Improving the design of the trolley for the manual harvesting of strawberry

Full Text

Введение Здоровье и долголетие нации напрямую связаны, в том числе, и с объемом потребляемых каждым человеком плодов и ягод. Наиболее значимой для нас ягодой является земляника садовая, на которую приходится более 70 % от суммарного объема производимых в мире ягод [1]. Национальное производство земляники в России составляет всего 1,35 кг/чел. в год, что в 3,3-3,8 раза меньше, чем в США или Польше. Это не позволяет сформировать для россиян здоровый рацион питания [2]. Следует отметить, что росту объема производства ягод земляники садовой в России препятствует не только суровый климат на большей части ее территории, но и существенное отставание в рационализации уборки урожая, в связи с чем затраты на нее могут варьироваться в пределах от 40 до 70 % всех издержек производства (в зависимости от технологии и способа его организации) [3]. В условиях небольшого фермерского хозяйства (Брянская область) трудоемкость ручного сбора ягод в 2018 г. составила 58 % от суммарного сезонного показателя. В настоящее время в качестве основного средства рационализации труда сборщиков ягод нашли широкое практическое применение тележки для их перемещения по плантации посредством привода колес от источника энергии или мускульной силы ног человека [4]. В условиях Швейцарии за счет этого удалось довести сезонную нагрузку на сборщика ягод земляники до 0,25-0,3 га плантации, что свидетельствует о высокой эффективности этого достаточно простого оборудования [5]. Конструкция и цена тележек варьируются в широких пределах (от 200 до 900 Евро), что свидетельствует о незавершенности исследовательской работы по этому направлению техники. В частности, остается дискуссионным вопрос о ручной корректировке траектории движения колес по междурядьям. В связи с этим актуальной научной задачей является теоретическое и экспериментальное изучение характера и основных параметров силового взаимодействия колес тележки индивидуального использования с препятствиями, характерными для поверхности междурядий земляники садовой. Цель исследования Выявление степени влияния асимметричности сил сопротивления перекатыванию колес тележки, предназначенной для перемещения сборщика по плантации земляники садовой при ручном сборе ягод, на устойчивость ее прямолинейного движения. Формулировка рабочей гипотезы С точки зрения достижения оптимального сочетания между ценой оборудования и его функциональным совершенством представляется целесообразным использовать трехколесную одноместную тележку с передним поворотным колесом (рис. 1). В литературе приводятся сведения о том, что корректировать направление движения такой тележки возможно путем асимметричного отталкивания ногами от поверхности междурядья (вектор PΣ на рис. 1) [6, 7]. Оценим пределы такой возможности при разной степени дифференциации величины сил сопротивления (P1 и P2), действующих на задние колеса. Рис. 1. Условие силового равновесия тележки в горизонтальной плоскости Рассмотрим нагрузки, действующие на опорные колеса тележки. При этом будем считать, что вилка переднего колеса может свободно поворачиваться относительно вертикального шарнира, размещенного в точке A (рис. 1). Кроме того, полагаем, что задние (неуправляемые) колеса имеют поперечную колею, равную 2B, где B - расстояние между осями симметрии соседних рядов земляники садовой. Очевидно, что при симметричном размещении сборщика и одинаковой величине силы сопротивления перекатыванию для всех колес равновесие системы в горизонтальной плоскости гарантировано. Действительно, если сопротивление перекатыванию на правом и левом задних колесах одинаково, то момент указанных сил относительно центра F пятна контакта с почвой переднего (самоустанавливающегося) колеса равен нулю. То есть, отталкиваясь ногами от центра среднего междурядья, сборщик может сохранять прямолинейность движения тележки, не воздействуя дополнительно на переднее колесо. Небольшие возмущения должна гасить сила трения, возникающая на поверхности пятна контакта, а также боковой увод шины при наличии соответствующего поперечного профиля поверхности междурядья. Однако на реальной плантации такие идеальные условия встречаются крайне редко. Поверхность междурядий периодически рыхлится. Кроме того, часто используется технологический прием мульчирования междурядий соломой. В этих условиях величина сопротивления каждого из трех колес может варьироваться в широких пределах, что является главным возмущающим моментом, препятствующим устойчивому прямолинейному перемещению тележки. Следует также иметь в виду, что во многих зонах производства земляники садовой июнь и июль являются наиболее дождливыми месяцами года. Иногда после дождя в междурядьях образуются локальные лужи, после испарения и фильтрации воды из которых в нижние слои почвы поверхность на некоторое время в значительной степени теряет несущую способность, вследствие чего одно из колес может продавливать колею значительной глубины, что самым отрицательным образом сказывается на стабильности прямолинейного перемещения тележки. Рассмотрим один из возможных вариантов силового взаимодействия мускульного усилия сборщика PΣ и неравномерного распределения величины сил сопротивления перекатыванию на колесах тележки. Полагаем, что сборщик размещен на тележке спиной вперед по ходу ее движения, силы сопротивления перекатыванию на левом заднем и на переднем колесе равны между собой, а правое заднее колесо испытывает сопротивление перекатыванию, существенно превышающее их по своей величине. То есть P1 = P3, а P2 = nP1. (1) Для имитации асимметричного отталкивания приложим силу мускульного усилия сборщика PΣ на расстоянии b1 справа от оси симметрии тележки и, соответственно, оси симметрии центрального междурядья (рис. 1). Определим величину асимметрии b1. необходимую для обеспечения устойчивого прямолинейного перемещения тележки, и сопоставим ее с поперечной структурой размещения растений в насаждении. С этой целью рассмотрим равновесное состояние системы относительно центра пятна контакта F переднего колеса с поверхностью центрального междурядья. То есть , где Pi - силы сопротивления перекатыванию колес и мускульное усилие ног сборщика PΣ. Тогда . С учетом (1), а также полагая, что PΣ = P1 + + P2 + P3, имеем: , где n - отношение величины силы P2 к P1, раз; B - расстояние между осями соседних междурядий, м. Следовательно, для обеспечения прямолинейности движения тележки величина бокового отклонения точки контакта ноги сборщика с поверхностью междурядья от его оси (при отталкивании) определяется выражением: . Если принять, что B = 0,9 м (наиболее распространенная схема посадки земляники садовой), то при n = 2 b1 = 0,225 м. А поскольку 2b1 < bм, то для обеспечения возможности выравнивания тележки посредством асимметричного отталкивания сборщика ногами в данном варианте расчета ширина междурядья (bм) должна превышать 0,45 м, то есть составлять половину расстояния B между осями соседних рядов (или междурядий). Не всегда такая схема размещения растений может считаться приемлемой, поскольку слишком мала ширина ряда растений bр, и, соответственно, велика доля неиспользуемой активно площади плантации. При дальнейшем возрастании степени дифференциации сил сопротивления перекатыванию задних колес ситуация становится очевидно неприемлемой. Действительно, если при той же величине B принять n = 3, то b1 = 0,36 м. При таком варианте до 80 % площади плантации может остаться неиспользованной. В противном случае сборщик при асимметричном отталкивании должен затаптывать значительное число растений и недозревших ягод. Между тем, как правило, именно по краям рядов концентрируется большая и наиболее качественная часть урожая. Таким образом, при наличии критически большой разницы между сопротивлением на правом и левом колесе сборщик не в состоянии выправить положение тележки, не прибегая к использованию дополнительных органов управления. Материалы и методы Цель эксперимента заключалась в оценке влияния высоты неровностей почвы на тяговое усилие (или усилие толкания ног сборщика Pт), которое он должен развивать для преодоления указанных препятствий (рис. 2). Рис. 2. Схема измерения тягового усилия и сопротивления перекатыванию колес тележки В качестве основного оборудования была использована изготовленная нами трехколесная тележка для сбора ягод земляники садовой индивидуального использования, с асимметричным расположением переднего (управляемого) колеса. В качестве основы конструкции был использован серийный дорожный велосипед, с колесами диаметром D = 700 мм и продольной базой L = 1170 мм. При выборе конструкции мы опирались на успешный опыт канадского фермера У. Хиггинсона [8]. Посредством доработки рамы велосипеда к нему присоединили третье колесо, а также сиденье для сборщика, площадку для наполняемой тары и кассету с запасом порожней тары (на схеме не показаны). Эксперименту предшествовали измерения, в результате которых были уточнены размерные параметры и определен вес (R1, R2 и R3), приходящийся на каждое опорное колесо. После измерения и взвешивания на сиденье тележки (точка A на рис. 2) был помещен груз (G = 704,6 Н), имитирующий вес сборщика, исходя из средней массы типичной сборщицы (72 кг). Затем была измерена вертикальная реакция на каждом из колес нагруженной тележки (ΣR1, ΣR2, ΣR3). Для обеспечения наиболее корректной имитации отталкивания тележки ногами сборщика было учтено, что линия толкания AB (рис. 2) наклонена к горизонту на угол . При принятых параметрах экспериментальной тележки α = 18°. Опыт был спланирован как однофакторный. Под одно из колес тележки (левое по ходу движения) подставляли препятствие в виде деревянного бруска со скошенной на угол 35-45° заходной кромкой. После этого тележку протягивали вперед c помощью динамометра до момента полного преодоления соответствующим колесом препятствия. При этом фиксировалось наибольшее значение силы Pт. Толщина бруска δ имела четыре уровня варьирования (0; 13; 22 и 45 мм). Результаты и обсуждение В результате проведения эксперимента были получены значения тягового усилия Pтj, достаточного, в том числе, и для преодоления одним из колес тележки препятствий различной высоты (δ). Сила сопротивления перекатыванию каждого из колес Fij в j-м варианте опыта определена с учетом угла наклона тягового усилия и величины вертикальной реакции опорной поверхности на каждое колесо по формуле: , где - расчетное горизонтальное усилие в j-м варианте опыта, Н; ΣRi - вертикальная реакция на соответствующем колесе нагруженной тележки, Н; ΣRΣ - общий вес нагруженной тележки, Н. При расчете полагали, что силы сопротивления перекатыванию для двух колес остаются неизменными во всех вариантах опыта. Их величина получена в результате испытания тележки при нулевой высоте препятствия. Обработанные соответствующим образом результаты опыта приведены на рис. 3. Если вернуться к расчетам, приведенным в обоснование рабочей гипотезы, то при n = 3 (когда сила сопротивления перекатыванию одного колеса в три раза больше силы сопротивления перекатыванию второго колеса) тележка без ручной корректировки направления движения становится неуправляемой. Такое соотношение между усилиями на колесах в опыте достигалось уже при наличии под одним из них дополнительного препятствия высотой всего 13 мм. При наличии асимметричного препятствия высотой 45 мм степень дифференциации сил сопротивления перекатыванию правого и левого колес увеличивалась в 8,3 раза. Таким образом, сформулированная нами теоретическая гипотеза подтверждена экспериментальным путем. Следует отметить, что полученные в результате эксперимента результаты хорошо согласуются с предварительными полевыми испытаниями разработанной нами тележки, которая оборудована рычагом, соединенным одни концом с осью поворота вилки переднего колеса. Второй конец рычага выведен в зону, удобную для доступа левой руки сборщика, который одновременно с отталкиванием ногами от поверхности междурядья при перемещении тележки может вручную корректировать траекторию ее движения. Заключение В результате теоретических расчетов и экспериментальных исследований достоверно установлено, что чем шире колея задних колес тележки, тем труднее обеспечить прямолинейность ее движения в условиях варьирования высоты препятствий и силы сопротивления перекатыванию в разных междурядьях в достаточно широких пределах. Так, при наличии на пути одного из задних колес дополнительного препятствия высотой всего 13 мм степень дифференциации величины сил сопротивления перекатыванию правого и левого колеса возрастает в три раза. При такой асимметрии нагрузки отклонение точки опоры ноги на поверхность междурядья от оси последнего не обеспечивает возможности гарантированного выравнивания траектории движения тележки. Следовательно, целесообразно снабжать ее переднее (управляемое) колесо устройством для оперативной ручной корректировки направления движения, поскольку при высоте дополнительного препятствия в 45 мм степень дифференциации величины сил сопротивления перекатыванию правого и левого задних колесах увеличивается в 8,3 раза. Изготовленная согласно указанной конструктивной концепции тележка, основу которой составляет серийный дорожный велосипед, в условиях Брянской области должна окупиться в течение полутора лет, что свидетельствует о перспективности ориентации отечественных производителей ягод земляники садовой на массовое использование такого простого и доступного средства рационализации ручного труда на плантации товарного типа. Рис. 3. График изменения силы сопротивления перекатыванию колеса F3j в зависимости от высоты препятствия δ

About the authors

V. N Ozherelev

Bryansk State Agrarian University

DSc in Agricultural Bryansk, Russia

M. V Ozhereleva

Bryansk State Technical University

Email: vicoz@bk.ru
DSc in Economic Bryansk, Russia

V. V Somin

Bryansk State Agrarian University

Bryansk, Russia

References

Supplementary files