Совершенствование технологических мероприятий и технических средств системы аварийной защиты дождевальной машины "Фрегат"

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В нашей стране и за рубежом наиболее прогрессивным способом механизированного полива является полив дождеванием. Данный вид орошения наиболее близок к природному выпадению осадков и обеспечивает не только увлажнение почвы, но и листовой поверхности растений, приземного слоя воздуха, что оказывает благоприятное воздействие на вегетацию растений, снижает температуру и повышает влажность воздуха в жаркие, засушливые периоды.

В настоящее время в регионе 78 % парка эксплуатируемой техники полива составляют дождевальные машины (ДМ) "Фрегат". Данная машина позволяет более полно, в сравнении с другими, использовать методы механизации и автоматизации в процессе полива, в широких диапазонах менять поливную норму, сократить эксплуатационные затраты и тем самым повысить производительность.

Однако реализация преимуществ возможна лишь при высоких эксплуатационных показателях машины, обеспечивающих эффективную и надежную, в автоматическом режиме работу с высокой производительностью позволяющей осуществлять в кратчайшие сроки проведение необходимого полива и поддержание влажности почвы на протяжении вегетации растений.

Опыт эксплуатации ДМ "Фрегат" указывает на высокую степень аварийности в процессе их работы, которая в отдельных случаях заканчивается поломками машины. Это приводит к прекращению полива до 10 дней, что существенно снижает влажность почвы ниже заданных пределов и вызывает потерю урожая до 15 %.

Таким образом, проблема совершенствования технологических мероприятий и технических средств системы аварийной защиты ДМ "Фрегат" является актуальной и в настоящее время требует дополнительных исследований, теоретических и конструктивных проработок.

Исследования проводились в соответствии с комплексной темой № 7 "Повышение эффективности использования мелиорированных земель и обеспечения реконструкции оросительно-обводнительных систем", раздел 7.1 "Разработать ресурсосберегающие технологии и эффективные технические средства для эксплуатации, ремонта и реконструкции оросительно-обводнительных систем" НИР ФГОУ ВПО "Саратовский ГАУ" имени Н.И. Вавилова. аварийный защита мелиорированный

Цель и задачи исследований. Целью исследований являлось повышение эффективности работы ДМ "Фрегат" при поливе сельскохозяйственных культур путем совершенствования технологических мероприятий и технических средств системы аварийной защиты.

Для достижения сформулированной цели были поставлены следующие задачи:

- провести анализ технологических мероприятий, современных технических средств контроля и управления системы аварийной защиты и исследования эксплуатационных показателей ДМ "Фрегат" на оросительных системах Саратовской области, выявить перечень неисправностей в работе и разработать направления совершенствования эксплуатационных показателей ДМ "Фрегат";

- установить интервалы возникновения отказов в работе ДМ "Фрегат" при поливе сельскохозяйственных культур, разработать технологические мероприятия, улучшающие эксплуатационные показатели машины и уточнить технологическую карту проведения технического обслуживания;

- разработать математическую модель конструктивной устойчивости машины эксплуатационным нагрузкам, алгоритм и прикладную программу расчета оптимального количества гидроуправляемых клапанов блоков управления гидроприводами опорных тележек и схемы их размещения на ДМ "Фрегат";

- разработать конструкцию исполнительного устройства блоков контроля положения опорных тележек ДМ "Фрегат" и теоретически обосновать конструктивные параметры;

- провести производственные исследования разработанных технологических мероприятий, оптимального количества гидроуправляемых клапанов блоков управления гидроприводами опорных тележек и новой конструкции исполнительного устройства блоков контроля положения опорных тележек ДМ "Фрегат".

Объект исследования. Объектом исследований являлись технологические мероприятия, блок контроля и управления системы аварийной защиты ДМ "Фрегат".

Методика исследований. Задачи, поставленные в диссертации, решались проведением комплексных теоретических, лабораторных и производственных исследований. Теоретические исследования выполнялись на основе известных положений, законов и методов математики и математической статистики. Экспериментальные исследования проводились с учетом общепринятых методик проведения экспериментов, действующих стандартов и нормативных документов. Расчет и обработка результатов исследования выполнялись на ЭВМ методами математической статистики с использованием пакетов прикладных программ STATISTICA 5.1, Microsoft Excel.

Научная новизна. В результате проведенных исследований разработаны направления совершенствования технологических мероприятий и технических средств системы аварийной защиты ДМ "Фрегат" при поливе сельскохозяйственных культур. Установлены интервалы возникновения отказов в работе ДМ "Фрегат" и разработана уточненная технологическая карта проведения технического обслуживания. Разработана математическая модель конструктивной устойчивости машины эксплуатационным нагрузкам, алгоритм и прикладная программа расчета оптимального количества гидроуправляемых клапанов блоков управления гидроприводами опорных тележек и схемы их размещения на ДМ "Фрегат". Разработана конструкция исполнительного устройства блоков контроля положения опорных тележек и теоретически обоснованы конструктивные параметры.

Научные положения, выносимые на защиту:

- технологические мероприятия, улучшающие эксплуатационные показатели и уточненная технологическая карта проведения технического обслуживания ДМ "Фрегат";

- математическая модель конструктивной устойчивости машины эксплуатационным нагрузкам;

- оптимальное количество гидроуправляемых клапанов блоков управления гидроприводами опорных тележек и схема их размещения на ДМ "Фрегат";

- разработанная конструкция исполнительного устройства блоков контроля положения опорных тележек ДМ "Фрегат";

- результаты производственных исследований работы машины при техническом обслуживании по уточненной технологической карте, оптимальном количестве гидроуправляемых клапанов блоков управления гидроприводами опорных тележек и оснащении блоков контроля положения опорных тележек новым исполнительным устройством.

Практическая значимость и реализация основных результатов исследований. Использование разработанных технологических мероприятий и технических средств системы аварийной защиты позволит значительно сократить количество аварийных ситуаций и исключить поломку ДМ "Фрегат" при эксплуатации, повысить эффективность и надежность в работе. Это улучшит эксплуатационные показатели дождевальной машины и обеспечит поддержание влажности почвы в установленных пределах. В результате чего снизятся суммарные затраты связанные с обслуживанием ДМ "Фрегат" и повысится урожайность сельскохозяйственных культур до 15 %. Опытные образцы исполнительного устройства блоков контроля положения опорных тележек и оптимальное количество гидроуправляемых клапанов блоков управления гидроприводами опорных тележек, а также уточненная технологическая карта проведения технического обслуживания машины внедрены в 2006 - 2007 гг., на ДМ "Фрегат" севооборотного участка в ООО "Нива-Авангард", Советского района, Саратовской области. Годовой экономический эффект от внедрения составил 1 481 руб. на 1 гектар.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО "Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова" (2005-2007 гг.), научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 118-летию со дня рождения академика Н.И. Вавилова (2005 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 работах, из них 1 патент РФ на изобретение, в том числе 1 работа в издании, входящем в перечень ВАК. Общий объем публикаций составляет 2,18 печ.л., из них лично соискателя - 1,04.

Во "Введении" обоснована актуальность работы, а также научная новизна, сформулированы цели и задачи исследований. Показана практическая значимость работы и научные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения об использовании результатов исследований и апробации работы.

В первой главе приведен анализ технологических мероприятий и современных технических средств контроля и управления ДМ "Фрегат". Вопросам совершенствования, модернизации и перспективам развития парка ДМ "Фрегат" посвящен ряд трудов отечественных и зарубежных ученых, среди них А.И. Рязанцев, В.Н. Щедрин, К.В. Губер, Б.М. Лебедев, Г.В. Ольгаренко, В.Н. Городничев, С.Х. Гусейн-Заде, R. Santana (Куба) и др.

Значительный вклад в решение теоретических и прикладных аспектов совершенствования технических средств контроля и управления системы аварийной защиты внесли Н.М. Кошкин, В.Ф. Носенко, А.П. Янюшкин, М.Л. Цинципер, И.Д. Маслов, H.G. Kalnassy (Германия) и др.

Большое внимание уделено эксплуатационным показателям в трудах таких ученых как В.М. Краковец, С.Н. Никулин, М.С. Гуторович, И.А. Дорофеева, Л.И. Карпов, Л.Т. Пашедко, В.И. Лисунов, С.В. Цымбаленко, К.К. Лобачев, Г.С. Кутузов, Н.И. Алешин, А.Г. Быков, Р.И. Марко, Т.И. Тодоров (Болгария), А.В. Димитров, С.М. Давшан, Н.А. Нагибин, M. Lysy (Чехия), K.H. Vormelchert (Германия) и др.

Однако проведенный литературный и патентный анализ выявил ряд серьезных недостатков в технических средствах контроля и управления системой аварийной защиты, снижающих эксплуатационные показатели машины, которые заключаются в следующем: сложность конструктивного исполнения технических средств, конструкции изготовлены из дорогостоящего материала, отсутствие возможности автоматического включения машины в работу после остановки насосной станции в период повторного пуска и т.д.

Недостаточная совершенность технологических карт проведения технического обслуживания машин, которые не в полной мере учитывают сроки проведения технологических операций обслуживания тех узлов и механизмов, отказ в работе которых приводит к появлению частых аварийных ситуаций и поломкам машин, срыву графиков полива и как следствие снижение урожайности сельскохозяйственных культур.

Результаты проведенных исследований эксплуатационных показателей ДМ "Фрегат" на оросительных системах Саратовской области в 2005 г., позволили определить характер и интервалы возникновения отказов в работе дождевальных машин (Рис. 1)

Проведенные расчеты теоретической вероятности появления отказа при эксплуатации ДМ "Фрегат" показали хорошую сходимость с опытной вероятностью (Рис. 2), что говорит о применимости данного расчета к генеральной совокупности парка дождевальных машин типа "Фрегат" для определения интервалов возникновения отказов в работе.

Рис.1 Гистограмма интервалов появления отказов при эксплуатации ДМ "Фрегат".

Рис.2 Теоретическая и опытная вероятность возникновения отказов при эксплуатации ДМ "Фрегат".

В результате проведенных вычислений были установлены эксплуатационные показатели ДМ "Фрегат", которые составляют вероятность безотказной работы

10 % или вероятность появления отказа 90 % в интервале наработки дождевальной машины до 600 часов полива. Это свидетельствует о том, что техническое обслуживание, проводимое по существующим технологическим картам, не в состоянии обеспечить безопасную и надежную эксплуатацию дождевальных машин в течение всего периода вегетации растений и говорит о необходимости детальной проработки технологических мероприятий и разработки уточненной технологической карты с теоретически обоснованными периодами проведения и выполнения операций технического обслуживания ДМ "Фрегат", позволяющих сократить количество аварийных ситуаций до 55 %.

На основании вышеизложенного были разработаны направления совершенствования эксплуатационных показателей ДМ "Фрегат" представленных на рисунке 3.

Во второй главе теоретически обоснована и разработана математическая модель конструктивной устойчивости машины эксплуатационным нагрузкам.

Дождевальная машина "Фрегат" рассматривалась как неразрезная балка, шарнирно закрепленная одним концом у неподвижной опоры. Расчет производился в континуально-дискретной постановке. Континуальная система - это трубопровод с изгибной жесткостью, как в горизонтальной так и в вертикальной плоскости, равной EI. Дискретность системы характеризуется: количеством опорных тележек, их массой, диаметром колес и расстоянием между опорными тележками.

В качестве расчетной системы уравнений определения конструктивной устойчивости машины эксплуатационным нагрузкам была принята следующая система уравнений:

; (1)

Первое уравнение описывает равномерное движение дождевальной машины "Фрегат". Второе уравнение описывает равнозамедленное движение дождевальной машины, т.е. когда срабатывают гидроуправляемые клапаны блоков управления гидроприводами опорных тележек при возникновении аварийной ситуации.

Распишем систему уравнений:

Здесь Fдв - тяговое усилие, создаваемое гидроцилиндром на передвижение опорной тележки (Fдв, Н) которое рассчитывается по формуле:

; (2)

где Ргидр - давление в гидроцилиндре опорной тележки, МПа;

Sгидр - рабочая площадь гидроцилиндра, Sгидр = 117 см 2;

i - передаточное отношение плеч силового рычага, i = 2,9;

с - коэффициент перевода, с = 0,1.

Тяговое усилие Fдв, необходимое на передвижение опорной тележки на посевах многолетних трав и на лугах, составляет 1,0…2,0 кН, на посевах зерновых - 2,0…3,0 кН, на пахоте - 3,0…4,5 кН. При увеличении местного уклона до 0,08 тяговое усилие возрастает с 3,27 до 5,57 кН.

Fсопр - силы сопротивления, возникающие при передвижении опорной тележки (Fсопр, Н), рассчитываются по формуле:

; (3)

где К - смещение нормальной реакции N при возникновении сопротивления движению колес опорной тележки, см;

N - нормальная реакция, возникающая при передвижении колес опорной тележки, Н;

r - радиус колеса опорной тележки, см.

Fm - силы торможения возникающие при срабатывании гидроуправляемых клапанов блоков управления гидроприводов опорных тележек (Fm, Н), рассчитываются по формуле:

; (4)

где М - изгибающий момент, возникающий при изгибе водопроводящего трубопровода в горизонтальной плоскости, Н;

ЕI - изгибная жесткость водопроводящего трубопровода;

l - расстояние между тележками, м.

Fи - силы инерции, возникающая во время остановки соседних опорных тележек (Fи, Н), рассчитывается по формуле:

; (5)

где m - сосредоточенная масса опорной тележки, кг;

а - ускорение опорной тележки, м/с 2.

При изгибе водопроводящего трубопровода, согласно законам сопротивления материалов и строительной механики, возникают: растягивающая сила N, перерезывающая сила Q и изгибающий момент М (Рис. 4), которые не должны превышать предельных значений, способствующих появлению поломки машины.

В правой части системы уравнений значения, которые рассчитываются согласно показателям прочности материала водопроводящего трубопровода.

(6)

где Rдоп.сопр - допустимое сопротивление материала водопроводящего трубопровода, Н;

Sдоп.пр, Sпред.пр - допустимый и предельный изгиб водопроводящего трубопровода, м;

Rпред.сопр - предельное сопротивление материала водопроводящего трубопровода, Н, которое должно удовлетворять следующему условию:

(7)

где Nр - растягивающее усилие, возникающее в водопроводящем трубопроводе, Н;

Sm - площадь поперечного сечения водопроводящего трубопровода, м 2;

R расч.сопр - расчетные сопротивления материала в соответствии с ГОСТ или ТУ, Н;

К усл.раб - коэффициент, зависящий от влияния окружающей среды.

Математическая модель конструктивной устойчивости машины эксплуатационным нагрузкам является универсальной и позволяет рассчитать устойчивость широкозахватной дождевальной машины кругового действия, смоделировав процесс торможения опорных тележек в различных вариациях с учетом действия всех сил (Рис. 5).

Рис. 4 Силы, действующие на водопроводящий трубопровод при изгибе.

N - растягивающая сила, Q - перерезывающая сила, М - изгибающий момент.

Рис. 5 Силы, действующие на ДМ "Фрегат" при эксплуатационных нагрузках с учетом размещения гидроуправляемых клапанов блоков управления гидроприводами опорных тележек.

Fдв - тяговое усилие, Fи - сила инерции, Fсопр - сила сопротивления, Fm - сила торможения.

В третьей главе приводятся уточненная технологическая карта проведения технического обслуживания, разработанные технические решения оптимального количества гидроуправляемых клапанов блоков управления гидроприводами опорных тележек и новая конструкция исполнительного устройства блоков контроля положения опорных тележек системы аварийной защиты ДМ "Фрегат".

С учетом установленных интервалов возникновения отказов при эксплуатации дождевальных машин "Фрегат" представлена уточненная технологическая карта проведения технического обслуживания, согласно которой технические уходы №1,2 проводятся с интервалами 100 - 150 часов, а технический уход № 3 - после 450 - 550 часов эксплуатации ДМ "Фрегат". Технологические операции, проводимые в технических уходах (натяжение тросовой опоры, промывка фильтрующих элементов гидроприводов опор, регулировка узлов и механизмов), ориентированы главным образом на узлы и механизмы, которые вызывают основные аварийные ситуации и поломки машины. При этом трудозатраты на проведение технологических операций в уточненных технических уходах значительно меньше, чем в существующих технологических картах проведения технического обслуживания. Проведение технического обслуживания согласно уточненным интервалам позволяет сократить количество аварийных ситуаций до 55 % и значительно увеличить вероятность безотказной работы ДМ "Фрегат".

На основе разработанной математической модели конструктивной устойчивости машины эксплуатационным нагрузкам были разработаны алгоритм и прикладная программа расчета оптимального количества гидроуправляемых клапанов блоков управления гидроприводами опорных тележек и схема их размещения на ДМ "Фрегат". Для расчета задавались следующие граничные условия:

С - минимальное количество узлов (гидроуправляемых клапанов), необходимых для конструктивной устойчивости машины эксплуатационным нагрузкам; М - изгибающий момент, возникающий в водопроводящем трубопроводе при изгибе в районе неисправной опорной тележки; S - смещение неисправной опорной тележки относительно соседних при изгибе водопроводящего трубопровода, м; R - напряжения, возникающие в водопроводящем трубопроводе при изгибе в районе неисправной тележки, включающие растягивающую силу N и перерезывающую силу Q; Rдоп.сопр - допустимое сопротивление материала водопроводящего трубопровода.

Расчет производился методом приложения всех действующих сил, возникающих при эксплуатационных нагрузках, с учетом различных вариаций размещения гидроуправляемых клапанов блока управления гидроприводами опор.

Используя все необходимые показатели и задаваясь граничными условиями, получили результаты, удовлетворяющие систему требований конструктивной устойчивости машины эксплуатационным нагрузкам, которые составляют оптимальное количество гидроуправляемых клапанов равное 5, а схема (Рис. 6) размещения на дождевальной машине "Фрегат" выполняется на 3, 6, 10, 13 и 16 опорных тележках.

Рис. 6 Схема размещения оптимального количества гидроуправляемых клапанов блоков управления гидроприводами опорных тележек на ДМ "Фрегат".

3, 6, 10, 13, 16 - опорные тележки ДМ "Фрегат", на которых установлены гидроуправляемые клапаны блоков управления гидроприводами.

Совершенствование блоков контроля положения опорных тележек системы аварийной защиты ДМ "Фрегат" осуществлялось на основании литературного и патентного обзора, анализа существующих технических решений, исходя из условия повышения эффективности работы технических средств системы аварийной защиты. В результате чего была разработана конструкция исполнительного устройства (Рис. 7), на которую получен патент на изобретение № 2297759 от 27 апреля 2007 г.

Разработанная конструкция исполнительного устройства позволяет в значительной степени сократить количество узлов и деталей в сравнении с аналогами и прототипом, благодаря новой взаимосвязи исполнительных устройств системы аварийной защиты, т.е. исполнительные устройства, связаны с трубкой управления при их параллельном подключении к ней, тогда как в аналоге и прототипе исполнительные устройства установлены непосредственно в линии трубки управления, которая связывает их в последовательную цепочку, что в значительной степени упрощает конструкцию и повышает надежность ее работы.

Конструктивное исполнение датчиков положения опорных тележек в виде пластин из фторосодержащей пластмассы, имеющих прорезь с расширяющимися размерами в ее концах, закрепленных на стержнях механизма синхронизации с помощью болтового соединения и возможностью перемещения вдоль оси стержня, позволяет упростить операцию по настройке системы защиты на ее срабатывание.

Размещение силиконовой трубки, соединенной с входным и выходным патрубками, жестко закрепленными в кожухе механизма синхронизации промежуточных опор, позволяет исключить сложную и дорогостоящую деталь - исполнительный клапан, применяемый в аналогах и прототипе.

Гидравлическая связь сужающего устройства с напорным трубопроводом через обратный клапан в значительной степени повышает надежность работы системы при остановке насосной станции, в период повторного пуска, обеспечивая безотказность автоматического запуска исправных машин в работу при обратном уклоне напорной сети, что невозможно достичь ни в аналогах, ни в прототипе.

а)

б)

Рис. 7 а) общая схема средств защиты ДМ "Фрегат"; б) вид исполнительного устройства в поперечном и продольном разрезе.

1-задвижка; 2-гидропривод; 3-блок гидрореле; 4-трубка управления; 5-управляющий блок гидрореле; 6-сужающее устройство; 7-напорный трубопровод; 8-обратный клапан; 9-кран; 10-исполнительное устройство; 11-датчик положения опор; 12-кожух механизма синхронизации; 13-стержень механизма синхронизации; 14-гидроуправляемый клапан; 15-линия питания гидропривода; 16-входной штуцер; 17-выходной штуцер; 18-прорезь; 19-болт; 20-силиконовая трубка.

Расчет конструктивных параметров производился следующим образом:

Обозначив время остановки машины от начала отказа до полного закрытия гидрозадвижки (остановка машины) через Т, время от начала отказа опорной тележки до срабатывания исполнительного устройства блоков контроля через Тд, а время полного закрытия гидрозадвижки - Тз, получим выражение:

Т = Тс + Тз; (8)

Расстояние, на которое сместится неисправная опорная тележка после остановки машины равно:

L = Lс + Lз; (9)

где: L - смещение неисправной опорной тележки после остановки машины, с целью обеспечения безопасной эксплуатации принято равным 1,1 м;

Lс - смещение неисправной опорной тележки с момента отказа до срабатывания исполнительного устройства блоков контроля, м;

Lз - смещение неисправной опорной тележки за время закрытия гидрозадвижки - 0,75 м.

Учитывая результаты проведенных исследований, а также согласно задачам повышения эффективности работы технических средств системы аварийной защиты, уравнение принимает вид:

(10)

где: n - количество ходов гидроцилиндра опорной тележки равное 5,5 ход/мин;

l - путь, пройденный колесами за один ход гидроцилиндра тележки, равный расстоянию между зацепами колес, который составляет 0.164 м.

Величину можно считать интервалом безопасной работы или критическое время срабатывания комплекса технических средств системы аварийной защиты обеспечивающих надежную эксплуатацию ДМ "Фрегат".

Расстояние, которое машина пройдет от момента отказа и до выработки сигнала на остановку всей машины, равно: Lс = 1,1 - 0,75 = 0,35 м.

Трубка, находящаяся в прорези датчика контроля положения опоры должна переместиться на расстояние Lпр, за время равное Тс. Таким образом, общая длина прорези датчика положения опор обеспечивающая безопасную и надежную эксплуатацию ДМ "Фрегат" равна:

где а - расстояние, на которое переместится силиконовая трубка в прорези за время от начала отказа опорной тележки и до падения давления в системе;

с - расстояние, на которое переместится силиконовая трубка в расширенной части прорези за время закрытия гидрозадвижки.

В четвертой главе представлены результаты лабораторных исследований новой конструкции исполнительного устройства блоков контроля положения опорных тележек ДМ "Фрегат".

Целью проведения лабораторных исследований являлось - подтверждение работоспособности и уточнение конструктивных параметров разработанной конструкции исполнительного устройства блоков контроля положения опорных тележек ДМ "Фрегат".

В результате проведенных лабораторных исследований была построена факторная область, на основании которой были уточнены оптимальные параметры узлов и деталей исполнительного устройства (Рис. 8), которые соответственно равны: внешний диаметр dвш, в пределах 6,9 - 7,1 мм; расстояние между входным и выходным штуцерами R, в интервале 12 - 16 мм; угол входа в прорезь б, в интервале 200 - 260.

Рис. 8 Влияние параметров б, град и R, мм на изгиб трубки Х, мм.

Х - изгиб силиконовой трубки в прорези датчика контроля положения опорных тележек, мм; R - расстояние между входным и выходным штуцерами, мм;

б - угол входа в прорезь, град.