реальные параметры рядка земляники в зависимости от отклонения тела сборщика, при которых создаются комфортные условия труда.

Полученная формула позволяет найти оптимальную площадь комфортной зоны досягаемости работы двумя руками одновременно, так как такой сбор позволяет увеличить производительность труда.

Е/К = Л Л сое а + т]^ - А Ь2 ею а (5)

Из расчётов по данной формуле (6) можно заключить, что при увеличении ширины полосы ряда более 60 см сборщику придется совершать глубокие наклоны во фронтальной плоскости, что увеличит тяжесть трудового процесса.

Рисунок 8 - Схема для расчётов параметров рабочего места сборщика.

В лабораторных условиях был смоделирован процесс ручного сбора ягод земляники с применением платформы. Исследовалась зона досягаемости моторного поля рук при различных отклонениях тела сборщика. Определена эффективно осваиваемая рабочая зона моторного поля при работе одной и одновременной работе двух рук. (Рисунок 9). Искомая зона найдена как площадь криволинейных трапеций.

S, /10) +S2=/a /2 00 (6)

В результате расчётов получили следующие значения площадей: Зона при работе двумя руками:

для позиции без отклонения - S=0,318 м2 для позиции с отклонением в 10° - S=0,343 м2 для позиции с отклонением в 30° - S=0,373 м2 Зона при работе одной рукой:

площадь без отклонения S=0,692m2, для отклонения в 10° - S = 0,748м2, для отклонения в 30° - S = 0,8282 м2 Таким образом, работая на платформе, сборщик до 85% времени ведёт сбор двумя руками, осваивая площадь под цифрой 1, и лишь до 15% ведёт сбор одной рукой в пределах площади под цифрой 2. отклонение тела

Рисунок 9 - Схема зоны охвата моторного поля рук (1- зона при работе двумя руками, под цифрой 2 - зона при работе одной рукой)

Для уточнения параметров рабочего места сборщика также применялся метод экспертной оценки совместно с органолептическим методом оценки конструкции. Однако в этом случае экспертом выступала случайно отобранная группа людей, в количестве 10 человек. Анализ полученных данных помог скорректировать предпочтительное положение сиденья, которое может смещаться в продольном направлении на 0,70 - 0,75м и вращаться на 30° в каждую сторону.

В результате проведённых исследований было сконструировано несколько видов технических средств для сборщиков ягод земляники, в том числе:

- двух и трёхместный вариант платформы ВПЗ (рисунок 10),

- одноместная платформа с движением назад (рисунок 11),

-подставка под тару (рисунок 12),

- грузовая платформа для вывоза собранного урожая (рисунок 13).

1 - несущая рама секции; 2 - поворотное сидение сборщика; 3 - заднее ведомое колесо; 4 - ведущая шестерня переднего приводного колеса; 5 - кронштейн с контейнером для ягод; 6 - промежуточный узел привода; 7 - дополнительная рама для крепления цепного привода; 8 - передняя соединительная труба; 9 - задняя соединительная труба; 10 - стеллаж для порожней и заполненной тары

Рисунок 10 - Велоплатформа ВПЗ (2-хместный вариант и Зхместный в работе)

1-рама, 2,3 - колёса,8 - поворотный механизм 5, б - основные подставки под тару, 4 -сидение, 7 - боковая подставка,8 - шарнир,9 - основная площадка Рисунок 11 - Одноместная платформа в работе (а) и её схема (б).

Рисунок 12 - Общий вид подставки под тару и подставка в работе

Рисунок 13 - Общий вид грузовой платформы на плантации земляники По результатам исследований предложена перспективная технология уборки ягод земляники с применением разработанных технических средств в каждый период сбора (рисунок 14).

начало сбора массовый сбор конец сбора

Рисунок 14 - Перспективная технология ручного сбора ягод земляники Для изучения изменения зависимости производительности сборщиков, работающих на одно, двух и трёхместной платформах от урожайности и засорённости поля был поставлен факторный эксперимент, условия планирования которого указаны в таблице 1.

Таблица 1 - Условия планирования эксперимента

факторы уровни варьирования Интервал варьирования

натуральный вид кодирован ный вид -1 0 +1

Урожайность, кг XI 20 30 40 10

Засорённость, шт Х2 0 15 30 15

Кол-во рабочих хз 1 2 3 1

Выходным параметром эксперимента была выбрана производительность руда сборщика (у). Расчёт производился с помощью программы MathCAD 12 А Enterprise Edition (рисунок 15).

В результате проведенных исследований и расчётов получено уравнение регрессии в виде

У = 7,11 + 1,91 X! - 0,69 х2 - 0,66 х3 - 0,34ххх3 + 0,54х2х3 (7)

а) производительность труда в зависимости от урожайности и засорённости насаждений; б) производительность труда в зависимости от урожайности и типа технического средства; в) производительность труда в зависимости от засорённости сорняками и типа технического средства

Рисунок 15 - Поверхности откликов зависимостей На основе анализа результатов эксперимента установлено:

1. Производительность на одноместной платформе выше, чем на многоместной, потому как на двух и трёхместных платформах сборщикам приходится согласовывать между собой темпы работы, а также из-за неравномерности распределение ягод на рядках, а также из-за индивидуальных способностей сборщиков.

2. На производительность труда сборщиков в основном влияет характер распределения ягод по рядам, их величина и, в меньшей степени, засорённость рядов сорными растениями.

Для выявления основных конструктивных параметров грузовой платформы был проведен отдельный факторный эксперимент. С изменением высоты погрузочной площадки в пределах от 0,6 до 1 м, а площадь приемной поверхности имела возможность изменяться. Однако в целях упрощения условий опыта было принято решение заменить варьирование площади поверхности массой несущего груза, от 100 до 200 кг (таблица 2).

Таблица - 2 Условие планирования эксперимента

факторы уровни варьирования Интервал варьирования

натуральный вид кодирова нный вид -1 0 +1

Высота платформы, м Масса груза, кг XI Х2 0,6 100 0,8 150 1 200 0,2 5

По результатам эксперимента и с учётом только значимых коэффициентов получено уравнение регрессии в виде:

у = 4,45 + х,- 0,4х2 (8)

В результате его анализа получена поверхность отклика и карта линий уровня усилия перекатывания платформы в зависимости от высоты и массы загрузки платформы (рисунок 16).

Рисунок 16 - Поверхность отклика и карта линий уровня зависимости усилия перекатывания платформы в зависимости от высоты и массы загрузки.

-V- одноместная -о- подставка

трёхместная — двухместная н- ручная

Анализируя полученное уравнение, можно утверждать, что величину усилия на перекатывание грузовой платформы, в первую очередь, влияет её высота. Объясняется это удобством приложения силы на определённой высоте.

Во время испытаний технических средств для ручного сбора ягод земляники на полях ГНУ ВСТИСП в 2009-2011г.г. был произведён учёт собранного урожая. Это позволило определить зависимость производительности труда от различной урожайности в момент сбора.

0 2 „ 3 6 8 ч 10 12

Производительность (кг/ч)

Рисунок 17 - Зависимость производительности уборки с техническими

средствами от урожайности

Анализ полученных результатов подтверждает предположение, что самым производительным является ручной сбор ягод с применением одноместной платформы. Это объясняется тем, что сборщик функционирует в привычном для него темпе и не подстраивается под ритм работы других сборщиков.

Использование подставки для тары достаточно эффективно, так как исключается перенос тары по полю. Однако при урожайности более 30 ц/га производительность сбора снижается из-за того, что при большой урожайности уменьшается зона перемещения сборщика по полю.

Применение трёхместной платформы оправдывает себя в большей степени при большей урожайности, так как сбор ведётся с шести рядов одновременно, и нет необходимости частого перемещения уборочного агрегата, когда рабочие большую часть времени заняты непосредственно сбором ягод.

В результате хронометража трудового процесса уборки ягод на плантации, установлено, что производительность сборщиков в течение дня зависит от применяемого ими технического средства (рисунок 18).

Согласно графику, при традиционном ручном сборе утром достигаются хорошие показатели производительности. Однако к концу смены они снижаются из-за тяжелых условий труда. Напротив, работа на одноместной платформе в течение дня показывает стабильный результат из-за того, что сборщик в положении сидя меньше утомляется, меньше тратит сил на передвижение, не перемещает тару, а основную часть времени занимается сбором.

12 т--------—--

10

ручной -я-подставка

одноместная -о- двухместная

14

б 8 Ю 12

Время дня,часы

Рисунок 18 - Производительность сборщиков в течение дня при использовании технических средств

Исследование трудового процесса позволило оценить степень его тяжести и отнести работу на платформе по сумме показателей к категории труда средней тяжести, а по некоторым показателям - к категории лёгкого труда.

При помощи пульсомера РС-3 оценено изменение пульса сборщиков на уборочных работах с применением платформы ВПЗ-2 и без неё (рисунок 19). Установлено, что при работе без применения платформы пульс был выше на 10-17 ударов в мин., чем при работе на платформе. Это подтверждает тот факт, что использование платформы создаёт более комфортные условия труда.

но -Ш

- пульс при работе на корточках, согнувшись ■ - пульс при работе на платформе

6.00

8.00

12.00

13.00

14.00

9.00 10.00 11.00

время дня, час

Рисунок 19 - Среднее изменение пульса при сборе в разных положениях В четвёртой главе «Экономическая эффективность технологии ручной уборки земляники с применением технических средств» подтверждена целесообразность применения технических средств на промышленной плантации (рисунок 20).

Чистый дисконтируемый доход определим по формуле:

ЧДД=Ъ (Ъ-3,)(1+ЕУ-1о,

(9)

где я, - результаты, достигаемые на Юм шаге;

3, - затраты, кроме капиталовложений;

п - горизонт расчёта;

1о - инвестиционные затраты;

Е - ставка дисконтирования (£ = 0,10)

п - период работы технических средств (и = 10 лет;

Таблица 3 Чистые дисконтируемые доходы.(1/105 руб.)

год (Я.-З^/а,

1

о

Г4 Г-

Г-

со

(N1 О

ТГ

о"

00 Г--

7

см с^ о чо

СП

о

<4 оо

ю сГ

Исходя из расчётов, можно указать границы эффективного использования комплекса технических средств, включающего 7 работников, одноместную платформу, двухместную велоплатформу, грузовую платформу и четыре подставки под тару. Зона эффективного использования комплекса технических средств начинается с урожайности в 18 ц/га. При этом срок окупаемости комплекса составляет 1,4 года (рисунок 20). При малой урожайности, а также при выборочном сборе каждому сборщику целесообразно применять лишь подставку под тару.

прибыль

тыс.руб.

атт - комплекс техн. средств

область неэффективного использования комплекса технических средств

область эффективного применения комплекса технических средств

..

30 40 «в> - подставка под тару

. 1

70 80

урожайность, ц/га

Рисунок 20 - Границы эффективного использования технических средств для уборки ягод земляники

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате анализа известных способов и технических средств для ручной уборки ягод земляники установлено, что для более эффективного процесса сбора с наименьшей степенью утомляемости сборщики должны располагаться на платформах, сидя между рядами. Разработана классификация способов и технических средств для уборки урожая земляники.

2. Установлены оптимальные параметры рабочего места сборщика в положении сидя между рядами, обеспечивающие существенное повышение производительности ручного сбора земляники: предпочтительное расположение сиденья в продольном направлении находится в пределах 0,7...0,75м от центра сиденья до стойки дополнительной рамы, свободное вращение сиденья в в каждую сторону до 30°, высота подъёма сиденья - до 9см. Определена площадь моторного поля рук сборщика при работе одной от

0.692.до 0,828 м2 и двумя руками от 0,318 до 0,373 м2, в зависимости от наклона тела.

3. С помощью разработанной компьютерной программы на основе анкетирования проведено ранжирование факторов, влияющих на процесс ручного сбора ягод земляники. Установлены доминирующие - урожайность, масса ягод, дружность их созревания, усилие отрыва, погодные условия, число ягод на цветоносе и т.д.

4. Получена зависимость производительности на сборе ягод от урожайности, количества мест на платформе, а так же установлено, что наличие сорной растительности практически не влияет на эффективность уборочных работ.

5. Применение платформы переводит труд сборщиков из категории тяжелого труда в категорию средней тяжести, снижает утомляемость при сборе ягод, что позволяет стабилизировать производительность сборщика в течение всей рабочей смены.

6. На основании предварительных испытаний велоплатформы для уборки ягод земляники ВПЗ-1 (ФГБНУ «Росинформагротех» протокол приёмочных испытаний № 15-01-2011 (9150016) ОТ 30 августа 2011г.

7. Проведена оценка экономической эффективности комплекса технических средств. Анализ экономических показателей выявил годовой экономический эффект от использования одного комплекса в размере 15,3 тыс. руб. Срок окупаемости капитальных вложений на приобретение или изготовление комплекта технических средств составляет 1,4 года.

Рекомендации производству.

1. При выборочном сборе ягод земляники обязательно использовать подставки для тары, выдаваемые каждому рабочему садовой бригады.

2. При урожайности плантации в день сбора 18-30ц/га бригаде из 7 человек следует применять 4 подставки для тары, одноместную и двухместную платформы. При более высокой урожайности необходимо использовать уборочную трёхместную и грузовую платформы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих научных работах:

1. Филиппов, P.A. Технические средства для совершенствования ручного сбора ягод земляники на промышленной плантации/ P.A. Филиппов, Ю.А. Утков// Садоводство и виноградарство.-2010. - №2. - С. 37-40.

2. Филиппов, P.A. Платформа для рационализации уборки ягод земляники / Р.А Филиппов // Инженерные технологии и техника: сборник научных работ, «Конструирование, использование и надёжность машин сельскохозяйственного назначения». - Брянск.: БГСХА, 2011. - С. 20-24.

3. Филиппов, P.A. Этапы разработки земляникоуборочной платформы ВПЗ-2/ P.A. Филиппов // Плодоводство и ягодоводство России: Сб. науч. работ/ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии. - М., 2011. - T.XXVII. - С. 267.

4. Филиппов, P.A. Комплекс технических средств в технологии ручной уборки ягод земляники / P.A. Филиппов // Механизация, электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства: материалы V междунар. науч.- практ. конф., «Наука и молодёжь: новые идеи и решения». - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградская ГСХА, 2011. - Ч.Ш. - С. 292-296

5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010614878 от 27 июля 2010 г. Определение значимости факторов и их ранжирование при возделывании земляники садовой в открытом грунте / В.В. Цибулевский, С.А. Твердохлебов, Ю.А. Утков, A.A. Цымбал, P.A. Филиппов.

6. Патент РФ №2415550 С1 от 10 апреля 2011г. Платформа для ручной уборки урожая, посадки и ухода за низкорастущими культурами / И.И. Чухляев, Ю.А. Утков, A.A. Цымбал, В.В Бычков, P.A. Филиппов.

Заказ № 45-А /02/2012 Подписано в печать 13.02.2012 Тираж 130 экз. Усл. п.я. 1

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; е-таИ:zak@cjr.ru

61 12-6/249

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ СЕЛЕКЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ САДОВОДСТВА И ПИТОМНИКОВОДСТВА

На правах рукописи

Филиппов Ростислав Александрович

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА В ТЕХНОЛОГИИ РУЧНОЙ УБОРКИ

ЯГОД ЗЕМЛЯНИКИ

Специальность: 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского

хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель: член-корреспондент РАСХН,

профессор Ю.А. Утков

Москва-2012

%

Оглавление

Введение 4 ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ 7

1.1 Анализ технических средств, применяемых для

уборки ягод земляники 7

1.1.1 Способы уборки ягод земляники 7

1.1.2 Конструктивные особенности технических средств,

для ручного сбора ягод, созданных в зарубежных странах 10

1.1.3 Анализ и развитие технических средств

для ручной уборки земляники, созданных в России 25

1.2 Агрофизические свойства культуры земляники в аспекте полумеханизированного ручного сбора 35

1.3 Применение системного подхода

в решении поставленных задач 38

1.4 Выводы, цели и задачи исследования 40

ГЛАВА 2. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 41

2.1 Программа экспериментальных исследований 41

2.2 Элементы системного анализа применительно к совершенствованию технологии ручной уборки ягод земляники 42 2.2.1 Методика выбора решения задач различного уровня 44

2.3 Факторы, влияющие на сбор ягод земляники вручную 48

2.4 Методика разработки технических средств 51

2.5 Методика оптимизации рабочего места сборщика 52

2.6 Методика выполнения полевых исследований 5 5

2.7 Методика обработки экспериментальных данных 5 7

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 59

3.1 Выбор оптимального положения сборщика на платформе 59

3.2 Ранжирование факторов, влияющих на

эффективность уборки ягод землянки 64

3.3 Технология ручной уборки ягод земляники 66

3.4 Конструкция технических средств 68

3.4.1 Параметры промышленной плантации 68

3.4.2 Разработка несущей рамы конструкции велоплатформы ВПЗ

при помощи компьютерной программ АРМ Win Machine 70

3.5 Геометрическое обоснование работы сборщика на платформе 74

3.5.1 Определение высоты подъёма сиденья сборщика 74

3.5.2 Определение бокового наклона корпуса при различных величинах подъёма сиденья 76

3.5.3 Обоснование площади досягаемости

при сборе двумя руками 77

3.5.4 Определение величины досягаемости при наклоне в 3 0° 77

3.6 Результаты оптимизации рабочего места сборщика 78

3.7 Результаты лабораторно-стендовых исследований 79 3.7.1 Определение зоны досягаемости моторного поля рук 80

3.8 Конструкции и принцип работы технических средств

для ручной уборки ягод 83

3.8.1 Устройство и принцип работы

многоместной велоплатформы 83

3.8.2 Устройство и принцип работы одноместной платформы 87

3.8.3 Устройство и принцип работы подставки под тару

и грузовой платформы 89

3.9 Результаты полевых и экспериментальных

исследований технических средств 91

3.9.1 Изучение эффективности сбора ягод 91

3.9.2 Изучение параметров грузовой платформы 93

3.10 Сравнение производительности

на сборе ягод земляники 95

3.11 Анализ данных напряженности трудового процесса 97

ГЛАВА 4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИИ УБОРКИ ЗЕМЛЯНИКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

РАЦИОНАЛИЗАЦИИ РУЧНОГО ТРУДА 100

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 105

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 107

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение

На сегодняшний день объёмы производства продукции садоводства в России составляют около 30% от рекомендованного. Развитие всех отраслей сельского хозяйства, и связанное с этим обеспечение людей необходимыми продуктами питания отечественного производства, в том числе и земляникой, может быть достигнута, только за счёт реализации достижений научно-технического прогресса. Наиболее важными сферами научного поиска остаётся совершенствование уже существующих технологий в промышленном садоводстве, где доминируют многолетние насаждения. Наиболее остро это касается уборочных процессов, уровень механизации которых остаётся по-прежнему крайне низким [1].

Таким образом, разработка и реализация передовых технологий в процесс ручного сбора ягод земляники остаются по-прежнему актуальными научно - производственными задачами, решить которые невозможно без применения различных технических средств, рационализирующих ручной труд, делающих процесс сбора менее утомительным и более производительным.

Для этого необходимо изучить технологические закономерности различных процессов, познать специфику работы, взаимосвязи различных элементов и звеньев системы «человек-машина».

При изучении сложных биотехнических систем, реализующих в частности процесс сбора ягод земляники, основой является детальное исследование принципов взаимодействия биологических звеньев системы, оптимизация процессов на основе статических характеристик состояния системы, управление системой в различных условиях протекания изучаемого процесса для наиболее полного использования её потенциала, разработка более совершенных конструкций технических средств, как главного элемента исследуемой системы.

К настоящему времени уже накоплен достаточно богатый теоретический и экспериментальный материал по физиологии людей,

осуществляющих различные трудовые движения, разработке различных технических средств, используемых, в том числе и на ягодных плантациях, внедрению новых технологий, другим вопросам механизации основных технологических процессов и достижениям в селекции различных сельскохозяйственных культур, включая землянику.

В переводе с греческого слово «система» означает целое, составленное из частей. Если в работе технических средств или машин участвует человек, то такую систему называю биотехнической. Данные виды систем необычайно распространены во всех видах человеческой деятельности в частности в растениеводстве и в садоводстве. Это двухзвенные системы «человек-техническое средство», «человек-машина», трёхзвенные системы «человек-машина-человек», «человек-техническое средство-среда». Слаженная работа таких систем требует новых методов сочетания живого и технического.

Научная новизна работы. Выделены новые элементы классификации способов и средств уборки ягод земляники, ориентированные на рационализацию ручного труда. Методом экспертной оценки и предложенной программой для ЭВМ, выявлены доминирующие факторы, влияющие на процесс ручного сбора ягод (свидетельство о гос. Регистрации программы для ЭВМ № 2010614878 от 27 июля 2010 г.). Теоретически и экспериментально обосновано расположение сиденья сборщика ягод между рядами и установлены основные конструкционные параметры его рабочего места. Сформулированы характеристики технических средств для усовершенствования технологии ручной уборки ягод земляники на всех этапах уборочных операций (патент РФ № 2415550 от 10 апреля 2011 г.). Определены закономерности изменения производительности от применения технических средств различного типа при уборке ягод земляники.

Практическую ценность работы составляют рекомендации по технологическим и конструктивным параметрам комплекса технических средств, используемых на всех этапах сбора ягод земляники.

На защиту выносятся следующие положения:

- Методы определения оптимальных параметров технических средств и рабочего места сборщика при работе на земляникоуборочных платформах, обеспечивающих повышение эффективности уборочного процесса.

- Результаты полевых исследований и испытаний земляникоуборочных платформ и других новых технических средств, улучшающих условия труда.

- Оценка экономической эффективности использования комплекса технических средств на уборке ягод земляники.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ технических средств, применяемых для уборки ягод земляники

1.1.1 Способы уборки ягод земляники

На основании анализа литературных источников [2-31] была создана классификация существующих способов и средств для уборки ягод земляники (рис. 1.1). Отмеченные способы уборки применяются в странах, выращивающих землянику в промышленных масштабах. Применение того или иного способа или средства определяется целым рядом факторов.

Рисунок 1.1 — Классификация способов и средств для уборки ягод земляники.

Мировой и отечественный опыт позволяет выделить два основных направления в решении проблемы уборки урожая земляники - это ручной и механизированный [5,6]. Однако имеет место так же и ручной способ с использованием средств частичной механизации (рис 1.1).

Ручной способ уборки ягод земляники заключается в отделении рабочим спелых ягод от куста, укладки их в тару и последующего накопления. Это многоразовый способ уборки ягод, позволяет собирать ягоды по мере их созревания. Но длительный ручной сбор ягод на промышленных плантациях приводит в течение рабочего дня к недопустимым физическим перегрузкам организма и усугубляется необходимостью одновременно со сбором ягод постоянно перемещать по плантации пустую и наполняемую ягодами тару.

Поэтому с целью создания более комфортных условий труда при ручном сборе ягод земляники учёные и специалисты в последние 25-30 лет наряду со сложными машинами стали создавать упрощённые технические средства. К ним можно отнести ручной инвентарь (различного вида рациональная тара, тачки и приспособления для переноски и сбора ягод).

К полумеханизированному относят ручной сбор с применением различных механизмов типа передвижных агрегатов, снабженных набором поперечных и продольных транспортеров накопления собранных ягод, с применением тележек и платформ, которые можно разделить на два класса: одиночные или групповые перекатываемые самими сборщиками, групповые и перемещаемые по плантации с помощью трактора [7] (рис 1.2).

Механизированный способ уборки ягод с применением поточных машин существенно снижает затраты труда и себестоимость ягод, однако собранные механизированным способом ягоды, как показали исследования, пригодны лишь для технической переработки.

Специалистами разных стран были разработаны требования к сортам земляники, предназначенным для машинной уборки [9]. Они должны иметь стабильно высокую урожайность, соответствовать технологическим требованиям промышленной переработки ягод, одновременное созревание урожая должно быть не менее 70... 90% при высокой плотности мякоти ягод, легкую отделяемость ягод от чашечки, а также высокую устойчивость растений к вредителям и болезням.

Прицепные

Полунавесные

По способу агрегатирования

Многоместные

1-местные

Самоходные

Рисунок 1.2- Классификация платформ для уборки ягод земляники.

В разные периоды времени такие сорта культивировались и были выведены. Среди них - Кардинал, Холидей, Фратина, Фракуна, и другие.

В нашей стране с 1968 по 1993 годы в Научно-исследовательском зональном институте садоводства нечерноземной полосы были созданы и испытаны 32 макетных образца поточных земляникоуборочных машин, включая несколько лабораторных установок [5,25,26]. Однако в связи с последующим сокращением площадей под земляникой в общественном

секторе эти работы были свернуты. При всех достигнутых положительных тенденциях в решении этой проблемы машины для уборки урожая земляники не получили должного распространения не только в России, но и за рубежом.

1.1.2 Конструктивные особенности технических средств для ручного сбора ягод, созданных в зарубежных странах

Индивидуальные тележки для сборщиков ягод начали разрабатываться в шестидесятых годах двадцатого века, в связи с резким увеличением площадей под плантациями земляники. Данные технические средства широко применяются в различных странах, особенно в таких как США, Италия, Франция, Польша и др. [7,9]. Рассмотрим подробнее эти конструкции.

В Голландии была сконструирована тележка, которая ускоряла сбор на 15% [8]. Тележка имела три колеса, регулировалась по высоте и ширине. Переднее колесо было смещено от оси симметрии для того, чтобы не наезжать на растения. Сиденье снабжалось подушкой. Позади сборщика устанавливали пустые лотки, впереди на столике - наполняемые. Сборщик сидел над кустами земляники, передвигал тележку, отталкиваясь ногами, собирал ягоды, распределяя их на два сорта. Заполненные лотки ставились на землю и их выносили с поля другие рабочие. Недостатком данной тележки явилось то, что сборщику сидя над рядом, приходилось нагибаться более допустимых 30°.

В Японии [10] запатентовано самоходное транспортное средство с электродвигателем, управляемое наклонами сиденья оператора. Спереди и сзади рама машины снабжена колесами. Храповое колесо электродвигателя соединено с ходовыми колесами. Почти в центре рамы с возможностью наклона вперед и назад установлено сиденье оператора. На раме установлена электрическая дрель, которая используется в качестве электродвигателя. При наклоне сиденья вперед двигатель включается, и происходит перемещение платформы, а при наклоне назад - выключается. Таким образом, обе руки

оператора освобождаются, и он может производить различные операции, в том числе уборку земляники.

Из недостатков данной конструкции можно отметить быстрое истощения аккумулятора, питающего двигатель.

В Польше использовали тележки нескольких типов 111]. С их помощью рабочие собирали по 7,3 кг/ч, в то время как без тележек - 5,5 кг/ч ягод. Тент над сиденьем не только предохранял от солнца, но и позволял работать при кратковременном дожде. Производительность труда увеличивалась на 22,6...40,8% за счет снижения усталости, а полнота сбора повышалась на 30%.

В Швейцарии запатентована машина, облегчающая ручной труд при сборе земляники, томатов, салатов и других низкорастущих сельскохозяйственных культур, выращиваемых рядами [12]. Машина состоит (рис. 1.3) из шасси, у которого привод ведущих колес осуществляется через ременную передачу от двигателя мощностью в 13 л.е., и несущей рамы. Скорость движения может изменяться от 10 до 200 м/ч, транспортная - до 16 км/ч. На балках несущей рамы крепятся секции сидений для рабочих, число которых можно выбирать от 5 до 25. Высота рабочего места регулируется от 25 до 55 см. Сборщики меньше утомляются, в результате чего производительность труда удваивается. Однако расположение их над рядом вынуждает сборщиков значительно наклоняться.

Рисунок 1.3 - Сбор ягод земляники с машины, выполненной по патенту Швейцарии № 595741.

В 1986 году в Италии, на выставке сельскохозяйственной техники были представлены три различные модели уборочных платформ на велосипедном ходу «КассотоЬПе», предназначенные для уборки земляники, огурцов, бобовых культур, капусты и других культур (рис. 1.4).

Отличительной особенностью этого технического средства явилось то, то сидения находятся невысоко от поверхности почвы, позволяют сборщику, располагающемуся в междурядье, работать обеими руками. Однако опорные колеса малого диаметра затрудняют передвижение платформы в междурядьях.

Рисунок 1.4 - Процесс сбора овощей на машине «ЯассошоЬНе» (Австрия).

Во Франции заявлено устройство для механизации процессов обработки и уборки сельскохозяйственных культур [13]. Устройство представляет собой самоходную раму с электрическим двигателем. По бокам рамы расположены два столика для корзин. Внутри рамы установлены два сидения для рабочих. Устройство используется для уборки земляники, фасоли и других низкорастущих культур. Там же запатентован самокат, для обработки и сбора урожая низкорастущих культур, который для устойчивости имеет подножку (рис. 1.5) [14]. Однако его конструкция не предусматривает необходимого запаса порожней тары.

Рисунок 1.5 - Самокат для сбора урожая низкорастущих культур.

В Великобритании так же применяются тачки, для перевоза собранных ягод и порожней тары, которые повышают скорость ручного сбора земляники и улучшают общую организацию труда (рис. 1.6). Однако конструкция неустойчивая и при накоплении урожая часто оборачивается.

Рисунок 1.6 - Применение ручной тачки на уборке земляники (В ел икобр итания).

В Германии, Италии, Польше, Франции и Голландии [6] применялись индивидуальные тележки для передвижения на ней сборщика и перевозки собираемых ягод (рис. 1.7,1.8). На рисунках видно, что недостатком является глубокий наклон сборщика вперёд.

В патенте США за 1960 г. описывается машина для уборки земляники. [6, 8]. Она представляет собой конструкцию, состоящую из 10 продольных и одного поперечного транспортера, которая монтируется на самоходном шасси.

Рисунок 1.7- Тележка для сбора ягод земляники (Италия).

Рисунок 1.8- Тележка для сбора ягод земляники (Германия).

Машина передвигается вдоль рядов, занимая ширину в 10 рядов, её обслуживают 21 человек. Собранные ягоды попадают сначала на продольные транспортеры, а затем на поперечный, сходя с которого, заполняют та