ЛУЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МИРОНЮК ОЛЕГ СЕРГІЙОВИЧ

УДК 631.358:634.22

УДОСКОНАЛЕННЯ ПЛОДОЗНІМАЛЬНОГО ЗАСОБУ

05.05.11 – машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЛУЦЬК – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі сільськогосподарських машин Львівського державного аграрного університету Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, професор

Рибарук Василь Якимович,

Львівський державний аграрний університет,

завідувач кафедри сільськогосподарських машин.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Фришев Сергій Георгійович, Інститут садівництва УААН,
завідувач лабораторії механізації;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник
Бабій Василь Павлович, Національний аграрний університет,
доцент кафедри експлуатації техніки та інженерного
менеджменту.

Провідна установа ННЦ “Інститут механізації та електрифікації сільського
господарства” УААН, відділ механізації виробництва овочів та коренебульбоплодів, с.м.т. Глеваха Київської області.

Захист відбудеться “21” грудня 2001 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради
К 32.075.01 у Луцькому державному технічному університеті за адресою: 43018, м. Луцьк, вул. Львівська, 75.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Луцького державного технічного університету за адресою: 43018, м. Луцьк, вул. Львівська, 75.

Автореферат розісланий “15” листопада 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Дідух В.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Головною проблемою технологічного процесу виробництва плодів є збирання урожаю, на яке припадає до 40% від загальних затрат по догляду за садом. Використання серійних плодознімальних засобів, в тому числі обладнаних штамбовими струшувачами, лише частково вирішує дану проблему, оскільки залишаються не розв’язаними питання пошкодження дерев та плодів, особливо таких чутливих як яблука. В цілому механізоване збирання зумовлює пошкодження 50–60% всього зібраного урожаю, в результаті чого плоди придатні переважно для технічної переробки або термінової реалізації у свіжому вигляді. Продуктивність плодозбиральної техніки залишається відносно низькою.

Зменшення пошкоджень яблунь та їх плодів, що зможуть закладатись на тривале зберігання, можливе внаслідок застосування нових способів механізованого знімання, один з яких полягає в адаптуванні швидкісного режиму роботи струшувачів до фізико-механічних властивостей дерев і плодів, дотриманні раціональної інтенсивності опадання яблук (рівномірного знімання в часі струшування) та попередженні загрози вихитування штамбів. Вирішення поставлених проблем повинно базуватись на комплексному підході, що враховує взаємодію двигуна енергетичного засобу, струшувача плодів, дерева та проміжних ланок між ними.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження з даної проблематики проводились у відповідності з науково-технічними програмами, що входять до Національної тематики наукових програм “Агропродкомплекс” з розвитку плодоовочевого комплексу та відновлення садівництва, виноградарства, розсадництва і виноробної промисловості України до 2005 року і згідно тематичного плану науково-дослідних робіт Львівського ДАУ (тема №0193V023627 “Дослідження процесів механізованого збирання та внутрішньогосподарського транспортування плодів”).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – підвищення ефективності процесу знімання яблук завдяки удосконаленню плодознімального засобу і обґрунтуванню параметрів його струшувача.

Задачі дослідження: вивчити розмірні показники і механічні властивості дерев та плодів, що підлягають механізованому зніманню струшуванням; отримати зовнішню і часткові швидкісні характеристики з регуляторними гілками двигуна плодознімального засобу; розробити модель системи “двигун – штамбовий струшувач (ШС) – дерево – плід”; розробити схему пристрою адаптивного регулювання швидкісного режиму штамбового струшувача; обґрунтувати параметри системи “двигун – ШС – дерево – плід” за умови рівномірного знімання яблук; провести виробничі випробування плодознімального засобу з адаптивним регулюванням швидкісного режиму його штамбового струшувача та визначити економічну ефективність.

Об’єкт дослідження – дерева та плоди сортів яблунь Зимовий лимонний (підщепа М4), Антор (ММ106), Айдаред (М9), Малинівське оберландське (сіянка Антонівки звичайної), Муцу (М9), Слава переможцям (М4); двигун Д-21А; штамбовий струшувач плодів; пристрій адаптивного регулювання швидкісного режиму; процес знімання плодів.

Предмет дослідження – закономірності зміни параметрів системи “двигун – ШС – дерево – плід”, що забезпечують високу експлуатаційну ефективність механізованого знімання плодів.

Методи дослідження. Дослідження процесу механізованого знімання плодів здійснювались на основі теоретичного аналізу і експериментів. В основу теоретичних досліджень покладено математичне моделювання роботи системи “двигун – ШС – дерево – плід” з розв’язком диференціальних рівнянь числовим методом. Експериментальні дослідження проводились на засадах системного підходу, методах структурного аналізу та синтезу, статистичного опрацювання інформації, планованого багатофакторного експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів: вперше виконано моделювання процесу знімання плодів, що враховує двигун і трансмісію плодознімального засобу разом із струшувачем, деревом та плодом; розроблена дискретно-континуальна модель дерева на основі балки Тимошенка; отримані закономірності зміни параметрів процесів вібраційного і віброударного знімання плодів з адаптивним регулюванням швидкісного режиму штамбового струшувача; розроблена методика якісної оцінки процесу рівномірного знімання плодів та отримані на її підставі результати досліджень.

Практичне значення одержаних результатів: здійснено адаптування швидкісного режиму роботи двигуна до фізико-механічних властивостей дерев, плодів з дотриманням рівномірного знімання яблук; встановлені показники ефективності знімання плодів від параметрів системи “двигун – ШС – дерево – плід”; розроблені спосіб рівномірного знімання і пристрій адаптивної паливоподачі, технічна новизна яких підтверджена патентами України на винаходи; запропоновано номограми вибору режимів роботи системи “двигун – ШС – дерево – плід” для різних розмірно-сортових груп дерев.

Результати роботи схвалені комісіями Львівської дослідної станції садівництва УААН і Львівської державної зональної машиновипробувальної станції.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертації отримані автором самостійно. В наукових працях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать: обґрунтування способу рівномірного знімання плодів з відтворенням його закономірностей у вигляді номограм [1, 10]; розробка фізичної та аналітичної моделей системи “двигун – ШС – дерево – плід” [9]; створення фізичної моделі дерева на основі балки Тимошенка [3, 6, 12]; розробка конструкції та виготовлення дослідного взірця пристрою адаптивної паливоподачі, працюючого в складі плодознімальної машини ВУМ-15 [7, 11]; опрацювання результатів теоретичних і виробничих досліджень штамбового струшувача [8, 9]; розрахунок на основі запропонованої методики економічної ефективності, зумовленої зміною якісних показників зібраних яблук [4]. В опублікованих у спів-
авторстві працях частка здобувача складає 65%.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації заслуховувались і обговорювались на наукових конференціях Львівського ДАУ (1997–2000 р.); міжнародній науковій конференції “Комп’ютерні технології друкарства: алгоритми, сигнали, системи” (Українська академія друкарства, Львів, 1998 р.); міжнародній науково-практичній конференції, присвяченій пам’яті професора Євгена Храпливого “Теорія і практика розвитку агропромислового комплексу” (Львівський ДАУ, 1999 р.); науково-практичному семінару молодих вчених та спеціалістів “Вчимося господарювати” (Інститут землеробства УААН, Київ–Чабани, 1999 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Сільському господарству – технічне забезпечення ХХІ століття” (Всеросійський інститут механізації, Москва, 2000 р.); міжкафедральному семінару Луцького ДТУ (2001 р.).

Публікації. Результати дисертаційної роботи представлені в 2 статтях у фахових журналах, 7 статтях у фахових збірниках наукових праць, 4 матеріалах і тезах конференцій, 2 патентах України на винаходи. Загальний обсяг опублікованих праць становить 3,87 друк. арк., в тому числі частка автора – 2,26 друк. арк.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків і пропозицій, списку використаних джерел із 119 найменувань та п’яти додатків. Основна частина викладена на 141 сторінці машинописного тексту, містить 3 таблиці, 63 рисунки. Повний обсяг роботи становить 230 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність, сформульовані мета і задачі дос-
лідження, наукова новизна та практична значущість роботи.

У першому розділі подано аналіз способів і засобів збирання плодів, який грунтується на працях Г.П. Варламова, Г.А. Хайліса, М.О. Демидка, Б.Х. Кульчієва, В.А. Чернікова, А.В. Четвертакова, А.М. Кротова, В.В. Бичкова, О.А. Цимбала, Х.А. Хачатряна, С.Г. Фришева, Р.С. Шевчука та інших вчених.

Основними плодознімальними засобами для збирання плодів є вібраційні машини позиційної дії, експлуатаційна ефективність роботи яких оцінюється показниками продуктивності, агротехнічності, економічності і ергономічності. Показники ефективності залежать від конструктивних параметрів і режимів роботи їх струшувачів. Управління роботою струшувачів за умови типового (традиційного) способу знімання на основі візуальної оцінки процесу відокремлення здійснює людина-оператор, змінюючи режими роботи двигуна. На практиці це призводить до збільшення тривалості процесу знімання плодів, викликаного цим надмірного зростання частоти струшування, що спричинює вихитування штамбів.

Найбільш розповсюджені штамбові струшувачі лінійної дії, до яких належать струшувачі машини ВУМ-15 і комбайна МПУ-1А, що працюють у вібраційному і віброударному режимах роботи. Дані засоби дозволяють при достатніх збурювальних зусиллях звести до мінімуму навантаження і пошкодження кори в місці захвату, вони є енергетично ощадливішими стосовно сформованих на даний час садів. Проте штамбовим струшувачам, як і іншим типам струшувачів, характерне пошкодження плодів, недостатня відповідність режимів роботи фізико-механічним властивостям дерев, плодів та залежність ефективності процесу знімання від практичних навичок тракториста. Пошкодження яблук зумовлені характером відокремлення, оскільки основна їх маса (70% і більше) опадає в 1/3 загального часу коливання дерев. При змінній інтенсивності опадання створюються сприятливі умови для співударяння плодів під час падіння в кроні дерева і на уловлювальній поверхні. Одним із шляхів покращання показників експлуатаційної ефективності може бути регулювання швидкісного режиму роботи струшувачів за певною закономірністю, згідно якої за одиницю часу відокремлюється однакова кількість плодів. Переведення цих функцій спеціальному пристрою зменшить вплив на процес знімання суб’єктивного фактора.

У другому розділі описано методику експериментальних досліджень, програмою яких було передбачено проведення: досліджень з визначення фізико-механічних, розмірних показників дерев та плодів, стендових випробувань двигуна плодознімального засобу – з метою отримання вихідних даних для математичного моделювання системи “двигун – ШС – дерево – плід”; досліджень з підтвердження і доповнення результатів теоретичних розрахунків, а також господарських випробувань з якісної оцінки процесу знімання плодів.

Визначення розмірів наземної частини дерев і розмірно-масових характеристик плодів проводилось згідно загальноприйнятих і розроблених методик. Дослідження зведеного коефіцієнта жорсткості штамбів та граничного кута їх відхилення базувалось на методиці планування двофакторного експерименту на трьох рівнях. Незалежними змінними виступали: висота захвату, діаметр штамбів. Визначення частот власних коливань дерев, їх коефіцієнта демпфірування здійснювалось на основі методу вільних коливань.

Стендові випробування двигуна Д-21А машини ВУМ-15 здійснювались шляхом зняття його зовнішньої і часткових швидкісних характеристик з регуляторними гілками. Під час польових випробувань плодознімального засобу визначались прискорення коливань штамбів дерев, а також повнота знімання. Якісна оцінка процесу знімання проводилась на основі розробленої методики, згідно якої порівнювались ступінь загального пошкодження плодів та окремо в кроні дерева за умови типового і рівномірного способів знімання.

Досліди проводились з використанням експериментального взірця плодознімального засобу, обладнаного системою адаптивного регулювання швидкісного режиму, вимірювальної частини, до складу якої входили осцилограф С8-17, акселерометри АНС-014-03, електронний датчик переміщення, електричний динамометр, пристрій для визначення зусилля відокремлення плодів і гальмівної установки VSETIN для стендових випробувань двигуна.

Третій розділ присвячений висвітленню результатів експериментального дослідження складових системи “двигун – струшувач – дерево – плід”.

Дослідженнями встановлено, що основними обмежувальними показниками застосування серійних плодознімальних засобів у садах є ширина вільного проходу в міжряддях, висота штамбів та вільний простір під кронами.

Середнє значення маси mп плодів змінюється в діапазоні від 81,62 г (Антор) до 129,47 г (Муцу). Для яблук сорту Муцу характерна найбільша довжина плода lп як фізичного маятника –
45,6 мм. В Антора цей показник – 25,71 мм. За зусиллям відокремлення Fвс досліджувані сорти охоплюють спектр зусиль від 6,64 Н (Зимовий лимонний) до 22,24 Н (Слава переможцям).

Граничними значеннями коефіцієнта с жорсткості штамбів яблунь є 53,3 Н/мм (діаметр dс штамбів 100 мм, висота zк захвату 0,6 м) і 559,4 Н/мм (dс = 220 мм, zк = 0,3 м). Інтервал зміни значень граничного кута гс відхилення штамбів 1,39 (dс = 220 мм, zк = 0,6 м) – 3,66 (dс = 100 мм, zк = 0,6 м).

Мінімальні значення другої частоти власних коливань (робочої) і коефіцієнта демпфірування (dc = 100 мм) становлять 62,69 с-1 та 20,41 с-1, максимальні значення (dc = 220 мм) – 105,31 с-1 і 60,06 с-1.

Інтервал максимальних значень маси дерева, зведеної на висоту 0,3 м у діапазоні діаметрів 100–220 мм при другій частоті власних коливань, становить 43,94–50,44 кг, а мінімальних значень на висоті 0,6 м – 13,57–25,15 кг.

Основні показники роботи двигуна Д-21А за зовнішньою швидкісною характеристикою: в режимі холостого ходу частота обертання вала двигуна 1927 хв-1, годинна витрата палива
1,4 кг/год; на номінальному режимі (1798 хв-1) потужність становить 18,42 кВт, крутний момент 97,86 Нм, годинна витрата палива 4,6 кг/год; максимальне значення (109,29 Нм) крутний момент досягає при 1377 хв-1. На часткових режимах закономірності зміни потужності, крутного моменту і годинної витрати палива на регуляторних гілках, аналогічно як і на зовнішній характеристиці, носять лінійний характер, проте зміщуються по осі абсцис в сторону зменшення; коректорні гілки за всіма показниками збігаються з аналогічними гілками зовнішньої характеристики.

У четвертому розділі проведені теоретичні дослідження системи “двигун – струшувач –
дерево – плід” та обґрунтовано параметри і режими роботи штамбового струшувача під час рівномірного знімання яблук.

На відміну від відомих дискретних моделей дерева розрахунок напружень в плодоносних гілках, частот власних коливань здійснено за допомогою дискретно-континуального моделювання. Для цього дерево представлено балкою Тимошенка із змінними по довжині властивостями. Встановлені за допомогою амплітудно-частотних характеристик частоти власних коливань свідчать, що робоча частота струшувача повинна досягати 12–18 Гц, максимально наближаючись до другого резонансного діапазону елементів дерева; розраховане передатне число крони за амплітудою складає 0,7–2,9.

З метою отримання необхідної закономірності опадання яблук, здійснюваної регулюванням швидкісного режиму двигуна плодознімального засобу, досліджувалась двомасова модель системи “двигун – струшувач – дерево” (рис. 1), що містить два маховики 1 і 3, з’єднаних між собою фрикційною муфтою зчеплення 2. Перший маховик відображає зведені до колінчастого вала рухомі маси двигуна, а другий – зведені до ведучого вала механізму відбору потужності рухомі маси струшувача і дерева. До колінчастого вала, кутова швидкість обертання якого д, прикладений крутний момент двигуна Мд, а до ведучого вала, що обертається із швидкістю з, – зведений момент опору Мстр, створюваний струшувачем плодознімального засобу.

Диференціальні рівняння на стадії вирівнювання кутових швидкостей д і з для елементів системи “двигун – струшу-вач – дерево”, які з’єднані з ведучою і веденою частинами муфти зчеплення, мають вигляд:

(1)

де Ід, Із – моменти інерції двигуна, веденої частини муфти зчеплення та мас, з’єднаних з нею;

Мз – момент тертя муфти зчеплення;

ітр, тр – передатне число і коефіцієнт корисної дії трансмісії.

Рівняння динамічної рівноваги системи на стадії розгону має вигляд:

(2)

Розгляд функціональної залежності Мд(д) здійснювався автономно для обох ділянок швидкісної характеристики, окресливши їх в моделі двигуна умовами застосування. Ці залежності мають вигляд:

(3)

де , – кутові швидкості холостого ходу та початку дії регулятора, що відповідають куту відхилення важеля регулятора від вертикального положення;

ао, а1, а2, а3, а4 – постійні коефіцієнти;

дmin – мінімально стійка кутова швидкість обертання вала двигуна.

Узгодження кута з моделлю двигуна здійснюється за допомогою опорних точок регуляторної гілки – кутових швидкостей і , отриманих із зовнішньої і часткових швидкісних характеристик двигуна Д-21А, що становлять:

у випадку mах min, (4)

де а, b, c, d – постійні коефіцієнти;

min, mах – положення важеля регулятора, що відповідають мінімальному частковому і номінальному режимам роботи.

Вихідною характеристикою муфти зчеплення є момент тертя Мз, який наростає до свого максимального значення за заданою закономірністю:

, (5)

де Мсо – статичний момент тертя повністю включеної муфти зчеплення, Мсо= Мдmax ( – коефіцієнт запасу муфти зчеплення);

kс – константа, яка характеризує темп включення муфти зчеплення, (tм – час повного включення муфти зчеплення).

Штамбовий віброударний струшувач (рис. 2) включає збурювач криво-шипно-шатунного типу, що закріплений на корпусі струшувача, загальна маса яких m3, а також захват, маса якого, не враховуючи мас m1 еластичних подушок з плитами важільних механізмів, становить m2. Кривошип збурювача коливань радіусом r, що обертається з кутовою швидкістю с і через шатун довжиною l, з’єднаний із захватом, здійснює переміщення корпуса струшувача разом із

збурювачем, розхитуючи захват з деревом вздовж осі x системи координат xOy з початком у центрі О поперечного перетину штамба. Подушки, коефіцієнти жорсткості яких с1, а демпфірування n1, до моменту контакту з упорами взаємодіють із захватом через блоки пружин жорсткістю с2; зазор між упорами та плитами важільних механізмів після обтискання штамба становить Ду. Крім того, подушки взаємодіють із штамбом. Зведена до місця взаємодії на висоті zк маса дерева дорівнює т, а зведені коефіцієнти жорсткості і демпфірування – с, п. У процесі повороту кривошипа спочатку стискається блок пружин важільного механізму, передаючи зусилля штамбу і відхиляючи його від положення рівноваги; після вибору зазору у упор наносить по жорсткій пластині удар, імпульс від якого передається через подушку штамбу, а далі – плодоносним гілкам. Під час вібраційного режиму роботи у=0 або с2=.

Після захвату і обтискання штамба струшувач перебуває у вихідному положенні, і абсциси центрів мас окремих елементів підсистеми дорівнюють: хпо – абсциса центра мас правої подушки; xзо – захвата; xво – корпуса струшувача із збурювачем; хло – лівої подушки. За деякий час t кривошип збурювача коливань повертається на кут цкр = щс t, причому щс = щд/ітр, в результаті чого координати вказаних центрів мас дорівнюють xп, хз, хв, xл, а відхилення зведеної маси дерева – хк.

Диференціальні рівняння руху кожного елемента підсистеми “струшувач – дерево” під час віброударного режиму роботи записуються у вигляді:

а) дерева

(6)

б) правої подушки

(7)

в) лівої подушки

(8)

г) захвата із збурювачем коливань

(9)

де в, в1 – коефіцієнти пропорційності в’язкого опору відхиленню штамба і деформуванню подушок захвата;

Рп, Рл – сили дії упорів на праву і ліву подушки.

Момент опору Мстр визначається на основі співвідношення між силами, що діють у кривошипно-шатунному механізмі збурювача коливань, із виразу:

(10)

Розв’язок рівнянь (1)–(10), що описують роботу системи “двигун – струшувач – дерево”, дозволяє встановити параметри коливання штамбів дерев залежно від положення важеля управління регулятором.

Розглядаючи яблуко як маятник, для якого характерні пружний зв’язок у точці підвісу, в’язкий опір відхиленню та лінійні горизонтальні коливання точки підвісу, диференціальне рівняння його руху має вигляд:

, (11)

де п – кут відхилення плода від положення рівноваги;

nп, kп – коефіцієнт демпфірування і частота власних коливань маятника;

– лінійне прискорення точки підвісу плода.

Відрив плода відбувається за умови

. (12)

Визначення закономірності зміни кута відхилення важеля регулятора, за якої в одиницю часу відокремлюється однакова кількість плодів, ґрунтувалось на встановленні параметрів коливання плодів, що забезпечують згідно (11), (12) необхідну закономірність відокремлення Fвс(t). Розв’язок здійснювався за допомогою рівнянь (6)–(9) – для встановлення закономірностей коливання штамба в місці прикладання збурювального зусилля з врахуванням передачі коливань до плодоносних гілок, рівнянь (1)–(5), (10) – для конкретизації значень кута . Рішення рівнянь, що описують роботу системи “двигун – струшувач – дерево – плід” проводилось модифікованим методом Ейлера.

Закономірність відокремлення плодів простежується за допомогою номограм (рис. 3), побудованих для досліджуваних помологічних сортів яблунь (всього 6 сортів), режимів (вібраційний, віброударний) і умов роботи (діаметр dс, висота zк), що представляють залежність зусилля Fвс, при якому відбувається відокремлення плодів, від встановлених за цих умов кута і частоти с.

У процесі вібраційного знімання плодів сортів яблунь з найслабшим зв’язком яблук з гілочками у випадку миттєвого включення приводу струшувача при мінімальній частоті обертання вала двигуна відбувається одночасне інтенсивне опадання плодів. Під час знімання плодів з дерев яблунь, діаметр штамбів яких 200 мм, а висота захвату 0,3 м сорту Зимовий лимонний одразу опаде 99,4%, а сорту Антор – 97,7% всіх яблук. Ця закономірність проявляється значніше, чим більший діаметр і менша висота захвату штамбів, що зумовлено більшою жорсткістю дерев і кращими умовами передачі збурювального зусилля. Із збільшенням по сортах середнього зусилля відокремлення спостерігається тенденція зменшення часток плодів, що одразу опадуть, проте в результаті розсіювання енергії під час передачі коливань в кронах дерев, що характеризуються мінімальними значеннями діаметрів і максимальними значеннями висот захвату, матиме місце неповне знімання плодів через нестачу потужності двигуна. Для сорту із найміцнішим зв’язком яблук з плодовими гілочками у випадку їх знімання з дерев з dс = 100 мм і zк = 0,6 м повнота Пзн складатиме 15,9%.

Зменшення маси плодів, що опадають при мінімальних обертах вала двигуна можливе за рахунок плавного включення муфти зчеплення (пунктирні лінії на рис. 3). Знімання впродовж 1,5 с першої частки плодів, що становить 16% від всієї маси є межею, до якої можлива реалізація рівномірного знімання.

Враховуючи однаковий характер відокремлення плодів, досліджувані сорти яблунь розділені на чотири сортові групи із зусиллям відокремлення: 7,9 Н Fвсср; 7,9 < Fвсср 12,9 Н; 12,9 < Fвсср 18,0 Н; 18,0 < Fвсср 22,2 Н.

Кут відхилення важеля регулятора і частота с вібраційного струшування з метою забезпечення гарантованого знімання плодів першої сортової групи яблунь для діаметрів dс і висот zк повинні змінюватись в межах: dс 100 мм, zк = 0,3 м – 9,0–19,3, 28,91–92,97 с-1; dс 100 мм і zк = 0,6 м – 10,2–29,4, 64,83–127,45 с-1; 100 < dс 160 мм і zк=0,45 м – 9,0–17,8, 16,20–89,03 с-1; 160 < dс 220 мм і zк=0,6 м – 9,0–18,3, 12,1–91,12 с-1. Діапазони зміни кута , частоти с другої та третьої сортових груп складають: 9,0–23,9, 51,57–104,46 с-1 та 10,7–25,9, 65,35–112,58 с-1 (dс
100 мм, zк = 0,3 м); 10,4–27,9, 65,01–119,83 с-1 та 13,7–29,4, 76,75–124,11 с-1 (dс 100 мм, zк =
0,45 м); 9,0–22,2, 29,01–102,31 с-1 та 9,0–25,2, 49,83–111,09 с-1 (100 < dс 160 мм, zк = 0,45 м); 9,1–26,4, 54,52–116,75 с-1 та 11,1–29,8, 66,98–126,4 с-1 (100 < dс 160 мм, zк = 0,6 м); 9,0–22,9, 21,39–105,3 с-1 та 9,0–26,4, 38,40–115,55 с-1 (160 < dс 220 мм, zк = 0,6 м). Плоди четвертої сортової групи можуть відокремлюватись з дерев, діаметр штамбів яких dс 100 мм, лише на висоті zк 0,3 м, переміщуючи важіль регулятора на проміжку від 13,2 до 27,7, регулюючи частоту с в межах 73,8–117,29 с-1. Для знімання яблук з дерев із 100 < dс 160 мм і висоті zк = 0,45 м граничні положення важеля регулятора повинні бути 11,0 і 27,0, яким відповідають частоти с струшування 65,64 та 116,5 с-1. Ці самі показники для дерев з 100 < dс 160 мм і висоти zк = 0,6 м – 14,0, 29,2 та 77,54, 124,72 с-1.

Реалізація віброударного рівномірного знімання можлива на деревах першої сортової групи з dс 160 мм і zк 0,45 м, для дерев із 160 < dс 220 мм прийнятною є висота 0,6 м. Частота с на 27,7–76,5% менша, ніж у випадку передачі в кроні лише вібраційних коливань. Встановлені діаметри і висоти захвату для другої і третьої сортових груп під час вібраційного і віброударного режимів однакові; частота с порівняно з вібраційним зніманням у всьому діапазоні менша на 23,8–59,8%. Найкращі умови для реалізації віброударного рівномірного знімання в сортів з найміцнішим зв’язком плодів із гілочками, для яких частота с на 14,1–33,9% менша, ніж під час вібраційного знімання. Сила стиску кори під час віброудару зменшується на 53,3%, а енергетичні витрати – на 22,7%.

Ще одним обмежувальним фактором вібраційного і віброударного знімання є загроза вихитування дерев з діаметром штамбів dс 160 мм у випадку їх захоплення на висоті zк 0,3 м, а також 160 < dc 220 мм – на висоті zк 0,45 м. У зв’язку з цим для встановлених значень діаметрів dc штамбів і висот zк їх захвату розраховані робочі профільні поверхні кулачків, дія яких на важіль регулятора уможливлює рівномірне знімання плодів.

У п’ятому розділі представлено результати експериментального дослідження процесу рівномірного знімання плодів.

Розроблений пристрій адаптивної паливоподачі забезпечує регулювання швидкісного режиму роботи двигуна і струшувача машини ВУМ-15, адаптованого до фізико-механічних властивостей дерев, плодів та умови рівномірного знімання яблук. Пристрій містить механізм регулювання подачі палива, а також систему управління. Механізм (рис. 4) отримує привід від електричного двигуна 1 через муфту 2, черв’ячний редуктор 3, з’єднаний з привідним валом 4. На валу 4 змонтована втулка 7, сполучена з валом 4 штифтовим гвинтом 8, на якій за допомогою гайки 5 зафіксовані кулачки 6 з теоретично обґрунтованим профілем. Переставляючи штифт в отворах вала, один з кулачків 6 (залежно від розмірної групи дерев) вводиться в контакт з роликом 9. Важіль 11, повздовжня тяга 12 забезпечують кутове переміщення важеля 13 управління регулятором паливного насоса відповідно до профілю кулачка 6. Система управління через контактний диск 10 здійснює керування кулачками під час роботи і транспортних переїздів.

Обладнання машини ВУМ-15 віброударним струшувачем з масою m3 рухомих частин 100 кг дозволило зберегти маневреність агрегату в саду, його агроекологічні показники роботи, в 1,6 рази збільшити діапазон дерев (за діаметром штамбів), що піддаються струшуванню.

Максимальне значення прискорення вібраційного коливання штамбів змінюється в межах 264,0–272,9 м/с2, а повнота знімання Пзн – 95,6–98,5%. Відхилення від теоретично отриманих даних за прискоренням у всьому діапазоні частот не перевищує 11,4%, а за повнотою Пзн (нерівномірністю знімання) – 6,5–9,3%, що підтверджує достовірність результатів теоретичного розділу роботи.

Результати якісної оцінки отриманої продукції свідчать, що під час типового способу знімання пошкоджується 54,4–76,1% всіх плодів, з них 22,7– 32,1% зазнають співударянь в кроні. Під час рівномірного знімання зменшується число співударянь яблук між собою та гілками у процесі падіння. За цих умов коефіцієнт пошкодження плодів у кроні зменшується на 52,47–62,38% і складає 0,085–0,153, а загального пошкодження – на 15,73–20,66%, досягаючи інтервалу значень 0,458–0,604. Отримані результати підтверджують достовірність теоретичних розрахунків з визначення профільних поверхонь кулачків і їх кількості в блоці для знімання плодів різних розмірно-сортових груп яблунь.

Раціональний час струшування tст, який визначає інтенсивність опадання плодів, залежить від урожайності саду і коливається в межах 3–12 с.

Узгодження параметрів двигуна та штамбового струшувача плодознімального засобу, а також фізико-механічних властивостей дерев і плодів здійснюється за допомогою технологічних характеристик (номограм), які дозволяють встановити необхідний швидкісний режим роботи системи “двигун – струшувач” стосовно умови рівномірного знімання (рис. 5).

У шостому розділі здійснено економічну оцінку впровадження плодознімальної машини ВУМ-15, обладнаної пристроєм адаптивної паливоподачі.

В результаті рівномірного знімання плодів у порівнянні з типовим способом відбувається масовий перерозподіл яблук між товарними сортами – в сторону збільшення маси плодів вищих (в ієрархії) сортів порівняно з нижчими.

Завдяки зменшенню часу циклу знімання яблук з дерев, схема садіння яких 53 (64) м з 1,28 (1,44) хв під час типового способу знімання до 1,15 (1,39) хв – під час рівномірного, має місце збільшення змінної продуктивності машини ВУМ-15 з 0,0460 (0,0621) га/год до 0,0513 (0,0643) га/год.

Економічний ефект від зміни якості продукції при урожайності 240 ц/га в середньому становить 510,29 грн/га. Річний економічний ефект від використання удосконаленої машини ВУМ-15 при тій же урожайності і схемі садіння 53 м складає 6573,71 грн, а 64 м – 7128,37 грн.

ВИСНОВКИ І ПРОПОЗИЦІЇ

1. Підвищення ефективності механізованого способу знімання яблук доцільно здійснювати шляхом: адаптування режимів роботи штамбових струшувачів до фізико-механічних властивостей дерев і плодів та дотримання раціональної інтенсивності їх знімання (рівномірного відокремлення плодів в часі струшування); розширення технологічних можливостей плодознімальних засобів.

2. Визначені на основі розроблених і апробованих методик фізико-механічні показники яблунь для діаметра dс штамбів 100–220 мм і висоти zк захвату 0,3–0,6 м становлять: коефіцієнт жорсткості штамбів – 53,3–559,4 Н/мм; граничний кут відхилення штамбів – 1,39–3,66; друга частота власних коливань – 62,69–105,31 с-1; коефіцієнт демпфірування – 20,41–60,06 с-1; зведена маса дерев – 13,57–50,44 кг. Середнє значення маси яблук змінюється в діапазоні 81,62–129,47 г, а зусилля відокремлення – 6,64–22,24 Н.

3. Апроксимація регуляторних гілок зовнішньої і часткових швидкісних характеристик, отриманих під час випробувань двигуна Д-21А, лінійною залежністю моменту від кутової швидкості обертання вала двигуна, коректорної гілки – ступеневою функцією, а також лінійне представлення закономірностей зміни кутових швидкостей холостого ходу і початку дії регулятора залежно від кута повороту важеля регулятора паливного насоса, дозволили отримати аналітичну модель (3), (4) роботи двигуна та встановити залежність між положенням важеля регулятора, навантаженням на двигун і його кутовою швидкістю.

4. Розраховані за допомогою дискретно-континуальної моделі дерева, отриманої на основі схеми балки Тимошенка, частоти власних коливань дерев становлять 12–18 Гц, а передатне число крони за амплітудою – 0,7–2,9.

5. Розв’язок рівнянь (1)–(12) моделі системи “двигун – струшувач – дере-
во – плід” дозволив встановити для різних режимів (вібраційний, віброударний) і умов роботи (діаметр dс, висота zк; сорт) закономірності переміщення важеля регулятора, за яких забезпечується рівномірне знімання яблук. Інтервал зміни мінімальних значень кута відхилення важеля регулятора і циклічної частоти с вібраційного струшування першої групи сортів яблунь із найслабшим зв’язком плодів з гілочками (Fвсср 7,9 Н) відповідає деревам з 160 < dс 220 мм, zк = 0,6 м і становить 9,0–18,3, 12,10–91,12 с-1, максимальних (dс 100 мм, zк = 0,6 м) – 10,2–29,4, 64,83–127,45 с-1. Аналогічні діапазони зміни кута і частоти с для другої (7,9 < Fвсср 12,9 Н) та третьої (12,9 < Fвсср 18,0 Н) сортових груп складають відповідно: 9,0–22,2, 29,01–102,31 с-1 та 9,0–25,2, 49,83–111,09 с-1 (100 < dс 160 мм, zк = 0,45 м); 10,4–27,9, 65,01–119,83 с-1 та 13,7–29,4 76,75– 124,11 с-1 (dс 100 мм, zк = 0,45 м). Діапазони зміни і с четвертої сортової групи (18,0 Н < Fвс 22,2 Н) становлять: 11,0–27,0, 65,64–116,50 с-1 (100 < dс 160 мм, zк = 0,45 м); 14,0–29,2, 77,54–124,72 с-1 (100 < dс 160 мм і zк = 0,6 м). Частота віброударного струшування дерев першої сортової групи яблунь на 27,7–76,5% менша, ніж у випадку вібраційного знімання, другої – на 29,1–59,8%, тре-
тьої – 23,8–34,7% і четвертої – 14,1–33,9%.

6. Розроблений пристрій адаптивної паливоподачі (патент України на винахід) з розрахованими робочими профільними поверхнями кулачків, що діють на важіль регулятора подачі палива, забезпечує регулювання швидкісного режиму роботи двигуна і струшувача машини ВУМ-15, адаптованого до фізико-механічних властивостей дерев, плодів та умови рівномірного знімання яблук.

Удосконалена машина ВУМ-15, обладнана штамбовим віброударним струшувачем з масою m3 рухомих частин 100 кг, дозволяє в 1,6 рази збільшити діапазон дерев (за діаметром штамбів), що піддаються струшуванню, зменшити силу стиску кори на 53,3%, а енергетичні затрати – на 22,7%.

7. Обґрунтовані спосіб рівномірного знімання (патент України на винахід), а також параметри і режими роботи штамбового струшувача з адаптивною системою регулювання швидкісного режиму дозволяють на 52,47–62,38% зменшити пошкодження плодів, зумовлених співударянням яблук між собою і гілками під час падіння у кроні дерева, попередити загрозу вихитування штамбів. Узгодження параметрів двигуна, струшувача та фізико-механічних властивостей дерев і плодів здійснюється за допомогою технологічних характеристик процесу рівномірного знімання, зведених у вигляді номограм.

8. Проведені господарські випробування удосконаленого плодознімального засобу свідчать, що під час типового способу знімання пошкоджується 54,4–76,1% всіх зібраних яблук. За умови рівномірного знімання, в порівнянні з типовим, коефіцієнт загального пошкодження зменшується на 15,73–20,66% і складає 0,458–0,604.

9. В результаті рівномірного знімання плодів в порівнянні з типовим способом відбувається їх масовий перерозподіл між товарними сортами в сторону збільшення маси яблук вищих сортів. Економічний ефект від зміни якості продукції при урожайності 240 ц/га становить 510,29 грн/га. Річний економічний ефект за цих умов для схеми садіння 53 м складає 6573,71 грн, а для схеми 64 м – 7128,37 грн.

Основні результати досліджень з обґрунтування параметрів процесу рівномірного знімання плодів схвалені і прийняті до впровадження комісіями Львівської дослідної станції садівництва УААН, Львівської державної зональної машиновипробувальної станції.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шевчук Р.С., Mиронюк О.С. Технологічна характеристика і режими роботи системи “двигун внутрішнього згоряння – інерційний лінійний струшувач плодів” //Вісник Львівського державного аграрного університету: Агроінженерні дослідження. –Львів: ЛДАУ. –1997. –№1. –С. 28-31.

2. Миронюк О.С. Ефективність механізованого способу знімання плодів //Вісник Львівського державного аграрного університету: Агроінженерні дослідження. –Львів: ЛДАУ. –1998. – №2. –
С. 95-99.

3. Дівеєв Б., Миронюк О., Шевчук Р. Дискретно-континуальна модель для розрахунку динамічних характеристик струшувача плодів //Машинознавство. – 1998. –№8. –С. 15-19.

4. Шевчук Р.С., Миронюк О.С. Економічна ефективність плодозбирального засобу з адаптивним регулюванням швидкісного режиму //Сільськогосподар-ські машини. –Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ. –1998. – Вип. 4.–С. 191-196.

5. Миронюк О.С. Дослідження зусилля відокремлення яблук //Сільськогос-подарські машини. –Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ. –1999. –Вип. 5. –С. 163-166.

6. Дівеєв Б.М., Миронюк О.С. Моделювання коливних процесів у дереві на основі розрахункової схеми балки Тимошенка //Вісник Львівського державного аграрного університету: Агроінженерні дослідження. –Львів: ЛДАУ. –2000. – №4. –С. 135-141.

7. Шевчук Р.С., Миронюк О.С., Драный А.В. Устройство адаптивной подачи топлива плодоуборочных машин //Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2000. –№4. –С. 21-22.

8. Рибарук В.Я., Миронюк О.С. Випробування інерційного лінійного струшувача плодів з адаптивним регулюванням швидкісного режиму //Механі-зація сільськогосподарського виробництва. –К.: Національний аграрний університет. –2000. –Т.VIII. –С. 380-382.

9. Шевчук Р.С., Миронюк О.С. Модель процесу розгону системи “двигун – струшувач – дерево” //Сільськогосподарські машини. –Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ. –2000. –Вип. 6. –С. 201-208.

10. Пат. 32343 А Україна, МКИ А 01D 46/26. Спосіб механізованого знімання плодів струшуванням /Миронюк О.С., Шевчук Р.С. – №99042064; Заявл. 13.04.1999; Опубл. 15.12.2000, Бюл. №7-ІІ. – 2 с.

11. Пат. 34979 А Україна, МКИ А 01D 46/26. Плодознімальний засіб /Шевчук Р.С., Миронюк О.С., Бавдик Я.М. – №99074300; Заявл. 27.07.1999; Опубл. 15.03.2001, Бюл. №2. – 2 с.

12. Дівеєв Б., Миронюк О. Дискретно-континуальні схеми вібронавантажених конструкцій //Комп’ютерні технології друкарства. –Львів: Українська академія друкарства. –1998. –С. 215-220.

13. Миронюк О.С. Качественная оценка процесса равномерного съема плодов //Механизация уборки, послеуборочной обработки и хранения урожая сельскохозяйственных культур. –М.: Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (ВИМ). –2000. –Т.132. –С. 20-25.

14. Миронюк О.С. Спосіб адаптивного регулювання швидкісного режиму двигуна плодозбирального засобу //Теорія і практика розвитку агропромислового комплексу: Тези міжнародної науково-практичної конференції, присвяченої пам’яті проф. Євгена Храпливого. –Львів: ЛДАУ. –1999. –С. 149-151.

15. Миронюк О.С. Підвищення ефективності роботи плодознімальних засобів //Вчимося господарювати: Матеріали науково-практичного семінару молодих вчених та спеціалістів. Київ–Чабани. –К.: Нора-прінт. –1999. –С. 303-304.

АНОТАЦІЇ

Миронюк О.С. Удосконалення плодознімального засобу. –Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. –Луцький державний технічний університет, Луцьк, 2001.

Дисертаційну роботу присвячено питанням підвищення ефективності механізованого знімання яблук на підставі адаптивного регулювання швидкісного режиму штамбового струшувача плодознімального засобу і обґрунтування його параметрів. Для вирішення поставлених завдань вивчено розмірно-масові і фізико-механічні властивості дерев та плодів; проведено стендові випробування двигуна Д-21А приводу штамбового струшувача; складено дискретно-континуальну модель дерева на основі схеми балки Тимошенка; запропоновано динамічну модель системи “двигун – струшувач – дерево – плід” та методи її аналізу; обґрунтовано теоретично і підтверджено експериментально параметри вказаної системи; розроблено методику експериментальної оцінки якості зібраного урожаю за умови типового і рівномірного способів знімання, а також методику економічної оцінки рівномірного знімання плодів струшуванням з врахуванням зміни якості отриманої продукції. Основні результати роботи реалізовані в експериментальному зразку плодознімального засобу, обладнаного системою адаптивного регулювання швидкісного режим.

Ключові слова: дерево, плід, рівномірне знімання, штамбовий струшувач, двигун, швидкісний режим, адаптивне регулювання.

Миронюк О.С. Усовершенствование плодосъемного средства. –Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. –Луцкий государственный технический университет, Луцк, 2001.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности механизированного съема плодов на основании адаптирования режимов работы штамбового стряхивателя плодосъемного средства к физико-механическим свойствам деревьев и плодов с соблюдением рациональной интенсивности опадания яблок (равномерного съема во времени стряхивания), а также расширения технологических возможностей агрегата. При