автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Виброударный штамбовый стряхиватель плодов

гу , / 9-у

4

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ВСЕРОССИЙСКИЙ СЕЛЕКЦИОННО-ТЕХНОЛГИЧЕСКИЙ • ИНСТИТУТ САДОВОДСТВА И ПИТОМНИКОВОДСТВА

На правах рукописи

КОТЫСЬКО ВАЛЕРИЙ ИВАНОВИЧ

УДК 631.358: 634.22

ВИБРОУДАРНЫЙ ШТАМБОВЫЙ СТРЯХИВАТЕЛЬ ПЛОДОВ

(Специальность 05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ кандидат технических наук, старший научный сотрудник А.А.Цымбал

Москва -1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 8

1.1. Анализ средств для механизированной уборки плодов 8

1.2. Способы и средства защиты коры деревьев от повреждений

при съеме плодов стряхиванием 22

1.3. Краткий обзор исследований по механизированному съему плодов стряхиванием 31

1.4. Цель и задачи исследований 3 5 ВЫВОДЫ 35 ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРНЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПЛОДОВЫХ ДЕРЕВЬЕВ 37

2.1. Предпосылки к проведению опытов 37

2.2.Размеры надземной части деревьев 38

2.3. Углы отклонения штамбов от положения вертикали 41

2.4. Критические углы отклонения штамбов от положения равновесия 44

2.5. Приведенный коэффициент жесткости штамба дерева 45

2.6. Частота собственных колебаний, коэффициент затухания и приведенная масса дерева 50

2.7. Прочность коры штамбов плодоносящих деревьев при нормальном сжатии и скалывании поперек и вдоль волокон 55 ВЫВОДЫ 63 ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ВИБРОУДАРНОГО СТРЯХИВАНИЯ ПЛОДОВ 64

3.1. Анализ взаимодействия зажимов захвата стряхивателя со штамбом 64

3.2. Определение конструкционных параметров зажимов 64

3.3. Определение ускорения штамба в месте взаимодействия со

стряхивателем 67

ВЫВОДЫ 98 ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ПРОЦЕССА ВИБРОУДАРНОГО СЪЕМА ПЛОДОВ 99

4.1. Цель экспериментальных исследований 99

4.2. Лабораторные исследования процесса виброударного взаимодействия стряхивателя со штамбом 99

4.2.1. Лабораторная установка для исследования процесса виброударного взаимодействия 99

4.2.2. Жесткосные показатели зажимов захвата стряхивателя 103

4.2.2.1. Методика исследований 103

4.2.2.2. Результаты исследований 107

4.2.3. Сила виброударного стряхивания штамба 108

4.2.3.1. Обоснование методики исследований 108

4.2.3.2. Результаты исследований 110

4.3. Полевые исследования стряхивателя плодов ИЗ

4.3.1. Методика исследований 113

4.3.2. Анализ результатов исследований 115

4.4. Хозяйственные испытания стряхивателя плодов 116

4.4.1. Описание методики исследований _ 116

4.4.2. Анализ результатов исследований 120 ВЫВОДЫ 120 ГЛАВА 5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УБОРКИ ПЛОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИБРОУДАРНЫХ СТРЯХИВАТЕЛЕЙ 122 5.1. Уровень интенсификации технологического процесса производства плодов за счет повышения урожайности на протяжении периода плодоношения 122

5.2. Уровень интенсификации технологического процесса производ-

ства плодов за счет увеличения периода продуктивного

плодоношения 123

5.3. Уровень интенсификации технологического процесса

съема плодов 124

5.4. Уровень интенсификации при заделке механических повреждений штамбов 125

5.5. Уровень интенсификации использования виброударного стряхивателя 126 ВЫВОДЫ 129 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 130 РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ 131 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 132 ПРИЛОЖЕНИЯ 142

ВВЕДЕНИЕ

В интенсификации отрасли садоводства важная роль принадлежит комплексной механизации всех производственных процессов. За последние годы садоводческие хозяйства оснащаются более мощными тракторами, высокопроизводительными машинами и орудиями для обработки почвы, внесения удобрений, химической защиты растений от вредителей и болезней и др. Созданы и совершенствуются машины для уборки плодов и ягод, линии для товарной обработки плодов, машины и устройства для обрезки кроны плодовых деревьев [1]. Главная проблема во всем технологическом процессе производства плодов - уборка урожая, на которую приходится 15-40% от общих затрат по уходу за садом [2]. Решить данную проблему позволяет применение плодоуборочных машин, которые, в зависимости от условий и организации работы, повышают производительность труда при уборке в 3,7... 12,6 раза, высвобождают, в среднем, 30 человек в день при использовании одной машины и снижают эксплуатационные затраты на 30...50% по сравнению с уборкой вручную. На данном этапе для уборки плодов широко используются вибрационные машины позиционного действия, недостатками которых являются относительно невысокая производительность, значительные повреждения коры штамба дерева в местах передачи вибрационных усилий и повышенное вышатывание штамба плодового дерева из почвы. Эти недостатки особо ощутимы при уборке косточковых и орехоплодных культур [3].

В этой связи исследования, связанные с усовершенствованием уборочной техники, направлены на разработку и создание новых рабочих органов плодоуборочных машин поточного и позиционного действия.

Для обеспечения высокой эффективности машинной уборки необходим поиск новых стряхивателей, обеспечивающих съем урожая с минимальными повреждениями коры штамба дерева, корневой системы, ветвей и не снижающими продуктивности сада. Такой поиск должен быть основан на глубоком изучении технологии процесса и динамики взаимодействия рабочего органа стряхивателя со штамбом дерева, построение на этой основе статистической и

динамической моделей, а также изучении физико-механических свойств коры штамба дерева.

Цель работы - исследование технологического процесса съема урожая плодовых культур виброударным стряхивателем и обоснование его параметров. Научная новизна исследований состоит в том, что доказана эффективность применения виброударного стряхивателя (а.с. СССР №1690602); разработаны метод и устройство для испытания коры дерева при сжатии (а.с. СССР №1810787); разработаны метод и устройство для испытания коры дерева при скалывании (положительное решение ВНИИГПЭ №4946280/28 на выдачу а.с.); определены конструкционные и кинематические параметры виброударного стряхивателя с учетом условий взаимодействия со штамбом дерева, установлены зависимости данных параметров от размерных показателей деревьев.

Основные положения работы доложены на заседании Межведомственного экспертного совета по реализации программы создания машин и оборудования для отрасли растениеводства и используются при разработке конструкции стряхивателя машины для контурной обрезки деревьев со сменными рабочими органами для работы в садах. Работа выполнена в соответствии с планом НИР ВСТИСП на 1995-1999 г.г. (per. №01.9.10 028050). Результаты исследований обсуждены на: отчетной конференции преподавателей и аспирантов Львовского СХИ по итогам научно-исследовательской работы в 1993 г. (г.Дубляны, 1994 г.); научно-производственной конференции «Современные проблемы и перспективы развития садоводства» (г. Винница, 1994 г.); на заседаниях секции механизации ВСТИСП (г. Москва, 1994-1997 г.г.).

Основные положения диссертации опубликованы в двенадцати работах.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Результаты исследований основных размерных и физико-механических характеристик плодовых деревьев яблони и сливы, ставшие исходными данными для обоснования технологических, кинематических и конструкционных параметров стряхивателя плодов.

2. Виброударный стряхиватель плодов, разработанный на уровне изобретения, позволяющий производить съем плодов с высокой эффективностью и с минимальными повреждениями коры штамба в месте передачи возмущающих усилий.

3. Кинематический анализ параметров стряхивателя плодов.

4. Исследование процесса передачи виброударных импульсов штамбу дерева.

5. Результаты производственной проверки стряхивателя.

6. Энергетические расчеты по оценке эффективности применения стряхивателя в плодоуборочных машинах.

Работа выполнена во Всероссийском селекционно-технологическом институте садоводства и питомниководства (ВСТИСП). Исследования проводились во Львовском сельскохозяйственном институте (ЛСХИ) и на производственной базе Львовского филиала Украинского научно-исследовательского института садоводства в 1990-1993 г.г.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ средств для механизированной уборки плодов

В настоящее время одним из основных направлений механизации уборочных работ в садоводстве является создание машин для уборки плодов, которые имеют высокую производительность при небольшом количестве обслуживающего персонала.

Существующие серийные плодоуборочные машины работают на принципе вибрационного съема плодов за счет колебания штамбов плодовых деревьев. Основным узлом данных машин является стряхиватель, который оборудуется вибраторами постоянного смещения, инерционными, кулачковыми или импульсными [4].

В СССР разработаны и созданы плодоуборочные машины МПУ-1, МПУ-1А, ВУМ-15А, КПУ-2А, которые относятся к вибрационным машинам позиционного действия и отличаются друг от друга, в основном, типом используемых вибраторов стряхивателей [3,5,6].

Для уборки плодов косточковых, семечковых и орехоплодных культур применяют плодоуборочные машины МПУ-1 и МПУ-1 А (рис. 1.1), для вишни и черешни - ВУМ-15А (рис. 1.2), для семечковых культур - преимущественно плодоуборочные комбайны КПУ-2 и КПУ-2А (рис. 1.3).

Плодоуборочная машина МПУ-1 А представляет собой самоходный агрегат, унифицированный с шасси Т-16МГ, и включает силовой блок, раму, передний мост, манипулятор, насосную станцию, продольный и поперечный транспортеры, стряхиватель, улавливатель, вентилятор, площадку для контейнеров. Машина работает на равнинах и склонах с уклоном до 8°, при схемах посадки не менее 5x3 м, диаметрах крон до 5 м, со штамбами до 230 мм и высотой их не менее 0,7 м.

Технологический процесс уборки урожая заключается в следующем. При въезде в междурядье машина останавливается возле дерева таким образом, что

Рис. 1.2. Плодоуборочная машина ВУМ-15А.

бы его штамб оказался в зоне раскрытых захватов стряхивателя. При помощи гидроцилиндра манипулятора продольный транспортер со стряхивателем перемещается к штамбу, захваты зажимают штамб, раскрывается и устанавливается под выбранным углом раздвижной улавливатель, происходит стряхивание. Отделенные от ветвей плоды падают на улавливающую поверхность, образованную улавливателями, скатываются на продольный транспортер, на поперечный транспортер и затариваются в контейнер. В процессе затаривания плоды очищаются от примесей потоком воздуха от вентилятора.

Производительность машины за час основного времени 60 дер./час; обслуживающий персонал 2 человека, масса 3300 кг; полнота съема не менее 95%; полнота улавливания не менее 95%. Применение комбайна позволяет высвободить 30 человек. Разработано исполнение комбайна с гидросистемой автоматического регулирования (ГСАР) МПУ-1А-01. За счет введения автоматики производительность увеличивается в1,3 раза [7,8].

Технологический процесс работы плодоуборочной машины ВУМ - 15А аналогичен вышеописанному. Отличие комбайна КПУ - 2А в том, что он состоит из двух самоходных секций. На правой секции смонтирован выдвижной улавливатель с пассивной приемной поверхностью, установлен дебалансный стряхиватель. Левая секция состоит из улавливателя с активной приемной поверхностью (три поперечных и один продольный транспортеры, покрытые эластичным материалом) в сочетании с ленточными амортизаторами. Кроме того, он оборудован разделительным транспортером (горкой) для отделения примесей от плодов и затаривающим устройством для загрузки плодов в контейнеры или ящики.

За рубежом созданием плодоуборочных машин занимаются в США, Италии, Франции, Дании, Болгарии, Венгрии, Чехословакии, Германии и др.

В Болгарии создано несколько модификаций машин «Балкан», предназначенных для уборки плодов на техническую переработку (рис. 1.4). Машины оснащены вибраторами турельного и инерционного типа и используются для съема плодов при различных условиях выращивания [1].

Рис. 1.4. Плодоуборочная машина «Балкан».

В Германии создана машина для уборки косточковых плодов Е 842 Б (рис. 1.5), она является усовершенствованной маркой предшествующей модели Е 842. Машина Е 842 Б однорядная и состоит из секции с вибратором и секции с улавливателем полунавесного исполнения, которые агрегатируются с трактором. Секция с вибратором движется по саду слева, а секция с улавливателем -справа от убираемого ряда деревьев. Когда дерево оказывается между секциями, вибратор подводится к штамбу дерева, и машиной осуществляется встряхивание, в результате чего плоды отделяются от веток. Отделенные плоды с улавливающих зонтов поступают на продольный транспортер и оттуда по элеватору в контейнер. С помощью вентилятора выдуваются листья и небольшие ветки. Контейнеры с плодами составляются в междурядья.

В Италии для уборки маслин и других мелких плодов созданы плодоубо-рочные машины моделей SR-10, SR-12, SR-14, CNR и другие. Эти машины имеют ряд отличительных особенностей от описанных выше машин. Так машина SR-12 (рис. 1.6) состоит из пальцевого захвата 4, гидровибратора 5 с неуравновешенными массами, помещенными в корпусе вибратора, жесткой управляемой горловины 6, шарнирно ориентируемой стрелы 7 с гидроцилиндром 10, зонтообразного устройства 3 с гидроцилиндром 2 для подъема и опускания, вентилятора 8, пневмотранспортера 1, бункера 11, предназначенного для сбора плодов, с горловиной 12 для выгрузки плодов в мешки, раструба 9 для отвода сорных примесей и сервомеханизмов 13 для управления стрелой. В данной машине после стряхивания дерева плоды попадают на улавливающее устройство и скатываются в приемную камеру, из которой пневмотранспортером 1 подаются в бункер 11.

Некоторые страны наряду со сложными и дорогостоящими машинами выпускают упрощенные и более дешевые модели самоходных машин для уборки плодов на техническую переработку. В частности, фирма «Perri Harvester» (США) выпускает машины моделей FE, ЕЕ и G. Также выпуском разнообразных плодоуборочных машин занимаются американские фирмы «Kilbi», «Gould», «Shipley» и др. Эти машины, как правило, самоходные, привод узлов

Рис. 1.6. Схема плодоуборочной машины 811-12.

и механизмов гидравлический. В них используют стряхиватели турельного типа и штамбовые различных модификаций. Машины снабжены устройствами для очистки плодов от примесей и для затаривания в ящики и контейнеры [1].

Известны тросовые уборочные агрегаты, особенность которых состоит в передаче вибрационных усилий скелетным ветвям деревьев при помощи тросов с крюками-захватами. Основной недостаток технологического процесса - сложность набрасывания крюка на скелетные ветви [3]. Преимущества - низкая энергоемкость процесса и возможность уборки урожая с высокорослых деревьев с большими диаметрами штамбов. Технологический процесс данных машин аналогичен вибрационным машинам позиционного действия и отличается только способом захвата дерева.

Кроме вибрационных машин ведутся разработки плодоуборочных агрегатов с применением ударных рабочих органов для стряхивания плодов.

В Корнельском университете (США) создан штамбовый стряхиватель ударного действия маятникового типа [9,10], выполненный в навесном на тракторе варианте (рис. 1.7) и содержащий подвеску 2 маятника, механизм 3 его подъема, гидроподъемник 4 подвески 2, диск маятника 5, передающий рычаг 6, зажим 7 и улавливатель 8.

Рычаг 6 крепится с помощью зажима 7 к штамбу дерева 1, после чего по нему наносится единичный удар массивным маятником, масса которого составляет 112 кг при скорости удара 2,3 м/с. Испытания показали, что по полноте и качеству съема экспериментальный образец не уступает инерционным стряхи-вателям.

Конструкции ударных стряхивателей пружинного типа разработаны как в США, так и в СССР (НПО ВИСХОМ) [11, 12, 13, 14]. Рабочий процесс стряхивателей пружинного типа аналогичен маятниковым, с той разницей, что разгон ударника, передающего импульс штамбу дерева, осуществляется под действием предварительно сжатой пружины.

Известны также устройства, передающие усилия штамбу дерева за счет

Рис. 1.7. Ударное устройство маятникового типа для съема плодов: 1 - штамб дерева, 2 - подвеска маятника, 3 - подъемный механизм, 4 - гидроподъемник, 5 - диск маятника, 6 - передний рычаг, 7 - зажим, 8 - улавливатель.

ударной волны, образующейся после сгорания топливо-воздушной смеси в специальной камере.

Общий недостаток вышеописанных конструкций стряхивателей плодов -низкая производительность, обусловленная позиционностью действия устройств и трудоемкими подготовительными работами.

В настоящее время в большинстве стран с развитым садоводством наряду с внедрением машин позиционного действия ведутся работы по созданию пло-доуборочных машин поточного действия, производительность которых должна быть в 5 - 10 раз выше по сравнению