Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих способов и аппаратов для внесения минеральных удобрений и постановка задач исследования 7
1.1. Способы внесения удобрений 7
1.2. Анализ исследований процессов дозирования и подачи материала . 9
1.3. Анализ туковысевающих аппаратов с системами контроля и управления 14
1.4. Описание закономерностей движения частиц по рабочим поверхностям машин и распределения ихпо полю 21
1.5. Выводы и постановка задач исследования 34
2. Аналитические модели управляемого технологического процесса центробежного дискового туковысевающего аппарата 37
2.1. Факторы, влияющие на качественные показатели распределения удобрений по полю 37
2.2. Выявление наиболее значимых факторов конструкции центробежного дискового разбрасывателя на величину и положение сектора рассева 40
2.3. Построение аналитической модели работы центробежного дискового разбрасывателя 45
2.4. Выводы 58
3. Синтез оптимальных параметров центробежного дискового туковысевающего аппарата в системах стабилизации по углу сектора рассева 60
3.1. Постановка задачи оптимального проектирования центробежного дискового туковысевающего аппарата в системах управления .60
3.2. Метод оптимального проектирования параметров центробежного дискового аппарата в САУ рассева туковой смеси 68
3.3. Методика оптимального проектирования параметров центробежного дискового аппарата как объекта управления в системах стабилизации положения сектора рассева частиц туков 74
3.4. Реализация методики оптимального проектирования параметров центробежного дискового аппарата для реальных систем управления рассевом туков 75
3.5. .Выводы 81
4. Экспериментальные исследования технологического процесса центробежного дискового аппарата и реализация теоретических выводов 83
4.1. Методика и анализ результатов экспериментальных исследований по оценке факторов, влияющих на положение сектора рассева 83
4.1.1. Методика экспериментальных исследований по оценке факторов, влияющих на положение сектора рассева 83
4.1.2. Анализ экспериментальных исследований по оценке факторов, влияющих на положение сектора рассева 87
4.2. Методика и анализ результатов экспериментальных исследований датчика интенсивности потока частиц 89
4.2.1. Методика экспериментальных исследований датчика интенсивности потока частиц 89
4.2.2. Анализ результатов экспериментальных исследований датчика интенсивности потока частиц 93
4.3. Выбор продолжительности перемещения датчика интенсивности потока частиц по углу сектора рассева 96
4.4. Методика экспериментальных исследований системы стабилизации сектора рассева туков 97
4.4.1. Методика экспериментальных исследований возможности использования предлагаемого алгоритма управления 102
4.4.2. Анализ результатов экспериментальных исследований возможности использования предлагаемого алгоритма управления 103
4.4.3. Анализ результатов экспериментальных исследований САУ распределением минеральных удобрений по углу сектора рассева 106
4.5. Экспериментальные исследования взаимосвязи радиуса подачи г0и угла установки зоны питания Я 108
4.6. Выбор технических средств для реализации алгоритма работы системы стабилизации рассева туков по углу сектора рассева 111
4.7. Результаты апробации системы стабилизации рассева по углу сектора рассева туков 115
4.8. Выводы 117
Заключение 120
Библиографический список использованной литературы 122
- Анализ исследований процессов дозирования и подачи материала
- Факторы, влияющие на качественные показатели распределения удобрений по полю
- Постановка задачи оптимального проектирования центробежного дискового туковысевающего аппарата в системах управления
- Методика экспериментальных исследований по оценке факторов, влияющих на положение сектора рассева
Введение к работе
Важную роль в повышении урожайности с/х культур играют минеральные удобрения, позволяющие обеспечить почвы требуемыми элементами питания.
Однако использование минеральных удобрений, и особенно азотных требует повышенного внимания к дозам и неравномерности их распределения по поверхности поля. Недостаточное количество удобрений приводит к потере урожайности, а избыток - к накоплению вредных веществ в продуктах питания.
Центробежные аппараты, обладая высокой производительностью и надежностью технологического процесса, не позволяют получить требуемую дозу и равномерность рассева удобрений по ширине полосы захвата машины (по данным ВИУА неравномерность достигает 50..80%). А это приводит к снижению эффективности азотных, фосфорных и калийных удобрений соответственно на 45..50, 15..20, 36..40%.
Для обеспечения выполнения агротехнических условий необходимо регулярно производить настройку рабочих органов и постоянно контролировать величину перекрытия смежных проходов.
Отсутствие надежных в эксплуатации и простых в обслуживании устройств для контроля и управления процессом рассева минеральных удобрений центробежно-дисковыми аппаратами сдерживает широкое применение этих машин при интенсивных технологиях и для получения экологически чистых продуктов питания.
Предполагается, что повышение равномерности распределения частиц в секторе рассева аппарата может быть достигнуто за счет применения устройства управления на базе микропроцессорной техники, а для этого необходимо рассмотреть центробежный дисковый аппарат как объект
управления, выполнить анализ и синтез свойств центробежного дискового аппарата.
Цель работы - повышение равномерности распределения туков по поверхности поля на основе уточнения характеристик работы центробежного дискового аппарата с устройствами управления.
Объект исследования - управляемый технологический процесс центробежного дискового туковысевающего аппарата.
Методы исследования - методы планирования эксперимента, теории вероятностей, математической статистики, анализа случайных функций и оптимизации.
Научная новизна - аналитически получены передаточные функции центробежного дискового аппарата, разработана методика оптимального проектирования параметров центробежного туковысевающего аппарата в системах управления рассевом туков.
Реализация результатов работы: разработана лабораторная установка с микропроцессорной системой управления на одноплатном контроллере OCTAGON, которая используется для проведения научных исследований, проведены пробные испытания в СПК «Степной».
Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах /69,70,71,73,74,75,76/.
Объем работы - работа состоит из 4 глав, введения, заключения и приложения. Содержит 147 страниц, 33 рисунка, 18 таблиц, 76 литературных источников.
Апробация работы - результаты докладывались на ежегодных научно-практических конференциях ученых РГАСХМ в 2003-2005 годах и ТулГУ в 2005 году, а также прошли апробацию в хозяйстве СПК «Степной» Песчанокопского района Ростовской области (Приложение 3).
Анализ исследований процессов дозирования и подачи материала
Исследование технологического процесса работы машин для внесения минеральных удобрений выполняют путем выделения из него законченных и не зависящих от последующей работы фаз. У машин с центробежно-дисковыми распределительными рабочими органами таких фаз можно выделить пять/1,2,3,4,5/: - дозирование сыпучего материала из кузова или бункера; - подача материала на бросковый аппарат; -движение частиц по распределительному рабочему органу; - полет частиц в сопротивляющейся воздушной среде; - распределение частиц по поверхности поля. Дозирование материала является первой фазой технологического процесса и оказывает влияние на точность и стабильность средней дозы выпавших на поверхность поля удобрений. Кроме того от подачи материала на центробежный диск зависит режим движения частиц. В этой связи вопросу дозирования уделяется большое внимание. Из большого числа работ посвященных данной фазе технологического процесса, следует выделить работы Летковского Л.И./З/, СИ. Назарова /12/, В.А. Черноволова/5/ и ряд других. Результаты исследований процесса дозирования позволили разработать дозирующие устройства, используемые в серийно выпускаемых машинах. Наибольшее распространение на практике получили дозаторы объемного типа. Такой дозатор содержит дозирующую заслонку, установленную, как правило, на выходе из кузова над транспортером (машины 1 РМГ-4, КСА-3, РУМ-5, МВУ-8 и другие). Перемещение материала к дозирующей заслонке у кузовных машин осуществляется транспортерами различного вида. Чаще всего это винтовые, планчатые, скребковые, прутковые или ленточные транспортеры. При использовании винтовых, скребковых, прутковых и планчатых транспортеров наблюдается пульсация подачи. Исследованиями В.А.Черноволова и А.А.Лянник/5/ показано, что при использовании в качестве распределительного рабочего органа центробежно-дискового аппарата пульсация подачи удобрений прутковым транспортером с частотой расположения прутков соответствующей серийным транспортерам (1 РМГ-4, КСА-3 и им подобным) заметного влияния на продольную и поперечную неравномерность не оказывает. Они рекомендуют разреживать прутки. Это обосновывается сглаживающей способностью центробежно-дискового аппарата.
Однако, эти исследования не охватывают всего многообразия распределительных рабочих органов и не могут быть обобщены на них.
В настоящее время в конструкциях кузовных машин большее применение находят ленточные транспортеры. Это обусловлено тем, что они обладают меньшей склонностью к пульсации подачи, что весьма важно при использовании сменных (чаще всего штанговых) рабочих органов.
Соответствие действительной подачи материала на диск заданной достигается путем выбора скорости движения транспортера и степени открытия дозирующей заслонки. Так как плотность разных видов удобрений не одинакова, то машины оборудуются специальными таблицами по настройке дозаторов. Кроме того на работу дозаторов, на дозу подаваемых удобрений оказывают влияние многие другие факторы. К ним следует отнести: влажность воздуха (особо чувствительны к ней гигроскопические удобрения); уплотнение материала в процессе транспортировки; высота слоя удобрений над транспортером и другие. Это приводит к тому, что действительная подача отличается от заданной, а доза выносимых удобрений варьирует.
Для исключения влияния скорости движения машины на дозу выносимых из кузова удобрений применяют зависимый привод (от ходовых колес или зависимого ВОМ) или управляемый привод/6/.
Подача удобрений от дозатора к распределительному рабочему органу центробежного типа осуществляется с помощью туконаправителя. В зависимости от координат места поступления материала на диск равномерность распределения частиц по ширине полосы рассева изменяется в весьма широких пределах. Этим объясняется большое число работ посвященных выбору места подачи удобрений на бросковый аппарат. Исследованиями доказана возможность обеспечения качественного распределения удобрений по ширине полосы рассева за счет правильного выбора места подачи материала на диск. Кроме того, на равномерность распределения частиц по поверхности пола оказывает влияние и форма зоны подачи/8/.
Влияние положения места подачи материала на центробежный рабочий орган требует наличия устройств для регулирования положения туконаправителя, так как при изменении вида вносимых удобрений или нормы высева координаты оптимального положения центра зоны питания необходимо изменять. Исследованиями установлено, что изменение подачи с 0,2 кг/с до 2 кг/с приводит к смещению сектора рассева на (8...25) град, в зависимости от заданного радиуса подачи. Изменение скорости истечения удобрений с лотка туконаправителя от 0,1 до 1 м/с вызывает смещение сектора рассева на (5...22) град./8/. Таким образом, если отсутствует устройство для корректировки места подачи материала на бросковый аппарат, то при каждом изменении нормы высева механизатор должен выполнить настройку машины на равномерность рассева. Это, как известно, является длительным и сложным процессом. Затраты времени на настройку машины могут составлять от 1 до нескольких часов/9/.
Так как в процессе эксплуатации разбрасывателей удобрений с центробежными рабочими органами возникает необходимость корректировки величины и места подачи материла на диск, то требуется разработка простых устройств для настройки и контроля дозирующих и подающих органов. Отсутствие таких устройств приводит к значительным нарушениям равномерности распределения частиц по полю. Это обусловлено тем, что оператор (механизатор), выполняя настройку подающих и распределительных рабочих органов, визуально может допустить значительные погрешности.
Факторы, влияющие на качественные показатели распределения удобрений по полю
Козловским Е.В., Шестаковым В.М., Шиховым Н.И. и Капустиным Ю.А./14/ предложен ряд модификаций устройства для контроля процесса внесения удобрений центробежным разбрасывателем. В этих устройствах контроль за работой аппарата осуществляется непосредственно во время работы разбрасывателя, что является весьма ценным преимуществом данных технических решений. Информация о процессе распределения частиц в секторе рассева центробежного аппарата в виде эпюры поступает на табло, расположенное в кабине трактора. По характеру эпюры тракторист судит о качестве протекания процесса внесения удобрений и о необходимости выполнения технологических регулировок. Недостатком данных устройств является то, что механизатор получает лишь информацию о распределении интенсивности потока частиц в секторе рассева. Контроль и выбор положения сектора рассева относительно оси движения машины он должен осуществлять визуально, а это, как отмечалось ранее, даёт значительные погрешности/14/.
Недостатком всех известных устройств для контроля за ходом технологического процесса является то, что все необходимые регулировки (изменение подачи удобрений на диск, изменение радиуса подачи, изменение угловой скорости, очистку лопаток и др.) механизатор должен производить вручную, что резко уменьшает производительность.
Помимо устройств контроля за процессом рассева удобрений разрабатываются устройства для автоматического регулирования технологического процесса непосредственно во время работы машины. Такие работы ведутся в следующих направлениях: - стабилизация прямолинейности движения агрегата; - стабилизация частоты вращения распределительного рабочего органа; - регулирование криволинейности лопаток в зависимости от скорости движения; - регулирование высоты расположения дисков над поверхностью поля; - регулирование процесса рассева по изменению рельефа поля; - регулирование дозы высева; - регулирование процесса рассева по нескольким параметрам (скорость движения, дозы, вида удобрений, подачи, состава удобрений и др.). Кушель В.Ю., Чешун B.C., Войтиков А.В. /15/ разработали устройство для регулирования направления движения агрегата путем повышения устойчивости прямолинейности движения машины. Данное устройство облегчает механизатору вождение трактора по полю, но не устраняет всех других недостатков. Ряд устройств разработанных этими же авторами позволяют стабилизировать частоту вращения центробежных дисков, что способствует стабилизации ширины рассева, но при этом не решаются другие задачи управления технологического процесса. Якимов Ю.И., Волошин Н.И. и Афанасьев В.А./16/ разработали устройства, позволяющие путем изменения криволинейности лопаток в зависимости от скорости движения машины регулировать ширину рассева. При этом, по утверждению авторов, данные устройства позволяют разные виды удобрений рассевать в пределах одного и того же угла сектора рассева без ручной перерегулировки. Кондратьев В.Н. и Бобровник А.И./17/ для повышения равномерности и стабилизации ширины рассева предлагают поддерживать постоянную высоту расположения разбрасывающих дисков над поверхностью поля. Для повышения равномерности распределения удобрений при работе разбрасывателей на склонах в СССР и ГДР разрабатываются машины с автоматическим регулированием равномерности рассева в зависимости от крутизны склонов/18/. Большое число работ посвящено разработке систем автоматического регулирования работой дозирующих устройств. Эти работы в основном направлены на стабилизацию дозы вносимых удобрений на единицу площади, а так же поддерживать постоянной подачу материала на диск. Наибольшее число работ в этой области принадлежит фирме "Amazonen - Werke" (ФРГ). Кроме того, над данной проблемой работали в СССР, ПНР, ЧССР и ГДР. Работы велись в нескольких направлениях/19,20,21,22,23,24,25,26/. Так в ряде устройств, разработанных фирмой Amazonen-Werke и ПНР, автоматизация подачи осуществляется за счет управления дозирующим устройством в зависимости от пройденного машиной пути, расхода материала (дозы высева), рабочей ширины рассева. В ряде устройств для выработки сигналов управления используют микропроцессорные системы.
Постановка задачи оптимального проектирования центробежного дискового туковысевающего аппарата в системах управления
Производительность дозатора машины бункерного типа ограничена величиной отверстия при котором не возникают своды. Для определения наибольшего сводообразующего размера рекомендуются аналитические зависимости, проверенные экспериментально/11/.
Увеличение влажности удобрений из-за их гигроскопичности приводит к образованию комков, а следовательно, и к повышению пульсации и сводообразования. Для устранения сводообразования размеры выпускных отверстий необходимо увеличивать. Это обстоятельство не позволяет обеспечить малые нормы внесения удобрений необходимые при интенсивных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур.
К дозаторам машин для внесения минеральных удобрений помимо требования точности и устойчивости дозирования предъявляются и ряд других требований. К их числу, в первую очередь, необходимо отнести возможность регулирования нормы высева от минимальной секундной производительности Q(min) до максимальной - Q(max).
При интенсивных технологиях норма высева удобрений может изменяться от минимальной - 30 кг/га, до максимальной 1000 кг/га и более, то есть изменяется в пределах 1-30 (50). С учетом изменения ширины рассева, скорости машины и нормы высева эти колебания могут достигать до 1:200/11/. Такой широкий диапазон регулирования секундной производительности дозатора у машин бункерного типа с пассивными дозирующими органами осуществить технически весьма сложно. Кроме того доза выданных дозатором удобрений не зависит от скорости движения машины, то есть от фактически обработанной площади. Вследствие этого норма внесения удобрений становится неопределенной и зависит от точности соблюдения заданной скорости движения агрегата. Увеличение расстояния от дозатора до лопаток разбрасывающего диска приводит к снижению устойчивости технологического процесса рассева удобрений, особенно при работе машины на склонах. Это происходит из-за того, что положение центра зоны питания и её форма меняются. Изменение параметров зоны питания приводит к неравномерному распределению материала по поверхности поля, что является причиной избыточного или недостаточного содержания питательных элементов. Если недостаточное содержание питательных элементов приводит к потере урожая, то их избыток служит причиной накопления химических элементов в продуктах питания. Как первое, так и второе являются нежелательными. Устранение неточностей в работе дозаторов и подающих рабочих органов достигается ранее описанными способами. Кроме того, предпринимается ряд попыток уменьшить влияние колебаний рельефа поля на формы зоны питания. Так, у лотковых туконаправителей устанавливают разделительные перегородки или используют подвижные поверхности и другие технические решения. Однако отмеченные мероприятия не позволяют исключить нарушений установленных параметров рабочих органов в процессе перемещения машины по полю. В этой связи заслуживают внимания технические решения, направленные на непрерывный контроль и управление параметрами рабочих органов машин. Обеспечение выполнения агротехнических требований процесса рассева минеральных удобрений центробежными рабочими органами можно достигнуть правильной настройкой всех рабочих органов машины и тщательным выбором перекрытия смежных проходов. Для настройки машины и выбора перекрытия проходов разработана методика проведения испытаний, отраженная в отраслевом стандарте. Суть ее в следующем. Машина с включенными рабочими органами должна выполнить три проезда поперек трех рядов улавливателей, каждый из которых имеет форму противня с размерами 0,5 х 0,5 х 0,05 м. Удобрения попавшие в улавливатели, стоящие один за другим по ходу движения машины собирают вместе и взвешивают. Массу собранных удобрений делят на произведение числа проездов и числа рядов улавливателей получают, таким образом, среднее значение доз удобрений на полуметровых полосках. Зависимость этих значений от расстояния между полосой и продольной осью движения машины представляет собой эпюру распределения доз по ширине захвата. По эпюре рассчитывают показатели качества внесения на общей ширине захвата. Если они не удовлетворяют агротехническим требованиям, то выполняется совмещение и суммирование доз, соответствующее смежным проходам машины. Эти операции имитируют уменьшение рабочей ширины захвата. Их выполняют последовательно, с шагом 0,5 и до тех пор пока показатели качества не окажутся в заданных пределах/12/.
Вследствие многообразия видов удобрений и изменчивости их физико-механических свойств, индивидуального характера износа рабочих органов машин, возможности возникновения неисправностей возникает необходимость регулярно (иногда по несколько раз в течение рабочего дня) проверять и настраивать каждую машину. Применение описанной методики для таких проверок нецелесообразно из-за большого числа операций, выполняемых вручную необходимости использования громоздкого оборудования и выполнения большого объема вычислительных операций.
Методика экспериментальных исследований по оценке факторов, влияющих на положение сектора рассева
Для исключения сводообразования машины бункерного типа снабжают сводоразрушающими устройствами или дозирующим отверстиям придают специальную форму/10/.
Производительность дозатора машины бункерного типа ограничена величиной отверстия при котором не возникают своды. Для определения наибольшего сводообразующего размера рекомендуются аналитические зависимости, проверенные экспериментально/11/.
Увеличение влажности удобрений из-за их гигроскопичности приводит к образованию комков, а следовательно, и к повышению пульсации и сводообразования. Для устранения сводообразования размеры выпускных отверстий необходимо увеличивать. Это обстоятельство не позволяет обеспечить малые нормы внесения удобрений необходимые при интенсивных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур.
К дозаторам машин для внесения минеральных удобрений помимо требования точности и устойчивости дозирования предъявляются и ряд других требований. К их числу, в первую очередь, необходимо отнести возможность регулирования нормы высева от минимальной секундной производительности Q(min) до максимальной - Q(max).
При интенсивных технологиях норма высева удобрений может изменяться от минимальной - 30 кг/га, до максимальной 1000 кг/га и более, то есть изменяется в пределах 1-30 (50). С учетом изменения ширины рассева, скорости машины и нормы высева эти колебания могут достигать до 1:200/11/. Такой широкий диапазон регулирования секундной производительности дозатора у машин бункерного типа с пассивными дозирующими органами осуществить технически весьма сложно. Кроме того доза выданных дозатором удобрений не зависит от скорости движения машины, то есть от фактически обработанной площади. Вследствие этого норма внесения удобрений становится неопределенной и зависит от точности соблюдения заданной скорости движения агрегата.
Увеличение расстояния от дозатора до лопаток разбрасывающего диска приводит к снижению устойчивости технологического процесса рассева удобрений, особенно при работе машины на склонах. Это происходит из-за того, что положение центра зоны питания и её форма меняются. Изменение параметров зоны питания приводит к неравномерному распределению материала по поверхности поля, что является причиной избыточного или недостаточного содержания питательных элементов. Если недостаточное содержание питательных элементов приводит к потере урожая, то их избыток служит причиной накопления химических элементов в продуктах питания. Как первое, так и второе являются нежелательными. Устранение неточностей в работе дозаторов и подающих рабочих органов достигается ранее описанными способами. Кроме того, предпринимается ряд попыток уменьшить влияние колебаний рельефа поля на формы зоны питания. Так, у лотковых туконаправителей устанавливают разделительные перегородки или используют подвижные поверхности и другие технические решения. Однако отмеченные мероприятия не позволяют исключить нарушений установленных параметров рабочих органов в процессе перемещения машины по полю. В этой связи заслуживают внимания технические решения, направленные на непрерывный контроль и управление параметрами рабочих органов машин. Обеспечение выполнения агротехнических требований процесса рассева минеральных удобрений центробежными рабочими органами можно достигнуть правильной настройкой всех рабочих органов машины и тщательным выбором перекрытия смежных проходов. Для настройки машины и выбора перекрытия проходов разработана методика проведения испытаний, отраженная в отраслевом стандарте. Суть ее в следующем. Машина с включенными рабочими органами должна выполнить три проезда поперек трех рядов улавливателей, каждый из которых имеет форму противня с размерами 0,5 х 0,5 х 0,05 м. Удобрения попавшие в улавливатели, стоящие один за другим по ходу движения машины собирают вместе и взвешивают. Массу собранных удобрений делят на произведение числа проездов и числа рядов улавливателей получают, таким образом, среднее значение доз удобрений на полуметровых полосках. Зависимость этих значений от расстояния между полосой и продольной осью движения машины представляет собой эпюру распределения доз по ширине захвата. По эпюре рассчитывают показатели качества внесения на общей ширине захвата. Если они не удовлетворяют агротехническим требованиям, то выполняется совмещение и суммирование доз, соответствующее смежным проходам машины. Эти операции имитируют уменьшение рабочей ширины захвата. Их выполняют последовательно, с шагом 0,5 и до тех пор пока показатели качества не окажутся в заданных пределах/12/.
Вследствие многообразия видов удобрений и изменчивости их физико-механических свойств, индивидуального характера износа рабочих органов машин, возможности возникновения неисправностей возникает необходимость регулярно (иногда по несколько раз в течение рабочего дня) проверять и настраивать каждую машину. Применение описанной методики для таких проверок нецелесообразно из-за большого числа операций, выполняемых вручную необходимости использования громоздкого оборудования и выполнения большого объема вычислительных операций.
