Підвищення стійкості руху комбінованих посівних агрегатів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА імЕНІ петра василенка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Підвищення стійкості руху комбінованих посівних агрегатів

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Ярошенко Павло Миколайович

Харків - 2011

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Артьомов Микола Прокопович, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, доцент кафедри тракторів і автомобілів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Козаченко Олексій Васильович, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, завідувач кафедри технічного сервісу машин;

кандидат технічних наук, доцент Арендаренко Володимир Миколайович, Полтавська державна аграрна академія, завідувач кафедри машин та обладнання агропромислового виробництва.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. При проведенні сільськогосподарських операцій з сівби через нерівності поверхні поля механізатору доводиться в значній мірі направляти рух агрегату. При цьому рульове керування відіграє визначальну роль, тому що стійкість руху впливає на якість виконання технологічних операції.

Якість технологічних операцій залежить від характеру руху агрегату і, насамперед, від того, як забезпечується стійкість керованого руху. Навіть при незначній зовнішній дії, яка викликала відхилення машини з еластичними колесами від початкової траєкторії, повернення до неї можливе тільки в результаті прикладення зусиль механізатором до системи керування. Відхилення колісної машини від заданого напрямку руху може бути наслідком дії зовнішніх сил на еластичні колеса, поворотів керованих коліс в межах зазору і деформації деталей рульового керування, а також неточностями роботи механізатора. Якість роботи в значній мірі залежить від величини загального запізнення в діях механізатора з усунення відхилень і чутливості дії гідрооб'єм-ного рульового керування.

У зв'язку з цим, актуального значення набуває забезпечення керованого прямолінійного руху серійними моделями колісних тракторів класу 30 кН. Підвищення робочих швидкостей руху енергонасичених тракторів потребує від механізатора значних зусиль і витрат енергії на керування. Щоб знизити навантаження необхідно забезпечити стабільність роботи рульового керування, необхідну чутливість і ефективність.

Таким чином, підвищення стійкості руху комбінованих посівних агрега-тів є важливим науково-прикладним завданням для розвитку рослинницької галузі 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». Результати роботи спрямовані також 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.

Дисертація виконана в Харківському національному технічному універ-ситеті сільського господарства ім. Петра Василенка і є частиною науково-дос-лідних держбюджетних тем: «Створення гнучких технологічних процесів ме-ханізованих робіт виробництва продукції рослинництва», ДР № 0104U004492 та «Розробка ресурсозберігаючих технологій для міжрядної обробки просапних культур», ДР № 0105U00493741.

Мета та завдання дослідження. Метою роботи є підвищення стійкості руху комбінованих посівних агрегатів на базі орно-просапного трактора в технологічному процесі сівби шляхом визначення впливу технічного стану рульового керування на виконання агротехнологічних вимог.

Для досягнення поставленої мети визначені наступні завдання:

- провести аналіз існуючих досліджень, методів підвищення стійкості руху комбінованих агрегатів при суміщенні технологічних процесів передпо-сівного обробітку ґрунту та сівби в залежності від технічного стану системи керування;

- провести теоретичні дослідження і удосконалити математичну модель стійкості руху посівного комбінованого агрегату на базі орно-просапного трактора класу 30 кН рамної конструкції при змінах технічного стану системи керування;

- проаналізувати вплив складових динаміки комбінованого посівного агрегату при виконанні технологічного процесу з навішеними спереду культи-ватором та ззаду трактора сівалкою;

- виконати експериментальні і лабораторно-польові дослідження з визначення характеристик руху комбінованого посівного агрегату при змінах технічного стану системи керування в умовах реальних навантажень на агрегат в цілому.

Об'єкт дослідження - процес руху комбінованих посівних агрегатів, його зв'язок з технічними параметрами гідрооб'ємного рульового керування.

Предмет дослідження - підвищення стійкості руху комбінованих посівних агрегатів.

Методи дослідження. В роботі використані методи класичної механіки, математичного моделювання, розв'язання систем нелінійних диференціальних рівнянь. Експериментальні дослідження проведені із застосуванням фізичного моделювання та випробувань, які виконані в господарствах на дослідних зразках. Розрахунки та обробка результатів експериментальних досліджень виконані з використанням програмного забезпечення Matlab 6.0, Maple 12 та Microsoft Office Excel 2003.

Наукова новизна одержаних результатів:

Вперше:

- обґрунтовано нові залежності визначення стійкості руху від технічного стану системи рульового керування комбінованого посівного агрегату на базі орно-просапного трактора з рамною конструкцією остова [1,2,3,4,5,11];

- встановлені нові закономірності впливу зміни технічного стану гідро-об'ємного рульового керування на кути відхилення керованих коліс та якість виконання технологічного процесу комбінованим посівним агрегатом [6,8].

Удосконалено:

- математичну модель стійкості руху комбінованих посівних агрегатів, яка відмінна від відомих тим, що враховує технічний стан системи керування та динаміку зміни навантажень на елементи агрегату в горизонтальній площині [7,9,10,12].

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені рекомендації покладені в основу технологічних процесів «Технологічних карт на вирощуван-ня сільськогосподарських культур», які використовуються Головними управ-ліннями агропромислового розвитку Харківської і Сумської обласних держав-них адміністрацій для агроформувань областей.

Польові випробування проведено в ТОВ «Хлібодар» Сумського району і СТОВ «Вікторія» Краснопільського району Сумської області. Використання рекомендацій при виконанні посівних робіт технічних культур дозволило знизити експлуатаційні витрати на 29,4 грн/га та отримати річний економічний ефект у розмірі 4410,84 грн на один агрегат у 2010 році.

Результати дослідження використовуються в навчальному процесі Харків-ського НТУСГ ім. Петра Василенко та Сумського НАУ з підготовки фахівців за напрямком «Процеси, машини та обладнання агропромислового виробництва».

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи одержані самостійно. В наукових роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать наступні результати: встановлено закономірності впливу технічного стану гідрооб'ємного рульового керування на стійкість руху комбінованого посівного агрегату [6,11]; удосконалено математичну модель руху комбінованих посівних агрегатів зі зміною навантажень на елементи агрегату [8,10]; одержано результати експериментальних досліджень залежності стійкості руху комбінованого посівного агрегату від технічного стану гідрооб'ємного рульового керування трактора [12].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень і основні положення дисертаційної роботи доповідались: на міжвузівській науково-методичній конференції «Машиновикористання в землеробстві та тваринницт-ві», СДАУ, м. Суми, 1999 р.; міжнародній науково-практичній конференції (МНПК) «Технічний прогрес у рослинництві», ХНТУСГ, м. Харків, 2000 р.; науково-практичній конференції «Проблемы надежности машин на этапах проектирования, эксплуатации и ремонта», ХНТУСГ, м. Харків, 2002 р.; МНПК «Науково-технічні засади розробки, випробування і прогнозування перспективної сільськогосподарської техніки і технологій», УкрНДІПВТ, смт. Дослідницьке, 2003 р.; МНПК «Аграрний форум», СНАУ, м. Суми, 2006 р, 2010 р.; МНПК «Технічний прогрес в АПК», ХНТУСГ, м. Харків, 2007 р., 2011 р; ХV МНПК «Технологии ХХІ века», м. Алушта, 2009 р.; МНПК «Моделювання технологічних процесів в АПК», ТДАТУ, м. Мелітополь, 2010 р. Також результати дисертаційної роботи доповідались на професорсько-викладацьких наукових конференціях Сумського державного аграрного університету в 1998-2001 рр. та науково-практичних конференціях викладачів та аспірантів Сумського національного аграрного університету в 2002-2004 та 2008 і 2010 рр.

В повному обсязі дисертаційна робота обговорювалась та схвалена на розширеному засіданні кафедри тракторів і автомобілів ХНТУСГ ім. Петра Василенка. комбінований ґрунт культиватор трактор

Публікації. Результати наукових досліджень опубліковані в 12 друкова-них працях у фахових наукових виданнях, з них одноосібних - 7.

Структура та обсяг дисертації - вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел та додатки. Обсяг роботи становить 188 сторінок, на 157 з них викладено основну частину роботи та список використаних джерел, на 31 ? додатки. Робота містить 18 таблиць та 44 рисунки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, наведений зв'язок роботи з програмами, планами і темами НДР, сформульовано мету і завдання дослідження, відображено наукову новизну, практичне значення одержаних результатів і особистий внесок здобувача.

У першому розділі «Огляд літературних джерел за темою дисертації та обґрунтування напрямків досліджень» проведено аналіз стану проблеми, наведено огляд досліджень вітчизняних і іноземних авторів динаміки комбіно-ваних посівних сільськогосподарських машин і стійкості їхнього руху. Стій-кість поступального руху та керованість комбінованого агрегату розглядаються як найважливіші експлуатаційні показники, що визначають його спроможність протистояти дії зовнішніх збурюючих сил. Керованість і стійкість руху агрега-ту в горизонтальній площині безпосередньо пов'язані з низкою експлуатаційно-технологічних показників, які визначають якість сівби (відхилення від прямолінійної траєкторії не більше 10 см на 100 м рядка культури), матеріальні та енергетичні витрати, трудомісткість виконання агротехнологічних операцій.

Машинно-тракторний агрегат є складною динамічною системою, яка обумовлена його багатомірністю і високим порядком диференціальних рівнянь руху, які його описують. Наявність сільськогосподарських машин на передній і задній навісних системах характеризує агрегат як астатичну систему. В резуль-таті керуючих дій та під впливом збурюючих факторів комбінований агрегат може відхилятись від заданого курсу без подальшого самовирівнювання. Для стабілізації напрямку руху необхідне втручання механізатора.

Відомо, що на стійкість колісної машини вагомий вплив здійснюють реакції і сили, що діють на колеса в площині руху. Однак в динамічних і мате-матичних моделях, розроблених для оцінки стійкості та керованості, не розгля-дались періодичні відхилення направляючих коліс, які забезпечують прямолі-нійний рух з постійним його коригуванням.

Вирішенню фундаментальних проблем, пов'язаних із стійкістю руху та керованістю колісних машин, присвячені роботи: Д.А. Чудакова, В.М. Анто-нова, В.В. Гуськова, А.С. Літвінова, Я.М. Певзнера, Б.С. Фалькевича, Я.Є. Фа-робіна, М.А. Подригала та ін. Дослідження стійкості руху і керованості машинно-тракторних агрегатів, з метою покращення технологічних характе-ристик проведені: П.М. Василенком, Л.В. Погорілим, В.В. Гуськовим, А.Б. Лур'є, В.П. Росляковим, Г.В. Веденяпіним, В.Ф. Коноваловим, Д.М. Мит-ропаном, А.В. Рославцевим, А.Т. Лебедєвим, І.М. Серебряковим, В.І. Форту-ною, В.Т. Надикто, В.Ф. Пащенком, В.М. Горовим, В.М. Авдєєвим, О.В. Коза-ченком, М.П. Артьомовим, Р.В. Антощенковим, Є.І. Калініним та ін.

В основному дослідження присвячені впливу конструктивних параметрів машин на стійкість руху через зміни навантажувальних характеристик двигуна, схеми приєднання сільськогосподарської машини, а також впливу конструкції та передатного числа рульового механізму на керованість. Розглядались питання прогнозування руху по заданому закону зміни положення керуючих коліс з урахуванням параметрів динамічної моделі. Крім того, проведено оцінку розподілу мас, коефіцієнтів уводу опорних коліс, зміни швидкості руху, геометричних характеристик агрегату та умов руху при наявності силового впливу через бічний схил, повітряний потік, а також із урахуванням зчеплення та опору перекочуванню коліс. Дехто з авторів стан керованості та стійкості руху розглядав, аналізуючи гальмівну динаміку агрегатів.

Проте проблема впливу технічного стану гідрооб'ємного рульового керу-вання комбінованого агрегату на керованість, стійкість руху і якість процесу сівби, одночасно з передпосівною культивацією, не досліджена.

У другому розділі «Теоретична оцінка стійкості та керованості руху комбінованого посівного машинно-тракторного агрегату» наведено теоретичні дослідження впливу складових динаміки агрегату при зміні технічного стану системи керування на стійкість його руху при проведенні сівби просапних культур. Зроблено розрахунки для різних режимів впливу механізатора на рульове керування. Визначено траєкторії руху елементів комбінованого посівного агрегату, при яких можливе виконання процесу сівби без порушення агротехнологічних допусків. Проаналізовано вплив динаміки складових комбінованих посівних агрегатів на стійкість та керованість при виконанні технологічного процесу.

В процесі роботи комбінованого агрегату спостерігається відхилення його траєкторії руху від прямолінійної, яка приймається згідно агротехнологіч-них вимог. Це відбувається внаслідок неоднорідності ґрунту, різниці опорів руху на колесах агрегату, схилу ділянок полів. При виконанні технологічного процесу передпосівного обробітку ґрунту і сівби відбувається вплив механіза-тора на траєкторію руху комбінованого агрегату, який супроводжується підкермовуванням, що має періодичний характер.

Для складання рівнянь руху комбінованого посівного агрегату необхідно задатися допущеннями, що дозволять спростити вирішення поставленої задачі, а також відкинути фактори, які ускладнюють розробку математичної моделі та на хід розрахунків практично не впливають. Введено наступні допущення: в процесі складання математичної моделі розглядався плоско-паралельний рух агрегату; не враховувалися перехідні процеси, які відбуваються в трансмісії трактора, та динамічні характеристики двигуна при розгоні та гальмуванні агрегату; остови елементів агрегату приймались як абсолютно тверді тіла, а весь агрегат симетричний щодо поздовжньої площини; не враховувались вертикальні переміщення коліс агрегату; нерівномірність зчіпних властивостей ґрунту на колесах агрегату враховувалась за допомогою різних тягових зусиль на колесах і різних сил опору їх перекочуванню; швидкість руху центра мас сівалки вздовж осі ОХ дорівнює швидкості руху центра мас трактора (рис. 1); під час впливу механізатора на механізм рульового керування передні керуючі колеса повертаються на однаковий кут (в₁₁ = в₁₂ = в); поступальна швидкість руху агрегату постійна.

Розрахункова схема являє собою динамічну модель, що складається з трьох мас ? елементів: перша - бурячна сівалка ССТ-18В; друга - трактор ХТЗ-121; третя - культиватор для проведення суцільного передпосівного обробітку ґрунту КОЗР-8,1-01 (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Динамічна модель комбінованого посівного агрегату

Позначення, наведені на рис. 1, використані при складанні математичної моделі: m₁, m₂, m₃ - маси елементів агрегату; J₁, J₂, J₃ - моменти інерції елементів відносно вертикальної вісі; W_лк, W_пк,W_пл, W_пп, W_зл, W_зп,W_пс,W_лс - сили опору перекочуванню коліс агрегату; Т_пл, Т_пп, Т_зл, Т_зп - сили тяги на колесах трактора, відповідно; С_ук, С_ус, С_у1, С_у2 - коефіцієнти бічної жорсткості шин елементів агрегату; К_дк, К_дс, К_д1, К_д2 - коефіцієнти демпфування шин; Р_бк, Р_бс, Р_б1, Р_б2 - сили опору уводу в місці контакту шин коліс елементів агрегату з опорною поверхнею; Y₁ … Y₁₈ - сили опору секцій культиватора; Х₁ … Х₁₈ - си-ли опору секцій сівалки; С₁₂ - жорсткість зчіпки між трактором і сівалкою при їх відносному обертальному зміщенні; С₂₃ - жорсткість зчіпки між трактором і культиватором при їх відносному обертальному зміщенні; ц₁, ц₂, ц₃ - кути між центральною віссю елементів агрегату та віссю ОХ; В_t, е_к, b_с, b_к, b₁, b₃, S_п, К_п, а₁, а₂, а₃, а₄ - конструктивні параметри агрегату.

При складанні диференціальних рівнянь руху комбінованого посівного агрегату у складі трактора ХТЗ-121, навішеного на його передній навісній системі культиватора КОЗР-8,1-01 та навішеної на задній навісній системі бурячної сівалки ССТ-18В, використані рівняння Лагранжа другого роду. За узагальнені координати прийняті відповідні зміщення та кути повороту елементів агрегату х, у, ц₁, ц₂, ц₃.

Складена математична модель для варіанту прямолінійного руху агрега-ту, при в = 0. В процесі руху агрегату ведучим є трактор. Однак основною технологічною машиною в агрегаті є сівалка. Навантаження, які зазнає при цьому варіанті агрегат, не є критичними і характерні для технологічного процесу. Відмінною рисою розробленої математичної моделі є те, що вона дозволяє проаналізувати вплив динаміки складових комбінованого посівного агрегату і змін технічного стану системи керування на стійкість та керованість при виконанні технологічного процесу сівби просапних культур.

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

, (1)

де а₁₁ = m₁ + m₂ + m₃;

а₁₂ = 0;

а₁₃ =

а₁₄ =

а₁₅ =

а₂₁ = 0;

а₂₂ = m₁ + m₂ + m₃;

а₂₃ =

а₂₄ =

а₂₅ =

а₃₁ =

а₃₂ =

а₃₃ =

а₃₅ =

а₄₁ =

а₄₂ =

а₄₅ =

а₅₁ = а₅₂ =

а₅₃ =

а₅₄ =

а₅₅ =

Складові системи диференційних рівнянь (1) f₁, f₂, f₃, f₄ та f₅, які являють собою динамічні функції агрегату (параметри, що залежать від швидкості, часу та переміщень), не наведені в авторефераті, у зв'язку зі значною кількістю аргументів, що входять до них, і займають надто великий обсяг при їх відтворенні.

В процесі обробки експериментальних даних по зміні кутів повороту направляючих коліс, тиску в гідроциліндрах повороту, встановлено, що різноманіття кривих зміни на контрольному відрізку довжиною 100 м з достатнім наближенням може бути описано сімейством синусоїд з амплітудою, відповідно, від 2° до 20° і частотою 5 с^-1. Найбільш часто зустрічаються траєкторії з амплітудою від 10° до 20°.

Зміну кута повороту направляючих коліс, можна представити у вигляді гармонічних функцій:

в = А sin (щt+ш₀), (2)

де А - амплітуда кута повороту; щ - кутова швидкість; ш₀ - фаза.

Експериментальним шляхом також встановлено, що амплітуда кутів повороту направляючих коліс трактора, при виконанні ним технологічної операції в сільськогосподарському виробництві, не перевищує визначеної величини |А| ? 0,21 рад. Діапазон зміни кутових швидкостей коліс визначено на основі подальшого аналізу типових траєкторій. В залежності від швидкостей поступального руху трактора, подвоєну відстань між точками перетину траєкторії з її середньою лінією (період), агрегат проходить за проміжок часу Дt, який і визначає кутову швидкість щ = 1 / Дt. Для машинно-тракторного агрегату, складеного на базі трактора ХТЗ-121, це підтверджується під час руху на першій передачі третього діапазону (х_т = 2,0 м/с) і довжині умовного періоду 100 м. Для теоретичних досліджень одним із характерних законів зміни кута повороту керуючих коліс прийнятий:

в = 0,21 sin (щt+ш₀). (3)

Розроблена математична модель дозволяє досліджувати стійкість руху і керованість як самого трактора, так і складеного на його базі агрегату, у якого робочі машини жорстко закріплені на передній і задній навісних системах.

Дослідження системи рівнянь (1) показало, що для порівняльної оцінки впливу зношеності системи управління достатньо знати залежність кута пово-роту керуючих коліс в від величини сумарних внутрішніх витоків рідини в гідрооб'ємному рульовому керуванні.

Задача моделювання стійкості і керованості руху комбінованого посівно-го машинно-тракторного агрегату вирішена на ЕОМ методом чисельного інтег-рування Рунге-Кутта четвертого порядку в пакеті Matlab 6.5 Release 12.

Координати центру мас першої ланки x і y, а також кути відхилень ц₁, ц₂ і ц₃ безпосередньо визначаються в ході рішення системи рівнянь. А координати центрів мас трактора і культиватора визначаться через рівняння геометричних зв'язків.

При відлагодженні програми в пакеті Matlab 6.5 Release 12 як тестовий закон зміни кута повороту передніх направляючих коліс трактора в обраний синусоїдальний закон. В результаті моделювання руху агрегату одержані графіки відхилення центру мас сівалки від часу (рис. 2,а), кутів повороту рами трактора (рис. 2,б), кутів повороту культиватора при різних частотах впливу механізатора на рульове керування (рис. 2,в), спричинених витоками оливи в гідросистемі трактора через зношення окремих її складових в залежності від часу.



Рис. 2. Залежності за часом:

а) відхилення центру мас сівалки від прямолінійного руху;

б) кутів повороту рами трактора; в) кутів повороту культиватора,

при: 1 - k_в = 0,5 %; 2 ? k_в = 10 %; 3 ? k_в = 20 %; 4 ? k_в = 30 %; 5 ? k_в = 40 %.

Графіки показують, що на протязі часу t відбувається відхилення агрегату від заданої прямолінійної траєкторії та змінюються кути повороту центрів мас трактора та культиватора в залежності від витоків k_в в системі керування.

У третьому розділі «Програма і методика експериментальних дослід-жень» наведена програма і методика лабораторно-стендових та польових ви-пробувань, описані техніка вимірювань, тарування датчиків первинної інфор-мації та дроселя-витратоміра. Для проведення випробувань використовували стандартизоване обладнання та установки, які розроблялися спеціально.

Дросель-витратомір КИ-1097Б тарувався на стенді випробувань гідросистем КИ-4815. Під час тарування за рівні проміжки часу вимірювали об'єм рідини V (м³/с) на виході дроселя з тиском у системі Р=10МПа. Коефіцієнт витоку розраховувався по формулі:

, (5)

де г - питома вага рідини, Н/м³; н - кінематична в'язкість рідини, м²/с.

Для дослідження оцінки експлуатаційно-технологічних показників комбінованого посівного агрегату розроблено методику, яка базується на ГОСТ 24057-80, ГОСТ 24055-88, ГОСТ 7057-2001.

Програмою експериментальних досліджень передбачалось визначення впливу змін технічного стану елементів гідравлічної системи на динамічні характеристики гідрооб'ємного рульового керування. На лабораторній установці проведено ряд досліджень з підтвердження теоретичних розрахунків і вивченню впливу технічного стану системи керування на стійкість і керова-ність комбінованого посівного агрегату (рис. 3) в польових умовах.

Для обробки інформації з датчиків при проведенні досліджень використовувався вимірювально-обчислювальний комплекс з аналого-цифровим перетворювачем MSC-1202-Y3.

Лабораторно-стендові дослідження дали можливість мінімізувати кіль-кість експериментів при польових випробовуваннях.

Проведеними лабораторними дослідженнями та аналізом діапазонів зміни технічних параметрів системи керування встановлено граничні значення витоків рідини із системи гідрооб'ємного рульового керування, при досягненні яких втрачається стійкість руху комбінованого посівного агрегату.

У четвертому розділі «Оцінка результатів експериментальних дослід-жень та розробка методу комплексної оцінки стійкості руху комбінованого агрегату» наведено аналіз результатів експериментальних досліджень, опи-сано конструкцію та принцип дії приладу для контролю технічного стану сис-теми гідрооб'ємного рульового керування орно-просапного трактора при одно-часному виконанні сівби з передпосівною культивацією в реальних умовах роботи.

Для дослідження обрано комбінований агрегат у складі трактора ХТЗ-121 тягового класу 30 кН, навісного культиватора КОЗР-8.1-01, що агрегатувався на передній навісній системі та бурячної сівалки ССТ-18В, яка навішена на його задню навісну систему. Трактори цього класу найбільш поширені в Укра-їні. Дана модифікація призначена для виконання практично всіх видів польо-вих робіт, в тому числі і для сівби просапних культур. Крім цього, трактори даної модифікації мають дві навісні системи, рамну конструкцію остова, об'єднану гідросистему та гідрооб?ємне рульове керування. Сівба цукрових буряків проводилась одночасно з культивацією: глибина загортання насіння - 3,5 см, передпосівної культивації - 4 см.

На комбінованому агрегаті (рис. 4) встановлені датчики тиску 4, кутів повороту передніх направляючих коліс 6, кута повороту керма 1 та контролю тиску в системі гідрооб'ємного рульового керування трактора 2. Витоки імітувалися за допомогою дроселя-витратоміра 3 КИ-1097Б (ДР-70). Показання датчиків реєструвалися контрольно-вимірювальним комплексом (рис. 5).

Рис. 4. Схема розміщення контрольно-вимірювальних приладів і датчиків

При проведенні досліджень особлива увага приділялась гідроприводу рульового керування для визначення закономірностей впливу витоків робочої рідини на стійкість руху комбінованого посівного агрегату.

Для визначення кутів повороту в₁ і в₂ направляючих коліс трактора над цапфами лівого і правого коліс встановлено два датчики повороту. Датчики 6 (рис. 4) закріплено на спеціально виготовлених кронштейнах, які зафіксовані на балці переднього мосту за допомогою болтових з'єднань. З верхніми частинами поворотних цапф коліс трактора датчики зв'язані за допомогою штирів.

Для визначення кутів повороту рульового колеса в_р.к. в кабіні трактора на кожусі рульової колонки змонтований датчик 1 (рис. 4), який за допомогою кабелю підключався до АЦП. Перед встановленням на трактор датчик тарував-ся по куту повороту в лабораторних умовах.

Для імітації витоків із системи гідрооб'ємного рульового керування в гід-ролінію «нагнітання» вмонтований дросель-витратомір КИ-1097Б - 3 (рис. 4), а для контролю тиску Р оливи, що подається в систему керування агрегатом, поряд із дроселем вмонтовано датчик тиску Р910 - 4.

Вся інформація про технічний стан механізму гідрооб'ємного рульового керування та його параметри надходила до вимірювально-обчислювального комплексу (рис. 5), який, як і інші прилади, мав незалежне енергопостачання і встановлений в кабіні трактора.

Рис. 5. Загальний вид і схема розробленого контрольно-вимірювального комплексу:

ДР, Дв₁₁, Дв₁₂, Дв_р.к. - датчики тиску, кутів повороту лівого і правого коліс переднього мосту, кутів повороту рульового колеса відповідно;

АЦП - аналого-цифровий перетворювач; К - комп'ютер (ноутбук);

ПН - перетворювач напруги; АКБ - акумуляторна батарея;

--- -дані; - - - - напруга живлення.

Крім цього комплексу приладів, технічний стан гідрооб'ємного рульово-го керування контролювали за допомогою індикатора контролю тиску оливи, який постійно був підключений до магістралі високого тиску гідроприводу (технологічна пробка переливного гідроклапана). Інформація про стан гідро-об'ємного рульового керування постійно відображалась датчиком тиску, розмі-щеним на панелі приладів в кабіні трактора.

Виробничі випробування проводили у господарствах Сумської області: СТОВ «Вікторія» та ТОВ «Хлібодар». Під час випробувань з встановленим приладом визначення технічного стану рульового керування визначено збільшення продуктивності агрегату на 8,3 % і зменшення погектарної витрати палива на 0,4 літра.

Експерименти з дослідження залежності стійкості руху комбінованого посівного агрегату від зносу системи керування проведено на полі, підготовле-ному до сівби цукрових буряків. За допомогою дроселя-витратоміра КИ-1097Б встановлювали різні за значенням коефіцієнти витоку рідини та давали змогу агрегату рухатись без керуючих дій механізатора. При зміні коефіцієнту витоку рідини k_в від 0,5 до 30 % відхилення комбінованого посівного агрегату від пря-молінійної траєкторії на мірній ділянці довжиною 100 м, без впливу механіза-тора на рульове керування, складало 0,1…1 м, зі швидкістю руху 2,22 м/с.

Експериментальними дослідженнями встановлено, що на стійкість руху, крім коефіцієнту витоків k_в, впливає нерівномірність опорів на культиваторних лапах (k_к =0,18…0,42 кН) та сошниках сівалки (k_c =0,27…0,63 кН), які враховує математична модель. Для забезпечення агротехнічних вимог в роботі комбіно-ваного агрегату, люфт рульового колеса повинен знаходитись в межах 20°. Збільшення k_в > 30 % рульового керування трактора ХТЗ-121 веде до збільшен-ня близько 42 % кількості керуючих впливів з боку механізатора на рульове керування. При збільшенні витоків до 40 % інтенсивність впливів механізатора на рульове колесо різко зростає.

Із рис. 6 видно, що витоки в середині контуру гідрооб'ємного рульового керування аналогічним чином впливають на стійкість руху комбінованого посівного агрегату.

Розробленими методами для визначення стійкості руху комбінованого агрегату та приладом для його контролю обґрунтовані допустимі значення гра-ничних відхилень траєкторії руху (середньоквадратичне відхилення у ? 3).

Відхилення центру мас сівалки від необхідної траєкторії, що в цілому позначається на прямолінійності рядків посіву, може бути описане у вигляді емпіричних функцій:

(6)

де 28 - коефіцієнт переводу, м/(л/хв)²; Q_в.max - максимальне значення витоків, л/хв; ? - частота впливів механізатора на рульове керування, Гц; ДQ_в - зміна значення витоків, л/хв; Т - час, за який агрегат проходить контрольний відрізок, с.

Розходження між результатами розрахунку та отриманими апроксима-цією експериментальних залежностей не перевищує 7,2 %.

Для перевірки адекватності математичної моделі порівнювали спектраль-ні щільності траєкторії руху елементів агрегату, які отримані в результаті вико-нання теоретичних та експериментальних досліджень. Така методика обґрунто-вана та використана в роботах А.Б. Лур'є, В.Т. Надикто.

Спектральну щільність реалізації випадкового процесу визначали із виразу:

. (7)

Всі складові даного рівняння мають позначення згідно методики, розробленої Дж. Бендат і А. Пірсол.

Результати розрахунку спектральних щільностей для серії досліджень і відповідно до неї результати розрахунку математичної моделі руху комбінованого посівного агрегату наведені на рис. 7.



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 5,2 %. Це свід-чить про адекватність розробленої математичної моделі руху комбінованого посівного агрегату.

ВИСНОВКИ

В дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукового завдання, що відтворено в математичному моделюванні стійкості руху комбінованого посівного агрегату, створеного на базі орно-просапного трактора і одноопераційних сільськогосподарських машин, навішених на передній і задній навісних системах, як процесу нелінійної динаміки трьохмасової механічної системи з керованим збудженням. Це дозволило підвищити ефективність експлуатації комбінованих посівних агрегатів на базі тракторів класу 30 кН з рамною конструкцією остова.

1. Аналізом результатів досліджень встановлено, що використання комбінованих сільськогосподарських агрегатів ефективне при суміщенні техно-логічних операцій з вирощування просапних культур. Передпосівний обробіток ґрунту та сівба пов'язані з великими матеріальними витратами та навантажен-нями, які впливають на динамічну систему трактор-знаряддя та стійкість руху комбінованого агрегату в цілому. Підвищення стійкості руху комбінованих посівних агрегатів на базі тракторів, які мають рамну конструкцію остова та об'єднану гідравлічну систему, при зміні технічного стану гідрооб'ємного рульового керування не досліджувались. У зв'язку з цим, доцільно провести теоретичні та експериментальні дослідження стійкості та керованості руху комбінованих посівних агрегатів при виконанні технологічного процесу.

2. Використання розробленої математичної моделі забезпечило розв'язок нового наукового завдання, направленого на обґрунтування закономірностей стійкості руху комбінованого посівного агрегату, підвищення продуктивності та зниження витрат в технологічному процесі сівби. Розроблена модель меха-нічної системи «культиватор-трактор-сівалка» дозволяє досліджувати стійкість руху комбінованих посівних агрегатів в реальних умовах. За допомогою мате-матичної моделі руху комбінованого агрегату обґрунтовано раціональні траєк-торії руху його елементів, які підвищують стійкість та керованість.

3. Встановлено, що найбільше впливає на стійкість руху нестабільність коефіцієнту витоків k_в гідрооб'ємного рульового керування, нерівномірність опорів переміщенню агрегату на культиваторних лапах (k_к = 0,18…0,42 кН) та сошниках сівалки (k_c = 0,27…0,63 кН), які враховує розроблена математична модель руху комбінованого посівного агрегату. Щоб забезпечити виконання агротехнічних вимог в роботі комбінованого агрегату, люфт рульового колеса повинен знаходитись в межах 20°. Збільшення k_в > 30 % рульового керування трактора ХТЗ-121 з культиватором КОЗР-8.1-01 і сівалкою ССТ-18В веде до збільшення близько 42 % кількості керуючих впливів з боку механізатора на рульове керування.

4. Польовими дослідженнями встановлено, що при зміні коефіцієнту витоку рідини k_в від 0,5 до 30 % відхилення комбінованого посівного агрегату від прямолінійної траєкторії на контрольній ділянці - 100 м, без впливу меха-нізатора на рульове керування, складає 0,1…1,0 м, при швидкості руху 2,22 м/с. Для розрахунку зменшення некерованого руху комбінованого агрегату вико-ристано математичну модель, згідно якої встановлено, що гранична межа коефіцієнта витоків оливи із гідросистеми трактора k_в = 30 %.

5. Розробленими методами визначення стійкості руху комбінованого посівного агрегату і приладом його контролю обґрунтовані допустимі значення граничних відхилень траєкторії руху (середньоквадратичне відхилення у ? 3) по ширині захвату агрегату. Зношування складових гідрооб'ємного рульового керування призводить до погіршення параметрів руху комбінованого посівного агрегату. При збільшенні витоків до 40 % інтенсивність впливів механізатора на рульове колесо різко зростає.

6. Експериментальними дослідженнями в лабораторних та польових умо-вах підтверджена адекватність математичної моделі у відповідності до реаль-них умов експлуатації та задовільна відповідність розрахункових і експеримен-тальних результатів (похибка, в середньому, не перевищує 7,2 %). Розбіжність між теоретичною і експериментальною спектральною щільністю траєкторій руху елементів агрегату становить не більше 5,2 %, що підтверджує адекватність мате-матичної моделі.

7. На основі результатів виконаної роботи обґрунтовано рекомендації з використання комбінованих посівних агрегатів та допустимих параметрів технічного стану гідрооб'ємного рульового керування тракторів моделі ХТЗ-121 та їх модифікацій, за яких виконуються агротехнічні вимоги технологічного процесу сівби цукрового буряка. Розроблені рекомендації покладені в основу технологічних процесів «Технологічних карт на вирощування сільськогосподарських культур», вперше розроблених в Харківському національному технічному університеті імені Петра Василенка, і рекомендованих Головним управлінням агропромислового розвитку Харківської і Сумської обласних державних адміністрацій для використання в агроформуваннях областей.

8. Результатами експлуатаційних випробувань у ТОВ «Хлібодар» і СТОВ «Вікторія» Сумської області комбінованого посівного агрегату в складі трактора ХТЗ-121, культиватора КОЗР-8,1-01 і бурячної сівалки ССТ-18В з встановленим приладом визначення технічного стану рульового керування визначено збільшення продуктивності агрегату на 8,3 % і зменшення погектар-ної витрати палива на 0,4 літра. Це забезпечило річний економічний ефект, з урахуванням додатково отриманої продукції, від впровадження пристрою на суму 4410,84 грн на один агрегат. Пристрій контролю технічного стану гідрооб'ємного рульового керування передано у відділ Головного конструктора ВАТ ”ХТЗ” для використання в процесі модернізації тракторів та при розробці нових моделей.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ярошенко П. М. Дослідження деяких параметрів гідрооб'ємного рульового керування трактора ХТЗ-121 / П. М. Ярошенко // Вісник Сумського державного аграрного університету. - Суми, 1999. - Вип. 3. ? с. 125-127.

2. Ярошенко П. М. Про поворотливість трактора з гідрооб'ємним рульовим керуванням / П. М. Ярошенко // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Серия НРСТ. - Харьков, 1999. - Вып. 45. ? с. 31-32.

3. Ярошенко П. М. Про керованість і стійкість руху колісного трактора з гідрооб'ємним рульовим керуванням / П. М. Ярошенко // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. ХГПУ. - Харьков, 1999. - Вып. 32. ? с. 31-34.

4. Ярошенко П. М. Забезпечення функціональної стабільності гідроприводу рульового керування тракторів типу ХТЗ-121 і його модифікацій / П. М. Ярошенко // Тракторная энергетика в растениеводстве. Сб. научн. трудов. - Харьков, 1999. ? с. 198-201.

5. Ярошенко П. М. Стабілізація прямолінійного руху трактора з гідрооб'ємним рульовим керуванням при виконанні польових робіт / П. М. Ярошенко // Вісник Сумського державного аграрного університету. - Суми, 2000. - Вип. 5. ? с. 46-50.

6. Федосов О. С., Ярошенко П. М. Вплив об'ємної подачі рідини в рульовому керуванні колісного трактора на керованість / О. С. Федосов, П. М. Ярошенко // Вісник Сумського державного аграрного університету. - Суми, 2001. - Вип. 6. - с. 162-165.

7. Ярошенко П. М. Математична модель гідрооб'ємного рульового керування трактора ХТЗ-121 на основі передаточних функцій / П. М. Ярошенко // Тракторная энергетика в растениеводстве. - Харьков, ХГТУСХ, 2003. - Вып. 6. ? с. 57-60.

8. Артьомов М. П., Лебедєв А. Т., Ярошенко П. М. Стійкість руху комбінованого посівного агрегату / М. П. Артьомов, А. Т. Лебедєв, П. М. Яро-шенко / Вісник ХНТУСГ. Тракторна енергетика в рослинництві. - Харків, 2007. - Вип. 60. ? с. 58-63.

9. Ярошенко П. М. Математична модель комбінованого посівного агрегату / П. М. Ярошенко // Вісник Сумського національного аграрного університету. - Суми, 2008. - Вип. 3(19). ? с. 62-66.

10. Артьомов М. П., Ярошенко П. М. Вплив динаміки та механіко-технологічних властивостей на функціональну стабільність машинно-тракторних агрегатів / М. П. Артьомов, П. М. Ярошенко // Збірник наукових праць Харківського національного технічного університету сільського господарства. - Харків, 2008. - Вип. 75, том 1 ? с. 495-500.

11. Артьомов М. П., Ярошенко П. М. Про гідрооб'ємні рульові керування тракторів класу 30кН / М. П. Артьомов, П. М. Ярошенко //Сборник тезисов по материалам 15-й Международной научно-методической конференции ”Технологии ХХІ века”. - Алушта, 2009. ? с. 8-9.

12. Артьомов М. П., Ярошенко П. М. Математична модель руху комбінованого посівного агрегату / М. П. Артьомов, П. М. Ярошенко // Праці Таврійського державного агротехнологічного університету. - Мелітополь, 2010. - Вип. 10, том 7. ? с. 119-125.

АНОТАЦІЇ

Ярошенко П. М. Підвищення стійкості руху комбінованих посівних агрегатів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка Міністерства аграрної політики та продовольства України. Харків, 2011.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми підвищення стійкості руху комбінованих посівних агрегатів на базі орно-просапного трактора тягового класу 30 кН із гідрооб'ємним механізмом рульового керування. Для наукового вирішення поставленого завдання розроблено математичну модель руху комбі-нованого посівного агрегату, яка дозволяє оцінити вплив параметрів і технічно-го стану гідрооб'ємного рульового керування на стійкість руху при виконанні технологічного процесу. Запропоновано методику контролю технічного стану системи керування агрегатом. Експериментальні результати використані під час модернізації та розробки нових схем комплектування машинно-тракторних агрегатів на базі тракторів, що мають об'єднану гідравлічну систему, а також покладені в основу технологічних процесів по режимах роботи комбінованих посівних агрегатів.

Ключові слова: комбінований посівний агрегат, стійкість руху, гідрооб'ємне рульове керування, технічний стан.

Ярошенко П. М. Повышение устойчивости движения комбинированных посевных агрегатов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйст-венного производства. - Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенка Министерства аграрной политики и продовольствия Украины. Харьков, 2011.

Диссертация посвящена решению проблемы повышения устойчивости движения комбинированных посевных агрегатов на базе пахотно-пропашного трактора тягового класса 30 кН с гидрообъемным механизмом рулевого управ-ления. Анализ современного состояния данной проблемы показал ее актуаль-ность как в научном, так и в практическом значении для сельскохозяйственного производства Украины.

Для научного решения поставленной задачи разработана математическая модель движения комбинированного посевного агрегата, которая позволяет оценить влияние параметров и технического состояния гидрообъемного руле-вого управления на устойчивость движения при выполнении технологического процесса.

Анализ результатов математического моделирования определил, что жесткое навешивание культиватора спереди и сеялки сзади снижает управляе-мость агрегата в целом по сравнению с прицепным агрегатом, но при этом уве-личивает устойчивость движения при проведении процесса сева технической культуры.

После обработки данных эксперимента по изменению углов поворота направляющих колес, а также изменению давления в гидроцилиндрах поворо-та, установлено, что изменения тректории движения с достаточным приближе-нием может быть описано семейством синусоид с амплитудой, соответственно, от 2° до 20° и частотой 5 с^-1.

Для расчета неуправляемого движения комбинированного агрегата разра-ботана математическая модель. Установлено, что предельное значение коэффи-циента утечки масла из гидросистемы трактора k_в = 30 %. Увеличение коэффи-циента утечек k_в > 30 % из рулевого управления трактора ХТЗ-121, который аг-регатируется с культиватором КОЗР-8.1-01 и сеялкой ССТ-18В, ведет к увели-чению до 42 % количества управляющих воздействий на рулевое управление со стороны механизатора.

Предложена методика контроля технического состояния системы упра-ления агрегатом. Экспериментальными исследованиями установлено, что раз-работанная система контроля технического состояния системы гидрообъемного рулевого управления комбинированного агрегата обеспечила увеличение про-изводительности на 8,3 % и уменьшение погектарного расхода топлива на 0,4 л.

Результаты экспериментальных исследований использованы при разра-ботке технологических процессов для комбинированных посевных агрегатов и новых схем комплектования машинно-тракторных агрегатов.

Ключевые слова: комбинированный посевной агрегат, устойчивость движения, гидрообъемное рулевое управление, техническое состояние.

P. Yaroshenko. Increase of stability motion of the combined sowing asms. - Manuscript.

Dissertation on the competition of scientific degree of candidate of engineerings sciences on speciality 05.05.11 - machines and facilities of mechanization of agricultural production. ? The Kharkiv national technical university of agriculture the name of Peter Vasilenko Ministries of agrarian policy and food of Ukraine. Kharkiv, 2011.

The dissertation is delikated of the design of the problem of stability motion of combined sowing unit on base of the arable-cultivated tractor of hauling class 30 кН with hydrovolumetric mechanism of steering control. The mathematical model of motion of the combined sowing unit, which allows to estimate the influence of parameters and technical state of hydrovolumetric steering control bu motion stability of technological process, was developed for this problem solving. The methods of control of the technical state of steering system of unit is presented. Experimental results drawn on during modernization and development of new charts of completing of machine-tractor asms on the base of tractors which have the incorporated hydraulic system, and also fixed in basis of technological processes on the modes of operations of the combined sowing asms.

Keywords: combined sowing asm, stability of motion, hydrovolumetric steering management, technical state.

Размещено на Allbest.ru

...