Підвищення ефективності експлуатації комбінованих ґрунтообробно-посівних агрегатів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка

УДК 629.3.016

05.05.11 - машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Підвищення ефективності експлуатації комбінованих ґрунтообробно-посівних агрегатів

Антощенков Роман Вікторович

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, професор, член-кореспондент Національної академії аграрних наук України Мазоренко Дмитро Іванович, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, ректор.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Морозов Іван Васильович, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, професор кафедри сільськогосподарських машин;

кандидат технічних наук, доцент Третяк Віктор Михайлович, національний науковий центр "Інститут механізації та електрифікації сільського господарства", завідувач лабораторії мобільної енергетики.

Захист відбудеться "01" квітня 2010 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01 у Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

Автореферат розісланий "23" лютого 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.Д. Черенков

Анотації

Антощенков Р.В. Підвищення ефективності експлуатації комбінованих ґрунтообробно-посівних агрегатів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби сільськогосподарського виробництва. - Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка Міністерства аграрної політики України. Харків, 2010. посівний зерновий сівба

Дисертація присвячена вирішенню проблеми підвищення ефективності експлуатації комбінованих ґрунтообробно-посівних агрегатів при сівбі зернових культур. Для вирішення поставленого завдання створена математична модель руху та витрати палива комбінованим ґрунтообробно-посівним агрегатом, що дозволяє оцінити вплив динамічних складових руху на витрати енергії при виконанні технологічного процесу. Отримані закони руху комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату на гоні в складі трактора з шарнірно-з'єднаною рамою та сівалки прямої сівби, які дозволяють вирішувати задачі динаміки і оцінювати тягово-енергетичні показники. Доведено, що найбільший вплив на динаміку агрегату має частота впливу оператора. Амплітуда відхилення першої піврами трактора має менший вплив. Обґрунтовані нові закономірності витрати палива та пройденого шляху в залежності від впливу оператора на рульове керування. Розроблена система контролю за траєкторією руху та витратою палива комбінованим агрегатом. Експериментальними дослідженнями встановлено, що розроблена система збільшує продуктивність агрегату на 8% та зменшує погектарну витрату палива на 5,2%.

Ключові слова: ґрунтообробно-посівний агрегат, процес руху, динамічні складові, витрата палива, ефективність експлуатації.

Антощенков Р.В. Повышение эффективности эксплуатации комбинированных почвообрабатывающих посевных агрегатов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенка Министерства аграрной политики Украины. Харьков, 2010.

Диссертация посвящена решению задачи повышения эффективности эксплуатации комбинированных почвообрабатывающих посевных агрегатов в составе трактора с шарнирно-сочленённой рамой и сеялки прямого сева при посеве зерновых культур. Анализ современного состояния данной проблемы показал её актуальность в научном и практическом направлении для сельскохозяйственного производства. Для решения поставленной задачи создана математическая модель движения и расхода топлива комбинированного почвообрабатывающего посевного агрегата, отличающаяся от известных учётом динамических составляющих движения элементов агрегата. Обосновано, что при увеличении частоты воздействия оператора на рулевое управление увеличиваются динамические составляющие движения элементов агрегата. Амплитуда отклонения первой полурамы трактора оказывает меньшее влияние на динамику агрегата, чем частота. Получены новые закономерности расхода топлива агрегатом и пройденного пути первой полурамой трактора в зависимости от воздействия оператора на рулевое управление.

На основе моделирования получено, что при увеличении частоты воздействия оператора на рулевое управление вынужденные частоты элементов агрегата возрастают. Из этого следует, что комбинированный почвообрабатывающий посевной агрегат, как динамическая система, имеет свойство возбудителя и указывает на наличие широкого спектра вынужденных частот исследуемого механизма. Элементы агрегата имеют устойчивое движение при 6-15 воздействиях оператора на рулевое управление на гоне длиной 100 м. При меньших частотах и амплитуде отклонения >0,5 м элементы агрегата теряют устойчивость и движутся по разным траекториям, увеличивая тем самым площадь уплотнённой поверхности поля. Амплитуды отклонения первой, второй полурам трактора и первой полурамы сеялки увеличиваются с увеличением амплитуды воздействия от до при 6-15 воздействиях оператора на рулевое управление. Вторая полурама сеялки (культиватор с сошниками) имеет наиболее устойчивое движение. Угол поворота не превышает 5, а отклонение от прямолинейной траектории не более 0,25 м.

Разработана система контроля траектории движения и расхода топлива. Экспериментальными исследованиями установлено, что разработанная система контроля траектории движения и расхода топлива увеличивает производительность агрегата на 8% и уменьшает погектарный расход топлива на 5,2%. Разработанная математическая модель движения и расхода топлива комбинированным почвообрабатывающе-посевным агрегатом реализована на ОАО "ХТЗ" и государственном предприятии "Институт машин и систем" Минпромполитики и НАН Украины.

Ключевые слова: почвообрабатывающе-посевной агрегат, процесс движения, динамические составляющие, расход топлива, эффективность эксплуатации.

R. Antoshchenkov. Increasing operation efficiency of the combined tillage-sowing aggregates. - Manuscript.

Thesis to obtain scientific degree of candidate technical science on specialty 05.05.11 - machines and means of mechanization of an agricultural production. - the Kharkiv national technical university of an agriculture named after Peter Vasilenko named Department of agrarian policy of Ukraine. Kharkiv, 2010.

The dissertation is devoted to the decision a problems increasing operation efficiency of the combined tillage-sowing aggregates in structure of a tractor with articulated frame and seeder of direct sowing at crop of grain crops. For the decision of assigned task mathematical model of movement and fuel rate of combined tillage-sowing unit was designed. It allows estimate influence of dynamic components on energy loses. Laws movement elements of the combined unit on field in structure of a tractor with the articulated frame and a seeder of direct sowing are received. They allow solving problems of dynamics and estimating pulling power and energy performance. Also allow estimate influence of the operator on steering management. Greatest influences on dynamics of the unit give frequency of influence. Amplitude of deviation first frame of a tractor has smaller influence on them. The monitoring system of movement trajectory and fuel rate is developed. By experimental researches it is installed on aggregate. The developed system increases productivity of the unit by 8 % and reduces specific fuel consumption on 5,2 %.

Keywords: tillage-sowing aggregate, movement process, dynamic components, fuel rate, operation efficiency

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Основою енергозберігаючих технологій в рослинництві є суміщення операцій, наприклад: обробка ґрунту та сівба. Технологія прямої сівби озимих культур передбачає збереження рослинних решток на поверхні ґрунту та, як правило, виконання комплексу операцій з використанням хімічної прополки. Використання в технології прямої сівби комбінованих ґрунтообробно-посівних агрегатів дозволяє за один прохід поєднувати передпосівний обробіток ґрунту та сівбу, знизити погектарну витрату палива, питому матеріалоємність агрегатів, вивільнити механізаторів, підвищити продуктивність праці, зменшити кількість проходів по полю, тим самим знизити ущільнення ґрунту.

Виконання технологічної операції прямої сівби пов'язане з великими витратами енергії як для виконання самої технологічної операції, так і для динамічних процесів, що виникають в системі трактор - знаряддя і які впливають на стійкість руху та витрату палива. Підвищення прямолінійності руху комбінованих сільськогосподарських агрегатів може бути досягнуто шляхом використання систем автоматичного керування. Це забезпечить потрібну точність керування по заданій технологічній траєкторії та знизить витрати енергії на виконання технологічного процесу.

Таким чином, дослідження з підвищення ефективності експлуатації комбінованих ґрунтообробно-посівних агрегатів та взаємозв'язку динамічних процесів з енергозбереженням є актуальними та перспективними для механізації сільськогосподарського виробництва України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності: з Постановою Кабінету Міністрів України від 01.12.1997 р. "Про розвиток сільськогосподарського машинобудування та забезпечення агропромислового комплексу конкурентоспроможною технікою"; комплексною програмою наукових досліджень у співдружності з ВАТ "ХТЗ" "Разработка мероприятий, направленных на модернизацию и обоснование рациональных конструктивных параметров сельскохозяйственных тракторов" відповідно до договорів № 70/219 від 28.07.2003 р. та № 70/276 від 2.09.2004 р. Результати роботи спрямовані на реалізацію Державної програми по технічній політиці в агропромисловому комплексі на період до 2010 р., затвердженої розпорядженням Кабінету Міністрів України № 93-Р від 15.02.2006 р.

Робота є частиною науково-дослідних держбюджетних тем: "Створення гнучких технологічних процесів механізованих робіт виробництва продукції рослинництва" ДР № 0104U004492; "Розробка ресурсозберігаючих технологій для міжрядної обробки просапних культур" ДР № 015U00493741, які виконані згідно договорів № 6/04.24 від 20.02.2004 р. і № 40/8 від 04.12.2007 р. з Міністерством аграрної політики України на розробку науково-технічної продукції.

Мета та завдання дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності експлуатації комбінованих ґрунтообробно-посівних агрегатів шляхом зниження витрат енергії при виконанні технологічного процесу прямої сівби зернових культур.

Для досягнення поставленої мети визначені наступні задачі:

- провести аналіз суміщених технологічних процесів обробки ґрунту та сівби, які дозволяють скоротити витрати енергії при виробництві продукції рослинництва;

- розробити математичну модель руху та витрат палива комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату на базі трактора з шарнірно-з'єднаною рамою та сівалкою прямої сівби;

- проаналізувати вплив динамічних складових руху комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату на його витрати енергії при виконанні технологічного процесу;

_ обґрунтувати структуру та параметри пристрою для контролю за траєкторією руху та витратою палива;

- для підтвердження адекватності математичної моделі руху та витрати палива ґрунтообробно-посівного агрегату на базі трактора з шарнірно-з'єднаною рамою і сівалкою прямої сівби провести лабораторні та польові дослідження та оцінити техніко-економічні показники при виконанні технологічного процесу.

Об'єкт дослідження - процес руху комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату, його зв'язок з динамічними характеристиками та витратою палива.

Предмет дослідження - підвищення ефективності експлуатації комбінованих ґрунтообробно-посівних агрегатів.

Методи дослідження - в роботі використані методи класичної механіки, математичного моделювання, розв'язку систем нелінійних диференційних рівнянь. Експериментальні дослідження проведені з застосуванням фізичного моделювання та випробувань, які виконані в господарствах на дослідних зразках. Розрахунки та обробка результатів експериментальних досліджень виконані з використанням програмного забезпечення Matlab 7.0, Maple 12 та Microsoft Office Excel 2003.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше:

- за допомогою розробленої математичної моделі руху комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату обґрунтовані раціональні траєкторії руху окремих елементів агрегату, які дозволяють вирішувати задачі динаміки і оцінювати тягово-енергетичні показники [8, 9, 10];

- встановлені залежності витрати палива та пройденого шляху комбінованим ґрунтообробно-посівним агрегатом в складі трактора з шарнірно-з'єднаною рамою та сівалкою прямої сівби від амплітуди та частоти впливу оператора на рульове керування [8, 11].

Удосконалено:

- математичну модель визначення тягових зусиль на рушіях трактору з шарнірно-з'єднаною рамою в складі комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату, яка відмінна від відомих тим, що враховує динамічні складові руху елементів агрегату [11].

Практичне значення одержаних результатів:

Математична модель руху та витрати палива комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату впроваджена в державному підприємстві "Інститут машин і систем" Мінпромполітики і НАН України в практиці аналізу енергетичних складових руху сільськогосподарських агрегатів.

ВАТ "ХТЗ" передано пристрій контролю за траєкторією руху і витратою палива для використання при розробці нових та модернізації існуючих моделей тракторів.

Розроблений пристрій пройшов польові дослідження в ФГ "Восход" Сахновщанського району Харківської області. Використання пристрою дозволило знизити експлуатаційні витрати на сівбі озимих культур на 12,0 грн/га та 2545,32 грн на один агрегат в 2009 р.

Особистий внесок здобувача. В наукових працях, написаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в:

- побудові математичної моделі комбінованого машинно-тракторного агрегату [1, 8];

- обґрунтуванні ефективного ККД мобільного енергетичного засобу [3];

- розрахунку енерговитрат машинно-тракторного агрегату [5];

- розрахунку математичної моделі руху комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату [8, 9];

- дослідженні математичної моделі руху комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату [10];

- дослідженні математичної моделі витрати палива комбінованим агрегатом [11].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на міжнародних науково-практичних конференціях (МНПК): "Технічний прогрес у рослинництві", ХНТУСГ, м. Харків, 2006-2008 рр.; "Сучасні проблеми землеробської механіки", ТДАТУ, м. Мелітополь, 2006 р.; "Технічний прогрес в АПК", ХНТУСГ, м. Харків, 2007 р., 2008 р.; IV, V міжнародних форумах молоді "Молодь та сільськогосподарська техніка у XXI сторіччі", ХНТУСГ, м. Харків, 2008 р., 2009 р.; VII МНПК "Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки", КНТУ, м. Кіровоград, 2009 р.; XVII МНПК "Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві", ННЦ "ІМЕСГ", смт. Глеваха-1, 2009р.

В повному обсязі дисертаційна робота обговорювалась та схвалена на розширеному засіданні кафедри "Трактори і автомобілі" Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. Петра Василенка та розширеному засіданні кафедри колісних та гусеничних машин Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".

Публікації. Результати дисертаційної роботи надруковано в 11 наукових статтях фахових видань, з них 4 самостійно.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, списку використаних джерел з 144 найменувань і 8 додатків. Дисертація викладена на 178 сторінках комп'ютерного тексту, з них основного тексту 139 сторінок, містить 70 рисунків, 12 таблиць і додатки на 25 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, наведений зв'язок роботи із програмами, планами і темами НДР, сформульовані мета та завдання дослідження, відображена наукова новизна, практичне значення одержаних результатів і особистий внесок здобувача.

В першому розділі "Огляд літератури за темою дисертації та вибір напрямів дослідження" виконаний аналіз науково-технічної літератури за темою дисертації. Відзначено, що одним з напрямів енергозбереження в рослинництві є використання комбінованих агрегатів, які дозволяють за один прохід сумістити декілька технологічних операцій. Найбільш ефективне використання комбінованих ґрунтообробно-посівних агрегатів на виробництві зернових культур при виділенні оранки як самостійної технологічної операції та суміщенні передпосівної підготовки ґрунту і сівби. Вагомий внесок у розвиток теорії та практики підвищення експлуатаційно-технологічної ефективності мобільних сільськогосподарських агрегатів здійснили Горін Г.С., Кацигін В.В., Кіртбая Ю.К., Кутьков Г.М., Лебедєв А.Т., Надикто В.Т., Погорелий Л.В. та ін. Основи енергетичного аналізу та принципів ощадливого використання енергетичних ресурсів в сільськогосподарському виробництві відображені в роботах Гамидова Г.З., Іванова Н.М., Іваницького В.Г., Козаченка О.В., Морозова І.В., Пастухова В.І., Родичева В.А., Третяка В.М. та ін. У роботах Кравчука В.І., Красовського В.С., Крижачківського М.Л., Лобошко Н.І., Мазитова Н.К. та ін. обґрунтовані перспективні напрями використання енергетичних засобів у складі комбінованих агрегатів та їх енергетична ефективність. Артьомов М.П., Василенко П.М., Заїка П.М., Гельфенбейн С.П., Коновалов В.Ф., Лурье А.Б., Ляпунов А.М., Соловейчик А.Г. та ін. встановили взаємозв'язок між енерговитратами агрегатів та їх керованістю, режимами і стійкістю руху, якістю виконання технологічного процесу.

Узагальненням результатів відомих досліджень встановлено, що поява комбінованих агрегатів сприяла зниженню погектарної витрати палива та питомої матеріалоємності агрегатів, дозволила вивільнити механізаторів та підвищити продуктивність праці, зменшити кількість проходів по полю, тим самим знизити ущільнення ґрунту. У відомих дослідженнях при оцінці ефективності різних технологій обробітку ґрунту та посіву розглядали чотири основні системи обробітку: традиційна технологія обробітку ґрунту і сівби; технологія безполицевого основного обробітку та мульчування ґрунту; технологія сівби з поверхневим обробітком та мульчуванням ґрунту рослинними рештками; технологія прямої сівби озимих культур. Аналіз технологій показав, що їх рівень можна забезпечити, наприклад, зниження витрат палива при безполицевому і поверхневому обробітках, прямій сівбі. Відповідним є і зниження витрат праці. Проте при цьому прямі експлуатаційні витрати, що значною мірою залежать від вартості та річного завантаження машин, мають інші тенденції і зменшення витрат на паливо не завжди призводить до адекватного зниження прямих експлуатаційних витрат.

Для підвищення прямолінійності руху комбінованих сільськогосподарських агрегатів поширюється використання систем автоматичного керування напрямком руху на базі глобальних навігаційних супутникових систем. Вони забезпечують потрібну точність керування по заданій технологічній траєкторії та знижують витрати енергії на виконання технологічного процесу.

Відомі дослідження по комбінованим ґрунтообробно-посівним агрегатам стосуються в основному їх структурного аналізу та оцінки ефективності їх використання. Не проводились дослідження по взаємозв'язку стійкості руху даних агрегатів з їх енерговитратами. Залишається перспективними науково-технічне завдання з оцінки взаємозв'язку між витратами енергії ґрунтообробно-посівним агрегатом та динамічними складовими втрат потужності з-за нестійкого руху на гоні. На основі проведеного аналізу сформульовано мету та задачі дослідження.

В другому розділі "Теоретичне обґрунтування енергетичних витрат комбінованим ґрунтообробно-посівним агрегатом" виконано математичне моделювання і аналіз впливу динамічних складових руху комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату на енергетичні витрати в технологічному процесі прямої сівби, запропоновано метод визначення витрати палива. Такі завдання вирішені для різних режимів впливу оператора на рульове керування. Знайдені траєкторії руху елементів комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату при яких енерговитрати найнижчі. Проаналізовано вплив динамічних складових руху комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату на його витрати енергії при виконанні технологічного процесу.

В процесі роботи агрегату спостерігається відхилення його траєкторії руху від траєкторії, яка приймається з урахуванням агротехнічних вимог (прямолінійної). Це відбувається внаслідок фізико-механічних властивостей ґрунту. При виконанні технологічного процесу передпосівної обробки ґрунту і посіву зернових культур спостерігається періодичний вплив оператора (тракториста) агрегату на траєкторію руху та супроводжується підкермовуванням, яке має періодичний характер.

Для виводу рівнянь руху комбінованого агрегату необхідно задатися допущеннями, що дозволять спростити рішення поставленого завдання, а також відкинути фактори, які спрощують отримання математичної моделі і практично не впливають на хід розрахунку. Введемо наступні припущення: в процесі складання математичної моделі розглядався плоско-паралельний рух агрегату; не враховувалися процеси, які відбуваються в гідроприводі рульового керування, трансмісії трактора та динамічні характеристики двигуна в процесі розгону та гальмування агрегату; остови елементів агрегату приймались як абсолютно тверді тіла, а весь агрегат симетричний щодо поздовжньої площини; не враховувались дисипативні сили; бічні зусилля на шинах обмежені зчепленням коліс з дорогою; поступова швидкість руху агрегату постійна.

Розрахункова схема являє собою динамічну модель, що складається з чотирьох мас - ланок: перша піврама шарнірно-з'єднаного трактора; друга піврама шарнірно-з'єднаного трактора; перша піврами сівалки (бункер для посівного матеріалу); друга піврама сівалки (культиватор для суцільного обробітку ґрунту з висіваючим апаратом).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Динамічна модель комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату

Позначення введені на рис. 1, які використовуються при складанні математичної моделі: , - колові зусилля на ведучих колесах трактора; ,,, - сили опору перекочуванню коліс елементів агрегату; , , , - бокові зусилля в місці контакту шин елементів агрегату з опорною поверхнею; - опір, який чинить ґрунт на другу півраму сівалки; , , , - маса елементів агрегату; , , , - моменти інерції елементів агрегату відносно вертикальної вісі; , - повертаючі моменти піврам трактора; , - моменти опору повороту піврам трактора; , , , , , , , , , , , , - геометричні параметри елементів агрегату; , , , - бічні жорсткості шин елементів агрегата; - кругова жорсткість з'єднувально-керуючого модуля; - кут злому піврам трактора; - момент, що діє в точці з'єднання піврам трактора; , , , - кути між центральною віссю елементів агрегату та віссю ОХ.

При складанні математичної моделі використовується випадок, коли агрегат веде в бік. Дане положення є найбільш складним з погляду математичного опису технологічного процесу, що виконує машинно-тракторний агрегат. В процесі руху ведучими є перші дві ланки (перша та друга піврами трактора). Навантаження, які зазнає в цьому випадку агрегат, не є критичними і характерні для технологічного процесу. Відмінною рисою розробленої математичної моделі є те, що вона дозволяє проаналізувати вплив динамічних складових руху комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату на витрати енергії при виконанні технологічного процесу прямої сівби.

В якості математичного апарата при складанні диференціальних рівнянь руху комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату в складі трактора

ХТЗ-150К-09 і сівалки АПП-6 прийняті рівняння Лагранжа другого роду. В якості узагальнених координат системи, що розглядаються, були прийняті відповідні кути повороту елементів агрегату , , , .

Після складання виразів кінетичної енергії та узагальнених сил системи одержано математичну модель руху у вигляді системи диференційних рівнянь:

(1)

де

, , ,

Розглянемо випадок, коли перша піврама рухається прямолінійно, для цього приймемо . Це необхідно для розрахунку випадку, коли елемент агрегату, який є джерелом механічної енергії, рухається по прямолінійній траєкторії та витрачає на рух мінімум енергії.

Оскільки елементи динамічної системи зв'язані між собою пружними зв'язками, то ці елементи мають значну потенційну енергію, яка в процесі роботи комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату переходить у кінетичну та навпаки. Потенційна енергія окремих елементів залежить від їхніх переміщень (лінійних і кутових), а зв'язок між нею та кінетичною енергією описує отримана вище математична модель.

Розв'язком системи диференційних рівнянь отримані: кути повороту елементів механізму та швидкості. Відхилення центрів мас елементів від прямолінійної траєкторії руху розраховані з коефіцієнтів переводу геометричних зв'язків (рис. 2).

Як видно з рис. 2,а зміна кутів повороту всіх елементів агрегату являє собою закон близький до синусоїдального. Перший елемент сівалки (бункер для посівного матеріалу) повертається на найбільший кут 12 з двома частотами 0,05 Гц та 0,2 Гц. Друга піврама трактора повертається на найменший кут 1 з частотою 1 Гц, що обумовлено додатковим - відносно вище описаних елементів агрегату - пружним елементом, яким є з'єднувально-керуючий модуль.

а) б)

Рис. 2. Кути повороту (а) та траєкторії руху (б) центрів мас елементів системи при прямолінійному русі першої піврами трактора: - кут злому піврам трактору; , , , - відповідно кути повороту другої піврами сівалки, першої піврами сівалки, другої та першої піврами трактора; , , , - відповідно відхилення траєкторій руху другої піврами сівалки, першої піврами сівалки, другої та першої піврами трактора

Траєкторії руху центрів мас другої піврами трактора та першої піврами сівалки співпадають (рис. 2,б). Також співпадають їх амплітуди відхилення, які складають 0,35 м. Максимальне відхилення другої піврами сівалки 0,2 м при розмаху 0,4 м.

В попередніх дослідженнях для тракторів та машинно-тракторних агрегатів різного призначення виявлено, що рух першої піврами трактора (для шарнірно-з'єднаної компоновки), або його остова (для трактора класичної компоновки), відбувався по траєкторії близькій до синусоїдальної.

Для зменшення амплітуди відхилення траєкторії руху від заданої використовують системи автоматизації напрямку руху. При використанні таких систем та при керуванні трактором вручну зміну кута повороту першої піврами трактора представляємо у вигляді синусоїди:

(2)

де А - амплітуда впливу оператора (кут повороту рульового колеса), рад; 0,0785 - коефіцієнт переводу кількості впливів оператора, рад; n - кількість впливів оператора на рульове колесо (на гоні довжиною 100 м).

При моделюванні руху комбінованого агрегату кут повороту рульового колеса А змінювався від 0(0) до 0,75 рад (43), а кількість підкермовувань на гоні 100 м n - від 6 до 40 (рис. 3).

Частоти коливань першої та другої піврами сівалки складають 0,05 Гц та 0,4 Гц, першої та другої піврами трактора 1 Гц (рис. 3, а). Кут повороту першої піврами сівалки максимальний (в порівнянні з іншими елементами) і складає 8. Траєкторії руху першої та другої піврами трактора, а також першої піврами сівалки співпадають (рис. 3, б). Максимальний розмах коливань цих елементів 0,6 м при максимальному відхиленні 0,4 м від прямої лінії.

а) б)

Рис. 3. Кути повороту (а) та траєкторії руху (б) центрів мас елементів системи при впливі оператора на рульове керування , (позначення відповідно до рис. 2)

При збільшенні частот впливів оператора на рульове керування (кількість підкермовувань на гоні) від 6 до 40 вимушені частоти траєкторій елементів агрегату зростають від 0,05 Гц до 0,2 Гц, частоти другої піврами трактора збільшуються з 0,85 Гц до 1,15 Гц (перша частота) та 0,25 до 0,45 Гц (друга частота). З цього випливає, що комбінований ґрунтообробно-посівний агрегат як динамічна система має властивість збудника та вказує на наявність широкого спектру вимушених частот досліджуваного механізму. Амплітуди відхилення траєкторії першої, другої піврами трактора та першої піврами сівалки збільшуються від 0,6 м до 1,8 м зі збільшенням амплітуди впливу від до (при кількості впливів оператора на рульове колесо від 12 до 40). Друга піврама сівалки (культиватор з сошниками) має найбільш стійкий рух. Кут повороту не перевищує 5, а відхилення від прямолінійної траєкторії не більше 0,25 м.

Потужність функціонування комбінованого агрегату:

, (3)

Де

-

потужність -го рушія енергетичного засобу, кВт; - кількість рушіїв; - момент на -му рушію, Нм; - кутова швидкість -го рушія, об/хв-1; - потужність, що знімається з -го валу відбору потужності, кВт; - кількість валів відбору потужності, що використовуються.

Формула для визначення витрати палива комбінованим агрегатом має наступний вигляд:

, (4)

де - питома витрата палива двигуном, ; - ККД трансмісії.

Крутні моменти на сонячних шестернях колісних редукторів трактора правого та лівого борту другої та першої піврами трактора:

; ;

; , (5)

де - коефіцієнти перерозподілу тягового опору між передньою та задньою піврамами трактору; - радіуси коліс трактора, м.

Кутові швидкості обертання сонячних шестерень колісних редукторів трактора (правого та лівого борту другої та першої піврами трактора):

;;;

, (6)

де - швидкість руху агрегату, м/с.

При русі першої піврами трактора по прямолінійній траєкторії потужність, яка необхідна для функціонування комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату, коливається з частотою 1 Гц в межах від 84,8 кВт до 84,9 кВт.

Рис. 4. Потужність необхідна для функціонування комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату

Коливання потужності (рис. 4) відбуваються в межах від 78,7 кВт до 96,9 кВт з частотами 1 та 0,2 Гц при амплітуді впливу оператора на рульове керування 0,25 рад(14,3) та 12 впливах оператора на рульове керування на гоні 100 м. Залежність пройденого шляху першою піврамою трактора від частоти та амплітуди впливу оператора на рульове керування має вигляд поліному другого ступеня:

(7)

де ; ; .

Залежність витрати палива комбінованим агрегатом від амплітуди та кількості відхилень першої піврами трактора апроксимована поліномом другого ступеня:

(8)

де , , .

Розходження між результатами розрахунку пройденого шляху, витрати палива та результатом отриманим апроксимацією кривих не перевищує 6,3%.

Витрата палива та пройдений шлях першою піврамою трактора збільшується зі збільшенням частоти та амплітуди впливу оператора на рульове керування (рис. 5). Максимальна потужність, необхідна для функціонування агрегату, складає 97,1 кВт при , .



а) б)

Рис.5. Залежності довжини пройденого шляху першою піврамою трактора (а) та витрати палива комбінованим ґрунтообробно-посівним агрегатом (б) від амплітуди та кількості підкермовувань на гоні 100 м

У третьому розділі "Програма та методика проведення лабораторно-польових досліджень комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату" наведені програма та методика експериментальних досліджень, що включають лабораторні і польові дослідження комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату в складі трактора ХТЗ-150К-09 виробництва ВАТ "ХТЗ" та сівалки прямої сівби АПП-6 виробництва ВАТ "Фрегат" Миколаївської обл. Лабораторні дослідження проведені на обладнанні кафедри тракторів і автомобілів Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка по програмі, яка включала тарування датчиків витрати палива; гіроскопів; датчику швидкості. Лабораторні дослідження датчику витрати палива проведені у відповідності з ДСТУ 3021-95, ДСТУ 2681-94, ДСТУ 2682-94, ДСТУ 3537-97, ДСТУ 3711-98, ДСТУ 3954-2000.

Методика досліджень з оцінки експлуатаційно-технологічних показників комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату базується на ГОСТ 7057-81, ГОСТ 24055-88, ГОСТ 2457-80 і ГОСТ 18509-88. Експлуатаційні дослідження по оцінці динамічних складових руху елементів агрегату на його енерговитрати базуються на розроблених методиках із застосуванням оригінальних приладів по виміру витрати палива дизельного двигуна трактора і способу заміру відхилення та пройденого шляху. При виконанні експериментальних досліджень застосовані датчики, апаратура та прилади, які базуються на визначенні витрати палива двигуном, гіроскопів та навігаційного пристрою (курсопоказчика). Обробка результатів експериментальних досліджень виконувалася за стандартними методиками.

Рис. 6. Блок-схема розробленого пристрою контролю за траєкторією руху та витратою палива мобільного енерге-тичного засобу: GPS - навігаційний пристрій; Q - датчик витрати палива; МП - мікропроцесор; І - індикатор; БЖ - блок живлення; АКБ - акумуляторна батарея

Розроблений пристрій (рис. 6) для контролю за траєкторією руху та витратою палива, який вказує трактористу про необхідність зміни режиму роботи, відпочинку, або технічного обслуговування агрегату. При проходженні агрегатом декількох проходів по полю в пам'яті накопичується статистична інформація про амплітуду відхилення першої піврами трактора від прямолінійної траєкторії та витраті палива.

Обчислення та накопичення статистичної інформації відбувається в мікропроцесорі МП, а результат виводиться на індикаторі І. Дані амплітуди відхилення та траєкторії руху надходять від навігаційного пристрою GPS. Також МП з'єднаний з датчиком витрати палива Q для отримання інформації по витраті палива. Блок живлення БЖ перетворює бортову напругу трактора або акумуляторної батареї АКБ в напругу необхідну для вузлів пристрою.

Рис.7. Розташування пристрою контролю за траєкторією руху та витратою палива в кабіні трактора ХТЗ-150К-09: 1 - індикатор; 2 - кнопка початку та кінця гону

Агрегат виїжджає в поле та перед початком першого проходу тракторист натискає кнопку 2 на пристрої (рис. 7). Кінець гону тракторист відмічає натисканням кнопки 2.

В пам'яті пристрою фіксуються та відображаються на екрані: довжина гону, координати початку та кінця гону, витрата палива, амплітуда відхилення. При послідуючих проходах агрегату по полю на індикаторі додатково відображаються (відносно до попереднього проходу): витрата палива, довжина гону, амплітуда відхилення.

Пристрій видає попереджуючий сигнал у випадках, коли: довжина гону та амплітуда відхилення збільшилась відносно до попереднього проходу на і вище; амплітуда відхилення та довжина пройденого шляху поступово зростають на і вище на кожному проході відносно першого проходу; витрата палива збільшилась відносно до попереднього проходу на і вище; витрата палива поступово зростає на і вище на кожному проході відносно першого проходу.

В четвертому розділі "Результати експериментальних досліджень" наведені результати експериментальних досліджень комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату в складі трактора ХТЗ-150К-09 та сівалки прямої сівби АПП-6, що підтверджують основні теоретичні положення збільшення витрати палива агрегатом при збільшенні амплітуди та частоти впливу оператора на рульове керування. Перший елемент сівалки (бункер для посівного матеріалу) має найбільший кут повороту та найбільше відхилення від прямої лінії. Експериментальні дослідження пристрою контролю за траєкторією руху та витратою палива показали, що його використання призводить до зниження питомої витрати палива на 5,2%.

Керування комбінованим ґрунтообробно-посівним агрегатом при першій серії досліджень відбувалося ручним способом. Оператор спрямовував агрегат на не чіткий орієнтир в кінці гону (дерево) при першому проході, а далі - по сліду маркера від попереднього проходу. Траєкторії руху мають частоти коливань від 0 до 0,5 Гц. Амплітуда відхилень першої піврами трактора та першої піврами сівалки складає 0,75 м, другої піврами трактора 0,81 м. Ця серія експериментальних досліджень відповідає теоретичним дослідженням зі змінними параметрами , .

Друга серія досліджень проводилась при керуванні агрегатом на чітко виражений орієнтир в кінці першого гону (контрастний маркер). Решту гонів на полі агрегат проходив за умови, що тракторист керував ним по сліду маркера, залишеного від попереднього проходу. В цій серії досліджень також зберігалась тенденція накопичення похибки при збільшенні амплітуди відхилень та дисперсії від проходу до проходу. Траєкторії руху першої піврами трактора, другої піврами трактора та першої піврами сівалки співпадають з максимальною амплітудою відхилення від прямої лінії, яка складає 0,5 м. З найменшою амплітудою відхилення рухається друга піврама сівалки 0,25 м. Також траєкторії характеризуються рівними вимушеними частотами в діапазоні від 0 до 0,6 Гц. Кількість коливань дисперсії, які співпадають з кількістю впливів оператора на рульове керування трактора на мірній ділянці 100 м та рух елементів з амплітудою відхилення 0,5 м, дають можливість порівняти результати експериментальних досліджень з теоретичними при наступних варійованих параметрах , .

Третя серія досліджень виконувалась за умови, що оператор використовував навігаційний пристрій Trimble EZ-Guide 250 для керування комбінованим ґрунтообробно-посівним агрегатом. Амплітуда відхилення траєкторії першої піврами трактора від прямолінійної залишалась однаковою для всіх проходів протягом трьох днів польових досліджень та склала 0,25 м. Кількість коливань та амплітуда відхилень свідчать про відповідність цієї серії експериментальних досліджень теоретичним з наступними параметрами , .

Таблиця Результати польових досліджень системи контролю за траєкторією руху та витратою палива

Показники	Агрегат ХТЗ-150К-09 + АПП-6
	базовий	з системою контролю	в, % до базового
Витрата палива Q, кг (на гоні 100м)	0,315	0,298	94,8
Амплітуда відхилення у, м	0,75	0,668	89
Погектарна витрата палива G, кг/га	22,3	21,1	94,8

Дослідження системи контролю за траєкторією руху та витратою палива виконані на комбінованому ґрунтообробно-посівного агрегату в складі трактора ХТЗ-150К-09 та сівалки прямої сівби АПП-6 (табл.). Використання пристрою контролю за траєкторією руху та витратою палива зменшує погектарну витрату та витрату палива на гоні 100м на 5,2%, амплітуду відхилення до 11%, збільшило продуктивність агрегату на 8%, а також забезпечило зниження експлуатаційних витрат на 12,0 грн/га та 2545,32 грн на один агрегат в 2009 р.

Для перевірки адекватності математичної моделі порівнювали спектральні щільності траєкторій руху елементів агрегату, які отримані в результаті виконання теоретичних та експериментальних досліджень. В цілому розраховані спектральні щільності близькі до теоретичних, навіть в значно ширшому діапазоні частот 0...2,5 Гц. Розбіжність між теоретичною і експериментальною спектральною щільністю становить не більше 7%. Це свідчить про адекватність розробленої математичної моделі руху комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату.

Висновки

В дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукового завдання, що виявляється в створеному математичному моделюванні процесу руху комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату як процесу нелінійної динаміки чотиромасової коливальної механічної системи з керованим збудженням. Це дозволило підвищити ефективність експлуатації комбінованих ґрунтообробно-посівних агрегатів.

1. Проведеним аналізом результатів відомих досліджень встановлено, що використання комбінованих ґрунтообробно-посівних агрегатів ефективне на виробництві зернових культур з суміщенням передпосівного обробітку ґрунту та сівби. Виконання технологічної операції прямої сівби пов'язане з великими витратами енергії як для виконання самої технологічної операції, так і для динамічних процесів, що виникають в системі трактор-знаряддя і які впливають на стійкість руху та витрату палива. Для підвищення прямолінійності руху комбінованих сільськогосподарських агрегатів необхідно застосувати системи автоматичного керування напрямком руху, які забезпечать потрібну точність заданої технологічної траєкторії та знизять витрати енергії на виконання технологічного процесу.

2. Вирішена нова наукова задача, спрямована на підвищення ефективності експлуатації комбінованих ґрунтообробно-посівних агрегатів в складі трактора з шарнірно-з'єднаною рамою та сівалкою прямої сівби. За допомогою розробленої математичної моделі руху комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату обґрунтовані раціональні траєкторії руху окремих елементів агрегату, які дозволяють вирішувати задачі динаміки і оцінювати тягово-енергетичні показники. Встановлені залежності витрати палива та пройденого шляху комбінованим ґрунтообробно-посівним агрегатом в складі трактора з шарнірно-з'єднаною рамою та сівалкою прямої сівби від амплітуди та частоти відхилення елементів агрегату. Дані закономірності відрізняються від відомих врахуванням динамічних складових елементів агрегату при русі на гоні.

3. Найбільший вплив на динаміку елементів агрегату має частота впливу оператора на рульове керування. Амплітуда відхилення має менший вплив ніж частота. Зміна кутів повороту всіх елементів агрегату являє собою синусоїдальний закон з двома вимушеними частотами. Перший елемент сівалки (бункер для посівного матеріалу) при частотах впливу оператора на рульове керування від 6 до 15 на гоні 100 м повертається на найбільший кут до 12.

При збільшенні частоти впливу оператора на рульове керування від 6 до 15 частоти траєкторій елементів агрегату зростають від 0,05 Гц до 0,2 Гц, частоти другої піврами трактора збільшуються з 0,85 Гц до 1,15 Гц (перша частота) та 0,25 до 0,45 Гц (друга частота). Комбінований ґрунтообробно-посівний агрегат, як динамічна система, має властивість збудника та вказує на наявність широкого спектру вимушених частот досліджуваного механізму.

4. Траєкторії елементів агрегату співпадають при кількості впливів оператора від 10 до 40. При 10 та менше впливах оператора і амплітуді відхилення >0,5 м друга піврама трактору рухається по іншій траєкторії, збільшуючи тим самим площу ущільненої поверхні поля. Амплітуди відхилення траєкторії першої, другої піврами трактора та першої піврами сівалки збільшуються від 0,6 м до 1,8 м зі збільшенням амплітуди впливу оператора на рульове керування від до (при кількості впливів оператора від 10 до 40). Друга піврама сівалки (культиватор з сошниками) має найбільш стійкий рух. Кут повороту не перевищує 5, а відхилення від прямолінійної траєкторії не більше 0,25 м.

5. Для функціонування агрегату необхідна потужність знаходиться в межах від 78,7 кВт до 96,9 кВт з частотами 1 та 0,2 Гц, А = 0,25рад(14,3), n = 12 та максимальна потужність 97,1 кВт при , . Витрата палива комбінованим ґрунтообробно-посівним агрегатом збільшується від 0,262 кг до 0,899 кг при збільшенні частоти впливу оператора від 6 до 40 при А = 0,25 рад. При збільшенні амплітуди впливу від 0 до 1 рад витрата палива зростає на 32 г при на гоні довжиною 100 м. Найменша витрата палива агрегатом спостерігається при амплітуді впливу оператора на рульове керування до 0,25 рад та кількості підкермовувань на гоні не більше 10.

6. Розроблений пристрій для контролю за траєкторією руху та витратою палива, який вказує трактористу про необхідність зміни режиму роботи, відпочинку оператору або технічного обслуговування агрегату. Пристрій видає попереджуючий сигнал у випадках, коли: довжина гону та амплітуда відхилення збільшилась відносно до попереднього проходу на і вище; амплітуда відхилення та довжина пройденого шляху поступово зростають на і вище на кожному проході відносно першого проходу; витрата палива збільшилась відносно до попереднього проходу на і вище; витрата палива поступово зростає на і вище на кожному проході відносно першого проходу.

7. Проведені експериментальні дослідження в лабораторних та виробничі випробування в польових умовах, які підтвердили адекватність математичної моделі руху та витрати палива комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату. Розбіжність розрахункових і експериментальних результатів не перевищує 7%.

8. Результати експлуатаційно-технологічних досліджень в ФГ "Восход" Сахновщинського району Харківської області комбінованого ґрунтообробно-посівного агрегату в складі трактора ХТЗ-150К-09 і сівалки прямої сівби АПП-6 з встановленим пристроєм контролю за траєкторією руху та витратою палива показали збільшення продуктивності агрегату на 8% і зменшення погектарної витрати палива на 5,2%. Це забезпечило зниження експлуатаційних витрат від впровадження пристрою на 12 грн/га та 2545,32 грн на один агрегат в 2009 р.

Пристрій контролю за траєкторією руху та витратою палива передано у відділ Головного конструктора ВАТ "ХТЗ" для встановлення на трактори під час їх модернізації та при розробці нових моделей. Розроблена математична модель руху та витрати палива комбінованим ґрунтообробно-посівним агрегатом використовується в державному підприємстві "Інститут машин і систем" Мінпромполітики і НАН України в практиці аналізу енергетичних складових руху сільськогосподарських агрегатів.

Список основних опублікованих праць за темою дисертації

1. Антощенков В.Н. К вопросу построения математической модели комбинированного машинно-тракторного агрегата / В.Н. Антощенков, Р.В. Антощенков // Тракторная энергетика в растениеводстве: Сб. научн. тр. - Х.: ХГТУСХ, 2003. - Вып. 6. - С. 80-85.

2. Антощенков Р.В. Енергетичний коефіцієнт корисної дії мобільного енергетичного засобу в складі комбінованого сільськогосподарського агрегату / Р.В. Антощенков // Весник Национального технического университета "ХПИ": Тематический выпуск "Автомобиле- и тракторостроение". - Харьков, 2007. - Вып.12. - С.39-44.

3. Лебедєв А.Т. Залежність ефективного коефіцієнту корисної дії мобільного енергетичного засобу від різних варіантів розподілення енергії / А.Т. Лебедєв, Р.В. Антощенков // Тракторна енергетика в рослинництві: Вісник ХНТУСГ. - Х.: ХНТУСГ, 2007. - Вип. 60. - С. 52-57.

4. Антощенков Р.В. Методика получения и обработки данных лабораторно-полевых испытаний МТА / Р.В. Антощенков // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАА, 2007. - Вип. 7, т. 1. - С. 123-129.

5. Антощенков В.М. Методика визначення енерговитрат машино-тракторного агрегату / В.М. Антощенков, Р.В. Антощенков // Механізація сільськогосподарського виробництва: Вісник ХНТУСГ. - Х.: ХНТУСГ. - 2008. - Вип. 75, т.1. - С. 264-269.

6. Антощенков Р.В. Аналіз навігаційних пристроїв як систем автоматичного напрямку руху машинно-тракторного агрегату при використанні у системі точного землеробства / Р.В. Антощенков // Системи управління, навігації та зв'язку - К: ЦНДІ НУ, 2008. - Вип. 3 (7). - С. 24-26.

...