К вопросу оценки технико-эксплуатационных параметров работы дождевальной машины "Фрегат" на орошаемом участке со сложным микрорельефом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(27), 2017 г., [43-60]

УДК 631.347.4

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации

К ВОПРОСУ ОЦЕНКИ ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ДОЖДЕВАЛЬНОЙ МАШИНЫ «ФРЕГАТ» НА ОРОШАЕМОМ УЧАСТКЕ СО СЛОЖНЫМ МИКРОРЕЛЬЕФОМ

А.А. Чураев

Ю.Ф. Снипич

Передвижение дождевальной машины унифицированной (ДМУ) «Фрегат» осуществляется вокруг неподвижной опоры за счет преобразования энергии давления воды в подводящем трубопроводе. Вода через клапаны подается в гидроцилиндры, приводящие в движение колеса посредством системы рычагов и толкателей. Оператор, обслуживающий машину, задает определенную скорость перемещения, соответствующую заданной норме полива [1, 2].

Для предотвращения деформации трубопровода в вертикальной и горизонтальной плоскости, а также увеличения жесткости, машина оснащена системой вертикальных и горизонтальных тросовых растяжек [1]. При опережении или отставании одной или нескольких тележек относительно общей линии трубопровода во время движения автоматически происходит изменение количества подаваемой воды в гидроцилиндры перемещения этих тележек, вследствие чего меняется скорость их движения до выравнивания трубопровода [3]. Для предотвращения самопроизвольного скатывания тележек на уклонах орошаемого участка отдельные тележки оборудованы механическими тормозами. ДМУ «Фрегат» может работать на полях со сложным рельефом, имеющим общие и местные уклоны в направлении трубопровода до 0,08 без дополнительного выравнивания почвы [4].

В случае изгиба трубопровода, превышающего допустимые пределы, включается механическая или гидравлическая система защиты. При срабатывании механической защиты происходит полная остановка машины [5]. Гидравлическая система защиты посредством срабатывания импульсного клапана через импульсную трубку снижает давление в системе гидрозащиты, что обеспечивает закрытие задвижки и прекращение подачи воды в машину [6].

Для практического прогнозирования надежности работы ДМУ «Фрегат» на участках со сложным микрорельефом, определяемой количеством случаев срабатывания системы гидравлической защиты, а также поломками трубопровода, необходимо решение теоретических задач, предложенных авторами А. И. Рязанцевым [2, 3, 5-6], А. О. Антиповым и др. [4] по оценке параметров перемещения тележек, связанных с проблемами их группового скатывания. Как показал анализ работы ДМУ «Фрегат» в хозяйствах ООО «Бессергеневское» и ОАО «Кадамовское» Ростовской области, наиболее типичной схемой скатывания тележек дождевальной машины на склонах является схема скатывания трех тележек, когда скатываемая тележка увлекает за собой две соседние тележки за счет связи с ними через водопроводящий трубопровод. В связи с этим целью исследований являлась реализация научно обоснованного подхода к оценке технико-эксплуатационных параметров работы ДМУ «Фрегат» в условиях сложного микрорельефа орошаемого участка при эксплуатации в хозяйствах Ростовской области: ООО «Агропредприятие Бессергеневское» и ОАО «Кадамовское сельхозпредприятие». Исследуемыми параметрами являлись буксование, торможение и скатывание тележек при прохождении орошаемых участков с различными уклонами.

Материалы и методы. Для исследования процесса скатывания тележек ДМУ «Фрегат» применялись показатели, базирующиеся на анализе топографических сведений участка орошения, а также данных по срабатыванию системы гидравлической защиты (отказам системы перемещения), связанных с преодолением критических уклонов микрорельефа поливного участка (до 0,37-0,42).

Для составления дифференциальных уравнений движения тележек воспользуемся уравнениями Лагранжа II рода [7-10]:

,

где - время, с;

- кинетическая энергия системы, Дж;

- обобщенная скорость -той тележки, м/с;

- обобщенная координата -той тележки, м;

- обобщенная сила, соответствующая обобщенной координате , Н.

Кинетическая энергия системы равна:

,

где - кинетическая энергия тележки 1, Дж;

- кинетическая энергия тележки 2, Дж;

- кинетическая энергия тележки 3, Дж.

Кинетическая энергия тележки зависит от вращения либо торможения колес -той тележки. В первом случае:

,

где - масса остова тележки, кг;

- скорость остова -той тележки, м/с;

- масса колеса, кг;

- момент инерции колеса относительно своей оси вращения, кг·м2;

- угловая скорость колеса i-той тележки, рад/с.

Подставив (2) в (3) и проведя соответствующие математические преобразования, получим:

,

где - радиус колеса, м;

- масса тележки, приведенная к остову в первом случае, кг.

Во втором случае:

,

где - масса тележки с колесами во втором случае, кг.

Схема скатывания тележек ДМУ «Фрегат» представлена на рисунке 1 [3].

Рисунок 1 - Схема скатывания тележек ДМУ «Фрегат»

Кинетическая энергия водопроводящего трубопровода (участок 1-2) определяется из выражения [3]:

,

где - масса водопроводящего трубопровода (участок 1-2) с водой, кг;

- скорости 1-ой и 2-ой тележек, соответственно, м/с;

- момент инерции водовода относительно его центра масс, кг·м2;

- длина пролета трубопровода (расстояние между тележками), м.

Кинетическая энергия водопроводящего трубопровода (участок 2-3) определяется аналогично из выражения [3]:

,

так как = 0, то выражение (7) принимает вид:

.

Полная кинетическая энергия, в соответствии с (2), будет равна:

,

где = - в первом случае (при движении тележек), кг;

= - во втором случае (при торможении тележек), кг.

Подставив в левую часть уравнений Лагранжа (1), для координаты получим:

Для координаты аналогично имеем:

,

где , - ускорения первой и второй тележек, соответственно, м/с2.

Для удобства работы с уравнениями Лагранжа (1) введем следующие обозначения:

; ; .

Тогда левые части уравнения Лагранжа (1) примут следующий вид:

и .

Вычислим обобщенные силы . Элементарная работа сил (рисунок 2 [3]) при смещении тележки в первом случае () примет следующее выражение:

Рисунок 2 - Схема действующих сил на тележку ДМУ «Фрегат» при ее скатывании

 - скорость ветра, м/с; - вес тележки с трубопроводом, кг;

- точки сцепления колес 1, 2 с поверхностью, соответственно;

- упругая сила изгиба трубопровода при смещении тележек, Н;

- угол наклона тележки, град; - расстояние между осями колес, м;

- моменты сил в точках сцепления колес 1 и 2, Н,·м

,

где - составляющая нагрузки от тележки, Н;

- составляющая нагрузки от трубопровода, Н;

- сопротивление ветру, Н;

- упругая сила, возникающая от изгиба трубопровода при смещении () тележек дождевальной машины , Н;

- изгибная жесткость водопроводящего трубопровода, Н/м;

- сопротивление качению колеса, , Н;

- реакция колеса от нагрузки, Н;

- коэффициент сопротивления качению.

Подставив значения и в выражение (14), получим:

, (15)

где .

Элементарная работа при смещении тележек 2 () имеет вид:



,

где - упругое усилие, действующее на тележку 2 от изгибов водопроводящего трубопровода на участке 2-3, Н;

- упругое усилие, действующее на тележку 2 от изгибов водопроводящего трубопровода на участке 1-2, Н.

Подставив значения и в выражение (14), получим:

,

где .

Подставляя обобщенные силы в уравнение Лагранжа (1), получим следующую систему дифференцированных уравнений, описывающих движение системы тележек с двумя степенями свободы:

.

Для второго случая (колеса заторможены и движение тележки осуществляется со скольжением) вместо члена следует подставить , тогда: ; .

При решении полученной системы уравнений уравнение частот имеет следующий вид:

.

Для удобства решения уравнения (19) введем дополнительные обозначения: дождевальный торможение орошаемый уклон

; ; .

Тогда уравнение (19) примет следующий вид:

,

откуда:

,

где знак минус соответствует корню , а плюс - корню .

По выражению (22) следует проверить, имеет ли место равенство и имеется ли нулевой корень, что имеет место при или при , то есть , так как обычно .

Таким образом, получаем уравнения свободных движений тележек:

,

где и - амплитуды движений по начальным условиям, соответственно.

Коэффициенты распределения и подсчитываются по следующим выражениям:

,

,

В качестве начальных условий принимаем , , , то есть скатывание тележек начинается от оси абсцисс нулевой начальной скоростью под действием возмущающих сил (сил тяжести, ветровой нагрузки и т. д.).

Вынужденные движения тележек в соответствии с видом правых частей системы (18) ищем в виде постоянных , .

Взяв вторые производные от и (они равны нулю) и подставив значения переменных в уравнения (23), получим систему алгебраических уравнений для определения и :

.

откуда ; .

Полное движение тележек есть сумма свободных и вынужденных составляющих:

.

Для определения амплитуд и фаз подставим начальные время и координаты в (27):

.

Продифференцировав (26) по , получим следующее выражение для скоростей тележек:

.

Подставив начальные скорости, получим вторую систему уравнений:

.

Из первого уравнения системы (30) имеем:

.

Подставив во второе уравнение , подсчитаем:

.

Так как и так как , то имеем = 0.

Подставив в любое уравнение системы (30), находим .

С учетом найденных значений и система (29) перепишется в следующем виде [3]:

.

Из полученной системы (33) находим:

.

Окончательно решение системы уравнений (34) принимает следующий вид при условии, что [3]:

.

Проверка решения (35) по начальным условиям при = 0 должна быть при = = 0.

Для наглядной оценки надежности работы ДМУ «Фрегат» на склоновых поливных участках, определяемой срабатыванием системы гидравлической защиты (отказам системы перемещения и поломкой водопроводящего трубопровода), на рисунке 3 показан график процесса скатывания и скольжения тележек ДМУ «Фрегат». В данном случае обеспечивается безостановочная и безотказная работа машины. Граничными значениями надежной работы является максимальный уклон микрорельефа орошаемого участка = 0,34 при среднем коэффициенте сцепления колес с почвой участка = 0,43.



Рисунок 3 - График процесса скатывания и скольжения тележек ДМУ «Фрегат» при торможении

1 - граница срабатывания механической защиты (тормоза); 2 - граница срабатывания гидравлической защиты; 3 - граница поломки трубопровода

Результаты и обсуждение. Возможность движения ДМУ «Фрегат» определяется их мощностными и опорно-сцепными характеристиками в зависимости от прочности водопроводящего трубопровода для рельефной проходимости и конструктивных показателей высоты для агротехнической проходимости. Вопросы обеспечения гибкости трубопровода решаются посредством установки по его длине гибких сочленений и подвесок (вантовой системы). Однако конструктивно-высотные свойства, определяющие возможность сохранности растений (особенно высокостебельных) от повреждений в местах критических уклонов орошаемого участка (при задевании выпуклых мест орошаемой площади, обуславливающих буксование дождевальных машин), в настоящее время недостаточно изучены [3]. Данный факт отмечен при анализе надежности работы ДМУ «Фрегат» при эксплуатации в хозяйствах ООО «Бессергеневское» и ОАО «Кадамовское», когда агротехнический просвет машин уменьшался на 12-16 % из-за вертикального прогиба пролетов и образования колеи совместно с исследуемым процессом скатывания и буксования тележек.

Таким образом, критерий агротехнической проходимости дождевальной машины, определяемый как отношение агропросвета на сложном рельефе к высоте растений, должен составлять не менее постоянного значения, полученного с учетом решения системы уравнений (35) [3], с помощью которой находятся высотные координаты пролетов дождевальной машины при скатывании, буксовании и торможении тележек.

Для сравнения показателей буксования и скатывания тележек ДМУ «Фрегат» они оснащались жесткими колесами и пневматическими шинами. Изменение проходимости тележек при этом показало, что при одном и том же значении несущей способности почвы необходимость в установке тормоза для тележек на жестких колесах появляется при больших уклонах, чем на пневматических шинах. Так, при = 30 кПа, тормоз для жестких колес необходимо устанавливать при > 0,29, а для колес на пневматических шинах - при > 0,18; при = 180 кПа - для жестких - > 0,16, для пневматических - > 0,05.

Результаты исследований проходимости тележек ДМУ «Фрегат» показывают, что для машины на пневмоходу получена стопроцентная проходимость тележек в широком диапазоне уклонов микрорельефа орошаемого участка. При несущей способности почвы < 30 кПа - надежность передвижения тележек ДМУ «Фрегат», оснащенных жесткими колесами, не обеспечивается в связи с их буксованием. Результаты оценка буксования и скатывания тележек ДМУ «Фрегат» приведены в таблице 1.

Необходимость установки тормозов для тележек ДМУ «Фрегат», оснащенных пневматическими шинами, вследствие их малого сопротивления качению возникает при ? 100 кПа, тогда как для жестких - это необходимо при ? 180 кПа. В условиях сложного микрорельефа на почвах с ? 30 кПа целесообразно оборудование тележек ДМУ «Фрегат», оснащенных пневматическими шинами, механическими тормозами. На более прочных агрофонах целесообразнее применять ДМУ «Фрегат» на жестких колесах, что наблюдалось при исследованиях их передвижения в хозяйствах ООО «Бессергеневское» и ОАО «Кадамовское».

Таблица 1 - Результаты оценки буксования и скатывания тележек ДМУ «Фрегат», оснащенных жесткими колесами и пневматическими шинами

Несущая способность почвы, , кПа	Тип колес/шин	Буксование и скатывание тележек ДМУ «Фрегат» при уклонах микрорельефа исследуемых участков хозяйств ООО «Бессергеневское» и ОАО «Кадамовское»,
		Букс.	Скат.	Букс.	Скат.	Букс.	Скат.	Букс.	Скат.
30	Жест. Пневмат.	0,37 0	0 0	0,32 0	0 0	0,29 0	0 0	0,29 0	0 0
100	Жест. Пневмат.	0 0	0 0,37	0 0	0 0,32	0 0	0 0,25	0 0	0 0,29
180	Жест. Пневмат.	0 0	0,10 0,42	0 0	0 0,41	0 0	0 0,37	0 0	0 0,37
Примечание - Жест. - жесткие колеса; Пневмат. - пневматические шины; Букс. - буксование; Скат. - скатывание.

Результаты исследований скатывания и скольжения группы тележек ДМУ «Фрегат» приведены в таблице 2.

При движении тележек ДМУ «Фрегат» при поливе картофеля в хозяйствах ООО «Бессергеневское» и ОАО «Кадамовское» с холмов ( = 0,12-0,22) имело место их скатывание. При этом система механического торможения срабатывала после прохождения 2-3 зацепов колес с пневматическими шинами. Скольжения при этом тележек на жестких колесах после их остановки не наблюдалось, а для тележек на пневмошинах оно составляло не более 0,07-0,09 м, что определяло общую величину их выбега не более 0,54-0,58 м.

Таблица 2 - Значения выбегов тележек ДМУ «Фрегат» при скатывании на жестких колесах и пневматических шинах

№ тележки	Величина выбега, м
	0	5	15	20
	Пневмат.	Жест.	Пневмат.	Жест.	Пневмат.	Жест.	Пневмат.	Жест.
1	0	0	0	0	0	0	0	0
3	0,12	0,12	0,12	0,10	0	0	0,12	0,12
5	0,22	0,17	0,54	0,42	0,12	0,12	0	0,17
7	0,17	0,12	0,58	0,47	0,12	0,12	0,17	0,13
9	0	0	0,37	0,47	0,12	0,12	0	0
11	0	0	0,14	0	0	0	0	0
Примечание - Пневмат. - пневматические шины; Жест. - жесткие колеса.

Вывод

Таким образом, результаты экспериментальных исследований процессов скатывания, буксования и торможения тележек ДМУ «Фрегат» в хозяйствах ООО «Бессергеневское» и ОАО «Кадамовское» в целом показали достаточную сходимость с теоретической проработкой данной задачи - решением системы дифференциальных уравнений Лагранжа II рода, связанным с определением координат перемещения тележек дождевальной машины при преодолении ею сложных участков микрорельефа обслуживаемой площади и фактическом выявлении величин допустимых уклонов, что обуславливает достаточную надежность работы машины в целом и определяет перспективы дальнейшей оптимизации путей качения и последующего скольжения ее тележек до срабатывания тормозной системы и системы гидравлической защиты от поломок водопроводящего трубопровода.

Список использованных источников

1 Городничев, В. И. Автоматизация технологических процессов орошения / В. И. Городничев. - М.: Росинформагротех, 2009. - 268 с.

2 Надежная работа «Фрегата» / А. И. Рязанцев [и др.] // Сельский механизатор. - 2010. - № 3. - С. 8.

3 Рязанцев, А. И. Улучшение агроэксплуатационных показателей и использования дождевальной техники / А. И. Рязанцев. - Рязань: РГАТУ, 2014. - 304 с.

4 Антипов, А. О. Дождевальная машина «Фрегат» на пневматических шинах в условиях склоновых земель / А. О. Антипов, А. И. Рязанцев // Комплексные проблемы развития науки, образования и экономики региона: научно-практический журнал Коломенского института (филиала) МГМУ (МАМИ). - 2015. - № 2(7). - С. 166-171.

5 Торможение дождевальной машины «Фрегат» на склоновых участках / А. И. Рязанцев, И. Б. Тришкин, Н. Я. Кириленко, Ю. Н. Тимошин, А. О. Антипов // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П. А. Костычева. - 2015. - № 1(25). - С. 76-80.

6 Рязанцев, А. И. Улучшение тягово-сцепных свойств ходовых систем дождевальных машин кругового действия «Фрегат» / А. И. Рязанцев, Н. Я. Кириленко, И. В. Малько // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П. А. Костычева. - 2014. - № 2(22). - С. 56-59.

7 Закабунин, В. И. Динамический синтез машинного агрегата по заданному коэффициенту неравномерности хода с использованием уравнения Лагранжа второго рода / В. И. Закабунин // Современные проблемы теории машин. - 2013. - № 1. - С. 34-39.

8 Филькин, Н. М. Математическое моделирование динамики механических систем с неголономными связями с помощью уравнения Лагранжа второго рода / Н. М. Филькин // Успехи современного естествознания. - 2005. - № 2. - С. 24-25.

9 Вывод уравнений движения пространственной модели колесного экипажа на основе уравнений Лагранжа II рода в среде пакета Марlе / В. П. Сахно, В. Г. Вербицкий, А. В. Куплинов, А. А. Лысенко // Вестник Донецкой академии автомобильного транспорта. - 2014. - № 2-3. - С. 46-50.

10 Гаврилов, Н. В. Применение уравнений Лагранжа второго рода к исследованию движения механической системы с двумя степенями свободы / Н. В. Гаврилов, Т. Н. Дадочкина, Н. И. Крестьянова // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (07-08 мая 2008 г.); под общ. ред. Л. П. Мышляева. - Т. IV. Технические науки. - Новокузнецк: СибГИУ, 2008. - С. 100-104.

Аннотация

Цель исследований - реализация научно обоснованного подхода к оценке технико-эксплуатационных параметров работы дождевальной машины унифицированной (ДМУ) «Фрегат» в условиях сложного микрорельефа орошаемого участка. Исследуемыми параметрами являлись буксование, торможение и скатывание тележек при прохождении орошаемых участков с различными уклонами. Проведен анализ влияния значений уклонов на проходимость тележек, апробированы зависимости решения дифференциальных уравнений движения тележек при прогнозировании нарушений процесса перемещения, связанных с изменением предельных значений уклонов. Реализовано решение теоретической задачи по оценке движения тележек ДМУ «Фрегат» на склоновых участках при их групповом скатывании на основе экспериментальных данных по уклонам микрорельефа орошаемых участков в исследуемых хозяйствах. Исходные данные для расчетов получены в течение двух поливных сезонов с 2015 по 2016 г., были исследованы случаи срабатывания системы механического торможения, системы гидравлической защиты в результате буксования и скатывания тележек 4 ДМУ «Фрегат», оснащенных жесткими колесами и пневматическими шинами. В результате исследований подтверждена реализация теоретического инструментария, основанного на использовании системы дифференциальных уравнений Лагранжа II рода, позволяющего определять допустимые высотные координаты пролетов дождевальной машины при скатывании, буксовании и торможении тележек. Оценка проходимости тележек показала, что при одном и том же значении несущей способности почвы Pп необходимость в установке тормоза для тележек на жестких колесах появляется при больших уклонах, чем на пневматических шинах. Так, при Pп = 30 кПа, тормоз для жестких колес необходимо устанавливать при i > 0,29, а для колес на пневматических шинах - при i > 0,18; при Pп = 180 кПа - для жестких - i > 0,16, для пневматических - i > 0,05. Ключевые слова: дождевальная машина, надежность, орошаемый участок, система механической защиты, система гидравлической защиты.

The purpose of the research is the implementation of a scientifically based approach to the assessment of technical and operational parameters of the irrigation machine “Fregat” under the conditions of a complex microrelief of the irrigated area. The parameters studied were skidding, braking and rolling of bogies while passing the irrigated areas with different gradients. The analysis of the effect of gradient values on bogies' flotation was carried out, the dependencies of solution of the differential equations of the bogies motion were predicted when forecasting the displacement process disruptions associated with the change in the slopes' limiting values. The solution of the theoretical problem on the estimation of the sprinkling machines “Fregat” bogies' motion on slope sections with their group rolling down based on experimental data on the slopes of the irrigated areas microrelief on the investigated farms is realized. The initial data for the calculations were obtained during two irrigational seasons from 2015 to 2016, the cases of the mechanical braking operation, hydraulic protection systems as a result of skidding and rolling of 4 sprinklers “Fregat” bogies equipped with rigid wheels and pneumatic tires were investigated. As a result of research, the implementation of a theoretical tools based on the second order Lagrange differential equations, which allow to determine the permissible altitude coordinates of the sprinkler passages when rolling, skidding and braking of bogies was confirmed. Assessment of the bogies flotation showed that at the same value of Pп soil bearing capacity, the need in installing brakes for bogies on rigid wheels appears at higher slopes than on pneumatic tires. So, at Pп = 30 kPa, the braking for rigid wheels should be set at i > 0.29, and for wheels on pneumatic tires - for i > 0.18; at Pп = 180 kPa - for rigid - i > 0.16, for pneumatic - i > 0.05.

Key words: sprinkler, reliability, irrigated area, mechanical protection system, hydraulic protection system.

Размещено на Allbest.ru

...