Применение аддитивных технологий для моделирования механических характеристик ягод клюквы крупноплодной

{ЯКШ EDN:

Gorki, Republic of Belarus, b Bryansk State Agrarian University,

Kokino, Russian Federation, c National Research Mordovia State University, Saransk, Russian Federation, 0

Одним из самых ценных дикорастущих растений в Республики Беларусь благодаря своим высоким пищевым и лечебно-профилактическим свойствам является клюква1. Она содержит значительное количество биологически активных веществ2. В совокупности это обеспечивает ягоде высокий спрос как на внутреннем, так и на внешнем рынках3. В настоящее время происходит сокращение площади, занимаемой дикорастущими растениями клюквы4. Чтобы удовлетворить потребности населения нужно увеличивать объемы промышленного выращивания клюквы крупноплодной5. Одной из проблем технологии выращивания данной культуры на промышленных плантациях Республики Беларусь является применение малопроизводительных и трудоемких технических средств для уборки урожая6 [1]. Так, актуальной научно-технической задачей является усовершенствование технического обеспечения процесса сбора плодов клюквы крупноплодной7. Для того, чтобы это осуществить требуются свежие ягоды. Однако они имеют ограниченный срок годности, что затрудняет проведение лабораторных исследований в течение длительного времени. Поэтому необходимо найти им альтернативу. Метод аддитивных технологий (3D-печати) [2; 3] может позволить получить прочный, износостойкий и непортящиеся материал8 [4–6], точно имитирующий поведение реальных ягод клюквы при их погружении в воду9 [7; 8], что упростит и удешевит проведение лабораторных исследований процесса уборки ягод клюквы крупноплодной мокрым способом10 [9].

Таким образом, применение аддитивных технологий позволит вывести на новый уровень методики проведения экспериментальных исследований взаимодействия рабочих элементов уборочных машин с ягодами клюквы крупноплодной. Так, целью исследования является расширение функциональных возможностей лабораторного оборудования с созданием программного продукта, который даст возможность развивать представленные в статье исследования и применять их при изучении других методов уборки ягодных культур.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В отличие от традиционной промышленной механической обработки заготовок, полученных литьем или штамповкой, аддитивный технологический процесс представляет собой изготовление деталей и трехмерных объектов путем послойного наложения используемого материала (пластик, металл, бетон и др.)11. Указанные технологические особенности позволяют использовать аддитивные технологии для изготовления объектов не только с точными геометрическими размерами, но и с определенными физико-механическими свойствами (плотность, упругость, шероховатость поверхности и др.).

Исследования физико-механических свойств ягод клюквы и научное обоснование параметров и режимов работы технических средств для возделывания и уборки данной культуры приведены в публикациях зарубежных исследова-телей12 [10; 11].

В. В. Азаренко предложена модель для оценки влияния природно-климатических и агрономических факторов на эффективность и безопасность промышленного выращивания крупноплодной клюквы в условиях контролируемой производственной среды [12; 13]. Исследована экономическая эффективность инженерно-технических решений для улучшения условий и повышения безопасности механизированного ухода за клюквенным покровом чека. Ученый разработал методику проведения исследований приспособленности технических средств для промышленного выращивания клюквы к безопасному управлению технологическими операциями на чеке13.

Исследователи из Беларуси разработали научные и технологические основы производства крупноплодной клюквы в промышленном чеке. Изучены физикомеханические свойства ягод, индекс формы, силы сопротивления раздавливанию и отрыву, критическая высота падения ягод, коэффициент их относительной прочности. Выполнен технико-экономический анализ технических средств

^® ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ Том 36, № 1. 2026 для механизированной уборки и послеуборочной обработки ягод, обоснованы рациональные параметры и режимы работы технологического оборудования¹⁴ [5].

• А. Л. Мисун предложил систему управления уровнем профессиональных рисков в промышленном выращивании клюквы, обосновал рациональные режимы технического средства и определил безопасные режимы его работы¹⁵ [14].

В ходе исследования по сохраняемости плодов клюквы крупноплодной в зависимости от способа уборки урожая установлено, что способ уборки ягод следует учитывать при планировании работ по их переработке [6]. А. Текгюлер, Т. Кара-кесе предложен способ механизированного сбора, обеспечивающий снижение трудозатрат и себестоимости готовой продукции [15].

В результате анализа апробационных признаков районирования в Беларуси сортимента клюквы крупноплодной обоснована необходимость комплексно учитывать отличительные морфологические признаки данной культуры16 [16].

Л. Брондино, П. Кузняр, Л. В. Де Веттер провели исследования по механизированной уборке различных ягодных культур, в результате чего установили необходимость экспериментировать и разрабатывать новые эффективные способы уборки, способные обеспечить получение продукта, сопоставимого по качеству с собранными вручную ягодами [17–19].

Представленные исследования в областях возделывания клюквы и совершенствования технических средств ее уборки показали, что они требуют проведения лабораторных натурных испытаний, которые невозможно осуществить без наличия свежих ягод. В результате таких исследований устанавливаются массово-габаритные характеристики ягод, на основании которых возможно воссоздать макеты ягод клюквы с заданными свойствами, идентичными реальным плодам.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объекты исследования

Объектами исследования являлись свежие ягоды клюквы крупноплодной сорта Стивенс, собранные в 2024 году на ягодных плантациях ОАО «Полесские Журавины» (объем выборки 500 ягод).

Методы, оборудование, процедура исследования

Массогабаритные характеристики играют важную роль в исследовании ягод клюквы крупноплодной. Градация по размерам включает в себя три основные группы: мелкая, средняя и крупная. Для того чтобы отнести ягоды к одной из этих групп можно использовать любой из габаритных размеров, присущих ягоде – длина, ширина или высота. Методика проведения исследований массоразмерных свойств ягод клюквы крупноплодной предполагала определение массы, линейных размеров и объема ягод17. Массу ягод определяли взвешиванием на весах RADWAG WLC 0.6/B1 с погрешностью 0,01 г. В качестве линейных размеров ягод определяли их наибольший размер (длину ягоды Lya ) и два поперечных размера в плоскостях измерений расположенных под углом в 90° относительно друг друга (диаметры ягоды Dya 1, Dya2). Измерения линейных размеров выполняли штангенциркулем ШЦЦ-10-150 с ценой деления 0,01 мм. Определение объема ягод выполняли двумя способами: измерением объема вытесняемой ягодой жидкости и расчетным методом.

Для измерения объема вытесняемой жидкости использовали мерный цилиндр марки 1-25-2 (цена деления – 0,5 мл), частично заполненный дистиллированной водой, в которую утапливали исследуемую ягоду клюквы. Объем ягоды высчитывали по разности уровня жидкости в цилиндре до и после погружения ягоды.

Для определения объема ягоды расчетным методом использовали измеренные значения ее размеров ( L ya , D ya 1 , D ya 2 ), а объем вычисляли по формуле объема эллипсоида:

• V =- L D D „ ya 6 ya ya 1 ya 2 ,

где V_ya – объем ягоды, м³; L_ya – длина ягоды, м; D_{ya 1} – диаметр ягоды, м; D_{ya 2} – диаметр ягоды, м.

Измеренный объем ягод определяли методом вытесняемой ягодой жидкости, для чего брали мерную мензурку с водой, фиксируя начальный объем воды V ₁. Затем погружали ягоду в зависимости от размера фракции в воду и фиксировали новый объем воды V ₂. Разница между V ₁ и V ₂ – реальный объем исследуемой ягоды клюквы. Метод вычисленного объема заключался в снятии габаритных размеров ягоды с помощью измерительного инструмента и в определении объема при помощи арифметических операций.

Используя результаты экспериментальных исследований массоразмерных характеристик ягод клюквы крупноплодной, определили средние диаметры D 1 , D 2 и плотность ρ ягод следующих фракций по объему: до 1 · 10^–6 м³ – D ₁ = 0,0123 м, D ₂ = 0,0127 м, ρ = 1367,37 кг/м³; 1–2 · 10^–6 м³ – D ₁ = 0,0128 м, D ₂ = 0,0131 м, ρ = 873,48 кг/м³; 2–3 · 10^–6 м³ – D ₁ = 0,0130 м, D ₂ = 0,0133 м, ρ = 717,95 кг/м³; 3–4 · 10^–6 м³ – D ₁ = 0,0135 м, D ₂ = 0,0138 м, ρ = 615,13 кг/м³; более 4 · 10^–6 м³ – D ₁ = 0,0142 м, D ₂= 0,0144 м, ρ = 461,98 кг/м³.

В качестве способа изготовления макетов ягод клюквы крупноплодной использовали аддитивные технологии (3D-печать). По данному способу внутренние пространства модели могут изготавливаться однородно (сплошная оболочка) и неоднородно (внутреннее пространство частично заполнено материалом). Структура неоднородных пространств имеет, как правило, четыре основных разновидности: прямоугольная, треугольная, волнообразная и сотообразная. Степень заполнения пространств измеряется в процентах, где 0 % – это пустототелая модель, а 100 % – полнотелая.

Разработали методику расчета параметров макетов ягод (рис. 1), предусматривающую изменение массы и, как следствие, плотности макетов посредством различной степени заполнения пластиком их внутренней полости. Создание 3D-модели ягод выполняли в программном обеспечении FlashPrint 5 , позволяющем настраивать такие параметры модели как толщина слоя, степень заполнения внутреннего пространства и др.

Для изготовления макетов был выбран пластик полилактид (ПЛА, PLA). Его плотность – 1 230–1 250 кг/м3. Для распечатывания макетов применяли 3D-принтер Flashforge Finder.

а)                                        b)

Р и с. 1. Оборудование и результат применения аддитивных технологий :

а) 3D-принтер Flashforge Finder ; b) программное обеспечении FlashPrint 5

F i g. 1. Equipment and results of using additive technologies:

а) Flashforge Finder 3D printer; b) FlashPrint 5 software

Источник : фотография для рисунка 1 а была сделана П. Ю. Крупениным в лаборатории кафедры механизации животноводства и электрофикации сельскохозяйственного производста БГСХА (г. Горки, Республика Беларусь). Рисунок 1 b создан авторами статьи в программе FlashPrint 5 .

Source : photo 1 a was taken by P. Yu. Krupenin in the laboratory of the Department of Animal Husbandry Mechanization and Electrification of Agricultural Production at the Belarusian State Agricultural Academy (Gorki, Republic of Belarus). Figure 1 b was created by the authors using the FlashPrint 5 software.

Чтобы масса и плотность макета соответствовали реальной ягоде необходимо определить степень заполнения внутреннего пространства при печати макета. Правильная степень заполнения повысит точность модели, гарантируя, что она будет вести себя на воде аналогично реальной ягоде клюквы. Заполнение внутренней полости пространственной структурой стабилизирует форму модели и позволяет ей сопротивляться физическим нагрузкам. В совокупности это предоставляет возможность использовать макеты ягод в ходе лабораторных исследований по обоснованию параметров технических средств для уборки клюквы крупноплодной «мокрым» способом.

Объем оболочки макета V_ob рассчитали по формуле:

V ob = 6 D f 2 ■ L , - ( L , - 2 b )( D_f - 2 b ) ² ,                 (1)

где D_f – средний диаметр ягод в фракции, м; L_f – средняя длина ягоды в фракции, м; b – толщина стенки макета, b = 0,8 · 10^–3 м.

88                                                     Технологии, машины и оборудование

Масса оболочки макета m_ob :

m . = V л • Р / ,                                  (2)

ob ob рpla , где ρpla – плотность пластика, ρpla = 1 250 кг/м3.

Масса внутренней части макета m_vn :

mvn = mf - mob, где mf - средняя масса ягод во фракции, кг.

Зная массу внутренней части макета, рассчитали требуемый объем пластика для его заполнения:

m vn

V,  = — pla - vn

Объем внутренней части макета V_vn :

V - =? [ ( L f - 2 b )( D f - 2 b )² ] ■                     (5)

Степень заполнения внутренней части макета пластиком Z нашли по формуле:

V

Z ₌ a n .^ %.

V vn

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Распределение объема ягод клюквы крупноплодной, вычисленного по формуле и измеренного методом вытеснения жидкости представили на гистограмме (рис. 2).

Вычисленный объем / Based on Measured Volume Измеренный объем / Based on Calculated Volume

Р и c. 2. Гистограммы распределения объема ягод клюквы крупноплодной

F i g. 2. Histograms of the distribution of the volume of large-fruited cranberries

Источник : рисунки 2, 3 составлены авторами статьи в программе Microsoft Excel . Source: figures 2, 3 were compiled by the authors using the Microsoft Excel software.

При анализе распределений ягод клюквы крупноплодной (рис. 2) было выявлено, что наибольшая часть ягод имеет объем 2 · 10–6...4 · 10–6 м3. Следует отметить, что распределения по вычисленному и измеренному объемам несколько отличаются друг от друга. Из рисунка 2 видно, что распределение ягод по измеренному объему смещено примерно на 10–6 м3 в большую сторону относительно распределения по вычисленному объему.

В связи с расхождением фракционного состава ягод клюквы крупноплодной, полученного на основании вычисленного и измеренного объема ягод, провели сопоставление результатов измерений с имеющимися в литературных источниках данными [6] и установили, что распределение ягод клюквы крупноплодной по фракциям на основании вычисленного объема лучше согласуется с имеющейся априорной информацией. Таким образом, можно предположить, что вычисление объема ягоды по трем линейным измерениям обеспечивает меньшую погрешность по сравнению с прямым определением ее объема методом вытеснения жидкости.

Распределение плотности ягод клюквы крупноплодной, рассчитанной по вычисленному и измеренному объемам, показано на рисунке 3. При построении графика по оси абсцисс откладывали объем каждой ягоды, а по оси ординат – плотность, в результате чего получили облако точек, представляющее собой распределение плотности ягод в зависимости от их объема.

Р и с. 3. Распределение плотности ягод клюквы крупноплодной

F i g. 3. Distribution of the density of large-fruited cranberries

Значение коэффициента детерминации ( R ² = 0,7381) говорит о сильной зависимости плотности ягоды от ее объема. В целом, плотность мелких ягод клюквы в 3 раза больше плотности крупных. Таким образом, в лабораторных исследованиях рабочего процесса узлов машин для уборки клюквы крупноплодной мокрым способом следует использовать макеты ягод, идентичные размеру и плотности реальных ягод соответствующих фракций.

90 Технологии, машины и оборудование

3D-модель макета ягоды клюквы (рис. 4) представляет собой эллипсоид с осями L f , D f . Конструктивно модель имеет сплошную оболочку толщиной b , пространство внутри которой заполнено сотовой структурой.

Р и с. 4. 3D-модель макета ягоды клюквы F i g. 4. 3D model of a cranberry mock-up

Примечание : b – толщина стенки оболочки, м; L_f – средняя длина ягод, м; D_f –средний диаметр ягод, м.

Note: b – shell wall thickness, m; L_f – the average length of the cranberries, m; D_f – the average diameter of the cranberries, m.

Источник : рисунок 4 составлен авторами статьи в программе FlashPrint 5 .

Source : figure 4 was created by the authors using the FlashPrint 5 software.

Результаты расчетов по формулам (1–6) для различных фракций ягод клюквы крупноплодной приведены в таблице. Расчетная степень заполнения для изготовления макета принимается равной 100 %.

Т а б л и ц а T a b l e

Параметры макетов ягод клюквы для изготовления методом 3D-печати Parameters for cranberry berry mock-ups for 3D printing

Фракция, 10 –6 м 3 / Fraction, 10 –6 m 3	Диаметр Df , × 10–3 м / f Diameter D , × 10–3 m f	Длина Lf , × 10–3 м f / Length L , × 10–3 m f	Масса m. , × 10–3 кг / Weight m , × 10–3 kg f	Объем V f , × 10–6 м3 / Volume V f , × 10–6 m3	Плотность p , кг/м3 / cr Density p cr , kg/m3	Расчетная степень заполнения, % / Estimated degree of filling, %
до 1/ up to 1	10,48	14,20	1,12	0,81	1367,37	116,1
1–2	13,53	16,61	1,39	1,59	873,48	57,9
2–3	15,85	18,85	1,78	2,48	717,95	43,1
3–4	17,73	20,68	2,09	3,40	615,13	34,0
более 5 / more than 5	19,01	22,53	1,97	4,26	461,98	19,5

Анализ параметров макетов ягод клюквы для изготовления методом аддитивных технологий показывает, что найденные значения массы m _f , объема V_f и плотности ρ _cr изготовленных макетов совпадают с реальными значениями, что обусловливает их использование при проведении лабораторных исследований процесса уборки ягод мокрым способом.

ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведение лабораторных исследований при разработке и совершенствовании машин для уборки ягод клюквы показало, что применение реальных плодов клюквы для организации эксперимента малоэффективно, поскольку повышается его стоимость и ограничивается срок проведения (на период созревания)18 [20]. Предложенный способ изготовления макетов ягод клюквы крупноплодной методом аддитивных технологий (3D-печати) позволит удешевить проведение лабораторных исследований процесса уборки ягод и сделать его круглогодичным.

Результатом лабораторных исследований является проверка работоспособности и эффективности разрабатываемых узлов, механизмов и рабочих органов уборочных машин, участвующих в возделывании ягод клюквы, тем самым совершенствуя техническое обеспечение процесса уборки. Полученные в ходе реализации способа изготовления макетов ягод клюквы результаты ложатся в основу создания базы данных, которая в будущем может позволить создать компьютерную модель процесса взаимодействия ягод клюквы с исследуемыми узлами, механизмами и рабочими органами уборочных машин и уйти от имитационного моделирования, требующего сложного и дорогостоящего оборудования.

Перспективным направлением исследования является применение разработанной методики создания макета ягод клюквы методом 3D-печати для моделирования макетов других ягодных культур.