Совершенствование технологии погрузки и транспортировки грузов в мягкой таре при уборке овощей за счет обоснования параметров погрузочно-транспортного агрегата

Во введении представлена общая характеристика работы, обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и положения, выносимые на защиту. Описаны методы исследования, используемые в работе. Представлены сведения об апробации работы, публикациях, теоретической и практической значимости
результатов исследований.
В первой главе «Современное состояние вопроса механизации погрузочно-
транспортных работ при уборке овощей в мягкой таре» проведен анализ погрузочных манипуляторов, используемых на погрузочно-разгрузочных работах, рассмотрены технологические процессы уборки овощей. Из проведенного анализа выявлено, что при уборе овощи чаще всего затаривают в сетки, в таких тарах они и реализуется. Затаривание выполняется как вручную с поля, так и затаривание в сетки на механизированных подборщиках. Во всех случаях погрузка мешков на транспортные средства производится вручную (рис. 1).

Ручная сборка сеток с овощами является монотонной и трудозатратой операцией, что в свою очередь задействует большое количество рабочей силы, это одна из главных проблем уборки овощей. Поэтому необходимо механизировать и автоматизировать процессы уборки овощей в мягкой таре.
Проведен обзор средств механизации, автоматизации и роботизации погрузочно-транспортных работ в сельском хозяйстве, сельскохозяйственных погрузчиков, погрузочно-транспортных роботов и манипуляторов.
а)
Рисунок 1 – Ручное затаривание овощей за механизированным
подборщиком: а) – затаривание лука в мешки-сетки на лукоуборочном комбайне; б) – погрузка мешков-сеток на транспортное средство.
Анализ научных работ российских и зарубежных ученых показывает, что в последнее время растет интерес к манипуляционным погрузчикам и роботам параллельной и параллельно-последовательной структуры, которые могут использоваться на погрузочно-разгрузочных работах в сельском хозяйстве.
Во второй главе «Выбор параметров манипулятора погрузочно- транспортного агрегата и обоснование их значений» для разрабатываемого манипулятора обоснована степень подвижности захвата сеток с овощами и маневренность манипулятора.
б)
Определенный задел по проектированию погрузочно-транспортных машин
и роботизированных погрузчиков наработан для уборки бахчевых культур: арбузов, тыкв, дынь. Однако анализ этих работ показывает, что эффективность применения погрузочно-транспортных средств для сбора плодов бахчевых
культур составляет 85% (т.е. 15% плодов остаются на поле).
На рисунке 2 представлена предлагаемая технологическая схема по погрузке и транспортировке сеток с овощами. Погрузочно-транспортное средство движется по полю, грузит мешки-сетки в сменный кузов, после наполнения кузова происходит его выгрузка и погрузка на другое транспортное средство.
Рисунок 2 – Технологическая схема по погрузке и транспортировке сеток с овощами
При незначительных расстояниях от поля до места складирования урожая или места его реализации возможен вариант, когда погрузочно-транспортный агрегат транспортирует самостоятельно загруженные сетки (мешки) с поля до хранилища. Для решения поставленных задач механизации погрузочных работ на уборке упакованных в сетки овощей (лук, морковь, картофель) предложена

l2  min
l2  max
r2 h2 2hrcos( r2 h2 2hrcos(
) )
h  c1  c2  c2  c1 , r  c1  c2  c2  c1 , 22
конструкция погрузчика, устанавливаемого на самоходное шасси (рис.3.). На раму шасси крепится пространственный параллелограммный механизм 1, который обеспечивает при различных углах поворота стрелы горизонтальное положение платформы 2. К платформе 2 крепится манипулятор-трипод 3, в виде треугольной пирамиды, а к его выходному звену 4 (универсальному шарниру) подвешивается управляемый клещевой захват 5. Причем захват самоустанавливающийся и всегда занимает вертикальное положение под действием силы тяжести, что позволяет захватывать сетки, установленные в поле вертикально. Манипулятор-трипод обеспечивает перемещение захвата сеток по ширине кузова самоходного шасси по трем декартовым координатам x, y, z.
Рисунок 3 – Устройство мобильного погрузочно-транспортного агрегата на базе самоходного шасси и рабочая зона обслуживания захвата1 – коромысла пространственно-параллелограмного механизма; 2 –прямоугольная ферма для крепления манипулятора-трипода; 3 – эллектроцилиндры; 4 – сферический шарнир; 5 – клещевой захват.
Заданная степень подвижности захвата обеспечивается обобщенными координатами манипулятора. В данном случае это три цилиндра манипулятора- трипода и цилиндр поворота коромысел механизма. Степень подвижности точки крепления захвата W=4. Обоснование структуры и количества кинематических пар проведено
Реализация алгоритма формирования зоны обслуживания захвата реализована в Mathcad.
Для обоснования параметров исполнительных цилиндров привода стрелы параллерограммного механизма рассмотрим расчетную схему (рис. 4) при
изменениитекущейдлиныlвпределахlmin llmax.
Используя уравнения проекции векторного контура на оси координат получим выражения для определения межосевого расстояния h и радиуса кривошипа r
решением задачи оптимизации.
критерием при формировании зоны обслуживания является заданная ширина шасси и обеспечение перемещения клещевого захвата по всей площади кузов.
max min
(1) (2)
условной Главным

l2 l2 max min
и
минимальное удлинение цилиндра.
Определение значений радиуса кривошипа r и межосевого расстояния h проводилось в табличном процессоре Excel, за начальные значения приняты: минимальный угол поворота кривошипа α=200 и типоразмерные параметры стандартного цилиндра, а именно максимальное и минимальное значения длин цилиндра соответственно lmax = 530 мм и lmin=360 мм.
с
 l2 max
min
l2 cos min
max
;
с
1 cos cos , min max
cos
cos cos
Рисунок 4 – Определение рациональных параметров исполнительного привода стрелы
По полученным зависимостям, частично задаваясь некоторыми начальными параметрами можно подобрать рациональные точки крепления цилиндра в зависимости от его удлинения. Например, для указанных уже выше значений максимального и минимального удлинения исполнительного цилиндра для заданного максимального угла поворота в 900 получены r = 159,4 мм и h = 505,6 мм.
Из уравнения моментов сил относительно точки А (рис. 4) с учетом силы, приведенной к рычагам поворотного параллелограммного механизма получена зависимость усилия P на штоке электроцилиндра от угла поворота φ
mgLsin( )
P() 2 min,
где φ1- угол положения рычага захвата; L-длина рычага.
Данное выражение может служить в качестве проверочного по максимально
развиваемому усилию цилиндром, либо при минимизации P(φ) могут быть скорректированы значения r и h.
Так, например, по полученной зависимости построен график зависимости усилия P на штоке электроцилиндра от угла поворота φ и радиуса кривошипа r (рис.5) для r = 159,4 мм изменение усилия на штоке цилиндра при приведенной массе мешка в 30 кг составит от -1586 Н до 4135 Н при диапазонах изменения угла φ=45…1200.
В результате кинематического анализа получены зависимости угловых скоростей основания манипулятора – трипода от закона изменения линейной скорости штока и далее на основе кинетостатического анализа определены необходимые усилия для привода механизмов.
В процессе технологических операций погрузчику приходится передвигаться от одного объекта к другому, осуществлять технологические
lmax
lmin – максимальное и
min max
r  sin(  1 )
(3)
переезды и пересекать неровности рельефа. В главе выполнены расчеты на продольную и поперечную устойчивость.
Предельный угол поперечной устойчивости
составляет
основании
выполненных
сделан вывод, что для разработанного погрузочно-транспортного агрегата обеспечивается необходимая продольная и поперечная устойчивость.
Рисунок 5. – Зависимость усилия P на штоке электроцилиндра от угла поворота φ и радиуса кривошипа r
21,80. На результатов расчётов,
Расчетная схема
клещевого захвата представлена на рисунке 6.
Гарантированное удержание груза захватом обуславливается либо геометрическим, либо силовым замыканием, обеспечиваю щим невозможность поступательных и вращательных движений захватываемых тел.
Минимально необходимое удерживающее усилие определится из
выражения.
P()  2cos(N l 0,25Qa) , (4)
b
где N – усилие замыкания; l- от центра мешка до пересечения рычагов клещевого захвата; Q – масса мешка.
Полученные графики удерживающей силы представлены на рис.7.
Рисунок 6 – Расчетная схема Рисунок 7 – Зависимость удерживающей клещевого захвата силы от массы мешка и угла положения
рычага захвата
В третьей главе «Формирование ориентирующих движений и планирование траекторий захвата погрузочно-транспортного агрегата» решена задача
ориентации захвата в пространстве в зависимости от расположения сеток на поле.

Ориентация сетки с овощами в пространстве определяется в системе декартовых координат, связанной непосредственно с рамой самоходного шасси, т.е. ориентация сетки определяется относительно шасси с помощью углов относительно осей координат.
Следует также учитывать взаиморасположение сеток. Близкое расположение сеток друг к другу может мешать их захвату, как это показано на рис. 8.
Для обеспечения выдвижного захвата сетки необходимо чтобы расстояние между осями рядом стоящих сеток должно удовлетворять условию:
L  2S  p (5)
где S – ширина сеток; p – расстояние между сетками.
На основе характера расположения сеток в пространстве обосновывается ориентирование клещевого захвата при программировании движений.
С целью планирования
а) б) Рисунок 8 – Обоснование расстояния захвата: а – геометрические размеры
мешка сетки; б – геометрические размеры клещевого захвата
программных
исполнительных
манипулятора
технологический процесс сбора и погрузки сеток с овощами погрузочно-транспортным агрегатом представлена на рисунке 9.
Задачу перемещения
представить
оптимального можно в виде
минимизации функции
n
Ф S min. (6)
 i1
i,i1
где Si – траектория перемещения захвата с мешком в кузов самоходного шасси.
При захвате сетки в точке C1 захват перемещается в заданные координаты, при этом точки М и C1 совмещаются.
Рисунок 9 – Планирование программных движений исполнительных приводов манипулятора: а – перемещение агрегата к мешку С1; б – перемещение агрегата к мешку С2; в – перемещение агрегата к мешку С3
движений приводов рассмотрен
Захваченный мешок перемещается в ближайшее свободное место в кузове (рис. 9 а) по кратчайшей траектории Pi. Для данного вида перемещения захвата с мешками в кузов оптимальным будет решение минимизации функции
Пока осуществлялось перемещение захвата с мешками по траектории P1 (рис.9, а) и H1 (рис.9, б) шасси переместилось на расстояние Lсш. После того, как мешок C1 был погружен, захват необходимо переместить к следующей точке C2, при этом если нет препятствий, то траектория H1 может быть любой, за критерий здесь
можно принять функцию минимизации времени
Ф2 
 i 1
Pmin. (7) i
H
n
Ф3 imin,
n
 (8) i1 VMср
где Нi – траектория перемещения высвобожденного захвата к следующему мешку; VМср – средняя скорость точки М перемещения захвата за цикл.
После захвата мешка из точки C2 он перемещается в кузов в ближайшее свободное место по траектории Pi+1 .
Далее весь технологический захват повторяется до полного заполнения кузова.
В четвертой главе «Экспериментальное исследование погрузочно- транспортного агрегата с манипулятором-триподом» поставлены задачи экспериментального исследования, описана конструкция экспериментального образца манипулятора, методика проведения экспериментальных исследований, измерительная аппаратура, датчики и методы их тарировки.
Экспериментальный образец погрузочно-транспортного агрегата представлен на рисунке 10.
Рисунок 10 – Устройство погрузочно-транспортного агрегата: 1- основание; 2- рычаг; 3- платформа; 4 – манипулятор-трипод; 5-трехподвижный сферический шарнир; 6- клещевой захват; 7 – исполнительный привод управления углом наклона пространственно-параллерограммного механизма.
Исполнительный привод манипулятора является комбинированным. Манипулятор-трипод выполнен на основе электроцилиндров SKF CABH-21 с питанием от постоянного тока напряжением 24 В. Привод параллелограммного механизма осуществляется от гидроцилиндров, управление которыми может

быть, как в ручном режиме, так и в автоматическом, посредством электроуправляемых гидрораспределителей. Основные характеристики экспериментального оборудования приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Основные характеристики погрузочно-транспортного агрегата
Максимальная грузоподъемность, кг.
Максимальная высота подъема захвата, мм. Собственная масса конструкции (без массы шасси), кг Тип гидронаса
Тип гидрораспределителей Тип электроцилиндров
Напряжение питания электроактуаторов, В Максимальный ток, А
150 2500 205 НШ-10
MSV04A CAНВ-21, SKF
24В 8
На рисунке 11 представлена схема разработанной централизованной однопроцессорной системы управления приводами манипулятора-трипода. В данной системе модулем управления актуаторами, является микроконтроллер STM32F407 с архитектурой ARM Cortex-M4F.
Рисунок 11 – Функциональная схема системы управления приводами манипулятора
Регулирование скорости движения штока, происходит за счет именения управляющего ШИМ-сигнала, максимальная скорость таких электроцилиндров 45 мм/с при максимальной нагрузке на шток в 2,3 кН и 65 мм/с без нагрузки. На двигатели приводов установлены потенциометрические датчики обратной связи, с помощью которых определяется текущее состояние устройства.
Заданные законы перемещения рабочей точки – реализуются программно, с помощью системы управления, осуществляющей текущей контроль состояния линейных приводов.
Погрузочно-транспортный агрегат на базе самоходного шасси, оборудовался соответствующими датчиками (рис. 12) и измерительной

аппаратурой. Для записи регистрируемых параметров использовались электрические методы измерения неэлектрических величин. Синхронная фиксация изменения этих показателей по времени осуществилась с помощью персонального компьютера и блока регистрации параметров (рис.13). Тарировка датчиков осуществлялась по контрольным приборам. Для питания реохордных датчиков перемещения штоков гидроцилиндров и датчиков давления использовались четырехканальный источник стабилизированного постоянного напряжения.
Рисунок 12 – Схема размещения на экспериментальном образце датчиков: 1- датчик давления поворота рычага; 3-датчики текущего положения штоков; электроцилиндров; 4-датчик положения штока гидроцилиндра клещевого захвата; 5- камера СТЗ
Рисунок 13 – Измерительная аппаратура: 1 – персональный компьютер; 2 – блок регистрации параметров
В процессе экспериментальных исследований проводилась проверка фактической зоны обслуживания захвата с теоретической. Для этого овощи в мягкой таре многократными повторениями перемещались в различные места кузова (рис.14).
а) б) в) Рисунок 14. – Погрузка-разгрузка сеток в различные места кузова: а) –
погрузка мешка в кузов самоходного шасси; б) – выгрузка мешка из кузова самоходного шасси; в) – захват следующего мешка
Эксперименты показали, что коэффициент динамичности Кд ≤ 1,05 а декремент колебаний составляет Дк = 0,05. Эти показатели говорят о низкой динамичности процессов, отсутствие значимой раскачки груза и влияние ее на суммарное время технологического цикла.
Среднее значение времени цикла погрузки-разгрузки tср=37,49 с.

Для оценки затрачиваемой работы и потребляемой мощности ПТА анализировали регистрируемый потребляемый ток электродвигателями и давления в напорной магистрали.
1400 А, Дж
1200
1000
800
600
400
200
0
375 23
177 164,6
227745,6 250
425,8
886,55
709
897
1254,944
1093,694 1127
1011
1234567
На рисунке 15 приведены кривые изменения работы, затрачиваемой приводами манипулятора при различных точках размещения мешка с овощами в кузове. Минимальное значение соответствует минимальным длинам траектории, т.е перемещению в точку, ближнююк передней кромке кузова, максимальное значение соответственно при максимальной длине траектории – при перемещении к заднему борту кузова.
Анализ осциллограмм экспериментальных исследований показал, что для выполнения одного цикла операций необходимо от 4 до 7 включений – выключений приводов (рис.16).
Рисунок 15 – Изменение затрачиваемой работы за цикл операции при погрузке мешка
с овощами в продольной плоскости агрегата при различных точках размещения в кузове
Количество включений зависит от ориентации и расположения сетки на поле и места выгрузки в кузов. Разработана система управления, позволяющая реализовывать задачи программного движения с целью автоматизации процесса.
1 0
-1
0 2 4 6 81012141618202224262830 L1 32 34 36
L1 L2 L3 ф
Рисунок 16 – Усредненная циклограмма включения-выключения приводов
Для определения координат мешков и осуществление позиционирования захвата на поле используется система технического зрения (СТЗ) на основе видеокамер. Конструкция манипуляционного механизма погрузочно-транспортного агрегата и разработанная система управления подразумевает несколько режимов работы:
1) Полностью ручной режим управления (оператором);
2) Полуавтоматический режим управления;
3) Полностью автоматический сбор мешков с поля и погрузка в кузов по
данным, полученным от датчиков и СТЗ.
В пятой главе «Повышение эффективности погрузочно-транспортных работ и технико-экономическая оценка погрузочно-транспортного агрегата» рассчитана эффективности погрузочно-транспортных работ за счет автоматизации управления приводами и приведена технико-экономическая оценка разработанного погрузочно-транспортного агрегата.
Определены технико-экономических показатели разработанного погрузочно-транспортного агрегата, представленные в таблицах 2 и 3.
Таблица 2 – Показатели экономической оценки на погрузочных работах с использованием погрузочно-транспортного агрегата в сравнение с аналогом
Наименование показателя
Вид механизированной работы Марка техники (состав МТА)
Производительность МТА за 1 ч сменного времени, т/ч
Удельный расход моторного топлива, кг т наработки
Совокупные затраты денежных средств (себестоимость выполнения работ) всего. руб/га
Значение показателя по аналогу новой
технике Погрузка
СШ+ ПГ-0,2 1,415 0,61 19041,05
СШ+ новый погрузчик 1,719
0,58 17041,05
Таблица 3 – Показатели сравнительной экономической эффективности на условный объем погрузочных работ при использовании погрузочно- транспортного агрегата в сравнении с аналогом
Наименование показателя
Годовая экономия совокупных затрат денежных средств, руб
Снижение себестоимости выполнения работы, % Срок окупаемости капиталовложений, лет Снижение потребности в дизельном топливе, %
Значение показателя по новой технике 11341
10 0,4 4
Фактическая производительность погрузочно-транспортного агрегата составляет 1,7 т/ч. В результате проведенных расчетов получили срок окупаемости погрузочно-транспортного агрегата 0,4 года. Годовой экономический эффект при погрузке механизированным способом составляет 11341 рубль. Для разработанного погрузчика коэффициент характеризующий удельную массу погрузки составил К=1,36, у ПГ-0,2 этот коэффициент составляет К=2.
Отличительной особенностью разработки является возможность самозагрузки мешков в кузов самоходного шасси. Данная функция не предусматривается, например, в погрузчике ПГ-0,2 и других.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. На основе проведенного анализа обоснована и разработана конструкция самоходного погрузочно-транспортного средства с манипулятором и захватом для мягкой тары (патенты РФ No 2700304, No 2651781, No 183544, No 183553) и предложены схемы технологического процесса погрузки и транспортировки с поля овощей в мягкой таре в кузов самоходного шасси.
2. Разработана концептуальная схема погрузочно-транспортного агрегата. Обоснованы структура, геометрические и кинематические параметры манипулятора и клещевого захвата погрузочно-транспортного средства, обеспечивающие необходимое удержание овощей в мягкой таре массой до 50 кг и перемещение груза по всей площади кузова и на расстояние 0,97 м от его передней кромки, на уровне поверхности поля. Получены аналитические и графические зависимости, позволяющие на этапе проектирования погрузочного манипулятора выбирать рациональные параметры конструкции в зависимости от требуемых массы груза и типоразмера шасси.
3. Аналитически сформулирована задача ориентации и планирования траекторий клещевого захвата мягкой тары в пространстве по критериям эффективности, обеспечивающие максимальную производительность погрузочно- транспортного агрегата на погрузочных работах. С учетом сформулированных критериев эффективности перемещений груза по планируемым траекториям расчетной значение теоретической производительности составляет 1,62 т/ч.
4. Разработана и изготовлена конструкция манипулятора с клещевым захватом, экспериментально определен коэффициент динамичности конструкции который не превышает значения Кд=1,1. Энергозатраты на выполнение цикла технологической операции погрузки одной единицы упакованной в мягкую тару овощей составляет 1,1…1,25 кДж, при этом потребляемая мощность всеми приводами составляет 2,14…2,55 кВт. Время цикла операций погрузки находится в пределах от 28 до 38 сек.
5. Использование погрузочно-транспортного агрегата на технологической операции погрузки с поля овощей в мягкой таре в кузов самоходного шасси позволяет повысить уровень механизации работ до 80%, фактическая производительность погрузочно-транспортного агрегата составляет Wфак=1,7 т/ч., годовой экономический эффект составляет 11341 руб. в год, при сроке окупаемости затрат в 0,4 года.
Рекомендации производству
Рекомендуется использовать погрузочно-транспортный агрегат для погрузки овощей в мягкой таре, таких как репчатый лук, морковь, картофель. Наиболее эффективно применение разработанного погрузочно-транспортного агрегата при погрузке в кузов сеток с овощами, расположенными горизонтально на поле и ориентированными преимущественно в одном направлении по отношению к продольной плоскости самоходного шасси.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Автоматизация технологического процесса погрузки овощей в мягкой таре с разработкой системы адаптивного управления приводами манипулятора
погрузочно-транспортного агрегата, а также совершенствование конструкции погрузочного агрегата для работы со сменными кузовами.