Обоснование параметров автоматизированного навесного агрегата для магнитно-импульсной обработки земляники садовой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Кутырёв Алексей Игоревич

• Кутырёв Алексей Игоревич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Кутырёв Алексей Игоревич

Введение

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ исследований влияния магнитных полей на растения

1.2 Приборно-аппаратная база магнитных методов воздействий на садовые растения

1.3 Технические средства для электрофизического воздействия на растительные объекты

1.3.1 Анализ сельскохозяйственных технологических адаптеров циклического действия

1.3.2 Приводы рабочих органов, применяемые в сельскохозяйственной технике. 26 ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАНННОГО АГРЕГАТА ДЛЯ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ (МИО) ЗЕМЛЯНИКИ САДОВОЙ

2.1 Анализ культуры земляники садовой в промышленных насаждениях

2.1.1 Агрофизические свойства культуры земляники садовой

2.1.2 Схемы возделывания земляники садовой

2.1.3 Моделирование технологических схем работы автоматизированного агрегата МИО

2.2 Разработка аппарата МИО садовых растений

2.3 Обоснование параметров рабочих органов (магнитных индукторов)

2.3.1 Моделирование распределения магнитного поля различных видов катушек индуктивности

2.3.2 Разработка рабочего органа агрегата МИО

2.4 Обоснование конструктивных параметров автоматизированного навесного

агрегата МИО растений

2.4.1 Проектирование и анализ конструкции автоматизированного навесного агрегата МИО растений

2.4.2 Обоснование параметров электропривода рабочих органов автоматизированного навесного агрегата МИО растений

2.4.3 Экспериментальный анализ конструкции изготовленного макетного образца автоматизированного навесного агрегата МИО растений

2.4.4 Расширение технологических возможностей автоматизированного агрегата

МИО

2.5 Разработка автоматизированной системы адаптации рабочих органов агрегата МИО

2.5.1 Обоснование параметров автоматической настройки положения рабочих органов

2.5.2 Разработка алгоритма и программного обеспечения системы управления

приводами рабочих органов автоматизированного агрегата МИО растений

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Исследование влияния МИО на семена земляники садовой

3.2 Лабораторно-стендовое исследование автоматической системы адаптации рабочих органов автоматизированного агрегата МИО

3.3 Исследования работы автоматизированного агрегата МИО

в полевых условиях

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО АГРЕГАТА ДЛЯ

МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ РАСТЕНИЙ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

РЕКОМЕНДАЦИИ К ПРОИЗВОДСТВУ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

153

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров автоматизированного навесного агрегата для магнитно-импульсной обработки земляники садовой»

Введение

Для достижения технологического эффекта путем создания наиболее благоприятных условий для растений в настоящее время активно осуществляются исследования экологически безопасных методов воздействия, эффективных абиотических низко энергозатратных технологий, основанных на применении различных физических факторов, таких как ультрафиолетовое, лазерное, рентгеновское излучение, ультразвуковые колебания, электромагнитные поля различного диапазона (оптическое, инфракрасное, радиочастотное, низкочастотное, СВЧ и др.), которые смогут стимулировать рост, повысить урожайность и устойчивость растений к вредителям и болезням [1-7].

Анализ проводимых исследований показывает высокую эффективность применения низкочастотного импульсного магнитного поля (ИМП) малой интенсивности (от 0,05 до 100 мТл), изменяемого по амплитуде и частоте. Предлагаются различные способы его использования для биорегуляторной активации жизненных процессов садовых растений. Практически значимые эффекты, связанные с магнитно-импульсной обработкой (МИО) растений, характеризуются улучшением приживаемости посадочного материала, повышением иммунитета растений, ускорением роста и развития растений и повышением урожайности [8-13].

Практическое применение технологий МИО в растениеводстве сдерживается отсутствие технических решений, обеспечивающих соблюдения режимов обработки в полевых условиях.

В связи с этим, проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по обоснованию технических характеристик машин и специализированного оборудования и выявлению оптимальных режимов МИО растений в промышленном садоводстве является актуальной задачей.

Цель работы - обоснование параметров навесного агрегата и автоматической системы адаптации для проведения технологического приема обработки земляники садовой низкочастотными магнитными импульсами. Задачи исследования:

- провести мониторинг технологий обработки различных сельскохозяйственных культур магнитным полем и технических характеристик аппаратов, мобильных энергетических средств с исполнительными устройствами;

- провести анализ агрофизических свойств земляники садовой;

- провести анализ конструктивно-технологических схем применения автоматизированного агрегата МИО на технологиях возделывания земляники садовой;

- обосновать параметры и разработать систему адаптации рабочих органов (магнитных индукторов) автоматизированного агрегата;

- обосновать параметры навесного агрегата для магнитно-импульсной обработки земляники садовой, в том числе при совмещении технологической операции междурядной обработки почвы;

- провести лабораторные эксперименты для установления зависимостей влияния магнитно-импульсной обработки на семена земляники садовой;

- провести лабораторные и полевые эксперименты для обоснования параметров системы адаптации рабочих органов при магнитно-импульсной обработки земляники садовой;

- провести оценку экономической эффективности технологической операции МИО земляники садовой с помощью автоматизированного агрегата. Область исследования.

Соответствует паспорту специальности 05.02.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства.

Объект исследования.

Технологический процесс магнитно-импульсной обработки земляники садовой.

Предмет исследования.

Система адаптации автоматизированного навесного агрегата для обработки земляники садовой низкочастотными магнитными импульсами.

Гипотеза исследования.

Применение автоматизированного навесного агрегата МИО с научно обоснованными оптимальными параметрами позволит обеспечить необходимые характеристики магнитного поля (МП) в зоне обработки для стимуляции жизненных процессов и повышения урожайности земляники садовой.

Положения, выносимые на защиту:

- научно-обоснованные конструктивно-технологические параметры рабочих органов (магнитных индукторов) и автоматизированного навесного агрегата для магнитно-импульсной обработки растений;

- алгоритм функционирования автоматизированной системы адаптации рабочих органов навесного агрегата МИО;

- результаты экспериментальных исследований, подтверждающие влияние параметров магнитно-импульсной обработки на всхожесть и энергию прорастания семян земляники садовой;

- новый технологический приём магнитно-импульсной обработки земляники садовой, совмещённый с междурядной культивацией.

Научную новизну составляют:

- параметры и режимы работы агрегата для магнитно-импульсной обработки земляники садовой;

- алгоритм работы системы адаптации автоматизированного агрегата при выполнении технологической операции МИО земляники садовой;

- программа ЭВМ для выбора режима автоматизированной обработки и управления рабочими органами агрегата МИО.

- регрессионная модель влияния частоты следования импульсов, скважности, величины магнитной индукции на всхожесть и энергию прорастания семян земляники садовой.

Практическая значимость работы.

Применение в технологии возделывания и ухода за земляникой садовой разработанного навесного агрегата позволит проводить обработку ягодников низкочастотным импульсным магнитным полем с возможностью автоматического поддержания требуемого значения магнитной индукции в зоне обработки. По результатам исследования разработаны аппарат магнитно-импульсной обработки растений; опытный образец автоматизированного навесного агрегата для магнитно-импульсной обработки растений; алгоритм системы адаптации его рабочих органов (магнитных индукторов); программа управления режимами работы навесного автоматизированного агрегата. Выявлены наиболее эффективные режимы работы для повышения всхожести и энергии прорастания семян земляники садовой.

Методика исследований.

Теоретические исследования выполнялись с использованием законов и методов теоретической механики, математики, использованы современные методы компьютерного моделирования и программирования. Обработка экспериментальных данных и компьютерное моделирование осуществлялась с помощью программных средств САПР KOMQAC-3D v17, Autodesk fusion 360, MathCad 15, Excel, PlanExp B-D13, Elcut Professional 6.3, Coil 32. Лабораторные и полевые экспериментальные исследования проводились в соответствии с современными действующими ГОСТами, с использованием методики планирования экспериментов.

Апробация результатов работы.

Результаты работы подтверждены дипломами Российской агропромышленной выставки «Золотая осень» (2015, 2016, 2017 г.). Основные положения диссертационной работы были доложены и одобрены на 6-й

Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Инновации в сельском хозяйстве» (15-16 декабря 2015 г., Москва, ФГБНУ ВИЭСХ), 8-й Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Агроинженерные инновации в сельском хозяйстве» (3031 мая, 2017 г., г. Москва, ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные машинные технологии и техника в сельском хозяйстве» (12-13 декабря, 2017 г., г. Москва, ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), VII-й Международной дистанционной научно-практической конференции молодых ученых (14 августа, 2017 г. ФГБНУ СКФНЦСВВ), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Селекция садовых культур: новое в науке и практике» (16 - 23 мая 2016 г., Москва, ФГБНУ ВСТИСП), на конкурсе «Московский молодежный старт - 2017» по программе «УМНИК» (56 декабря, 2017 г., г. Москва, Фонд содействия инновациям), II Международной научно-практической конференции «Горячкинские чтения» (18 апреля, 2018 г., г. Москва, РГАУ - МСХА имени К.А. Тимерязева), на расширенном заседании отдела технологий и машин для садоводства, виноградарства и питомниководства, лаборатории машинных технологий для возделывания и уборки плодово-ягодных культур (г. Москва, ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), Международной научно-технической конференции «Научно-техническое обеспечение АПК Сибири» (7-9 июня 2017 г., г. Новосибирск), 9-ой Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Агроинженерные инновации в сельском хозяйстве» (3031 мая, 2018 г., г. Москва, ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), на ХШ-ой Всероссийской выставке «День садовода 2018» (20-22 сентября, 2018 г., г. Мичуринск, ФГБОУ ВО Мичуринский ГАУ).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 11 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, журналах ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, в сборниках СФНЦА РАН, ФГБНУ ВСТИСП, ДГТУ, ФГБНУ ВНИИМЗ, ФГБНУ СКФНЦСВВ, вестнике ФГБОУ ВО Донской ГАУ, получено 1 свидетельство о государственной

регистрации программы ЭВМ, получены 3 патента на изобретения, 4 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, приложений. Объем диссертации составляет 210 страниц машинописного текста, включая 23 таблицы и 107 рисунков. Список литературы составляет 141 наименование, в том числе 30 на иностранных языках.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ

ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ исследований влияния магнитных полей на растения

Во время эволюционного процесса растения испытали действие геомагнитного поля Земли (ГМПЗ), которое является естественным компонентом окружающей среды. Существуют значительные различия в силе и направлении индукции ГМПЗ. Максимальная вертикальная составляющая индукции магнитного полюса Земли составляет около 67 мкТл и равна нулю на магнитном экваторе. Горизонтальная составляющая максимальна на магнитном экваторе, около 33 мкТл и равна нулю на магнитных полюсах. Разновидности МП, которые могут быть получены в результате возможных комбинаций частотно-временных параметров, представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Классификация электромагнитных полей

Магнитные поля подразделяют на сверхслабые (ниже 100 нТл), слабые (от 100 нТл до 50 мТл), средние (50 мТл - 400 мТл), сильные (400 мТл - 1000 мТл) и сверхсильные (свыше 1000 мТл). Исследования реакций растений проводились при

различных интенсивностях МП. Использовались два экспериментальных подхода, направленных на оценку физиологических реакций растений, подвергающихся воздействию либо слабых, либо средних и сильных МП [14-18].

Результаты проведенных исследований показывают, что слабое магнитное поле является экологически значимым фактором для растений и реализуется на разных уровнях организации растения, определяя его жизненный цикл [8,9,10,11,12,19,20,21,22,23,24,25,26,27].

В большом количестве исследований описывается влияние интенсивностей МП выше уровня ГМПЗ [28-57]. Значения магнитной индукции, используемые в экспериментах, варьировались от 500 мкТл до 15 Тл.

Для исследования влияния слабых МП на биологические системы использовались различные методы, включая экранирование МП (окружение экспериментальной зоны ферромагнитными металлическими пластинами с высокой магнитной проницаемостью, которые отклоняют МП и концентрируют его в металле) и его компенсирование (в металле), используя катушки Гельмгольца [46]. В работе ученых большое внимание уделено изучению влияния омагниченной воды на растения, которая определяющим образом влияет на свойства системы, в которой участвует [4].

Началом изучения влияния магнитного поля на биологические организмы, включая растения, относят ко второй половине XIX века. Первая документально подтвержденная публикация Reinke J. (1876 г.), в которой представлены результаты экспериментов, связанных с влиянием магнитного поля на развитие растений [47].

В более поздней публикации Tolomei G. (1893 г.) выявил эффект увеличения скорости прорастания семян в магнитном поле [48]. Это было первое исследование, демонстрирующее эффект магнитотропизма. В 1901 гг. была опубликована монография Danilewski WJ. (1901 г.), в которой автор подробно рассказал об экспериментальных и теоретических основах влияния электромагнитного поля на различные биологические организмы [49].

Явление магнитотропности, обнаруженное Дж. Толомеем, было впоследствии более подробно изучено Audus L.J. (1960 г.) [50]. В начале 1963 года было обнаружено, что МП относительно низкой интенсивности стимулирует рост растений Pitman U.J. (1963 г.) [51]. Развитие биомагнитных исследований получило активное развитие в шестидесятых и семидесятых годах XX века.

Крылов А. В. и Тараканова Г. А. (1960) были в числе первых советских ученых, которые сообщили о положительном влиянии МП на растения. Они установили, что при посадке семян в искусственном ПМП или ГМПЗ рост проростков происходит более энергично в случае северной ориентации зародыша, чем при ориентации зародыша к южному магнитному полюсу [2].

В это время в США Barnothy J. M., Bamothy M. F. (1964 г., 1969 г.) [52, 53] и в бывшем СССР Пресман А.С., Холодов Ю.А. (1971 г., 1978 г.) [54, 55] появились значительные монографии о влиянии магнитного поля на биологические организмы.

Анализ влияния магнитного поля на рост и урожайность сельскохозяйственных культур представлен на основе многолетних исследований многих авторов (приложение А). В результате анализа литературных источников построены графики где точками обозначены параметры обработки растений (диапазон значений магнитной индукции и частоты магнитного поля) в наиболее значимых исследованиях, показывающих положительный эффект (рис. 1.2,1.3).

Н 340 Е 320 К 300

И 280

и

и 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

©

8 «

О X

Ё X

Ы

<ц

X

й X со

© _<§к_

© © © © © © ©@ ©

©© ©

© Щ> (5 ЯгЛ Л »V % % ^ ф % -%-«Г" © %

ш Ч ш ® ®

©© @©

@© | © © © ©

© ^ве,® © © © © © © © @© © © @ м @© ® ВЛ-©Г----¿Ок- Що) ^ ©йаг яГ ¿э> © „а ^ @®> ^

®

©

© ©§>

т т

ггЛ от®-* © © ©

20

40

60 80 100 120 Порядковый номер проводимых исследований

Рисунок 1.2 - Диапазон значений напряженности магнитного поля в исследованиях различных ученых

70

60

50

40

я

1-4

я

о о

и

Л

и

д

й Я 30 н

¡I 20

10

© © © © © © €

© © © © © © © © —^ © © € Ь © © ©

©

© © © ©

<Е

У

10 15 20

Порядковый номер проводимых исследований

25

30

Рисунок 1.3 - Частотный диапазон воздействия в исследованиях различных

ученых

Выводы. Анализ проведенных исследований ученых показал, что МП следует рассматривать как абиотический активатор для воздействия на растения, при этом слабые МП в основном оказывают положительное влияние. В результате воздействия на растения МП полем увеличивается всхожесть и энергия

0

0

0

5

прорастания семян, линейные параметры корней и ростков, живая и сухая масса растений, площадь листьев, количество ветвей, содержание хлорофилла и урожайность. Применение намагниченной воды следует рассматривать как косвенное (непрямое) воздействие МП на растения. В результате применения намагниченной воды на семена и вегетирующие растения увеличивается длина ростков и корней и содержание хлорофилла [4].

Некоторые исследования были посвящены изучению влияния низкочастотного магнитного поля на садовые растения, в том числе земляники. В результате установлено, что обработка низкочастотным магнитным полем малой интенсивности в диапазоне магнитной индукции 0,3-5 мТл стимулирует обменные процессы за счет повышения проницаемости клеточных мембран, улучшения усвояемости веществ и микроэлементов, что позволяет активизировать функциональную активность растений, улучшить качество продукции, повысить урожайность [8-13].

Анализ проведенных исследований показал, что биологический эффект от применения МП существенно зависит от направления вектора, амплитуды, частоты, формы и количества магнитных импульсов (время экспозиции), а также от культуры и сорта растений.

1.2 Приборно-аппаратная база магнитных методов воздействий на садовые растения

Существует большое количество методов, технологий и технических средств воздействия на растения и семена сельскохозяйственных культур и среду их развития различными видами магнитных полей. Технические средства и аппараты для магнитной обработки применяются в сельском хозяйстве, медицине и в других различных отраслях науки [58-63] (приложение Б).

Проведенные в ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии 2004 году исследования по влиянию ИМП на садовые растения позволили создать переносное устройство

СИ-3 для стимуляции жизненных и ростовых процессов посадочного материала садовых растений [8,9] (рис. 1.4).

Л ™

1 2 з 1*!

ы {7 8 "

Рисунок 1.4 - Стимулятор импульсный садовых растений СИ-3

Принцип работы устройства основан на медленном заряде накопительного конденсатора и быстром его разряде через открытый электронный ключ и индуктор [10]. В качестве излучателя магнитного поля использовались различные виды магнитных индукторов, сконструированных на основе многовитковых катушек (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 - Магнитные индукторы на основе многовитковых катушек

Проводимые исследования доказали перспективность МИО садовых растений, что стало основой разработки технического устройства УДМ0Р-01 (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 - Устройство для магнитной обработки растений УДМ0Р-01

Устройство УДМ0Р-01 может использоваться в лабораторных, производственных и полевых условиях. Предназначено для стимулирующей обработки посадочного материала садовых растений [65].

В 2006 г. в ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии на основе многочисленных опытов и опытных образцов оборудования был разработан активатор магнитно-импульсный АМИ-3 для стимуляции жизненных и ростовых процессов посадочного материала садовых растений. Активатор АМИ-3 пригоден для осуществления воздействия на растения в одном и том же индукторе периодической последовательностью заранее установленного количества одно или разнонаправленных импульсов магнитной индукции амплитудой от 10 до 38 мТл в частотном диапазоне 0,5-32,0 Гц [66] (рис. 1.7).

Рисунок 1.7 - Общий вид активатора «АМИ-3» (ФГБНУ ВСТИСП, г. Москва)

В 2010 г. разработан электронный аппарат, стимулятор магнитно-импульсный СМИ-4 с улучшенными техническими и экономическими показателями по сравнению с аналогами (рис.1.8).

Рисунок 1.8 - Стимулятор магнитно-импульсный «СМИ-4» (ФГБНУ ВСТИСП, г. Москва): 1 - блок электронный; 2 - индукторы; 3 - кабели индукторов

Частота следования импульсов магнитной индукции задается в виде пяти групп, каждая из которых состоит из четырех синхронных значений частот в диапазоне 0,25 - 32,0 Гц. Амплитудное значение импульсов магнитной индукции на расстоянии от двух индукторов от 10 до 540 мм вдоль центральной оси составляет 15,0 - 0,25 мТл. Рабочая площадь поверхности магнитных индукторов не менее 0,18 м2. На основе многолетнего опыта было установлено, что воздействие на растения магнитными импульсами в частотном диапазоне 0,1 - 50,0 Гц с учетом формы, длительности, амплитуды, пространственного распределения и вектора направленности импульсов магнитной индукции обеспечивает наибольший эффект [11].

В 2013 году был разработан и апробирован аппарат СМИ-5 (рис. 1.9).

Рисунок 1.9 - Стимулятор магнитно-импульсный «СМИ-5» (ФГБНУ ВСТИСП, г. Москва): 1- блок электронный, 2 - индуктор, 3 - излучатель света, 4 - кабель индуктора, 5 - кабель сигнальный, 6 - ноутбук, 7 - манипулятор (мышь)

Электронный прибор предназначен для стимуляции жизненных и ростовых процессов посадочного материала садовых растений, в том числе зимней прививки и окулировки. Амплитудное значение импульсов магнитной индукции на частоте 20 Гц и расстоянии от поверхности индуктора ПСИ - 1 от 10 до 400 мм вдоль его центральной оси составляет от 11 до 0,25 мТл и от 20 до 0,4 мТл. Рабочая площадь индуктора ПСИ-1 составляет 1900 см2. Частотный диапазон от 0,1 до 50 Гц.

Многолетние опыты, проводимые в ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии, показали, что обработка ИМП посадочного материала садовых растений

стимулирует их рост и развитие. В результате МИО увеличивается укореняемость, приживаемость и коэффициент размножения при культивировании растений in vitro [65].

Выводы. Анализ технических средств для магнитной обработки растений показал, что существующие устройства не имеют возможности автоматической регулировки параметров обработки в полевых условиях. Определено, что аппарат МИО и рабочие органы разрабатываемого агрегата для качественного проведения технологической операции МИО должны обеспечивать магнитную индукцию в зоне обработки от 0,1 до 15 мТл, частотный диапазон от 1 до 100 Гц, диапазон скважности 1 до 100.

1.3 Технические средства для электрофизического воздействия на растительные объекты

Для электрофизического воздействия на растения учёными создавались и использовались различные экспериментальные образцы технических средств. Ученые МИЧГАУ в 2013 г. разработали роботизированную платформу для лазерной обработки растений в теплицах (рис. 1.10).

Рисунок 1.10 - Роботизированная платформа для лазерной досветки растений в

теплицах

Созданная роботизированная платформа позволяет автономно (без участия оператора) по заданной программе облучать вегетирующие растения [67].

В полевых условиях вегетирующие растения обрабатывали с помощью самоходной лазерной установки на базе ЛАС-25А 1993 г. (рис. 1.11).

Рисунок 1.11 - Ночное облучение плантации земляники с помощью самоходной

установки «ЛАС-25А»

Платформа ЛАС-25А снабжена электроприводом, обеспечивающим медленное движение по плантации. Поток излучения направляли на растения под углом 30-60 градусов к вертикальной оси. Это позволяло частично предотвратить взаимное экранирование листьев и стеблей [7].

Для магнитно-импульсной обработки садовых растений на промышленных плантациях земляники садовой использовалась, механизированная платформа [68] (рис. 1.12).

Рисунок 1.12 - Механизированная платформа (ФГБНУ ВСТИСП, г Москва)

На дополнительную раму велоплатформы, в горизонтальной плоскости, размещались магнитные индукторы. Питание осуществлялось от аккумуляторной батареи.

В 2007-2009 г. на основе активатора магнитно-импульсной обработки растений (АМИ-3) разработан и изготовлен мобильный агрегат, агрегируемый с трактором ВТЗ 2048А, с рабочим органом для облучения растений земляники садовой (рис. 1.13).

Рисунок 1.13 - Мобильный агрегат МИО земляники садовой (ФГБНУ ВСТИСП,

г. Москва)

Агрегат включает раму, систему питания и аппарат магнитно-импульсной обработки с двумя плоскими индукторами, установленными с возможностью перемещения в вертикальной плоскости. Применение агрегата на промышленной плантации земляники обеспечило прирост урожайности земляники, выращиваемой промышленным способом на 30%, за счет стимуляции импульсным магнитным полем обменных процессов на определенных фазах развития растений [8-10].

Выводы. Рассмотренные образцы технических средств для МИО растений в полевых условиях обладают рядом значительных недостатков: не имеют возможности адаптации рабочих органов (магнитных индукторов) к высоте растений и междурядьям, предназначены только для обработки низкорастущих культур горизонтально к почве, не имеют возможности изменения угла наклона рабочих органов, не имеют возможности поддержания заданного расстояния во

время работы между рабочими органами и обрабатываемыми культурами, что в конечном итоге влияет на качество проведения технологической операции.

Устранение недостатков рассмотренных технических средств для МИО растений представляет собой актуальную задачу, заключающуюся в создании простого по устройству автоматизированного агрегата манипуляторного типа циклического действия, с возможностью адаптации рабочих органов к различным агротехнологическим параметрам растений, что позволит соблюдать выбранный режим обработки при проведении технологической операции МИО в полевых условиях.

1.3.1 Анализ сельскохозяйственных технологических адаптеров циклического действия

В последние десятилетия сельскохозяйственные технологические адаптеры циклического действия представлены в основном тракторными погрузчиками, устройствами типа грузоподъёмных кранов и манипуляторами различного назначения. Для переработки различных штучных грузов, контейнеров, тюков, мешков и т.п., а также для выполнения подсобных работ на складах, машинно-тракторных мастерских, животноводческих фермах применяются погрузочные манипуляторы с пространственным исполнительным механизмом [69] (рис. 1.14).

Рисунок 1.14 - Навесные погрузочные манипуляторы параллельно-последовательной структуры: а - бесстреловый погрузочный манипулятор БПМ-0,5, б - навесной погрузочный манипулятор НПМ-0,8, в - навесной погрузочный

манипулятор НПМ-0,6

Для разгрузки и погрузки минеральных удобрений и других грузов в сельскохозяйственном производстве в полевых условиях применяют грузоподъемные гидравлические манипуляторы шарнирной конструкции [70-72] (рис. 1.15).

а б в г д е

Рисунок 1.15 - Грузоподъемные сельскохозяйственные манипуляторы: а - манипулятор навесной гидравлический МГН -1200, б - Кран манипулятор модель Р.1. 6/97, в - Инман ИМ-55, г - МГН-1400К, д - ГСТ-1000 «Диапазон», е - ООО «КРАН Технолоджи» КМУ

Навешиваются гидравлические манипуляторы на трехточечную навеску трактора. Управление пространственным положением выходного звена производится при помощи гидравлического распределителя (рис. 1.16).

а б в

Рисунок 1.16 - Погрузчики и манипуляторы для грузопереработки контейнеров и пакетированных грузов: а - погрузчик гидравлический навесной МГН-25У, б -

МГН-1200, в - ГСТ-1000 «Диапазон»

Проектируется и разрабатывается большое количество различных роботизированных манипуляторов [73-75] (рис. 1.17).

а

б

в

г

д

ж

Рисунок 1.17 - Роботизированные манипуляторы: а - OTC-Daihen FD-V6 «КОНТУР-97»,

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кутырёв Алексей Игоревич, 2019 год

использования

Максимальная динамическая нагрузка актуаторов поддержания заданного расстояния между индукторами и растениями составляет 500 Н. Тогда допустимая нагрузка Fд, Н составит:

Fд = 0,69 • 500 = 345, (2.10)

Ресурс работы актуатора зависит от нагрузки, длины хода и того, насколько часто срабатывает предохранительная муфта. Для расчета базового номинального ресурса актуатора достаточно знать динамическую нагрузку и фактический ход штока:

500 000 •р /С3\

ьн=—НЧр) (2.Ю)

где Ьн — номинальный ресурс, при двойных ходах, т.е. при ходе от одного крайнего положения до другого и обратно, млн. оборотов, р — шаг винта, мм, Б — фактический ход, мм, С — базовая динамическая грузоподъемность, Н, F — средняя кубическая нагрузка, Н.

В большинстве случаев, величина нагрузки на актуаторы не постоянная. Для подсчета эквивалентной нагрузки необходимо определить среднюю постоянно действующую нагрузку F:

3

F =

N

• Б1 + ^ • Б2 + • Б3 + (2 11)

+ ^2 + Бз + —

где — кубическая нагрузка, Н, при неполном ходе Б2, Б3 ... мм

[107-109].

Выводы. Установлены оптимальные параметры линейного привода рабочих органов агрегата МИО: мощность 50 Вт, питание 12У, ход штока 200-600 мм, скорость 10-45 мм/с, нагрузка 200-900 Н. Электроцилиндры с такими параметрами обеспечивают регулировку ширины захвата штанг агрегата массой до 500 Н до 3,6 м, подъём-опускание рабочих органов массой до 300 Н на 300 мм, изменение угла наклона индукторов до 90° с заданной скоростью.

2.4.3 Экспериментальный анализ конструкции изготовленного макетного образца автоматизированного навесного агрегата МИО растений

Проведен экспериментальный анализ вибрации рамы опытного образца при перемещении рабочих органов с помощью линейного привода.

Из анализа конструкции в Autodesk Fusion 360 следует, что максимальные значения колебаний рамы агрегата находится в области крепления магнитных индукторов. Для проведения измерений на место крепления рабочих органов к направляющей поддержания заданного расстояния между растением и рабочим органом установлен датчик вибрации с пьезоэлектрическим преобразователем AMP-B091 (рис. 2.36).

Рисунок 2.36 - Места крепления пьезодатчика к раме агрегата МИО

Пьезодиск преобразует механические колебания в колебания электрического тока, генерируя выходное напряжение, пропорциональное силе вибраций. Нарастающий фронт сигнала от пьезоэлектрического датчика проходит порог (половину от максимального измеренного значения) один раз при каждой пульсации. Частота пульса рассчитывается, зная время между двумя последовательными пульсациями. Для повышения точности измеряется среднее значение этого времени за последние 16 пульсаций. Показания датчика выводятся на экран ПК (рис. 2.37).

Рисунок 2.37 - Оборудование для анализа вибрации рамы агрегата МИО: 1 -ноутбук, 2 - микроконтроллер Arduino Uno, 3 - управляющий модуль с потенциометром чувствительности, 4 - пьезоэлектрический диск

Получаемый сигнал с пьезодиска усиливается и сглаживается с помощью электронной обвязки модуля. Потенциометр регулирует коэффициент усиления сигнала с пьезодиска.

В результате анализа проведенных замеров получены графики амплитуды колебаний рамы агрегата при перемещении рабочих органов с помощью линейного привода (рис. 2.38).

А, мм

150.0 -

39825

39925

а

40025

I, С

А, мм

150.0 ■

0.0

12570

12670 б

12770

I, С

А, мм

150.0 -

91105

91205

91305

1>с

Рисунок 2.38 - Графики, полученные в результате анализа вибрации рамы агрегата МИО: а - без роликов, б - с роликом, в - с роликом и демпфером

Метод снижения вибраций сельскохозяйственных машин основан на анализе уравнений, описывающих колебания агрегатов в рабочем положении. Направляющая изменения ширины захвата агрегата при выполнении

технологической операции МИО может совершать колебания в трех взаимно перпендикулярных плоскостях пространства.

В результате проведенных исследований принято, что на систему действует переменная возмущающая сила, подчиняющаяся синусоидальному закону. Уравнение, выражающее связь между амплитудами виброскорости Ут, мм/с и возмущающей силы Fm, Н имеет вид:

V = Рт Ут '-' (2.12)

+ (ши - И)2'

где ш — масса агрегата МИО, кг, q — коэффициент жесткости системы, Н/м, и — угловая частота возмущающей силы, рад/с.

Знаменатель в данном уравнении выражает полное механическое сопротивление системы воздействию возмущающей силы, при этом величина ц характеризует активную часть этого сопротивления, а величина (ши — - реактивную часть.

Анализ вышеприведенного уравнения (2.12) позволил определить основные технические меры снижения вибрации конструкции агрегата МИО. Для увеличения механического сопротивления системы воздействию вибрации т.е. уменьшению частоты и амплитуды колебаний рабочих органов на раму установлена дополнительная опора в виде крепления с роликами, изготовленными из копралона (рис. 2.39).

1 2

Шь /

Рисунок 2.39 - Дополнительная опора штанг изменения ширины захвата агрегата в виде ролика с демпфером: 1 - опора с креплениями, 2 - демпфер, 3 - ролик из

копралона

Конструкционный полимер поглощает вибрацию, ударные нагрузки, демпфирует динамические нагрузки, долговечен и имеет низкий коэффициент трения. Основные показатели физико-механических свойства капралонового ролика представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Физико-механические характеристики роликовой опоры

Основные показатели Значение

Плотность, кг/м3 1150 - 1160

Рабочая температура - 40...+70

Твёрдость по Бринеллю, НВ не менее 130

Предел прочности при сжатии, МПа не менее 90

Предел прочности при изгибе, МПа не менее 80

Модуль упругости при сжатии, ГПа 2,0 - 4,0

Электрическая прочность, кВ/мм. 30 - 35

Коэффициент трения по стали: без смазки: 0,2 - 0,3

с водяной смазкой: 0,005 - 0,02

Также для борьбы с вибрацией использован виброизолятор, установленный между источником вибрации и рамой агрегата. Резиновый демпфер, препятствует передаче вибрации от рабочих органов к раме агрегата.

В практике виброизоляции сельскохозяйственных машин ограничиваются расчетом только вертикальных колебаний. Расчет виброизоляторов сводится к определению необходимой жесткости резиновых прокладок и определению их параметров: высота, площадь и число резиновых прокладок [110].

Рассчитана требуемая высота виброизоляторов:

Ъ = ХстД (2.13)

о

где Е - динамический модуль упругости, Па, а - допустимая нагрузка на сжатие для материала прокладки, Па, Хст — статическая осадка системы на виброизоляторах под давлением собственной массы:

Xcm = mg/c, (2.14)

где с — коэффициент жесткости системы, т — масса агрегата МИО, кг, g —

ускорение свободного падения, м/с2.

Площадь виброизолятора определена по формуле:

mg

S =

а - N

(2.15)

где N — количество прокладок, шт.

Проверочный расчёт прогиба штанги изменения ширины захвата агрегата МИО при использовании дополнительной опоры проведен по классической методике сопротивления материалов [111,112] (рис. 2.40).

Максимальный прогиб квадратного профиля штанги агрегата МИО (исходная конструкция), при данной нагрузке определен по формуле:

М •

Утах

(2.16)

8-Е-]у

где М — изгибающий момент, Н - м (М = q • L), q — сила, Н, L - длина балки, м, Е — модуль упругости материала балки, Па (для стали 10, принятой для заданной балки, Е = 210 • 1011 Па), ^ — осевой момент инерции сечения балки, м4 (рис. 2.40, а).

а

б

Рисунок 2.40 -Изгиб квадратного профиля штанги изменения ширины захвата агрегата МИО: а - эпюра изгибающего момента, б - схема поперечного сечения

балки

(2.17)

Осевой момент инерции найден по формуле:

2 ч Jy = 3 •

где B - длина ребра поперечного разреза балки, м (рис. 2.41, б), S - толщина балки в поперечном разрезе, м.

Использование дополнительной опоры в виде ролика позволило уменьшить расстояние L максимальной длины пролета штанги до 0,95 м. Максимальный прогиб квадратного профиля штанги изменения ширины захвата агрегата с использованием ролика в качестве дополнительной опоры составил 4,8 мм.

С помощью Autodesk Fusion 360 проведен проверочный расчет прогиба направляющих изменения ширины захвата агрегата МИО (рис. 2.41) и частотный анализ конструкции агрегата МИО (рис. 2.42) при использовании дополнительной опоры.

Рисунок 2.41 - Силовой расчет штанги изменения ширины захвата агрегата с использованием роликовой опоры с демпфером (Autodesk Fusion 360)

б Mesh Сетка конечных элементов

Study Report Отчет об исследовании

Modal Frequencies Частотный анализ

Туре Nodes Elements

Solids 2265741 1128457

a Total Modal Displacement OÔIUCC MO/ia.'lhHOC CMCIHOHHC E Mod« t: 6.319 Hi Total Modal Displacement B Mode 5: 23.53 Hi Total Modal Displacement

в Fixedl Фиксация рамы по осям

Type Fixed

Ux Yes

Uy Yes

Uz Yes

В Selected Entities МеСТЗ фиксации

S Mode 2: 7.24 Hz Total Modal Displacement 0 Mode 6: 25.64 Hz Total Modal Displacement

OKS 11 0» » 11

в Loads Нагрузка в Gravity Сила тяжести

I ) Mode 3: 10.47 Hi Total Modal Displacement i Mode 7: 28.73 Hi Total Modal Displacement gnu с и a i

Type Gravity

Magnitude 9.807 m / s*2

X Value 0 m / sA2

Y Value -9.807 m / sA2

Z Value От/ sA2

a Results Результаты

I Result Summary

Frequency Participation X Participation Y Participation Z

Mode 1: 6.319 Hz 0.176899997 3.37379985 40.3715998

Mode 2: 7.24 Hz 1.-10530001 36.5806997 2.28310004

Mode 3: 10.47 Hz 48.4824002 г 16419995 0.001

Mode 4: 20.74 Hz 3.3888001 1.10269999 4.35720012

Müde 5: 23.53 Hz 0.0024 6.8223998 12.9075006

Mode 6: 25.64 Hz 7.21440017 0 149499997 2 08059996

Mode 7; 28.73 Hz 1.85320005 0.043700001 1. /0320001

Mude 8: 32.19 Hz 0.126000005 0.45010000S 1.53919999

OB* ■ 1 „ 0П II

I

I

Рисунок 2.42 - Частотный анализ конструкции агрегата МИО с использованием роликовой опоры с демпфером (Autodesk Fusion 360)

В результате проведенного частотного анализа Autodesk Fusion 360 найдены значения резонансных частот, выявлена стойкость конструкции агрегата МИО к воздействию вибрации (табл. 2.5).

Таблица 2.5 - Значения резонансных частот конструкции агрегата МИО при

использовании дополнительной опоры

Режим № (Mode) 1 2 3 4 5 6 7 8

Частота, Гц 6,13 7,24 10,47 20,47 23,53 25,64 28,73 32,19

Найденные резонансные частоты лежат за пределами диапазона частот, воздействующих на агрегат при его эксплуатации и транспортировании [113].

Выводы. В результате установки роликовой опоры из копралона с опорой в виде демпфера с площадью прокладки S = 126 см2 и высотой h = 0,8 см частота колебаний направляющей изменения ширины захвата при работе привода уменьшилась на 22%, а амплитуда колебаний на 31%. Максимальный прогиб штанги составил 4,6 мм. Штанга изменения ширины захвата агрегата МИО с закрепленными на ней рабочими органами удовлетворяет требованиям жесткости.

2.4.4 Расширение технологических возможностей автоматизированного агрегата МИО

В результате проведенных исследований разработан комплект конструкторской документации, состоящий из 11 сборочных чертежей формата А1, 30 чертежей деталировки формата А3 (Приложение Ж). Изготовлен макетный образец автоматизированного навесного агрегата МИО растений (рис.2.43)

Рисунок 2.43 - Навесной автоматизированный агрегат МИО растений: 1 - рама, 2 - блок управления системы адаптации рабочих органов (магнитных индукторов), 3 - аппарат МИО, 4 -магнитные индукторы, 5,6,7 -электроцилиндры поддержания заданного расстояния между магнитными индукторами и растениями, 8,9,10 - электроцилиндры изменения угла наклона магнитных индукторов, 11,12 - электроцилиндры изменения ширины захвата, 13 - съемные колеса, 14 - крепления к трехточечной навесной системе трактора Таблица 2.4 - Технические характеристики навесного агрегата МИО

73

Наименование показателей Значение показателей

Габариты автоматизированного агрегата, - макс. ширина захвата рабочих органов, мм: - мин. ширина захвата, транспортное положение, мм: - длина, мм: - высота, мм: - размеры аппарата МИО, (ШхДхВ), мм: - площадь магнитного индуктора, см2: - блок управления системы адаптации, (ШхДхВ), мм: 3600,0 2900,0 1400,0 1600,0 210x245x120 2000 200x235x100

Масса, кг, - агрегат МИО, кг: - агрегат МИО с модулем для обработки почвы (с секциями культиватора рыхлителя), кг: 85 140-170 (2-3 секции)

Способ агрегатирования: Навесной (трёхточечная навеска)

Рабочая скорость (в зависимости от режима МИО), км/ч: 0,5-3

Количество подключаемых рабочих органов (магнитных индукторов), шт: 8

Вид магнитного поля: Низкочастотное, импульсное

Диапазон частот модуляции магнитного поля, Гц: 1-100

Дискретность установки частоты импульсов магнитной индукции, Гц: 1

Диапазон модуляции скважности: 1-100

Дискретность установки скважности: 1

Длительность импульсов магнитной индукции в обмотках индуктора, мс: 2-6

Максимальное значение магнитной индукции на рабочей поверхности, мТл: 15

Минимальное значение магнитной индукции на рабочей поверхности, мТл: 0,1

Регулируемое время экспозиции, с: от 1 до 999

Питание электронных блоков - аппарат МИО, В: - система адаптации, В: 220, 50 Гц (инвертор) 12 (инвертор, БП)

Потребляемый ток от бортовой сети энергосредства, А до 2

Агрегатирование, трактор мощностью, л.с. 30 - 90

Для поддержания почвы в рыхлом и чистом от сорной растительности состоянии необходимо проводить 4 кратную обработку междурядий земляники садовой. На плантациях, замульчированных темной пленкой (бумагой), обработку почвы ограничивают 1-2 кратным осенним рыхлением середины междурядья [114].

Для выполнения данной технологической операции предлагается расширить возможности разработанного агрегата МИО и оснастить его секциями культиватора рыхлителя навесного со стрельчатыми лапами, путем их крепления к дополнительной раме (рис. 2.44).

Рисунок 2.44 - Агрегат МИО с почвообрабатывающим модулем: 1 -дополнительная рама для крепления культиваторных секций, 2 - секция

культиватора

В программной среде САПР Autodesk Fusion 360. проведен анализ напряженно-деформированного состояния конструкции агрегата МИО при использовании почвообрабатывающего модуля (рис. 2.44).

Исследуемая модель закреплена в местах крепления к трёхточечной навесной системе, на рабочие органы почвообрабатывающего модуля приложена нагрузка

равная силе тягового сопротивления лап секций (рис. 2.46) при выполнении междурядной обработки глубиной 12 см со скоростью движения МА МИО 6 км/ч.

Study Report Отчет on исследовании

Static Stress

Е Mesh Сетка конечных элементов

Type Nodes Elements

Solids I26U8559 1312422

е? Fixed Фиксация рамы по осям

Type Fixed

и* Yes

Uy Yes

иг Yes

и Selected Entities

s Loads Нагрузка в Gravity Сила тяжести

Type Gravity

Magnitude 9.307 m / sA2

X Value 0 m / srt2

Y value -9.807 m f

7. Value От/5лг

В Force 1 Нагрузка

Type Force

Magnitude 700 N

X Value 0 N

Y Value 2.047 N

Z V3lue 700 N

X Angle Oden

V Angle 0 deg

2 Angle 0 deg

Гогсе Per Entity Mo

Force2 Нагрузка

Type Force

Magnitude 50 N

X Value 4,599fc-lfj N

Y Value -SON

2 Value -2.384M2 N

Force Per Entity No

в Force I la грузка

('ran ичсекая нагрузка в Results Результаты

г Result Summary

Name Minimum ; Maximum

Safety Factor

Safety Factor (Per Body) 0.844 15

Stress

Von Mlses 4.995E-07 MPa 245.3 MPa

1st principal 44.46 MPa 304,9 MPa

3rd Principal -301.6 MPa 72.25 MPa

Noimal XX -118.8 MPa 123./MPa

Normal YY -199.2 MPa 278.8 MPa

Normal 22 -111.5 MPa 194.5 MPa

Shear XY -66,63 MPa 67,36 MPa

Shear YZ 92.44 MPa 91.08 MPa

Shear ZX -68.03 MPa 70.75 MPa

Displacement

Total 0 mm 2.713 mm

X -0.2474 mm 0.00053 mm

Y -1.759 mm 0.4841 mm

Z -0.1743 mm 1.768 mm

а Sa fety Fa ctor k4n фф ш н i ei n ?a 11 а с и

M Vii;l(ljrtb»(jip<MEU[ kjx^'Kv in Wwijili; '^ль. ii;;;ip4.iL'iiiio.-

В Per Body

ui »res

s Stress Эквивалентное напряжение no фон Мизесу

В Von Mises

[МРа] 01

I 745.3

в Displacement Перемещение В Total

[mm] 0 Г~ 12.213

Рисунок 2.45 - Анализ напряженно-деформированного состояния конструкции агрегата МИО при использовании почвообрабатывающего модуля (Autodesk

Fusion 360)

Ь

С

Рисунок 2.46 - Схема сил, действующих на стрельчатую лапу культиватора

Тяговое сопротивление одной лапы вычислено по удельному сопротивлению почвы и ширине захвата лапы (220 мм) [115]:

где q - удельное сопротивление почвы, Н/мм, Ь - ширина захвата лапы секции,

мм.

Тяговое сопротивление культиваторной секции рассчитано по формуле:

где Rx пер. — сопротивление лап переднего ряда, Н, Rx зад. — сопротивление лап заднего ряда, Н, п — количество лап в ряду, шт ^ пер. = 1,33q, q зад. = 0,67q — сопротивления переднего и заднего ряда лап, Н/мм).

Сопротивление лап трех секций культиватора с шириной захвата одной лапы 220 мм составило 6300 Н.

Выводы. Анализ напряженно-деформированного состояния рамы агрегата при использовании почвообрабатывающего модуля с тремя секция с тяговым сопротивлением на каждую лапу 700 Н показал, что конструкция агрегата МИО с модулем почвообработки удовлетворяет требованиям жесткости и прочности.

Rx = qb,

(2.18)

(2.19)

2.5 Разработка автоматизированной системы адаптации рабочих органов агрегата МИО

2.5.1 Обоснование параметров автоматической настройки положения рабочих органов

Для обеспечения качественного проведения технологической операции облучения растений низкочастотным магнитным полем с помощью навесного агрегата необходимо чтобы в рабочей зоне при движении МА МИО сохранялось требуемое значение магнитной индукции. В процессе движения трактора с агрегатом МИО по полю его ходовые системы копируют неровности поверхности, при этом происходит смещение магнитного индуктора вниз, что ведет к изменению положения зоны обработки [116-119]. Профиль неровности рельефа поля можно описать уравнением:

2пх

( 2тсх\

^ = 5п(1 -СОБ—

(2.20)

где ^ — текущая высота макронеровностей поля, соответствующая координате х, мм, Sп — амплитудное значение высоты макронеровностей поля, мм, 1п — расстояние между вершинами макронеровностей поля, мм (рис. 2.47).

Г/у/у \////\ М

ш ш.^

1, X

Рисунок 2.47 - Расчетная схема неровности рельефа поля

Также изменчивы агрофизические параметры земляники садовой, размерные параметры кустов и их строение (глава 2.1). Аналогичным уравнением можно описать профиль неровности размерных параметров габитуса кустов земляники садовой:

к

( 2пх\

= 5к(1—С05—],

(2.21)

где — текущая высота габитуса куста, соответствующая координате х, мм, Sк — амплитудное значение высоты неровностей габитуса куста, мм, 1к — расстояние между вершинами макронеровностей габитуса куста, мм (рис. 2.48).

Рисунок 2.48 - Расчетная схема текущей высоты габитуса куста земляники

садовой

При движении агрегата МИО со скоростью V, м/с координата х точки касания шины трактора с почвой в зависимости от времени t связана соотношением:

х = V:, (2.22)

В наибольшей степени свое местоположение изменяет максимально удаленная от центра поворота точки К, задняя часть индуктора точка D (рис. 2.49, рис. 2,50).

Величину смещения точки D, мм (при величине макронеровностей поля кп, не превышающий требования агрофона для обрабатываемой культуры) можно вычислить по формуле:

^ = Бт(а)С^ + С0Б(а) (2.23)

где а = 7° — допустимый угол наклона поверхности поля. Определив :2, мм, зная радиус колеса R, мм, можно определить уровень расположения индуктора :3, мм при наезде переднего колеса на неровность, то есть расстояние от плоскости индуктора до уровня почвы:

Ъ = R — и.

(2.24)

"Т-

Ы

Ш

т

А;

/7

/Г

Рисунок 2.49 - Схема изменения положения индуктора при наезде на неровность передним колесом МА МИО на базе трактора МТЗ - 82.1

При наезде агрегата на базе трактора МТЗ - 82.1 у которого радиус заднего колеса R = 875 мм на неровность а = 7° с расстоянием от уровня центра заднего колеса до уровня индуктора ^ = 200 мм, значение ^ = 0,12 • 1467 + 0,75 • 142 = 282,5 мм. Тогда расстояние ^ = 875 — 282,5 = 592,5 мм.

1 1

13

Режим МИО В = 5 мТл Вс--32Гц;

ж

ш •

Щ: • \tftw 1Ш у № ш ■ ■ Лтта 9 *

Рисунок 2.50 - Схема изменения зоны воздействия при наезде переднего колеса

МА МИО на неровность

В данном случае значение параметров импульсного магнитного поля в зоне обработки значительно изменится, что повлияет на качество проведения МИО. Для поддержания требуемого значения магнитной индукции в зоне обработке при выполнении технологической операции МИО разработана автоматизированная система адаптации (Свидетельство № 2018614946 от 16.12.2016) [123].

При выполнении технологической операции МИО ультразвуковой датчик, закрепленный на раме агрегата в поворотном корпусе из АБС-пластика (рис. 2.51), под углом а = 30°, генерирует узконаправленный сигнал на частоте 40 кГц и, дойдя до препятствия в виде растения, улавливает отраженный сигнал (рис. 2.52).

Рисунок 2.51 - Изготовленный на 3d принтере поворотный корпус ультразвукового датчика HC-SR04

Постоянный ток VCC —--

Запуск измерения TRIG 1Цм——1Д=-

Выходной сигнал ECHO1 1 1

Земля GND i||

45"

22.5"

22.5"

b\

\

N

-■wi,

45° lu

8

."7

%

а б

Рисунок 2.52 - Принцип действия ультразвукового датчика при выполнении технологической операции МИО: а - диаграмма направленности излучения датчика, б - отражение звукового импульсного сигнала от растения

Расстояние до растения и обратно рассчитано по времени распространения звука, путём умножения скорости звуковой волны на время эха. Звуковая волна проходит расстояние от датчика до растения и обратно, поэтому при определении расстояния до растения, результат делится на 2:

L = V•E/2, (2.25)

где L — расстояние до растения, м, V — скорость звука в воздухе, м/с, Е — время ожидания эха, с.

Скорость звука в воздухе величина не постоянная, зависит от температуры:

Т

V = ^ • R •(2 26)

где у — показатель адиабаты воздуха, ед., R — универсальная газовая постоянная (Дж/мольК), Т — абсолютная температура воздуха, К М — молекулярная масса воздуха, г/моль.

Подставив в формулу известные значения у, ^ М получим:

V « 20,042ТТ, (2.27) Подставим формулу (2.24) в формулу (2.22), переведя L в см, Е в мкс, Т в °С

получаем:

L « е7СГ+273Д5)/1000, (2.28)

где t — температура окружающей среды, °С.

Погрешность измерения датчика HC-SR04 составляет ± 0,3 мм. Для повышения точности измерения расстояния до объекта обработки при выполнении технологической операции МИО и оперативной подстройки под изменение температуры окружающей среды в систему включен метеодатчик SHT31-DIS-B (CMOSens), погрешность измерения ± 0,2°С (рис. 2.53).

Рисунок 2.53 - Метеодатчик 8НТ31-Ш8-В (СМОБеш)

При повышении температуры воздуха на 1°С, скорость звука увеличивается на ~ 0,59 м/с (табл. 2.6).

Таблица 2.6 - Скорость звука в воздухе при различной темпе

t, C Скорость звука

м/с км/ч

-30 312,9 1126,4

-20 318,8 1147,8

-10 325,1 1170,3

0 331,5 1193,4

10 337,3 1214,1

20 343,1 1235,2

30 348,9 1256,2

ратуре

Среднее расстояние до объекта МИО при движении МА за каждые 3 измерения находится по формуле:

__ 1

Li = ^ (Li.1 + Li.2 + Li.3),

(2.29)

Определив расстояние до объекта МИО, контроллер с задержкой времени T, c движения агрегата, передает управляющий сигнал на перемещение штока актуатора.

Задержка времени перемещения штока зависит от расстояния b и скорости V движения мобильного агрегата с выбранным режимом МИО (рис. 2.54) Расстояние b находится из прямоугольного треугольника ABC:

b = c • cos(A), (2.30)

где c — измеренное расстояние от ультразвукового датчика до куста земляники садовой, мм (L1).

Скорость движения агрегата находится по формуле:

3,6(LH + d)Fc

V=

N

(2.31)

где Lи — длина плоского магнитного индуктора в направлении движения агрегата, м, d — диаметр куста земляники садовой, м, Fc — частота следования

импульсов магнитной индукции, Гц, N — число воздействующих импульсов магнитной индукции, шт.

Рисунок 2.54 - Схема подстройки магнитных индукторов автоматизированного агрегата МИО под высоту земляники садовой

Отсюда определено время задержки перемещения штока линейного привода поддержания требуемой высоты магнитных индукторов над растением:

с • ^(Л) • N

Т =

(2.32)

где с - показания ультразвукового датчика, м.

Для регулировки угла наклона магнитных индукторов используются ультразвуковые датчики, закреплённые на рабочих органах (рис. 2.55). Датчики в процессе выполнения технологической операции МИО измеряют расстояние до растения L2, L3 мм и передают показания на микроконтроллер. Линейный привод в зависимости от показаний датчиков, получая сигнал от микроконтроллера, перемещает шток линейного привода на требуемое расстояние, изменяя угол Р° наклона индукторов.

Рисунок 2.55 - Схема изменения угла наклона магнитных индукторов автоматизированного агрегата МИО

Требуемое расстояние Д5!, мм выдвижения/втягивания штоков актуаторов в теле цикла находится по формуле:

Д5! = с • sin(A) - М, (2.33)

где М — требуемое расстояние между растением и магнитным индуктором, мм, L2, L3 - измеренное ультразвуковым датчиком расстояние от поверхности магнитного индуктора до растения, мм, sin(A) — регулируемый угол наклона ультразвукового датчика, град.

Расстояние перемещения штока линейного привода изменения угла наклона ЛS2, мм в теле цикла находится из условия, если L2 > L3:

^2 = ¿2 — М, (2.34)

если L2 < L3:

= ¿3 — М. (2.35)

где L2, L3 - измеренное ультразвуковым датчиком расстояние от поверхности магнитного индуктора до растения, мм.

Также адаптация рабочих органов агрегата МИО возможна и к высокорослым растениям, путем перемещения штока линейных приводов изменения ширины захвата ДS3, мм (рис. 2.56). Алгоритм и принцип их работы схож и описан ранее [120-122].

Рисунок 2.56 - Схема адаптации агрегата МИО к высокорослым растениям

Адаптация рабочих органов к междурядьям (изменение ширины захвата) осуществляется с помощью инфракрасного пульта дистанционного управления или в меню блока управления системой адаптации. На показания ультразвуковых дальномеров не влияет засвет от солнца или цвет объектов, как это происходит с инфракрасными датчиками. Ультразвуковая волна отражается практически от любых поверхностей.

Выводы. В результате проведенных исследований обоснованы параметры автоматической настройки положения рабочих органов в процессе выполнении технологической операции МИО с использованием ультразвуковых и метео датчиков. Определена зависимость времени задержки перемещения штока

Л5?

V м/с

линейного привода поддержания требуемой высоты и угла наклона магнитных индукторов над растением от выбранного режима магнитно-импульсной обработки и размерных характеристик кустов земляники садовой.

2.5.2 Разработка алгоритма и программного обеспечения системы управления приводами рабочих органов автоматизированного агрегата МИО растений

Основным компонентом системы адаптации рабочих органов агрегата МИО является микроконтроллер управления движением исполнительных устройств -линейных актуаторов. Элементы сенсорной системы подключены к модулю через штыревые разъемы по стандартным схемам: ультразвуковой датчик расстояния по одной из GPIO линий микроконтроллера, ИК датчик дистанционного управления к GPIO линии по протоколу one wiring, сенсорный экран к GPIO линии по протоколу Uart, датчик тока в разрыв выходной цепи мостового усилителя, цифровой метеодатчик к SDA и SCL пинам. Разработанная система осуществляет контроль состояния линейных приводов и реализует программно-заданные законы перемещения рабочей точки. Функции усилителя выполняет H-мост на микросхеме BTS7960, подключенный к GPIO портам микроконтроллера с возможностью ШИМ-модуляции (PWM). Максимальный допустимый ток 43А. Реверсивное движение двигателя (направление движения штока) задается управляющими сигналами на цифровых выводах GPIO контроллера. Сигналы от ультразвуковых датчиков HC-SR04 содержат информацию, необходимую для оценки момента на валу двигателя и определения положения штока исполнительного звена. Для вывода графической информации и взаимодействия с ней, выбора режима работы, использован экран Nextion 2.4. Функциональные возможности системы адаптации связаны с возможностями микроконтроллеров STM32F401RE и Arduino Mega/Uno/Nano. В результате проведенных исследований разработаны структурная схема (рис. 2.57) системы адаптации рабочих органов

автоматизированного агрегата МИО и алгоритм, обеспечивающий управление электроприводами по положению штока.

Рисунок 2.57 - Структурная схема системы адаптации рабочих органов автоматизированного агрегата МИО

В лабораторных условиях реализовано взаимодействие основных компонентов системы. С использованием программно-аппаратных средств проведены эксперименты по проверке алгоритмов работы линейных актуаторов в

различных режимах работы: супервизорного управления и в автономном режиме в детерминированной среде (рис. 2.58).

Рисунок 2.58 - Программно-аппаратные средства системы адаптации автоматизированного агрегата МИО: 1 - актуаторы изменения ширины захвата

агрегата, 2 - актуаторы поддержания заданного расстояния, 3 - актуаторы изменения угла наклона рабочих органов, 4 - микроконтроллер, 5 - драйвера моторов, 6 - бесконтактный ультразвуковой датчик, 7 - инфракрасный пульт ДУ, 8 - TFT экран, 9 - препятствие, 10 - блок питания

В результате проведенных лабораторных исследований разработан программный код расчета требуемого перемещения штока актуатора (рис. 2.59).

//Замер дистанции до объекта distance = sonar.ping_cm()j