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

Бесплатно
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0
Николаев Максим Евгеньевич
Бесплатно
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

ВВЕДЕНИЕ
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА МЕХАНИЗАЦИИ
ПОГРУЗОЧНО-ТРАНСПОРТНЫХ РАБОТ ПРИ УБОРКЕ ОВОЩЕЙ В
МЯГКОЙ ТАРЕ 11
1.1. Технологические процессы грузопереработки овощей в мягкой
таре……………………………………………………………………….11
1.1.1 Способы уборки и погрузки затаренных в сетки овощей на
примере репчатого лука 11
1.1.2 Проблема механизации погрузочных работ овощей в мягкой
таре 14
1.2. Технические средства для погрузочно-разгрузочных работ с
пакетированными грузами 16
1.2.1. Сельскохозяйственные погрузчики для штучных грузов и
мешков 16
1.2.2 Клещевые захваты для мешков и пакетированных грузов22
1.2.3. Транспортировка тары с овощами 23
1.3. Сельскохозяйственные погрузочно-транспортные
манипуляционные роботы 25
1.4. Цели и задачи исследования
2. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ МАНИПУЛЯТОРА ПОГРУЗОЧНО-
ТРАНСПОРТНОГО АГРЕГАТА И ОБОСНОВАНИЕ ИХ ЗНАЧЕНИЙ33
2.1. Концептуальная модель погрузочно-транспортного агрегата и
варианты технологических процессов грузопереработки овощей в мягкой
таре 33
2.1.1. Обоснование подвижности захвата манипулятора 36
2.1.2. Структурный синтез манипулятора погрузочно-транспортного
агрегата 39
2.2. Обоснование геометрических параметров механизма манипулятора
3

2.2.1. Формирование зоны обслуживания манипулятора 43
2.2.2. Определение рациональных параметров привода стрелы
параллелограммного механизма 49
2.3. Анализ механизма манипулятора погрузочно-транспортного агрегата
2.3.1. Кинематический анализ механизма стрелы манипулятора57
2.3.2. Кинетостатический анализ механизма манипулятора 59
2.3.3. Определение продольной и поперечной устойчивости
погрузочно-транспортного агрегата на базе самоходного шасси60
2.3.4. Обоснование параметров клещевого захвата сеток
3. ФОРМИРОВАНИЕ ОРИЕНТИРУЮЩИХ ДВИЖЕНИЙ И
ПЛАНИРОВАНИЕ ТРАЕКТОРИЙ ЗАХВАТА ПОГРУЗОЧНО-
ТРАНСПОРТНОГО АГРЕГАТА 71
3.1. Задача ориентации захвата в пространстве 71
3.2. Планирование траекторий и программных движений
исполнительных приводов механизма манипулятора
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРУЗОЧНО-
ТРАНСПОРТНОГО АГРЕГАТА С МАНИПУЛЯТОРОМ-ТРИПОДОМ84
4.1. Экспериментальный образец погрузочно-транспортного агрегата85
4.2 Методика экспериментального исследования и измерительная
аппаратура 95
4.2.1 Методика регистрации параметров 95
4.2.2 Измерительная аппаратура и тарировка датчиков 99
4.3 Оценка погрешности измерений
5 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОГРУЗОЧНО-ТРАНСПОРТНЫХ
РАБОТ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОГРУЗОЧНО-
ТРАНСПОРТНОГО АГРЕГАТА 113
5.1. Повышение эффективности погрузочно-транспортных работ за счет
автоматизации технологических операций 113
5.2. Технико-экономическая оценка разработанного погрузочно-
транспортного агрегата 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129
ПРИЛОЖЕНИЯ 150
Приложение 1.- Патенты 151
Приложение 2.- Дипломы и медали за участие в конференциях и выставках
Приложение 3.- Акт внедрения 160
Приложение 4.- Расчёты в программном комплексе Mathcad 163

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.

Актуальность темы исследования. В Волгоградской области, как и
многих других регионах при погрузочных работах при возделывании овощной
продукции в основном преобладает ручной труд, и это обстоятельство является
существенным резервом повышения производительности труда. Анализ
трудоемкости выполнения погрузочно-разгрузочных работ, показал, что в
технологическом процессе уборки овощей, упаковываемых в мягкую тару, это
самая трудоёмкая операция, связанная с ручными погрузочно-разгрузочными и
транспортными работами.
Несмотря на развитие средств механизации в сельскохозяйственном
производстве, объем ручного труда на заготовке плодоовощной продукции
достигает до 40%…50%. Устранить этот недостаток возможно только
комплексной механизацией и автоматизацией погрузочно-разгрузочных
операций.
Совершенствование технологий уборки плодоовощной продукции и
технических средств, направленных на снижение трудовых и материальных
затрат, является актуальной задачей сельскохозяйственного производства и имеет
важное народно-хозяйственное назначение.
Данная работа выполнена в рамках программы научных исследований
ФГБОУ ВО Волгоградского ГАУ в 2016-2020 г., утвержденной Ученым советом
ВолГАУ от 27.06.2016 № 8 по комплексной теме: «2.3. Погрузочные
манипуляторы сельскохозяйственного назначения и повышение их технического
уровня в условиях импортозамещения» и при финансовой поддержке РФФИ в
рамках гранта № 19-38-90067 Аспиранты «Разработка теоретических основ
проектирования сельскохозяйственного погрузочного робота с манипулятором
параллельно-последовательной структуры и методов расчета согласованного
движения его исполнительных приводов».
Степень разработанности темы. Повышением производительности
погрузочно-разгрузочных работ при уборке овощей в мягкой таре, в том числе
лука-репки посвящены работы Лобачевского Я. П., Дорохова А.С., Мерданова
Ш.М., Дубинина В.Ф., Павлова П.И., Протасова А.А. Никитина В.А., Николаева
Н.Н., Павлова И.М. [52, 53, 71, 83, 96, 97, 107, 120].
Большинство исследований технологических процессов погрузки лука
посвящено машинам непрерывного действия. Однако анализ
сельскохозяйственного производства показывает, что значительная доля
приходится на штучные и пакетированные грузы. Исследованиям в области
механизации погрузочно-разгрузочных работ со штучными грузами, посвящены
работы Герасуна В.М., Гуськова Ю.А., Демина Е.Е., Рогачева А.Ф., Строкова
И.М., Пындака В.И., и других ученых [36, 48, 121].

Цель работы. Совершенствование технологии погрузочно-транспортных
работ с грузами в мягкой таре при уборке овощей за счет разработки конструкции
и обоснования параметров погрузочно-транспортного агрегата.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Провести анализ погрузочно-разгрузочных работ при уборке овощей в
мягкой таре и задействованных при этом технических средств с целью
обоснования конструкции погрузочно-транспортного агрегата и
совершенствования технологических процессов погрузки и транспортировки
овощей в мягкой таре.
2. Разработать концептуальную модель и структурную схему погрузочного
манипулятора с захватным устройством для мягкой тары. Обосновать параметры
конструкции манипулятора с клещевым захватом и получить аналитические
зависимости, характеризующие взаимосвязь конструктивных и технологических
параметров погрузочно-транспортного агрегата.
3. Аналитически сформулировать задачу ориентации и планирования
траектории клещевого захвата мягкой тары в пространстве по критериям
эффективности, обеспечивающим максимальную производительность
погрузочно-транспортного агрегата на погрузочных работах.
4. Разработать экспериментальный образец погрузочно-транспортного
агрегата с манипулятором и клещевым захватом и выполнить его
экспериментальные исследования.
5. Провести оценку технико-экономических показателей разработанного
погрузочно-транспортного агрегата и определить экономический эффект от
использования его в технологическом процессе подбора с поля и погрузки овощей
в мягкой таре.

Объект исследования – погрузочно-транспортные операции и технические
средства для реализации технологического процесса уборки с поля овощей в
мягкой таре.

Предмет исследования – структурно-параметрические, кинематические и
динамические параметры механизма манипулятора и приводов погрузочно-
транспортного агрегата, характеризующие его функционирование в
технологическом процессе.

Научную новизну работы составляют:
– усовершенствованная технология погрузочно-транспортных работ при
уборке овощей в мягкой таре;
– конструктивно-технологическая схема самоходного погрузочного-
транспортного агрегата с манипулятором-триподом и клещевым захватом
(патенты РФ № 2700304, № 2651781, №183544, №183553);
– аналитические зависимости, позволяющие обосновать параметры захвата
манипулятора-трипода и механизма подъема для обеспечения согласованной
работы приводов при выполнении технологического процесса погрузки овощей в
мягкой таре;
– установленные закономерности качественных показателей работы
манипулятора от конструктивных параметров и система управления,
позволяющая автоматизировать работу манипулятора по заданным программным
движениям.

Теоретическая и практическая значимость работы.
Получены аналитические зависимости параметров захвата и
манипуляционного механизма от качественных показателей работы погрузочного
агрегата, которые позволяют планировать траектории перемещения овощей в
мягкой таре для обеспечения наибольше производительности погрузочно-
транспортного агрегата.
Практическая значимость заключается в усовершенствовании технологии
погрузки и транспортировки овощей в мягкой таре за счет применения
разработанного погрузочно-транспортного агрегата, позволяющего повысить
уровень механизации погрузочно-разгрузочных работ.

Методология и методы исследования.
Решение комплекса задач, поставленных в данной работе, базировалось на
классических законах механики, теории механизмов и машин, методах
оптимизации и осуществлялось известными, апробированными методами
теоретических и экспериментальных исследований.
Для решения задач теоретических исследований использовалось
современное программное обеспечение Mathcad, MS Excel, Компас 3d, Inventor.

Положения, выносимые на защиту
 конструктивно-технологическая схема погрузочно-транспортного
агрегата и усовершенствованная технология погрузки и транспортировки овощей
в мягкой таре;
 аналитические зависимости, позволяющие обосновать параметры
захвата манипулятора-трипода и механизма подъема для обеспечения
согласованной работы приводов при выполнении технологического процесса
погрузки овощей в мягкой таре;
 результаты экспериментальных исследований погрузочного агрегата с
манипулятором и клещевым захватом;
 результаты производственных испытаний и показатели
экономической эффективности применения погрузочно-транспортного агрегата
при уборке овощей в мягкой таре на примере лука-репки, затаренного в сетки.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность
результатов исследований подтверждается применением апробированных
методов теоретических исследований, достаточной сходимостью теоретических и
экспериментальных данных, а также сравнением полученных результатов с
подобными исследованиями других ученых.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
Международной научно-практической конференции молодых исследователей
«Наука и молодежь: новые идеи и решения» 2018 г., г. Волгоград;
Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию
окончания Сталинградской битвы «Мировые научно-технологические тенденции
социально-экономического развития АПК и сельских территорий» 2018г. г.
Волгоград; Международной научно-практической конференции «Научные
исследования по сельскохозяйственному производству» 2018 г. г. Волгоград;
Международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных
средств и систем – 2018», г. Волгоград; XXXI Международной инновационной
конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения
(МИКМУС – 2019), ИМАШ РАН, г. Москва; XXIV Региональной конференции
молодых учёных и исследователей Волгоградской области, Волгоград, 2020 г;
XIII международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию
Донского государственного технического университета в рамках XXIII и XXIV
Агропромышленного форума юга России и выставки “Интерагромаш” 2020 г. и
2021 г.; XII Всероссийской научно-технической конференции с международным
участием «Робототехника и искусственный интеллект», г. Железногорск, 2020 г;
Международной научно-практической конференции «Агроинженерные
исследования в условиях глобализации и интеграции», г. Зерноград, 2020 г.;
Всероссийской (национальной) научно-практической конференции «Аграрная
наука как основа продовольственной безопасности России», Нальчик, 2021 г.;
XXXII Международной инновационной конференции молодых ученых и
студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС – 2021), г. Москва, 2021 г.
Публикации.
Основные научные результаты диссертации полностью отражены в 23
публикациях, в том числе 3 работы опубликовано в изданиях, индексируемых в
международных наукометрических базах Web of Science и Scopus, 3 работы
опубликовано в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК
Минобрнауки России, получено 2 патента РФ на изобретения и 2 патента на
полезную модель, 13 работ опубликовано в других журналах, сборниках научных
трудов, материалах конференций. Объем общих публикаций составляет 5,48 п. л.,
в том числе авторских -2,04 п.л.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка
литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 165 страниц с
приложениями, в тексте имеется 9 таблиц и 81 рисунок. Список литературы
представлен из 181 наименования.

1. На основе проведенного анализа обоснована и разработана конструкция
самоходного погрузочно-транспортного средства с манипулятором и захватом для
мягкой тары (патенты РФ № 2700304, № 2651781, № 183544, № 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.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Читать

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

    Публикации автора в научных журналах

    Manipulator-tripod on mounted parallelogram mechanism
    E.N. Zakharov, I.A. Nesmiyanov, M.E. Nikolaev // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2- 489(1). – doi: 1088/1757-899X/489/1/012062Nikolaev M.E., Definition of service area of agricultural loading robot with manipulator of parallel-serial structure / Nikolaev M.E., Nesmianov I.A., Zaharov E.N. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2- 747(1). – doi: 1088/1757-899X/747/1/012125
    Обоснование параметров клещевого захвата погрузочно-транспортного агрегата
    М.Е. Николаев //Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. – 2- No1(61). – C. 431-Николаев, М.Е. Обоснование структуры манипулятора мобильного погрузчика сеток с овощами / М.Е. Николаев, И.А. Несмиянов, С.Д. Фомин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. – 2- No2(54). – C. 389
    Cтатическая устойчивость погрузочно-транспортного агрегата на базе самоходного шасси
    И.А. Несмиянов, М.Е. Николаев, Е.Н. Захаров, Н.В. Карева // Сельский механизатор - 2- No - C. 28-Патенты РФ
    Исследование манипулятора последовательной структуры сельскохозяйственного назначения
    М.Е. Николаев. // В сборнике: Наука и молодежь: новые идеи и решения Материалы XI Международной научно- практической конференции молодых исследователей Наука и молодежь: новые идеи и решения 2017/ Волгоград, 2- С. 396
    Расширение зоны обслуживания сельскохозяйственных погрузочных манипуляторов с консольно-поворотной стрелой
    А.Г.Иванов, М.Е. Николаев. // Материалы XII Международной научно-практической конференции молодых исследователей - Наука и молодежь: новые идеи и решения- 2018/Волгоград, 2- С. 322-Несмиянов, И.А. Роботизированный погрузочно-транспортный агрегат для уборки сеток с овощами /И.А. Несмиянов, Е.Н.Захаров, М.Е. Николаев. // Материалы X Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Робототехника и искусственный интеллект-2018» / Москва, 2- С. 8
    Роботизированный погрузочно-транспортный агрегат для сбора сеток с луком-репкой
    И.А. Несмиянов, Н.С. Воробьёва, М.Е. Николаев. // Материалы международной научно-практической конференции Научные исследования - сельскохозяйственному производству - 2018 / Орел, 2- С. 445-Николаев, М.Е. Определение зоны обслуживания сельскохозяйственного погрузочного робота с манипулятором параллельно- последовательной структуры / М.Е. Николаев, И.А. Несмиянов, Е.Н. Захаров // XXXI Международная инновационная конференция молодых ученых и студентов20по проблемам машиноведения (МИКМУС - 2019) Сборник трудов конференции. 2С. 812
    Оптимизация геометрических параметров и формирование зоны обслуживания манипулятора погрузочного робота
    И.А. Несмиянов, М.Е. Николаев, А.В. Дяшкин // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ. 2Т. С. 99-Несмиянов, И.А., Обоснование параметров манипулятора погрузочно- транспортного робота / И.А. Несмиянов, М.Е. Николаев, Н.С. Воробьева // Известия волгоградского государственного технического университета, No9 (224), 2020 г. С. 65
    Обоснование структуры мобильного робота-погрузчика
    М.Е. Николаев // XXIV Региональная конференция молодых учёных и исследователей Волгоградской области Сборник материалов конференции. 2С. 361-Несмиянов, И.А.Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: Сборник статей 13 международной научно-практической конференции 26-28 февраля 2020 г., г. Ростов-на-Дону. В рамках международной агропромышленной выставки «Интерагромаш-2020», Ростов н/Д, - 2– С. 699
    Статическая устойчивость погрузочно-транспортного агрегата на базе самоходного шасси
    Несмиянов И. А., Николаев М.Е., Карева Н.В. // Актуальные проблемы аграрной науки: прикладные и исследовательские аспекты: Сборник научных трудов Всероссийской (национальной) научно- практической конференции. Нальчик, 2021г., С. 102-Николаев М.Е., Погрузочно-транспортный агрегат с манипулятором- триподом и гибридным приводом / Николаев М.Е., Несмиянов И.А., Иванов А.Г., Дяшкин-Титов В.В. // «XXXII Международная инновационная конференция молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения», Сборник трудов конференции. 2021 г., С. 487

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Татьяна П.
    4.2 (6 отзывов)
    Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки ... Читать все
    Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки в одном из крупнейших университетов Германии.
    #Кандидатские #Магистерские
    9 Выполненных работ
    Юлия К. ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск 2017, Институт естественных и т...
    5 (49 отзывов)
    Образование: ЮУрГУ (НИУ), Лингвистический центр, 2016 г. - диплом переводчика с английского языка (дополнительное образование); ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск, 2017 г. - ин... Читать все
    Образование: ЮУрГУ (НИУ), Лингвистический центр, 2016 г. - диплом переводчика с английского языка (дополнительное образование); ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск, 2017 г. - институт естественных и точных наук, защита диплома бакалавра по направлению элементоорганической химии; СПХФУ (СПХФА), 2020 г. - кафедра химической технологии, регулирование обращения лекарственных средств на фармацевтическом рынке, защита магистерской диссертации. При выполнении заказов на связи, отвечаю на все вопросы. Индивидуальный подход к каждому. Напишите - и мы договоримся!
    #Кандидатские #Магистерские
    55 Выполненных работ
    Яна К. ТюмГУ 2004, ГМУ, выпускник
    5 (8 отзывов)
    Помощь в написании магистерских диссертаций, курсовых, контрольных работ, рефератов, статей, повышение уникальности текста(ручной рерайт), качественно и в срок, в соот... Читать все
    Помощь в написании магистерских диссертаций, курсовых, контрольных работ, рефератов, статей, повышение уникальности текста(ручной рерайт), качественно и в срок, в соответствии с Вашими требованиями.
    #Кандидатские #Магистерские
    12 Выполненных работ
    Дмитрий Л. КНЭУ 2015, Экономики и управления, выпускник
    4.8 (2878 отзывов)
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    #Кандидатские #Магистерские
    5125 Выполненных работ
    Петр П. кандидат наук
    4.2 (25 отзывов)
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт напис... Читать все
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт написания магистерских диссертаций. Направление - связь, телекоммуникации, информационная безопасность, информационные технологии, экономика. Пишу научные статьи уровня ВАК и РИНЦ. Работаю техническим директором интернет-провайдера, имею опыт работы ведущим сотрудником отдела информационной безопасности филиала одного из крупнейших банков. Образование - высшее профессиональное (в 2006 году окончил военную Академию связи в г. Санкт-Петербурге), послевузовское профессиональное (в 2018 году окончил аспирантуру Уральского федерального университета). Защитил диссертацию на соискание степени "кандидат технических наук" в 2020 году. В качестве хобби преподаю. Дисциплины - сети ЭВМ и телекоммуникации, информационная безопасность объектов критической информационной инфраструктуры.
    #Кандидатские #Магистерские
    33 Выполненных работы
    user1250010 Омский государственный университет, 2010, преподаватель,...
    4 (15 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа
    Екатерина П. студент
    5 (18 отзывов)
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно... Читать все
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно занимаюсь английским языком, уровень владения - Upper-Intermediate.
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Антон П. преподаватель, доцент
    4.8 (1033 отзыва)
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публик... Читать все
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публикуюсь, имею высокий индекс цитирования. Спикер.
    #Кандидатские #Магистерские
    1386 Выполненных работ
    Дмитрий М. БГАТУ 2001, электрификации, выпускник
    4.8 (17 отзывов)
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал стать... Читать все
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал статьи, патенты, кандидатскую диссертацию, преподавал. Занимаюсь этим с 2003.
    #Кандидатские #Магистерские
    19 Выполненных работ

    Последние выполненные заказы

    Другие учебные работы по предмету