СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АГРЕГАТА ДЛЯ МАШИННОЙ КОНТУРНОЙ ОБРЕЗКИ ПЛОДОВЫХ

На правах рукописи

Панкова Елена Анатольевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АГРЕГАТА ДЛЯ

МАШИННОЙ КОНТУРНОЙ ОБРЕЗКИ

ПЛОДОВЫХ ДЕРЕВЬЕВ

Специальность

05.20.01 – технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Рязань 2012

Работа выполнена на кафедрах «Эксплуатация машинно-тракторного парка» и «Техническая эксплуатация транспорта» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А.Костычева» (ФГБОУ ВПО РГАТУ)

Научный руководитель: Бышов Николай Владимирович

доктор технических наук,

профессор

Официальные оппоненты: Угланов Михаил Борисович

доктор технических наук,

профессор

Ещин Александр Вадимович

кандидат технических наук,

доцент

Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский селекционно-

технологический институт садоводства и

питомниководства Российской академии

сельскохозяйственных наук» (ГНУ

ВСТИСП Россельхозакадемии),

г. Москва

Защита состоится 27 апреля 2012 г. в 900 часов на заседании диссертационного совета Д 220.057.02 при ФГБОУ ВПО РГАТУ по адресу: 390044, г. Рязань, ул. Костычева, д.1, конференц-зал.

Объявление о защите и автореферат размещены на сайте Министерства образования и науки РФ www.vak2.ed.gov.ru – 26 марта 2012 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО РГАТУ.

Автореферат разослан 26 марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета /А.В. Шемякин/

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В комплексе агротехнических мероприятий обрезка деревьев занимает важное место. Механизированная контурная обрезка способствует улучшению физиологического состояния деревьев, активизации их роста и уменьшению параметров кроны. Все это благоприятствует плодоношению, и создаются удобства для ухода за насаждениями и сбора урожая.

Сложность механизации обрезки объясняется несовершенством конструкции машин, их режущих аппаратов, разнообразием ветвей по толщине, бессистемным расположением их в кроне и другими факторами. Все это обусловливает индивидуальный подход к каждой ветви.

Важным недостатком существующих машин для контурной обрезки плодовых деревьев является отсутствие устройства стабилизации рабочих органов, что значительно снижает качество проводимой обрезки и приводит к недолговечности работы дисковых пил. Поэтому разработка машины по уходу за плодовыми насаждениями, которая была бы снабжена устройством стабилизации рабочих органов, является актуальной задачей.

Работа выполнена по плану НИР ФГБОУ ВПО РГАТУ на 2011...2015гг. по теме №73.31.41 гос. рег. 01201174433 в рамках раздела 5.4 «Повышение эффективности использования транспортных и технологических машин путем совершенствования технологии и технических средств производства, транспортировки, погрузки и разгрузки плодоовощной продукции».

Цель исследований

Повышение качества выполнения механизированной обрезки в садах путем разработки устройства стабилизации рабочих органов машины для контурной обрезки плодовых деревьев.

Задачи исследований

1. Провести анализ существующих машин для механизированной контурной обрезки плодовых деревьев и существующих устройств гашения колебаний рабочих органов машин для обрезки плодовых деревьев.
2. Исследовать математическую модель процесса колебаний режущих аппаратов машины для контурной обрезки, оснащенной устройством стабилизации рабочих органов, с целью определения основных параметров устройства.
3. Экспериментально определить степень влияния устройства для стабилизации рабочих органов контурного обрезчика на выполнение технологической операции по обрезке деревьев.
4. Определить экономическую эффективность применения разработанного устройства стабилизации рабочих органов машины для контурной обрезки плодовых деревьев.

Объект исследований

Лабораторный образец устройства стабилизации рабочих органов машины для контурной обрезки плодовых насаждений.

Предмет исследований

Технологический процесс обрезки плодовых насаждений.

Методика исследований

Теоретические исследования выполнены на основе положений, законов и методов теоретической механики, статистической механики и математического анализа с использованием ПК, в том числе с использованием программ Microsoft Excel 2003, MathCAD 14.0. Экспериментальные исследования эксплуатационных показателей устройства гашения колебаний режущих аппаратов машины для контурной обрезки плодовых насаждений выполнены с использованием теории планирования полнофакторного эксперимента методом двухфакторного дисперсионного анализа. Для определения экономической эффективности полученных результатов применены стандартные методики оценки технологических и технических разработок.

Научная новизна

1. Разработана методика, позволяющая получить статистическую модель, описывающую поперечный микропрофиль междурядий плодового сада, с целью определения основных его вероятностных и статистических характеристик.
2. Разработана математическая модель, описывающая смещение режущего аппарата машины для контурной обрезки плодовых деревьев, оснащенной устройством стабилизации рабочих органов, относительно трактора в случае случайной вынуждающей силы, позволяющая определить основные параметры устройства.

Практическая ценность работы

Разработано устройство стабилизации рабочих органов машины для контурной обрезки плодовых насаждений, обеспечивающее повышение качества среза путем снижения уровня поперечных колебаний режущих аппаратов относительно энергетического средства. Экспериментально доказана целесообразность наличия устройства стабилизации рабочих органов в конструкции машины для контурной обрезки плодовых деревьев.

Реализация результатов исследований

Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в Акционерном обществе “Головное специализированное конструкторское бюро по комплексам машин для механизации работ в садах, виноградниках, питомниках и ягодниках” (г. Кишинев, Республика Молдова) и в ТНВ (товарищество на вере) «Десна» Брянской области.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Конструктивная схема устройства стабилизации рабочих органов машины для контурной обрезки плодовых насаждений.
2. Математическая модель, описывающая смещение режущего бруса машины для контурной обрезки плодовых деревьев, оснащенной устройством стабилизации рабочих органов, относительно трактора с течением времени.
3. Результаты экспериментальных исследований технологического процесса обрезки плодовых деревьев с использованием устройства стабилизации рабочих органов контурного обрезчика.
4. Результаты экономической оценки применения машины для контурной обрезки плодовых насаждений, оснащенной устройством стабилизации рабочих органов.

Апробация работы

Основные положения и результаты исследований доложены и обсуждены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Брянской ГСХА (2010, 2011 гг.) и Рязанского ГАТУ (2010,2011 гг.), в отделе механизации ГНУ ВСТИСП (2011 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 работы, из них 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 125 наименований, в том числе 12 на иностранных языках и 9 приложений. Работа изложена на 193 страницах текста, содержит 18 таблиц и 41 рисунок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы и сформулированы основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования» проведен анализ состояния вопроса и определены задачи исследования.

Один из прогрессивных элементов индустриальной технологии ухода за плодовым садом – это механизированная контурная обрезка деревьев.

Изучению технологического процесса обрезки посвящены работы Г.П. Варламова, В.В. Бычкова, Л.А. Шомахова, А.А. Цымбала, В.А. Павленко, В.К. Кутейникова, Б.И. Пименова, Г.И. Кадыкало, А.П. Драганцева, Н.П. Донских, А.Н. Фисенко, Н.М. Куренного, Р.П. Кудрявца, П.Г. Шита, М.Д. Мокана, П.С. Гельдфандбейна, В.М. Васюты и др.

Результатом проведенного анализа конструкций отечественных и зарубежных машин для контурной обрезки деревьев, способов навешивания и видов режущих аппаратов для обрезки кроны стала классификация машин для контурной обрезки плодовых деревьев (Рис. 1), отражающая все существующие тенденции развития средств для механизированной контурной обрезки садов.

Анализируя классификацию, можно сформулировать основные требования, которым должна удовлетворять современная машина для контурной обрезки плодовых деревьев, чтобы обеспечивать качественное выполнение операции по обрезке: она должна иметь фронтальное расположение, симметрично расположенные рабочие органы, оборудованные дисковыми пилами, иметь гидравлический привод рабочих органов и устройство стабилизации рабочих органов.

В настоящее время ни одна из существующих отечественных машин не оснащена устройством стабилизации рабочих органов, которое несет значительную функциональную нагрузку: повышает качество срезов и обеспечивает долговечность работы дисковых пил.

На данный момент существуют несколько запатентованных отечественных устройств стабилизации рабочих органов машины для контурной обрезки плодовых деревьев, среди которых следует отметить машину с механизмом стабилизации рабочего органа, предложенную Грузинским научно-исследовательским институтом механизации и электрификации сельского хозяйства им. К.М. Амираджиби (1974), и устройство стабилизации рабочего органа машины для контурной обрезки плодовых деревьев, предложенное научно-исследовательским институтом сельскохозяйственного машиностроения имени В.П. Горячкина (1979).

Однако, предложенные устройства не получили широкого применения, поскольку они сложны в изготовлении и эксплуатации. Поэтому необходимо создать устройство, отличающееся простотой, но качественно выполняющее заданную функцию при обрезке деревьев.

Рисунок 1 – Классификация машин для контурной обрезки плодовых деревьев

Во второй главе «Теоретические исследования процесса стабилизации режущих аппаратов при механизированной контурной обрезке плодовых деревьев» предложена принципиальная схема устройства стабилизации рабочих органов машины для контурной обрезки плодовых деревьев; исследованы спектральные и корреляционные характеристики поперечного микропрофиля междурядий; найдены спектральные характеристики колебаний рабочих органов машины для контурной обрезки плодовых деревьев; установлены параметры устройства стабилизации рабочих органов контурного обрезчика.

С целью повышения качества технологической операции по обрезке плодовых насаждений путем снижения уровня поперечных колебаний рабочих органов машины для контурной обрезки нами разработано устройство стабилизации рабочих органов. Устройство состоит из упора 2, закрепленного с рабочим органом 1, проушины 3, прикрепленной к упору осью, двух опорных стаканов 4, шпильки 5, пружины 6, пластины 7, гайки 8 и гидроцилиндра 9 (Рис. 2). Рабочие органы 1 выставляются по ширине захвата и по наклону с помощью гидроцилиндров 9. Рабочие органы представляют собой набор дисковых пил 12 в количестве пяти штук на каждом органе.

1 – рабочие органы; 2 – упор; 3 – проушина; 4 – опорный стакан; 5 – шпилька; 6 – пружина; 7 – пластина; 8 – гайка; 9 – гидроцилиндр; 10 – агрегат; 11 – устройство гашения колебаний; 12 – дисковые пилы.

Рисунок 2 – Принципиальная схема машины для контурной обрезки плодовых насаждений с устройством стабилизации рабочего органа

Устройство гашения колебаний 11 рабочего органа работает следующим образом. Из-за неровностей междурядья при движении происходит смещение режущего аппарата 1, которое посредством упора 2, через проушины 3, соединенные осью, передается опорному стакану 4, который в свою очередь производит давление на пружину 6. Пружина 6, испытывая оказанную нагрузку, упирается в опорный стакан 4, который прикреплен к пластине 7 с помощью гайки 8, разжимается, и через вышеприведенную связь, возвращает режущий аппарат в исходное положение (Рис. 2). Регулировка пружины производится с помощью гайки 8, затяжкой или ослаблением по резьбе на шпильке 5.

Для качественной и количественной оценки колебательных процессов машины по уходу за многолетними насаждениями необходимо знать не только ее характеристики, но и характеристики источника возмущений, вызывающего эти колебания. На контурную обрезку, проводимую в вертикальной плоскости, значительное влияние оказывает поперечный микропрофиль междурядий, что требует более детального изучения.

В рамках экспериментального исследования поперечного микропрофиля междурядий было получено около 950 замеров по десяти междурядьям. По полученным данным был построен график поперечного микропрофиля междурядья (Рис. 3). Анализируя график, можно видеть, что правое и левое колеса одновременно редко находятся в одной горизонтальной плоскости и при движении машины их взаимное расположение постоянно изменяется. Следовательно, на машину в поперечной плоскости действует случайное возмущение, и функция воздействия (возмущающая функция) носит случайный характер, а амплитуды колебаний будут случайными величинами.

Рисунок 3 - Микропрофиль междурядья плодового сада

Результаты обработки десяти междурядий представлены в таблице 1. Обобщенная высота неровностей междурядий по этим результатам имеет следующие числовые характеристики: математическое ожидание см; дисперсия см2; среднее квадратическое отклонение см

Кривую, которой описывается микропрофиль междурядья, следует рассматривать как одну, конкретную реализацию случайной функции ; она построена по экспериментальным данным, поэтому ее можно рассматривать как дискретную. Для дискретной случайной функции, пользуясь стандартной методикой, определяем корреляционную функцию по формуле

, (1)

где экспериментальная кривая микропрофиля междурядья.

Таблица 1 – Основные вероятностные характеристики высоты неровностей междурядий плодового сада

График нормированной корреляционной функции представлен на рисунке 4. График получен для скорости движения м/с; кривая имеет убывающий характер.

1 – нормированная корреляционная функция , 2 – аппроксимирующая кривая

Рисунок 4 – Нормированная корреляционная функция микропрофиля междурядья и аппроксимирующая ее кривая

Поскольку корреляционная функция случайного процесса является функцией неслучайной, то она с большой степенью точности может быть аппроксимирована некоторой функциональной зависимостью. В частности, корреляционную функцию воздействия микропрофиля на машину можно аппроксимировать функцией вида (Рис. 4)

, (2)

где параметры корреляционной функции, имеющие различные значения при каждой реализации случайного процесса, 1/с.

Ограничимся рассмотрением корреляционной функции при значениях , так как это четная функция. Коэффициенты определяем методом наименьших квадратов с помощью табличного процессора Microsoft Excel. В результате были получены следующие значения параметров: 1/с, 1/с.

При статистическом подходе к исследованию динамических систем часто требуются статистические характеристики в частотной области, а не во временной. В качестве такой частотной характеристики стационарного случайного процесса используют обычно спектральную плотность, которая является изображением Фурье корреляционной функции.

Если известна корреляционная функция , то спектральную плотность можно определить с помощью прямого функционального преобразования Фурье по формуле

. (3)

Подставляя в (3) аналитическое выражение по формуле (2) и вычисляя несобственный интеграл, получим выражение для спектральной плотности междурядья в виде

. (4)

Итак, было установлено, что неровности междурядий носят случайный характер и не имеют точных геометрических форм; движение агрегата по микропрофилю – стационарный случайный процесс, который не зависит от начала отсчета времени.

Устранить влияние неровностей почвы на качество выполнения технологической операции по обрезке плодовых насаждений можно путем уменьшения колебаний режущего бруса при движении машины по междурядью, например, используя виброизоляцию (Рис. 5). В нашем случае изолируемым объектом будет режущий брус, а источником возмущения – случайные колебания трактора.

Для определения основных характеристик предложенного устройства стабилизации рассмотрим дифференциальное уравнение вынужденных колебаний режущего бруса машины для контурной обрезки. При этом сделаем следующие допущения:

• при прохождении машины по микропрофилю междурядий, он (микропрофиль) не подвергается дополнительному сминанию;
• демпфирующие свойства колес трактора учитываться не будут;
• угловые колебания режущего бруса считаем незначительными;
• колебания ветвей под воздействием на них потоков воздушных масс отсутствуют;
• масса режущего бруса является постоянной величиной (равной 200 кг).

Используя уравнение Лагранжа, было получено следующее уравнение перемещения режущего бруса

, (5)

где масса режущего бруса, кг;

коэффициент жесткости пружины, Н/м;

коэффициент вязкого трения, Пас;

случайная вынуждающая сила.