Тенденции развития и эффективность применения плодоуборочных машин в значительной степени зависят от способа возделывания садов.
В последние годы в нашей стране начался бурный рост пальметтных садов. Деревья в пальметтных садах имеют высоту до 3,2 м; их формируют так, чтобы ветви размещались ярусами в одной плоскости. Ширина междурядий в таких садах находится в пределах 3,5 м, расстояния между деревьями в ряду 2 – 3 м. При этом деревья в ряду практически смыкаются между собой и получается «плодовая стена» шириной 600 – 800 мм. Плодоношение в таких садах наступает на четвертый год и бывает каждый год почти одинаковым, в то время как в обычных садах на седьмой – восьмой и даже двенадцатый годы. Такие сады, как правило, орошаемые.
Очевидность преимуществ пальметтных садов приводит У созданию в нашей стране крупных межколхозных промышленных садов и аграрно-промышленных комплексов с полностью законченным циклом.
Существующие плодоуборочные машины из-за неприспособленности к малым междурядьям и особенно малым расстояниям между деревьями в ряду практически не могут быть применены для уборки плодов в пальметтных садах. В настоящее время почти во всех странах с развитым садоводством разрабатываются принципиально новые машины — машины для непрерывной уборки плодов.
Работа машин для непрерывной уборки плодов основана на трех принципах: съем плодов с помощью потока воздуха высокого давления; съем плодов путем непосредственного воздействия на них рабочих органов; съем плодов вибрационным или любым другим способом, при этом машины способны пропускать через себя штамбы плодовых деревьев.
Машины для пневматической (бесконтактной) уборки плодов действуют на крону плодового дерева пульсирующим или непрерывно изменяющимся по направлению воздушным потоком, в результате чего ветви плодового дерева приходят в колебательное движение и плоды отрываются. Исследованиями установлено, что отрыв плодов в целом происходит по тем же закономерностям, что и при механическом колебании деревьев.
Создание воздушного потока, переменного по скорости или направлению, осуществляется машинами двух типов.
Машины первого типа оборудованы устройством, которое обеспечивает пульсирующий поток воздуха. При этом воздушный поток в течение определенного промежутка времени беспрепятственно вытекает из выходного сопла вентилятора и направляется на крону дерева. Ветви, попавшие в зону действия потока воздуха, отклоняются от первоначального положения в сторону, противоположную направлению скорости воздушного потока. Затем выходное сопло вентилятора перекрывается специальным устройством (заслонкой, шибером, жалюзи и т. п.) и поступление воздуха прекращается. В этот период ветвь возвращается в первоначальное положение. Процесс подачи пульсирующего воздушного потока (воздушных импульсов) многократно повторяется, в результате чего ветви входят в колебательный режим. При этом чем ближе собственная частота колебаний ветвей к частоте пульсаций воздушного потока, тем быстрее и с большей амплитудой происходит раскачивание ветвей, быстрее и полнее осуществляется съем плодов. Частота пульсаций воздушного потока составляет 1 – 3 Гц в зависимости от сорта плодов, подлежащих уборке.
Исследования подобных машин в полевых условиях показали, что они имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что в результате частых пульсаций воздушного потока значительно уменьшается его скорость, а это приводит, в свою очередь, к снижению КПД машины.
В машинах второго типа изменяется направление действия воздушного потока при сохранении его скорости постоянной. Принцип работы машин второго типа поясним на примере машины (рис. 108), предложенной американскими исследователями.
Рис. 108. Схема пневматической машины для уборки плодов
На раме 1 с пневмоколесами 6 установлены два осевых вентилятора 2. Встречные воздушные потоки от вентилятора направляются в вертикально расположенный кожух 5, в выходном сопле которого установлен вал 4 с закрепленными на нем под разными углами дисками 3. Вал 4 приводится во вращение от ВОМ трактора. Вместе с валом вращаются диски, за счет чего создается завихрение воздуха. Частота изменения направления воздушных струй зависит от частоты вращения вала. Механизм отрыва плодов такой же, как и в машинах первого типа.
Машины второго типа более эффективны и экономичны по сравнению с машинами первого тина. Непрерывный воздушный, поток глубже проникает в крону дерева, полнее используется его энергия для раскачивания ветвей, что приводит к более полному съему плодов.
Созданию машин для пневматической уборки плодов предшествовала разработка теоретических основ пневматического съема плодов с ветвей, которая, в свою очередь, сопровождалась изучением некоторых физико-механических свойств плодов (массы, усилия отрыва, отношение массы плода к площади его проекции) с целью экспериментального исследования поведения, плода в вертикальном воздушном потоке.
Работа по установлению зависимости скорости воздушного потока vK от массы mпл и площади Sпл проекции плода для поддержания его во взвешенном состоянии после отрыва выполнена исследователями X. Э. Квакенбушем, Б. А. Стаугом и С. К. Райсом (США).
Конечная скорость вертикального воздушного потока (в м/с) для поддержания плода во взвешенном состоянии, зависящая от отношения массы плода к площади его проекции, при коэффициенте лобового сопротивления Сr=0,44 и плотности воздуха ρ = 1,2 кг/м3, , может быть определена по эмпирической формуле
Мощность, необходимая для создания потока воздуха, движущегося с такой скоростью (в л. с),
где QB — вес подаваемого воздуха в секунду; Нн — общий напор (скоростной и статический).
Если КПД осевого вентилятора равен 60%, то потребная мощность на валу будет приблизительно равна 54 л. с. на 1 м2 поперечного сечения трубы.
Установлено, что при скорости потока воздуха, равной 33 м/с, сила удара при падении яблока массой 168 – 183 г и персиков массой 180 – 184 г с высоты 1,5 м снижалась до значения, эквивалентного силе удара при падении яблок в неподвижном воздухе с высоты 10,5 см, а персиков — с высоты 7,5 см. Для абрикосов массой 129 г при скорости воздушного потока 28 м/с удар отпадения с высоты 1,5 м был эквивалентен удару от падения с высоты 4,5 см в неподвижном воздухе. Воздушный поток со скоростью 25 м/с делал силу удара слив массой 35 г, падающих с высоты 1,5 м, эквивалентной той, которая получается при падении их в неподвижном воздухе с высоты 5 см.
Для значительного снижения силы удара необходимо иметь скорости воздушного потока, почти равные конечным скоростям падения плодов. Подсчитанные теоретически конечные скорости для крупных плодов (яблоки и персики) находятся в пределах 35 – 42 м/с, а для более мелких (абрикосы, сливы) в пределах 17 – 35 м/с.
К подобным выводам пришли и другие ученые, в том числе проф. X. А. Хачатрян.
При пневматической уборке плодов используют горизонтальный поток или несколько отклоняющийся вниз.
Рис. 109. Модель для анализа колебания плода на ветви при пневматическом съеме
Сила, действующая на висящий плод (рис. 109):
F = Crρvk2S
При этом миделево сечение плода есть функция угла Θ, т. е. S = S (Θ).
Сила растяжения плодоножки
N = F cos Θ = Crρvk2S (Θ) cos Θ.
Тангенциальная сила среза плодоножкиТ = F sin Θ = Crρvk2S (Θ) sin Θ.
Изгибающий момент плодоножки
М = Т (D/2) = Crρvk2S (Θ) sin Θ (D/2)
В расчетные формулы для определения необходимой скорости воздушного потока целесообразно в дальнейшем вводить поправочные коэффициенты для учета сопротивления листьев, частично покрывающих висящие плоды.
Специалисты Саратовского института механизации сельского хозяйства им. М. И. Калинина, В. Д. Забросаев, В. И. Дмитриенко и В. К. Полянин под руководством проф. А. Ф. Ульянова проводили исследования по обоснованию параметров машины для пневматического съема плодов. При этом в отличие от известных схем пневматических машин эффект пульсирующего воздействия получается в результате подачи на крону дерева непрерывной воздушной струи при одновременном вращении сопла в вертикальной плоскости. Авторами установлено, что для получения оптимальных параметров пневматической машины должно быть больше одного вращающегося сопла, а скорость воздушного потока при выходе из сопла должна устанавливаться из выражения
где k2 — коэффициент, зависящий от удаленности сопла, времени воздействия, физико-механических свойств плодов; k1 — коэффициент, характеризующий форму и состояние поверхности плода; F — сила давления воздушного потока на плод; g — ускорение свободного падения; S —миделево сечение; ϒ — удельный вес воздуха.
Серийных машин для пневматической уборки плодов пока нет. Однако имеются многочисленные полевые установки и макетные образцы машин, конструктивные решения которых представляют большой интерес.
Наиболее интенсивные разработки машин для пневматической уборки плодов ведутся в США и России.
В патенте США предложено пневматическое плодоуборочное устройство (рис. 110), перемещаемое вручную. Устройство представляет собой насосную установку с расходящимися рукавами, каждый из которых раздваивается на конце. Каждое ответвление оборудовано наконечником для подвода плодов, отрыва и высыпания их в рукава. Каждый рукав подвешивают за спину сборщика и концы разветвлений прикрепляют ремнями к рукам около кисти так, чтобы он мог удерживать наконечники за рукоятки, оборудованные кнопками пуска.
Рис. 110. Схема пневматического устройства для съема плодов
В нашей стране испытывают в настоящее время макетный образец пневматической машины для уборки миндаля и фисташки, растущих на террасах и горных склонах крутизной 12 – 40°. Плоды от ветвей отделяются всасывающим воздушным потоком, проходящим через рабочие органы в виде трубок, присоединенных с помощью гибких шлангов к бункеру разрежения, который, в свою очередь, герметично соединен со всасывающим патрубком вентилятора. Привод вентилятора осуществлен от ВОМ трактора через карданную и клиноременную передачи. Бункер одновременно служит накопителем, при этом его вместимость соответствует количеству собираемых в течение одной смены орехов.
Машину навешивают на трактор класса 1,4 – 3,0 тс. Масса машины около 250 кг. Вентилятор типа ОВЦ обеспечивает скорость воздушного потока у насадки диаметром 50 мм около 70 м/с. Машина заменяет 10 – 12 сборщиков, обеспечивая при этом полноту съема плодов до 92%.
Фирма FMC (США) изготовила три модели машины (FMC-1, FMC-2, FMC-3), в которых для колебания ветвей и, следовательно, для съема плодов используют поток воздуха высокого давления.
Машина FMC-1 (рис. 111) имела два двигателя, два осевых вентилятора с крыльчатками диаметром 1007 мм, способных подать 3,24 м3/мин воздуха через прямоугольный желоб высотой 5100 мм, шириной 254 или 305 мм. Для изменения направления потока воздух подавался в желоб через механизмы вертикальными, горизонтальными и качающимися пластинами. Машина со скоростью 0,8 км/ч проходила вдоль каждого полуряда деревьев 2 или 4 раза, что соответствовало времени обдувания каждого дерева в среднем 50 или 100 с при расстояниях между деревьями в ряду, равных 6 м.
Рис. 111. Пневматическая машина FMC-1
В результате испытаний механизмов по распределению воздуха установлено, что лучший съем плодов получается при потоке воздуха, распределенном качающимися пластинами, расположенными по одной спирали при большом шаге между пластинами. В случае распределения потока горизонтальными и вертикальными пластинами наибольшая полнота съема плодов наблюдалась при движении воздуха вверх, (тот и другой тип пластин могли обеспечивать направление движения воздуха как вниз, так и вверх) и при угле наклона качающихся пластин к оси вала, равном 40°.
Машина FMC-2 (рис. 112) предназначалась для снятия плодов с помощью воздушного потока с высоких деревьев. Осевой вентилятор с приводом от автономного двигателя подавал воздух через прямоугольный желоб шириной 254 мм и высотой 6000 мм. Распределяли поток воздуха качающиеся пластины, установленные на (вертикальном валу с шагом 229 мм под углом 50° к оси вала. Наибольшее количество снятых грейпфрутов было при частоте вращения вала 70 – 80 об/мин, апельсинов — при 60 об/мин. Количество собранных плодов в значительной степени зависит от скорости движения машины. Так, при скорости движения машины в пределах 0,27 – 0,4 км/ч снимали 91% апельсинов, а при скорости 0,8 км/ч — около 62%. При этом оптимальными были скорость воздуха, равная 160 км/ч и время обдувания деревьев около 30 с. Больше плодов снималось с части дерева, наиболее удаленной от машины (часть дерева у ствола параллельна движению машины).
Рис. 112. Пневматическая машина FMC-2
Для увеличения обдуваемых участков дерева была создана машина FMC-3. Машина FMC-3 имела два прямоугольных желоба шириной 254 мм и высотой 6000 мм, шесть осевых вентиляторов с крыльчатками диаметром по 864 мм, приводимых в движение тремя бензиновыми двигателями. Каждые три вентилятора нагнетали воздух в один желоб, в котором установлены «а вертикальном валу качающиеся пластины с шагом 229 мм под углом к оси вала 50°. Частота вращения синхронно вращающихся валов составляла 70 об/мин. Действие на дерево потока воздуха в виде сходящейся струи приводило к увеличению количества снятых плодов. Еще больше плодов снималось с дерева при концентрации нескольких потоков в один.
Скорость движения машины (время обдувания) также оказывала влияние на полноту съема плодов. При скорости 0,4 км/ч собирали 90% апельсинов. На съем плодов с одного дерева затрачивалась мощность около 15 л. с. При скорости 0,8 км/ч снимали 70% апельсинов и около 99% грейпфрутов, при скорости 2,4 км/ч собирали 95% грейпфрутов.
При пневматической уборке проблема сбора зрелых и недозрелых плодов, так же как и при уборке обычными вибрационными машинами (машинами контактного действия), остается до сих пор актуальной. Ни тот и ни другой принцип съема плодов с дерева, по данным ученых США, не обладает свойством избирательности — с дерева снимаются все плоды (зрелые, недозрелые, здоровые, больные и т.п.). В связи с этим машину FMC-3 испытывали на деревьях, сила связи плодов с ветвями на которых уменьшалась путем опрыскивания химикатами, безвредными для здоровья человека. Установлено, что обработка деревьев химикатами перед началом уборки приводила к увеличению количества снятых плодов. Однако при этом наблюдалось преждевременное самостоятельное опадение плодов на землю (особенно при ветре).
Для непрерывной уборки яблок с помощью воздушного потока в США в штате Пенсильвания создан и испытан макетный образец машины арочного типа, предназначенной для уборки плодов в пальметтных садах, сформированных на шпалере, с высотой деревьев до 3,5 м. Отрыв плодов осуществляется пульсирующим в горизонтальной плоскости воздушным потоком при непрерывном движении машины. Снятые плоды попадают на простейший брезентовый улавливатель, расположенный с противоположной стороны вентилятора. Перед началом уборки деревья опрыскивают дефолиантом, ослабляющим связь плодов с ветвями.
Специалистами СКБ по машинам для садов и виноградников зоны Средней Азии и бахчевых культур (г. Ташкент) предложена пневматическая плодоуборочная машина (рис. 113), позволяющая в полевых условиях осуществлять воздушный подпор плодов.
Рис. 113. Принципиальная схема пневматической плодоуборочной машины
Машина имеет разъемную по вертикали камеру 1, являющуюся продолжением нагнетательного трубопровода 6. К дереву машина подъезжает с раскрытой камерой, затем створки камеры смыкаются вокруг кроны. Поток воздуха, создаваемый вентилятором 5, через пульсатор 4 поступает в камеру 1 и далее в крону дерева, по пути сбивая плоды. Скорость плодов, опадающих на сетчатый улавливатель 2, значительно уменьшается за счет тормозящего действия восходящих струй воздуха, что в конечном итоге уменьшает повреждения плодов. С улавливателя плоды через окна 3 поступают на отводящий транспортер (на схеме не показан).
Изоляция воздушного потока, действующего на крону, от окружающих слоев воздуха приводит к значительному снижению энергоемкости процесса сбора плодов. Однако, эта схема не позволяет проводить непрерывную уборку плодов, но вместе с тем сводит к минимуму их повреждения.
В СИМСХ им. М. И. Калинина и ВНИИС им. И. В. Мичурина спроектировали и изготовили два макетных образца пневматических машин и провели их сравнительные испытания. Обе машины представляют собой вентиляторные установки.
В машине ВНИИС им. И. В. Мичурина ПСЭ-90 (рис. 114) в качестве основного рабочего органа использован вентилятор осевого типа производительностью 90000 м3/ч с садового опрыскивателя ОВС-А. В машине СИМСХ им. М. И. Калинина ПСЭ-30 применен вентилятор производительностью 28000 м3/ч с опрыскивателя ОВТ-1.
Рис. 114. Схема технологического процесса работы машины ПСЭ-90
Обе машины агрегатируются с тракторами класса 1,4 тс («Беларусь»). Габариты машины позволяют проходить им в садах с междурядьем 4 м и более. Машины испытывали на сборе яблок при непрерывном движении вдоль ряда. Плоды падали на землю.
Особенностью машины ПСЭ-90 является то, что на кожухе вентилятора закреплена вращающаяся насадка с четырьмя выходными соплами, с помощью которой создается пульсирующий воздушный поток. При движении машины вдоль ряда деревьев, воздух, нагнетаемый лопастями 1 вентилятора, поступает в окно 2 боковой поверхности кожуха 3 (рис. 114). Во время вращения насадки каждое сопло 4 поочередно проходит над окном, направляя поток воздуха на крону. Когда сопло выходит из зоны окна, подача воздуха в него прекращается.
Частота пульсаций воздушного потока зависит от частоты вращения насадки и может быть изменена заменой приводных звездочек.
За каждый оборот сопла воздушный поток воздействует только на отдельный участок кроны. При движении же машины вдоль ряда деревьев последовательно обдувается вся крона.
Плоды отделяются в основном под действием сил инерции, возникающих при раскачивании ветвей, а также под непосредственным воздействием воздушного потока.
Как уже было указано, машина ПСЭ-30 (рис. 115, а и б) построена на базе осевого вентилятора с опрыскивателя ОВТ-1. К кожуху 4 вентилятора прикреплено сопло 3 с выходным сечением прямоугольной формы. В машине на период испытаний было предусмотрено четыре сменных сопла с различными размерами выходного сечения (300X300; 400x400; 500x400 и 600x400 мм). Для обеспечения пульсации воздушного потока применены заслонки 9, имеющие прямоугольную форму шириной 100 мм и длиной, равной длине выходного сечения соответствующего сопла. Оси заслонок диаметром 14 мм расположены в деревянных подшипниках скольжения 2. К концам осей, обращенным к задней части машины, приварены кривошипы 1, входящие в отверстия деревянного шатуна 8. Возвратно-поступательное движение шатуну сообщает двуплечий рычаг 7, качающийся на неподвижной оси, закрепленной на кожухе насадки. Один конец рычага шарнирно связан с шатуном, на другом его конце установлен ролик, обкатывающийся по кулачку 6. Кулачок прикреплен к диску, неподвижно связанному со звездочкой 5.
Рис. 115. Схема технологического процесса работы машины ПСЭ-30: а — без подачи воздуха; б — с подачей воздуха
Пара диск — звездочка свободно насажена на вал кожуха вентилятора. При вращении этой пары и, следовательно, кулачка ролик обкатывается по нему, поворачивая двуплечий рычаг вокруг оси. Плечо рычага, связанное с шатуном, перемещает его, а это обеспечивает поворот кривошипов и вместе ними заслонок.
Воздействие кулачка на ролик рычага продолжается до тех пор, пока заслонки не повернутся на 90. В это время выходное сопло открыто и воздушный поток, создаваемый вентилятором, беспрепятственно подается на крону дерева (рис. 115,б).
При дальнейшем повороте звездочки 5 ролик сходит с кулачка 6 и двуплечий рычаг под действием пружины 10 возвращается в первоначальное положение, перемещая шатун 8. При этом поворачиваются и кривошипы 1, закрывая заслонки 9, которые перекрывают выходную полость сопла, прекращая подачу воздуха на крону (рис. 115,а). При очередном повороте кулачка описанный цикл повторяется.
Частоту вращения диска с кулачком и соответственно частоту пульсаций воздушного потока можно изменять заменой приводных звездочек. На машине было предусмотрено изменение частоты пульсаций воздушного потока в пределах 60 – 400 циклов в минуту.
Проведенные опыты по определению резонансной частоты колебаний ветвей показали, что она близка к 150 пульсациям в минуту, т.е. около 2,5 Гц. Дальнейшие исследования подтвердили правильность полученных результатов, так как наибольшая амплитуда колебаний ветвей, равная 500 – 540 мм наблюдалась при частоте пульсаций воздушного потока в пределах 150 – 170 в минуту. При этом на плоды действуют наибольшие силы инерции, что приводит к высокой полноте съема.
Установлено, что оптимальным и достаточным временем обдува кроны дерева с одной стороны для высокой полноты съема плодов является 30 – 60 с. Двусторонний последовательный обдув дерева при таких режимах приводит к съему 93% плодов. Одновременный обдув дерева с двух сторон приводит к несколько худшим результатам по полноте съема плодов. Полностью это явление пока не изучено. Однако предположительно можно указать, что обработка дерева встречными воздушными потоками приводит к взаимному гашению скорости потоков. В результате амплитуда колебаний ветвей становится меньше, а значит, уменьшается и процент съема плодов Однако этот недостаток нельзя считать неустранимым так как смещение встречных потоков при обдуве дерева может привести к увеличению производительности машины за счет устранения проезда с другой стороны этого же ряда деревьев при высокой полноте съема.
Основными недостатками пневматических машин СИМСХ им. Калинина и ВНИИС им. И. В. Мичурина являются недостаточная мощность вентиляторов и конструктивное несовершенство механизмов, создающих пульсацию воздушного потока. Перекрытие выходного сечения сопла приводит к снижению скорости воздушного потока а это влияет на общую эффективность работы машины. Установлено что для эффективной пневматической уборки плодов нужны вентиляторы мощностью 90 – 100 л. с. При этом эффект пульсирующего воздействия необходимо получать только за счет изменения направления воздушного потока, что уменьшит непроизводительные затраты мощности.
С учетом недостатков предыдущих пневматических установок, СИМСХ им. М. И. Калинина и ВНИИС им. И.В. Мичурина разработали и изготовили новый макетный образец машины с более мощным вентилятором, ВИСХОМ им. В. П. Горячкина разработал и изготовил макетный образец машины прицепного типа с односторонним дутьем, а СКВ (г. Ташкент) создало макетный образец машины портального, типа с двусторонним дутьем.
Делая краткий вывод из рассмотренного, следует констатировать что пневматический способ уборки плодов (бесконтактный способ) заслуживает самого внимательного изучения, так как только при этом способе возможно создание плодоуборочных машин непрерывного действия (особенно для пальметтных садов) При этом сектор отрыва плодов по желанию оператора, направляющего поток воздуха, может быть ограничен, что даст возможность применять на таких машинах улавливающие приспособления небольших размеров. Бесконтактная уборка плодов практически исключает любые повреждения плодовой древесины.
Машины для съема плодов путем непосредственного воздействия рабочих органов представляют определенный интерес для конструкторов, создающих подобную технику.
Рабочими органами таких машин являются батареи вибрирующих стержней, батареи гладких или винтовых валков или сегментов, батареи вращающихся или лопастных шпинделей очесывающие и вибросчесывающие барабаны с эластичными пальцами и др. Перечисленные рабочие органы могут применяться в машинах позиционного действия или в машинах для непрерывной уборки плодов, что особенно важно при создании высокоэффективных плодоуборочных машин.
Известным преимуществом рабочих органов данного типа перед другими является возможность резкого снижения повреждаемости плодов при поступлении на рабочие органы (высота падения плода практически отсутствует) и плавного спуска на транспортер или в тару. Однако это положительное качество вступает в противоречие с повреждаемостью плодовой древесины при вводе рабочих органов в крону дерева. По данным ряда фирм, при создании рабочих органов со специальным эластичным покрытием это противоречие может быть значительно сглажено. В связи с этим работы по созданию рабочих органов для съема плодов путем непосредственного воздействия «а них широко ведутся в ряде стран с развитым садоводством (в первую очередь в США).
В машинах с рабочими органами, непосредственно воздействующими на плоды, стержневые рабочие органы сбивают плоды вибрирующими стержнями, валковые или сегментные — захватывают и срывают плоды вращающимися валками или сегментами, шпиндельные — сбивают плоды волнистыми выступами или лопастями вращающихся шпинделей, очесывающие — снимают плоды пальцами вращающихся барабанов. Снятые ветвей плоды улавливают специальными устройствами (или они падают на землю).
Экспериментальные вибросчесывающие установки нескольких типов для съема плодов прошли испытания в США на уборке черешни, вишни, персиков, яблок и груш. Эти установки обычно навешивают на вильчатые погрузчики.
Вибросчесывающий рабочий орган для непрерывной уборки плодов состоит из двух вертикально установленных барабанов с радиальными деревянными пальцами, покрытыми эластичным материалом. Барабаны, расположенные один над другим, при работе совершают колебания в вертикальной плоскости, одновременно вращаясь в горизонтальной плоскости вокруг одного общего вала. Внедрение барабанов с пальцами в крону дерева осуществляется параллелограммным механизмом. Снятые пальцами плоды поступают в специальный бункер и далее направляются к затаривающему устройству. С помощью этого рабочего органа убирались также яблоки с деревьев, сформированных в виде «плодовой стены».
В машинах для непрерывной уборки плодов в пальметтных садах может быть применен рабочий орган роторного типа. Ротор 2 (рис. 116) представляет собой вал 4 с закрепленными на нем двухконечными лопастями 3 криволинейной формы. Ротор установлен на выдвинутой вперед кромке бункера 1, открытого сверху и снабженного гребенкой 5, в прорези которой при вращении проходят лопасти. Кривизна лопастей ротора и гребенки подобрана таким образом, что между гребенкой и входящими в нее лопастями обеспечивается угол не менее 90°. Это исключает возможность заклинивания плодов между лопастями и гребенкой. Бункер установлен на рамке, снабженной каретками 7, которые могут перемещаться при помощи гидроцилиндра в направляющих балках горизонтальной рамы 6 которая, в свою очередь, может перемещаться в вертикальных стоиках рамы энергетического средства. При работе энергетическое средство, несущее бункер с ротором, подводится к дереву. При движении агрегата лопасти ротора отрывают плоды и перебрасывают их в бункер.
Рис. 116. Рабочий орган роторного типа для съема плодов при непрерывном движении агрегата
В нашей стране машины для съема плодов путем непосредственного воздействия рабочих органов находятся в стадии исследований, которые показывают, что такие рабочие органов представляют интерес и заслуживают тщательного изучения. Однако следует отметить, что если отечественные исследователи уже подошли вплотную к решению вопроса о снятии и приеме плодов без повреждений, то вопрос об устранении повреждения плодовой древесины (особенно однолетних приростов) пока еще полностью не решен. Требуются дополнительные исследования, связанные главным образом с изысканием эластичных материалов для покрытия рабочих органов, соприкасающихся при работе с плодовой древесиной.
Машины портального (арочного) типа начинают разрабатывать в последнее время для уборки плодов в пальметтных садах. В Пенсильванском университете (США) разработаны, изготовлены и испытаны три образца машины портального (арочного) типа для уборки плодов с карликовых фруктовых деревьев, сформированных на шпалере.
Первая машина (рис. 117, а и б) выполнена на базе высоко-клиренсного трактора (клиренс 2,1 м) с шириной колеи 2,7 м.
Рис. 117. Машина портального (арочного) типа для уборки плодов в карликовых пальметтных садах: а — вид спереди; б — вид сзади
В качестве устройства для съема плодов, расположенного с левой стороны машины, применены две вертикальные стойки с пружинными пальцами длиной 350 мм, установленными на расстоянии 175 м друг от друга в вертикальной плоскости. Соединение стоек с цапфами обеспечивает их вращение по окружности диаметром 150 мм и позволяет пальцам перемещаться как по вертикали, так и по горизонтали. Вертикальные колебания пальцев с частотой 250 циклов в минуту обеспечивают отделение плодов от ветвей, а их горизонтальное движение улучшает условия движения машины вдоль ряда без повреждения ветвей.
Улавливающая поверхность машины, состоящая из двух половин, покрытых мягким эластичным материалом толщиной 10 мм, позволяет пропускать штамбы деревьев при беспрорывном движении агрегата. Плоды, принятые на улавливающую поверхность, скатываются на продольные транспортеры, имеющие наклонную часть, с помощью которой они загружаются в контейнеры, расположенные на специальных вильчатых устройствах.
Изменения, внесенные в опытные образцы, были направлены на улучшение конструкции уплотнителя штамбов, что позволило машине двигаться вперед и назад, а также на улучшение способа загрузки плодов и уточнение амплитудно-частотных режимов работы вибрирующего устройства. Последнее позволило снимать с дерева 89 – 99% плодов. Однако при этом здоровые плоды составляли лишь 32%, остальные имели различные по величине ушибы и даже проколы. Таким образом, эти образцы машин могли быть применены только для уборки яблок на техническую переработку.
Последующие испытания машин показали, что необходимо увеличить клиренс машины (он был доведен до 3 м) и ширину между опорными конструкциями портального трактора (она была доведена до 2,4 м), так как даже карликовые пальметтные сады в различных зонах произрастания имеют неодинаковые вдоль ряда размеры.
Установок портального типа для уборки плодов в пальметтных садах предложено много, однако они принципиально почти не отличаются друг от друга. Исключение составляет предложение голландских и итальянских исследователей по созданию машины портального типа с ярусными улавливателями плодов.
Определенный интерес представляет макетный образец голландской портальной машины (рис. 118) фирмы JMG с гидравлическим приводом каждого из четырех колес с возможностью поворота колес вместе или раздельно на 90°. Портал машины имеет следующую характеристику: колесная база 4,5 м, ширина колеи 3,1 м, клиренс 2,7 м. В качестве улавливателя применены три яруса с каждой стороны. Пальцы яруса изготовлены из силумина различной твердости. Материал пальцев был выбран не особенно удачно, так как пальцы малой твердости при больших нагрузках имели недопустимую остаточную деформацию, а более твердые пальцы ломались.
На машине установлен вибратор, способный колебать дерево при непрерывном движении агрегата. Дерево зажимается между двумя резиновыми лентами, которые с одной и другой стороны дерева (по ходу движения агрегата) поджимаются гидроцилиндрами двойного действия. Резиновые ленты смонтированы на специальном цепном контуре, скорость которого согласована со скоростью агрегата, т. е. колебание дерева происходит практически при нулевой скорости взаимодействующих, элементов колеблющейся системы (дерева и вибратора).
Рис. 118. Схема машины портального типа с тремя ярусами улавливающей поверхности
Однако не все пальметтные сады имеют высоту деревьев 3,0 – 3,2 м. Имеются свободно растущие пальметтные сады, высота деревьев в которых достигает 4,7 м. Если создание портального» трактора с клиренсом до 3,0 м еще как-то может быть обосновано, то дальнейшее увеличение клиренса, например до 5,0 м, приведет к ухудшению устойчивости трактора, уменьшению возможностей проезда под мостами и не может считаться целесообразным. В связи с этим необходимо создать такую машину для уборки плодов в пальметтных садах, которая не была бы связана с высотой деревьев, а учитывала бы только диаметр кроны и необходимую в связи с этим площадь улавливающей поверхности.
Рис. 119. Общий вид левой секции плодоуборочного агрегата с автоматическим вибратором для колебания деревьев
В пальметтных садах с деревьями большой высоты смогут анайти применение плодоуборочные машины в виде двух самоходных улавливающих рам с той лишь разницей, что в таком агрегате должен быть штамбовый вибратор, оборудованный автоматическим следящим устройством, обеспечивающим поиск, захват и колебание дерева при непрерывном движение агрегата. Примером подобных машин может служить прототип американской машины.
На рис. 119 показан общий вид одной половины машины, смонтированной иа трехколесном транспортном средстве. На раме машины установлен автоматический вибратор, с помощью которого осуществляется поиск штамба дерева, его захват, колебание, разжим захватного устройства с отведением от штамба, установка в нейтральное положение, подвод к очередному дереву, вновь поиск штамба и т. д. От оператора требуется лишь поддержание зажимного устройства вибратора на определенной высоте от поверхности почвы, остальные операции выполняются автоматически. При этом агрегат находится в непрерывном движении, а вибратор перемещается в противоположную сторону за счет скольжения (перемещения) вдоль двух горизонтально расположенных параллельных труб (направляющих вибратора). Направляющие вибратора закреплены в свою очередь на специальной каретке, имеющей возможность перемещаться как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.
Испытания машины показали, что с ее помощью можно увеличить производительность труда. Однако при испытаниях одновременно установлено, что необходимо создать надежное устройство, обеспечивающее плотную стыковку двух половин плодоуборочного агрегата.
Машины для непрерывной уборки плодов в пальметтных садах, способные пропускать через себя штамбы плодовых деревьев при гарантированном их уплотнении с целью исключения потерь плодов на землю в месте стыка отдельных половин улавливателей, идущих по соседним междурядьям, разрабатываются во многих странах. Так, патентом США предусмотрено устройство для прохода сквозь ряд плодовых деревьев, смонтированное на двух автономных платформах (улавливателях), идущих по соседним междурядьям. При этом один из улавливателей является ведущим (он оборудован движителем), а другой — ведомым. Улавливатели скреплены между собой специальными соединительными звеньями, имеющими возможность пропускать через себя штамбы плодовых деревьев (последовательно открываясь и закрываясь). При этом оба улавливателя все время остаются в сомкнутом положении. Такой способ прохода улавливателей по саду позволяет создать беспортальное разъемное энергетическое средство, которое может быть применено для уборки плодов в пальметтных садах с высотой деревьев 4,7 м.
Соединительное звено представляет собой прикрепленный улавливателям каркас, состоящий из двух пар направляющих элементов дугообразной, формы. Между соответствующими парами элементов остается зазор (окно) для пропуска штамба дерева Пары направляющих элементов соединяются перемещающейся в них по периметру задвижкой, которая приводится в действие от гидромотора, имеющего на валу шестерню. Зубья шестерни входят в пазы задвижки и при вращении передвигают ее.
Штамб дерева пропускается сквозь соединительное звено следующим образом. При первоначальном положении в сцепленном состоянии находятся задние звенья соответствующих пар направляющих элементов. Штамб проходит через зазор (окно) первого кольца. Срабатывает чувствительный элемент предположительно, механический щуп или фотоэлектрический датчик) сигнал от которого приходит на гидромотор, приводящий в движение задвижку. Задвижка закрывает переднее окно, а штамб дерева, через открывшееся заднее окно, выходит из первого кольца и соответственно из зоны срабатывания чувствительного элемента. Гидромотор возвращает задвижку в первоначальное положение. Штамб дерева входит через переднее окно второго кольца соединительного звена, которое срабатывает так же, как и первое кольцо соединительного звена.
