Экспериментальные исследования силового воздействия на рабочие органы и приводы зерноуборочных комбайнов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАБОЧИЕ ОРГАНЫ И ПРИВОДЫ ЗЕРНОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ

А.Д. Дьяченко

доктор технических наук, профессор

В.В. Беднарский

кандидат технических наук, доцент

В.А. Коломыца

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

Д.В. Лайко

кандидат технических наук, доцент

Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт

имени А. К. Кортунова

Донского государственного аграрного университета

Целью исследований являлось изучение динамики нагрузок на рабочие органы и исполнительные механизмы зерноуборочных комбайнов. Исследования проводились по методикам, разработанным во Всесоюзном институте сельскохозяйственного машиностроения и Кубанском научно-исследовательском испытательном институте тракторов и машин. В процессе исследований силовых воздействий на рабочие органы и приводы зерноуборочных комбайнов были разработаны схемы установки преобразователей механических величин (силовых воздействий) в электрические. Наряду с этим по указанным методикам был проведен выбор применяемой аппаратуры, даны оценка погрешностей измерений и обоснование плана выполнения испытаний, обеспечивающих достоверность результатов, а также агрооценка фона и технологического процесса. В результате экспериментальных исследований получены такие параметры, как крутящие моменты, действующие на вращающиеся рабочие органы (молотильный барабан, мотовила и роторы зерноуборочных комбайнов, роторы и измельчители кормоуборочных комбайнов, травяных косилок, зерновые и колосовые шнеки). Измерялись и крутящие моменты на ведущих колесах зерноуборочных, кормоуборочных комбайнов и тракторов сельскохозяйственного назначения. На основании полученных результатов сделан вывод о том, что динамика нагрузок на рабочие органы и исполнительные механизмы зерноуборочных комбайнов в большинстве случаев имеет нелинейный характер, а силовые и энергетические параметры зерноуборочных комбайнов в рабочих режимах движения с небольшими скоростями заметно ниже, чем в транспортных режимах с более высокими скоростями, и данное обстоятельство необходимо учитывать при проектировании гидромеханических трансмиссий зерноуборочных комбайнов.

Ключевые слова: гидравлический привод, кинематические параметры, статистические характеристики, проектирование гидромеханических трансмиссий, процессы нагружения рабочих органов.

А.D. Dyachenko, V.V. Bednarsky, V.A. Kolomytsa, D.V. Layko

Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrarian University

EXPERIMENTAL STUDIES OF THE POWER IMPACT ON WORKING BODIES AND DRIVES OF COMBINE HARVESTERS

The aim of research was to study the loading dynamics on the working bodies and actuator mechanisms of combine harvesters. The studies were conducted according to the procedures developed by the All-Union Institute of Agricultural Engineering and Kuban Research Institute of Tractors and Machinery. In the process of research of force impacts on the working bodies and drives of combine harvesters installation schemes of transducers of mechanical quantities (force impacts) into electrical ones have been designed. Along with this, by above procedures the choice of acquired equipment has been performed, error estimation evaluation and justification of performance test plan ensuring the accuracy of results, as well as background agri-estimation and technological process have been done. As a result of experimental studies such parameters as torque acting on the rotating working bodies (threshing drum, reel and rotors of combine harvesters, rotors and shredders of forage harvesters, grass mowers, grain and tailing screws) have been obtained. Torques on the drive wheels of grain, forage harvesters and tractors for agricultural purposes have been measured. On the basis of the obtained results a conclusion is made that the loading dynamics on the working bodies and actuators of combine harvesters in the majority of cases have a non-linear character, and the power and energy parameters of combine harvesters in the operating modes of motion at low speed is much lower than in the transport modes with a higher speed, and this fact must be considered when designing hydromechanical transmissions of combine harvesters.

Keywords: hydraulic drive, kinematic parameters, statistical characteristics, the design of hydromechanical transmission, the process of loading of the working bodies.

Введение

Одним из направлений повышения энергонасыщенности сложных сельскохозяйственных машин является замена механических передач для привода рабочих органов гидравлическими. Создание конкурентоспособных на мировом рынке сельскохозяйственных машин является актуальной задачей, и решение этой задачи в первую очередь связано с вопросами повышения надежности. Становится непозволительной роскошью эксплуатировать зерноуборочные комбайны, у которых 50 % рабочего времени приходится на простои, связанные с недостаточным техническим уровнем и низкой надежностью. Следует отметить низкую надежность элементов приводов, так как при эксплуатации современных сельскохозяйственных машин 30 % отказов приходится на эту группу механизмов [1, 2].

Однако тормозом полной гидрофикации сельскохозяйственных машин является отставание отечественной промышленности в области производства гидронасосов и гидромоторов необходимой мощности и недостаточный ресурс их эксплуатации. Но не менее важной причиной отсутствия таких машин является то, что практически нет исследований сложных пространственных гидроприводов и, следовательно, методик их расчета и проектирования [1, 2].

В последние годы для привода ходовой части в зарубежных и отечественных самоходных сельхозмашинах, а также при агрегатировании энергонасыщенного трактора с машинами и орудиями, имеющими активные рабочие органы, все больше применяется гидрообъемный привод. Среди зарубежных фирм, широко применяющих трансмиссии с гидрообъемным приводом, следует отметить такие, как International Harvester, Allis Chaimers, John Deere, Claas, Deutz Fahz, Massey-Ferguson [3].

Как известно, гидрообъемный привод имеет ряд существенных преимуществ перед клиноременным вариатором: большую способность компоновки, возможность передачи большой мощности, широкий диапазон бесступенчатой регулировки скорости комбайна (реверсирование), долговечность и надежность, что немаловажно при проектировании и создании мобильных сельхозмашин.

Исследованиями С. А. Алферова, Ю. В. Гринькова, Л. М. Грошева, В. В. Радина, И. В. Игнатенко, А. А. Тумакова, С. А. Юниченко, В. Б. Альчина, В. И. Майстренко, Н. П. Погорелова, В. К. Аснача установлено, что надежность элементов конструкций сельскохозяйственных машин тесно связана с динамическими явлениями, сопутствующими функционированию машины. Опыт эксплуатации авиационной, станочной и сельскохозяйственной техники показывает, что значительный процент отказов в работе обусловлен разрушением соединений трубопроводов. Следовательно, соединение трубопроводов - наиболее слабое звено в гидравлических системах машин. Поэтому исследование условий работы сельхозмашин и тракторов является одной из важных и актуальных задач современного машиностроения и дает возможность моделировать происходящие в гидросистемах процессы на стадии проектирования, а также создавать надежные конструкции соединения трубопроводов [4-6].

В связи с этим целью исследований являлось изучение динамики нагрузок на рабочие органы и исполнительные механизмы зерноуборочных комбайнов.

Материалы и методы

Объект исследований - зерноуборочные комбайны с гидравлическим приводом. Экспериментальные исследования силового воздействия на рабочие органы и приводы зерноуборочных комбайнов проводились на полях в соответствии с методиками, разработанными во Всесоюзном институте сельскохозяйственного машиностроения (ВИСХОМ), Кубанском научно-исследовательском испытательном институте тракторов и машин (КубНИИТиМ). Эти методики включали порядок проведения исследований, выбор применяемой аппаратуры, оценку погрешностей измерений, обоснование плана проведения испытаний, обеспечивающих достоверность результатов, а также агрооценку фона и технологического процесса [7-9].

Разработку оптимального плана экспериментальных исследований покажем на примере исследования крутящего момента, возникающего на молотильном барабане зерноуборочного комбайна. С учетом эффектов воздействия различных параметров на среднее значение крутящего момента было принято уравнение регрессии:

, (1)

где - крутящий момент барабана, кН·м;

- коэффициенты функции отклика;

- подача хлебной массы, кг/с;

- зазор между бичами и подбарабаньем на входе молотильного агрегата, м;

- средняя влажность хлебной массы, %.

Полный факторный эксперимент типа 2³ должен содержать минимальное число опытов = 8. Характеристика опытов по такому факторному эксперименту для различных возможных технологических режимов представлена в таблице 1.

Аналогично был построен план факторного эксперимента с целью установления уравнения регрессии для крутящего момента на ведущем колесе зерноуборочного комбайна ACROS 550 для транспортных режимов. Характеристика факторов для транспортных режимов комбайна ACROS 550 представлена в таблице 2.

Таблица 1 - Характеристика факторов в технологических режимах работы комбайна ACROS 550

Таблица 2 - Характеристика факторов для транспортных режимов комбайна ACROS 550

Результаты и обсуждение

По результатам опытов с молотильным барабаном вначале была исследована модель первого порядка вида:

. (2)

Как видим, наибольшее влияние оказывает фактор (подача хлебной массы). Оценка значимости коэффициентов регрессии показала, что все коэффициенты статически значимы. Оценка адекватности модели (2) по критерию Фишера показала, что: .

Следовательно, модель (2) неадекватно описывает экспериментальный материал, поиск адекватной функции с помощью стандартных программ привел к модели (1):

. (3)

Использование нелинейной модели (3), полученной на основе факторного эксперимента, значительно повышает точность аппроксимации. Коэффициент множественной корреляции здесь составляет = 0,99.

Качество функционирования зерноуборочных комбайнов регламентируется соответствующими агротехническими требованиями. Реализация этих требований в условиях полной гидрофикации зерноуборочных комбайнов, естественно, осуществляется их гидравлическими приводами [10-12].

Экспериментальные исследования проводились с целью решения следующих основных задач:

- получить материал по нагрузкам на рабочие органы и исполнительные механизмы зерноуборочных комбайнов;

- систематизировать полученный в ходе экспериментов материал и сформировать базу данных по нагрузкам в гидросистемах зерноуборочных комбайнов.

В ходе экспериментов регистрировались следующие основные параметры: крутящие моменты, действующие на вращающиеся рабочие органы (молотильный барабан, мотовило, зерновоз и колосовой шнек), а также крутящие моменты на ведущих колесах комбайна. Для измерения этих параметров использовались тензовалы, тензошкивы, тензомуфты. При измерении сил, действующих на объекты возвратно-поступательного действия (режущие аппараты, штоки гидроцилиндров), использовались тензометрические вставки: тензоманометры или тензометры. В качестве системы регистрации применялись тензометрические усилители и магнитоэлектрические осциллографы. Компьютерная техника тензостанции использовалась для оперативного получения нагрузочных характеристик. Угловые и линейные скорости оценивались посредством тахогенераторов, индуктивных датчиков импульсов.

Экспериментальные исследования нагружения различных сельскохозяйственных машин показали, что большинство процессов нагружения их рабочих органов и механизмов являются нестационарными случайными. В связи с этим при обработке экспериментального материала оказалось целесообразным на отдельных отрезках количества собранного урожая центрировать эти процессы и отдельно рассматривать постоянную составляющую, а переменную относить к стационарным случайным процессам. При этом зависимость средних значений нагрузок и кинематических параметров от режимов и условий эксплуатации зерноуборочных комбайнов определялась посредством методов планирования экспериментов. Статистические характеристики случайного нагружения получены при помощи методов обработки экспериментального материала с позиций теории стационарных случайных процессов.

Рисунок 1 - График переходных процессов в механизме привода при движении по пересеченной местности

На рисунках 1 и 2 представлены типичные графики и осциллограммы переходных процессов крутящих моментов и усилий, возникающих в исполнительных механизмах зерноуборочных комбайнов ACROS 550.

силовое воздействие зерноуборочный комбайн

Рисунок 2 - Изменение усилия на штоке гидроцилиндра копнителя

Из осциллограмм процесса пуска были определены также коэффициенты динамичности нагрузки () как отношение максимального момента () или силы () в исполнительном механизме к среднему значению этих параметров ( и ) в период установившегося движения при выполнении технологического процесса:

или .

В связи с тем, что и зависят от параметров технологических процессов, выполняемых машиной (скорости передвижения, глубины обработки почвы, зазоров в молотильном барабане и т. д.), в таблице 3 представлены значения с учетом этого обстоятельства.

Таблица 3 - Параметры динамических нагрузок

Если обозначить скорость роста пусковой нагрузки , то в общем случае можно записать:

или . (4)

Так как аналитические выражения для и в ряде случаев получить затруднительно, дифференцирование в формулах (4) производилось численно, в конечных интервалах, т. е. по выражениям:

или ,

где , - приращение силовых факторов на -м участке;

- выбираемый интервал, т. е. интервал квантования времени.

Интервал выбирался с таким учетом, чтобы определить не менее десяти значений . Вычисление позволило получить максимальную величину роста скорости пусковой нагрузки (таблица 3).

Анализ осциллограмм переходных процессов показал, что их продолжительность зависит от упругодиссипативных характеристик гидромеханических систем зерноуборочных комбайнов. При этом продолжительность нарастания нагрузки составляет от 2 до 13 % общего времени процесса.

Параметры силовых воздействий в механизмах при установившихся режимах их функционирования рассмотрены раздельно в зависимости от вида движения, совершаемого их исполнительными звеньями: поступательного, вращательного, возвратно-поступательного.

На рисунке 3 представлены в качестве примера графики изменения крутящего момента в приводе режущего аппарата зерноуборочного комбайна ACROS 550 в зависимости от подачи ножа .

Рисунок 3 - Графики изменения крутящего момента в приводе режущего аппарата зерноуборочного комбайна ACROS 5501 - нож с насеченным сегментом, острота - 1,3 10-⁴ м; 2 и 3 - с гладким сегментом, острота - 3,0 10-⁴ м

Средние значения крутящих моментов на ходовых колесах зерноуборочного комбайна ACROS 550 представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Средние значения на ходовых колесах зерноуборочного комбайна ACROS 550

Эксперименты проводились при полной загрузке бункера комбайна и движении по стерне с различным уклоном поля (учитывался микрорельеф), а также по проселочной дороге на различных скоростях движения. В таблице 4 указаны средние значения на одном ходовом колесе, а также суммарная мощность, затраченная только на передвижение комбайна.

Анализ результатов, приведенных в таблице 4, показывает, что силовые и энергетические параметры зерноуборочных комбайнов в рабочих режимах движения с небольшими скоростями заметно ниже, чем в транспортных режимах с более высокими скоростями. Данное обстоятельство целесообразно учитывать при проектировании гидромеханических трансмиссий зерноуборочных комбайнов.

Представление о характере изменения крутящего момента на молотильном барабане зерноуборочного комбайна ACROS 550 дано на рисунке 4.

Зависимость крутящего момента на мотовиле зерноуборочного комбайна ACROS 550 от изменения отношения скорости мотовила к скорости движения комбайна показана на рисунке 5.

Рисунок 4 - Зависимость крутящего момента М_К на молотильном барабане зерноуборочного комбайна ACROS 550: а - от подачи хлебной массы q; б - зазора между бичами и подбарабаньем h; в - окружной скорости бичей W_б

Рисунок 5 - График изменения крутящего момента на мотовиле зерноуборочного комбайна ACROS 550 при изменении отношения скорости мотовила V_м к скорости комбайна V_к

Выводы

1. Влияние различных технологических параметров на средние значения процессов нагружения объемного гидравлического привода зерноуборочных комбайнов носит в большинстве случаев нелинейный характер.

2. С увеличением ширины захвата жатки, подачи массы в молотильный аппарат средние значения силовых факторов возрастают.

3. Средние значения крутящего момента и мощности на ходовом колесе в рабочих режимах движения комбайна существенно ниже, чем в транспортных.

4. С увеличением скорости движения зерноуборочных комбайнов и высоты неровностей рельефа поля средние значения нагрузок на штоках гидроцилиндров механизмов позиционирования зерноуборочных комбайнов увеличиваются. При двукратном увеличении скорости движения комбайна нагрузки на штоках гидравлических цилиндров увеличиваются в 1,2-1,5 раза.

5. Спектр нагрузок в механизмах привода на ход зерноуборочных комбайнов существенно зависит от агрофона движения и отличается при перемещении по стерне и по проселочным дорогам.

6. Полученный в результате экспериментальных исследований материал и систематизация динамических нагрузок в исполнительных механизмах зерноуборочных комбайнов может быть использован при проектировании, расчетах и выборе форм рабочих органов почвообрабатывающих машин, а также разработке мероприятий и рекомендаций по повышению надежности гидравлических систем комбайнов.

Список использованных источников

1 Грошев, Л. М. Надежность сельскохозяйственной техники / Л. М. Грошев, Н. Ф. Дмитриенко, Т. И. Рыбак. - Киев: Урожай, 1990. - 192 с.

2 Надежность сельскохозяйственной техники: учеб. пособие / Б. К. Моминбаев [и др.]. - Алма-Ата: Кайнар, 1990. - 200 с.

3 Лысов, А. М. Применение гидрообъемного привода в трансмиссиях зарубежных зерноуборочных комбайнов / А. М. Лысов // Тракторы и сельхозмашины. - 1982. - № 2. - С. 35-38.

4 Мартынов, А. В. Энергонасыщенность объемного гидропривода ходовой части самоходной косилки-плющилки / А. В. Мартынов, А. Ф. Детина, И. М. Карабанов // Тракторы и сельхозмашины. - 1991. - № 9. - С. 35-37.

5 Грошев, Л. М. Исследование динамики несущих систем зерноуборочных машин: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 05.06.01 / Грошев Леонид Матвеевич. - Ростов н/Д., 1982. - 30 с.

6 Аснач, В. К. Основные направления гидрофикации сельхозмашин / В. К. Аснач, В. В. Ведерников // Тракторы и сельхозмашины. - 1988. - № 11. - С. 48-50.

7 Ногорелый, Л. В. Инженерные методы испытания сельскохозяйственных машин / Л. В. Ногорелый. - Киев: Техника, 1981. - 176 с.

8 Динамика машин и управление машинами: справочник / В. К. Асташев [и др.]; под ред. Т. В. Крейнина. - М.: Машиностроение, 1988. - 279 с.

9 Основы проектирования сельскохозяйственных машин: учебник / Ю. И. Ермольев, А. Д. Чистяков, В. А. Андросов, А. А. Баранов, А. И. Вальтер; под ред. Ю. И. Ермольева. - Тула: Грифик, 2006. - 604 с.

10 Румянцев, Е. К. Выбор скоростных диапазонов объемного гидропривода ходовой части зерноуборочных комбайнов / Е. К. Румянцев // Тракторы и сельхозмашины. - 1988. - № 1. - С. 29-32.

11 Ловкис, Э. В. Гидроприводы сельскохозяйственной техники: конструкции и расчет / Э. В. Ловкис. - М.: Агропромиздат, 1990. - 210 с.

12 Навроцкий, К. Л. Теория и проектирование гидро- и пневмоприводов / К. Л. Навроцкий. - М.: Машиностроение, 1991. - 345 с.

References

1 Groshev L.M., Dmitrienko N.F., Rubak T.I. 1990. Nadezhnost selskokhozyaystven-noy tekhniki [Reliability of Agricultural Machinery]. Kiev, Harvest Publ., 192 p. (In Russian).

2 Mominbaev B.K. 1990. Nadezhnost selskokhozyaystvennoy tekhniki: uchebnoe poso-bie [Reliability of Agricultural Machinery: textbook]. Alma-Ata,Kaynar Publ., 200 p. (In Russian).

3 Lisov A.M. 1982. Primenenie gidroobemnogo privoda v trabsmissiyakh zarubezh-nykh zernouborochnykh kombainakh [Application of hydrostatic drive in transmissions in foreign combine harvesters]. Traktory i selkhozmachiny [Tractors and Farm Machinery]. no. 2, pp. 35-38. (In Russian).

4 Martynov A.V., Detina A.F., Karabanov I.M. 1991. Energonasushchennost obemnogo gidroprivoda khodovoy chasti samokhodnoy kosilki-plyushchilki [Power ratio of hydrostatic power drive of chassis of self-propelled mower-conditioner]. Traktory i selkhozmashiny [Tractors and Farm Machinery]. no. 9, pp. 35-37. (In Russian).

5 Groshev L.M. 1982. Issledovanie dinamiki nesushchikh sistem zernouborochnykh mashin: Avtoreferat diss. doctor s.-kh. nauk [Investigation of frame dynamics of combine machines: Abstract. Dis.dr. tehn. sciences]. Rostov n/D., 30, p. (In Russian).

6 Asnach V.K., Vedernikov V.V. 1988. Osnovnye napravleniya gidrofikatsii selkhozmashin [Basic directions of hydrofication of agricultural machines]. Traktory i selhkoznashiny [Tractors and Farm Machinery]. no. 11, pp. 48-50. (In Russian).

7 Nogorely L.V. 1981. Inzhenernye metody ispytaniya selskokhozayystvennykh mashin [Engineering testing methods of agricultural machines]. Kiev, Engineering Publ., 176 p. (In Russian).

8 Astashev V.K. 1988. Dinamika mashin i upravlenie mashinami: spravochnik [Dynamics of Machines and Machine Control: a handbook]. Moscow, Engineering Publ., 279 p. (In Russian).

9 Ermoliev Y.I., Chistyakov A.D., Androsov V.A., Baranov A.A., Walter A.I. 2006. Osnovy proektirovaniya selskokhozyaystvennykh mashin: uchebnik [Fundamentals of Agricultural Machinery: the textbook]. Tula, Grifik Publ., 604 p. (In Russian).

10 Rumyantsev Ye.K. 1988. Vybor skorostnykh diapazonov obemnogo gidroprivoda khodovoy chasti zerbouborochnykh kombainov [Selection of Speed Ranges of Hydraulic Drive of Combine Harvesters Chassis]. Traktory i Selkhozmashiny [Tractors and Farm Machinery]. no. 1, pp. 29-32. (In Russian).

11 Lovkis Ye.V. 1990. Gidtoprivody selskokhozyaystvennoy tekhniki:konstruktsii i raschet [Hydraulic Drives of Agricultural Machinery: design and calculation]. Moscow, Agropromizdat Publ., 210 p. (In Russian)

12 Nawrotskiy K.L. 1991. Teoriya i proektirovanie gidro-pnevmoprivodov [Theory and Design of Hydraulic and Pneumatic Drives]. Moscow, Engineering Publ., 345 p. (In Russian).

Размещено на Allbest.ru