Полностью раскрыть динамику процессов, происходящих в колебательной системе машина — дерево из-за наличия большого количества трудно поддающихся учету случайных факторов, затруднительно. К числу случайных факторов могут быть отнесены демпфирование кроны, наличие трения между слоями дерева, неоднородность и пороки материала плодовой древесины и др. В связи с этим затраты мощности на колебание деревьев (скелетных ветвей) определяют, как правило, экспериментальным путем.
В качестве устройств для колебания деревьев применяли различные плодоуборочные машины, оснащенные вибраторами кривошипно-шатунного типа постоянного смещения с амплитудой 12; 17 и 25 мм (рис. 83, кривые 2, 3, 4), гидродвигателями с возвратно-поступательным движением штока ходом 76 мм (рис. 83, кривая 8) и кулачковым вибратором с эксцентриситетом 15; 20 и 25 мм (рис. 83, кривые 5, 6, 7). Кривая 1 показывает мощность холостого хода вибратора кривошипно-шатунного типа.
Рис. 83. Мощность, потребляемая различными вибраторами
В качестве объекта исследования использовали деревья в возрасте 8 – 10 лет, средний диаметр которых в месте обхвата составлял 140 мм, и скелетные ветви старых деревьев с диаметром обхвата в пределах 120 – 140 мм. Стволы деревьев захватывали на высоте 0,5 – 1,2 м от земли, а скелетные ветви на расстоянии 1/3 длины от места прикрепления их к стволу.
Мощность, потребляемую устройством для колебания дерева (ветви), определяли путем регистрации крутящих моментов, передаваемых от вала отбора мощности шасси (трактора) на рабочие органы вибратора. Крутящие моменты регистрировались с помощью ротационного динамографа ДК 60 с двумя секциями (прибор тарировали на крутящий момент 20 кгс•м) и с помощью электротензометрирования.
Передаваемую мощность (в л. с.) вычисляли по формуле
где Мкр.ср — средний крутящий момент, кгс•м; nср — средняя частота вращения вала вибратора, об/мин.
Экспериментами установлено, что собственные колебания плодового дерева (отдельных его элементов) оказывают существенное влияние на энергетические затраты (рис. 83).
Увеличение амплитуды колебаний и повышение до некоторого предела частоты колебаний вызывают увеличение потребной мощности. Дальнейшее повышение частоты сопровождается уменьшением потребной мощности, при этом минимальное значение мощности соответствует резонансной частоте отдельных элементов плодового дерева.
Анализ полученных энергетических затрат показал, что минимальные затраты мощности на единицу убранной продукции получаются при большой амплитуде и низкой частоте колебаний вибратора. Однако исходить из одних лишь энергетических показателей при установлении параметров процесса невозможно, поскольку количество повреждений плодов и деревьев возрастает с увеличением амплитуды колебаний в большей степени, чем с повышением частоты; поэтому следует повышать частоту и уменьшать амплитуду колебаний до безопасных значений, несколько проигрывая при этом в мощности, потребляемой вибратором.
Резонансная частота плодового дерева и его отдельных элементов (в силу изменения их массы при опадении плодов) не является константой. Каждая ветвь имеет свое значение резонансной частоты. Для гарантированного обеспечения условий резонанса различных элементов дерева вибратор должен работать с переменной частотой колебаний. В процессе постепенного повышения частоты колебаний вибратора вибрация распространяется на все участки ствола и ветвей, включая узлы колебаний, которые имеют место при установившемся режиме работы вибратора, что в конечном итоге оказывает положительное влияние на полноту съема плодов с дерева. Таким образом, работа вибратора с постепенным повышением частоты обеспечивает высокую полноту съема плодов и выгодно сказывается на энергетических показателях машины, снижая потребную мощность на привод вибратора.
На рис. 83 видно, что для колебания деревьев за штамб (ствол) вибраторы кривошипно-шатунного типа и кулачковые-потребляют мощность до 7 л. с. При повышении частоты процесс колебания дерева сопровождается понижением мощности, при этом минимальное значение потребляемой мощности соответствует резонансной частоте отдельных элементов дерева.
В ходе экспериментов была найдена предельная мощность, необходимая для привода гидродвигателей с возвратно-поступательным движением штока при колебании примерно таких же деревьев. Оказалось, что мощность на привод гидродвигателя превышает почти в 2 раза мощность на привод кривошипно-шатунного вибратора с постоянной амплитудой и составляет 14 – 15 л. с. Это можно объяснить тем, что при движении штока гидродвипателя его скорость изменяется по закону, близкому к синусоидальному, а ускорение имеет значительные пики. Большие пиковые ускорения обеспечивают почти мгновенный отрыв, плодов от ветвей, но на это затрачивается дополнительная. мощность.
