Анализ влияния размеров переносного улавливателя плодов на показатели эффективности его работы

Введение. Плодовые культуры играют значимую роль в питании человека. В плодах содержится огромное количество микроэлементов, витаминов и других биологически активных веществ. Они успешно применяются как средство профилактики авитаминозов, гипертонии, нарушения обмена веществ, атеросклерозов, заболеваний кишечного тракта и др. [1].

Садоводство - одна из рентабельнейших отраслей сельскохозяйственного производства при том, что трудозатраты здесь в 15-20 раз выше, чем в полеводстве. Наиболее напряженный и трудоемкий период работ в садоводстве - уборка урожая, на неё приходится до 40-60% от общих годовых затрат труда на получение урожая [2, 3].

Промышленное садоводство имеет достаточно высокий уровень механизации процессов, в том числе и уборочных [3-8]. Однако следует учитывать, что большая часть плодово-ягодной продукции (например, в Ростовской области - около 60-80%) производится в хозяйствах малых форм: крестьянских фермерских хозяйствах (КФХ) и личных подсобных хозяйствах (ЛПХ) [9], в которых уровень механизации труда практически равен нулю. В связи с этим можно считать, что разработка приспособлений, позволяющих повысить уровень механизации процесса уборки плодов в хозяйствах малых форм собственности - актуальная задача, решение которой существенным образом повысит эффективность обеспечения населения страны плодовой продукцией.

Цель представленного исследования - разработка конструкции переносного улавливателя плодов, обслуживаемого одним оператором и не нуждающегося в энергосредствах для транспортировки и монтажа, и оценка влияния его основных параметров на показатели эффективности улавливания плодов.

Методика исследования. При промышленной уборке плодов в садах полотно плодоулавливателя монтируется на энергосредство или на прицеп, транспортируемый таким энергосредством [3-8]. При выполнении уборочных работ в личных и приусадебных хозяйствах возможность такого агрегатирования полотна плодоулавливателя в подавляющем большинстве случаев отсутствует. В связи с этим в исследовании предлагается в качестве основы для фиксации плодоулавливателя использовать штамб самого дерева [10], для чего в конструкции предложенного устройства предусмотрены два разъемных кольца 1 (рисунок 1).

Рисунок 1 - Разъемное кольцо

Рисунок 2 - Схема плодоулавливателя предложенной конструкции

Кольца размещаются вокруг штамба дерева одно под другим (рисунок 2) и замыкаются, например, резьбовыми соединениями. После этого в пневмобаллонах 3 через ниппель создается избыточное давление, при помощи которого кольца достаточно жестко фиксируются на штамбе. Затем во втулках 2 верхнего кольца размещают нижние концы поддерживающих стержней 4, а между втулками нижнего кольца 1 и втулками 5, закрепленными в нижней части поддерживающих стержней 4, устанавливают распорки 6. Причем нижние концы распорок 6 и поддерживающих стержней 4 смещены относительно друг друга по фазе на определенный центральный угол. Это позволяет предотвратить проворачивание концов поддерживающих стержней 4 во втулках 2 и повысить общую жесткость образованного каркаса. На поддерживающих стержнях 4 при помощи неразъемных и разъемных (типа «липучка») соединений закрепляются выполненные из эластичного материала секторы, образующие совместно замкнутое полотно с окном в центральной части [10].

Эффективность работы плодоулавливателей, в том числе и улавливателя предложенной конструкции, зависит от многих факторов, таких как материал и степень натяжения полотна, угол его расположения к горизонту, вертикальное перемещение плодов при падении до поверхности полотна и т.д. [11]. При этом очевидно, что частота «уловленных» плодов существенным образом зависит от соответствия геометрических параметров полотна плодоулавливателя размерам кроны дерева.

Для оценки влияния этого фактора на работоспособность плодоулавливателя предварительно было необходимо выявить закономерности радиальной плотности распределения плодов в кроне дерева. Для этого мы воспользовались рядом статистических характеристик, приведенных в работе Г.П. Варламова [5], после преобразования которых [12] был получен теоретико-экспериментальный ряд данных (рисунок 3), описывающий плотность р_һ вероятности распределения плодов в плане на произвольном удалении г от условной центральной оси штамба.

Рисунок 3 - Зависимость плотности р_һ вероятности распределения плодов в плане на произвольном удалении г от условной центральной оси штамба

Аппроксимация полученных результатов пока- ность вероятности распределения плодов может быть зала, что с точностью не ниже 95% радиальная плот- описана полиномом четвертой степени:

p_h(r) = -0,0075г⁴ + 0,0633г³ - 0,1688г² + 0,1054г + 0,1064.        (1)

С учетом полученной зависимости проведем расчет эффективности применения плодоулавливате-ля предложенной конструкции, при этом примем ряд допущений.

• 1.    Повреждаются те плоды, которые при падении не попадают на полотно улавливателя или через полотно ударяются о поддерживающие стержни. Плодами, ударяющимися о разъемное кольцо и распорки, в расчетах пренебрегаем, поскольку они автоматически отнесены к потерям, как не попавшие на полотно улавливателя.

• 2.    Крона дерева имеет сферическую форму, диаметр которой равен среднегеометрическому ее основных линейных размеров.

• 3.    В плане плодоулавливатель имеет форму равностороннего многоугольника, вписанного в окружность радиусом R.

• 4.    Плоды при падении перемещаются строго вертикально. Соударением плодов о ветви, листву и другие плоды пренебрегаем.

• 5.    Сами плоды имеют сферическую форму, причем диаметр сферы равен среднему геометрическому линейных размеров плода.

При принятых допущениях показатель эффективности работы улавливателя т/ может быть определен как отношение числа неповрежденных плодов к общему количеству плодов в кроне дерева:

Л = 1 - Рп - Рц - Рпс-            (2)

где р_п - доля плодов, потерянных на периферии улавливателя из-за несоответствия формы периметра кроны периметру полотна улавливателя;

р_ц - доля плодов, прошедших через центральное отверстие улавливателя;

р_пс - доля плодов, ударившихся о поддерживающие стержни.

Доля плодов, потерянных на периферии улавливателя:

Рп = 2n J^" ^ф p_h (г) drdy     (3)

cosy где n - количество поддерживающих стержней, шт.

Аналогично доля плодов, прошедших через центральное отверстие улавливателя:

Рц = 2” С^ Й° Ph- ^ drdY      <4)

где Ro - радиус окружности, описанной вокруг центрального окна, м.

Доля плодов, ударившихся о поддерживающие стержни:

Рпс ~ n^dy + d) ^ p_h(r^dr,       (5)

где dy-условный диаметр плода, м;

d - диаметр поддерживающего стержня, м.

Результаты расчетов (2)—(5) представлены на рисунках 4-7.

Рисунок 4 - Зависимость показателя эффективности работы улавливателя г] от числа поддерживающих стержней (с/=0,008 м; ф=0,055 м; R=2,75 м; R_o=0,35 м)

Рисунок 5 - Зависимость показателя эффективности работы улавливателя г? от диаметра поддерживающих стержней (ф=0,055 м; R=2,75 м; Ro=0,35 м; п=9)

Рисунок 6 - Зависимость показателя эффективности работы плодоулавливателя г/ от радиуса его полотна (ф=0,055 м; d=0,01 м;R_o=0,35 м; л=9), в расчетах радиус полотна принимался равным радиусу кроны дерева

Рисунок 7 - Зависимость показателя эффективности работы улавливателя т] от внешнего радиуса центрального отверстия (ф=0,055 м; с/=0,01 м; R=2,75 м; л=9)

Результаты исследований и их обсуждение. Представленные графические зависимости позволяют сделать вывод, что увеличение всех рассматриваемых факторов приводит к снижению показателя эффективности. Однако в рассматриваемых диапазонах влияние этих показателей на параметр оптимиза ции неодинаково. Наиболее эффективным способом управления степенью повреждения плодов является изменение числа поддерживающих стержней и радиуса центрального отверстия в полотне улавливателя. Варьирование радиуса плодоулавливателя незначи- тельно влияет на «потери» плодов (при условии его равенства радиусу кроны дерева).

В рассматриваемых интервалах факторов процент «повреждаемых» плодов варьируется от 36 до 49%, из которых на «периферийные» потери приходится не более 3%, на потери через центральное окно - 17,5-28,7%, а на травмирование, связанное с ударами о поддерживающие стержни - 11-23%.

В качестве конструктивных мер, позволяющих повысить эффективность улавливания плодов, можно предложить следующее.

• 1.    Принимать минимально возможный радиус центрального окна плодоулавливателя независимо от внешнего радиуса улавливателя.

• 2.    Над центральным окном дополнительно устанавливать отражающий эластичный козырек, который будет обеспечивать рикошет плодов на полотно улавливателя. Козырек может поставляться в виде опции к основной установке.

• 3.    По возможности уменьшать число поддерживающих стержней, а прочность конструкции обеспе

• 4.    Оборачивать поддерживающие стержни мягким эластичным покрытием, способствующим снижению повреждения плодов.

чивать за счет увеличения их диаметра, поскольку этот показатель незначительно влияет на изменение числа поврежденных плодов.

Приведенные данные (рисунки 4-7) были получены в предположении, что внешний радиус полотна плодоулавливателя равен радиусу кроны дерева, однако, в производственной обстановке соблюдение этого условия маловероятно. Поэтому в исследовании с использованием выражений (1)-(5) дополнительно был проведен расчет показателя эффективности применения улавливателя плодов при RIR^A (где R - внешний радиус полотна плодоулавливателя, м; R, - условный радиус кроны дерева, м).

Расчеты проводились при следующих начальных условиях: ф=0,055 м; Р=2,75 м; л=9. Результаты расчетов в графическом виде представлены на рисунке 8.

Рисунок 8 - Показатели «эффективности» улавливания плодов

Из данных рисунка 8 можно сделать вывод, что уменьшение соотношения RIR_K приводит к существенному повышению потерь плодов за счет увеличения значения р_п (периферийных потерь). При этом процент плодов, бьющихся о поддерживающие стержни р_пс, уменьшается, однако темпы снижения этого показателя существенно уступают темпам приращения р_п. В целом приемлемый уровень дополнительных потерь (менее 5%) наблюдается при соотношении RIR_K>0,8.

Заключение. В целом в исследовании с учетом радиальной плотности вероятности распределения плодов были получены зависимости для расчета показателя эффективности работы улавливателя р который определялся как отношение числа неповрежденных плодов к общему количеству плодов в кроне дерева. Было установлено, что этот показатель зависит от таких факторов, как: внешний радиус полотна улавливателя; радиус окружности, описанной вокруг центрального окна; количество поддерживающих стержней; условный диаметр плодов; диаметр поддержи вающих стержней и др. В рассматриваемых диапазонах влияние этих показателей на параметр оптимизации неодинаково. Наиболее эффективным способом управления степенью повреждения плодов является изменение числа поддерживающих стержней и радиуса центрального отверстия в полотне улавливателя. В рассматриваемых интервалах факторов процент «повреждаемых» плодов варьируется от 36 до 49%, из которых на «периферийные» потери приходится всего около 3%, на потери через центральное окно - около 18-29%, а на травмирование, связанное с ударами о поддерживающие стержни - 11-23%. В качестве конструктивных мер, позволяющих повысить эффективность улавливания плодов, можно предложить следующее: принимать минимально возможный радиус центрального окна плодоулавливателя; над центральным окном дополнительно устанавливать отражающий эластичный козырек, который будет обеспечивать рикошет плодов на полотно улавливателя; по возможности уменьшать число поддерживающих стержней, а прочность конструкции обеспечивать за счет увеличения их диаметра; оборачивать поддерживающие стержни мягким эластичным покрытием, способствующим снижению повреждения плодов. Также было установлено, что уменьшение соотношения R/RK (где R - внешний радиус полотна плодоулавливателя, м; RK - условный диаметр кроны дерева, м) приводит к существенному снижению эффективности улавливания плодов за счет увеличения периферийных потерь. Приемлемый уровень дополнительных потерь (менее 5%) наблюдается при соотношении R/RK>0,8.