Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса 8
1.1. Факторы, влияющие на работу картофелеуборочных комбайнов 8
1.2. Обзор научно-исследовательских ргібот по вопросам динамики сложных сельскохозяйственных агрегатов 18
1.3. Обоснование, цель и задачи исследований 21
ГЛАВА 2. Тяговые характеристики фрикционных и гид ростатических перздач в приводе комбайна КСК-4-І 24
2.1. Физические основы фрикционных и гидростатических связей . 24
2.2. Тяговые характеристики передач, применяемых в приводе картофелеуборочного комбайна . 32
2.2.1. Определение тяговых характеристик клиноременных передач 33
2.2.1.1. Определение тяговой характеристики клияоременной передачи привода 34
2.2.1.2. Определение тяговой характеристики клиноременной передачи гидронасоса выгрузного транспортера 35
2.2.2. Определение тяговой характеристики фрикционной муфты сцепления 36
2.2.3. Определение тяговой характеристики передачи "колесо- почва" . 37
2.2.4. Определение тяговых(характеристик гидростатических передач 39
2.2.4.1. Гидропередача ходовой части 39
2.2.4.2. Гидропередача выгрузного транспортера . 40
2.3. Скоростная характеристика двигателя 40
2.4. Выводы по главе 2 42
ГЛАВА 3. Нагрузки в приводе картофелеуборочного комбайна 43
3.1. Виды нагрузок и их характеристики 47
3.2. Определение крутящих моментов от сил сопротивления на ведомых валах привода комбайна . 50
3.2.1. Моменты от сил сопротивления на валу контрпривода рабочих органов 51
3.2.2. Моменты от сил сопротивления на валу ходового колеса комбайна 55
3.2.3. Моменты от сил сопротивления на валу гидромотора выгрузного транспортера 57
3.3. Крутящие моменты на ведущих валах рабочих
органов и ходовой части 59
3.3.1. Коленчатый вал двигателя 59
3.3.2. Вал'гидронасоса ходовой части 60
3.3.3. Вал гидронасоса выгрузного транспортера . 61
3.4. Выводы по главе 3 . . 62
ГЛАВА 4. Матшатическое моделирование переходных процессов в приводе комбайна при болших движениях 63
4.1. Динамическая схема привода и математическая модель работы комбайна 64
4.2. Общий и частные случаи работы комбайна . 67
4.2.1. Разгоны рабочих органов, ходовой части и
выгрузного транспортера . 68
4.2.1.1. Разгон рабочих органов 70
4.2.1.2. Разгон выгрузного транспортера 73
4.2.1.3. Разгон ходовой части комбайна . 76
4.2.2. Установившиеся режимы работы комбайна . 80
4.2.3. Выбеги рабочих органов и ходовой части комбайна 85
4.3. Математическое обеспечение решения систе
мы дифференциальных уравнений 88
4.3.1. Цифровая программа моделирования 91
4.3.2. Методика теоретических вычислений 94
4.4. Выводы по главе 4 106
ГМВА 5. Экспериментальные исштанин картофелеубо рочного комбайна kck-4-i и сравнение их с результатами тюрегических исследований 107
5.1. Программа экспериментальных исследований 107
5.1.1. Приборы и устройства, используемые при экспериментальных ирследованиях 108
5.1.2. Методика полевых исследований НО
5.2. Сравнение результатов экспериментальных исследований с результатами теоретических вычислений ; 112
5.3. Определение экономической эффективности исследования динамики привода комбайна KCK-4-I, на основании материалов диссертации 120
5.4. Выводы по главе 5 123
Общие выводы и предложения производству 125
список литературы 127
приложения 137
- Факторы, влияющие на работу картофелеуборочных комбайнов
- Тяговые характеристики передач, применяемых в приводе картофелеуборочного комбайна
- Определение крутящих моментов от сил сопротивления на ведомых валах привода комбайна
- Динамическая схема привода и математическая модель работы комбайна
Введение к работе
Для выполнения задач, вытекающих из программ КПСС и ГОШ по строительству социалистического общества очень большое значение имеет комплексная механизация сельского хозяйства, в том числе механизация возделывания и уборки картофеля. Необходимость комплексной механизации сельского хозяйства обусловлена непрерывным валовым ростом сельскохозяйственной продукции, повышением требований к ее качеству, снижением численности работников, занятых в сфере сельскохозяйственного производства.
Как Советский Союз, так и Польша занимают по производству картофеля ведущее место в мире и собирают ежегодно 55$ мирового урожая этой культуры.
Дальнейшая интенсификация производства картофеля и сокращение сроков выполнения трудоемких операций его уборки вызывает необходимость снабжения хозяйств современной, энергонасыщенной и высокоэффективной техникой, которая бы обеспечивала высокую производительность с минимальными потерями и допустимыми повреждениями клубней. Тенденция в развитии новой картофелеуборочной техники характерна созданием многорядных самоходных комбайнов, к числу которых принадлежит исследуемый в настоящей работе самоходный картофелеуборочный комбайн KCK-4-I.
Этот комбайн является одним из наиболее сложных сельскохозяйственных агрегатов, выполняющих совокупность технологических операций, качество которых зависит,в основном, от конструктивных параметров привода и кинематического режима рабочих органов. Поскольку картофелеуборочные машины работают в непрерывно и случайно изменяющихся условиях, для исследований технологического процесса работы картофелеуборочного комбайна KCK-4-I необхо- димо изучить динамику его привода.
Несмотря на значительное количество научных работ по исследованию технологического процесса картофелеуборочных машин Гі7, 18,22,36,41,45,53,58,70J и др. , приемы динамических расчетов до сих пор не имеют достаточно широкого применения в картофелеком-байностроении.
В связи с этим представляются весьма актуальными тщательные исследования динамики привода комбайна KCK-4-I, которые позволили бы, вместе с уже имеющимися данными, выбрать рациональные конструктивные и технологические его параметры.
Настоящая работа посвящена исследованию динамики рабочих органов и ходовой части самоходного картофелеуборочного комбайна KCK-4-I. Она выполнена в Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академий им. К.А. Тимирязева в I98I-I984 гг.
Целью работы является разработка математического моделирования больших движений привода самоходного картофелеуборочного комбайна KCK-4-I с последующей оценкой конструктивных и технологических параметров для выбора рациональных их значений.
На защиту выносятся следующие основные положения работы: разработка математической модели привода комбайна KCK-4-I в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений, для решения которой построен алгоритм, использующий новейшие методы численного интегрирования на ЭВМ; выдачи рекомендации по выбору теоретически и экспериментально обоснованных, рациональных конструктивных и технологических параметров комбайна.
Лабораторно-полевые испытания проводились на полях совхоза "Динамо" Клинского района Московской области и опытных полях Тимирязевской сельскохозяйственной академии в 1981-82 гг.
Результаты данных исследований использованы НПО ВИСХОМ при совершенствовании конструкции комбайна KCK-4-I и создании других сельскохозяйственных машин.
Научные исследования являлись частью научно-технической проблемы 0.15.17 по разработке и внедрению высокоэффективных технологических процессов производства картофеля, определенной Постановлением Госплана СССР, ПШТ и Академии Наук СССР J& ПО/140/50 от 20 мая 1980 г.
Факторы, влияющие на работу картофелеуборочных комбайнов
Самоходный картофелеуборочный комбайн КСК-4 является сложной сельскохозяйственной машиной. Она выполняет совокупность технологических операций, качество которых зависит от кинематического режима рабочих органов и величины подачи клубненосной почвенной массы поступающей на сепарацию. Поэтому в целях поддержания максимальной производительности комбайна с хорошим качеством выполнения технологических операций необходимо провести исследование динамики его привода, то есть изучить кинематические и силовые процессы при переменных внешних условиях работы.
Технологический процесс работы самоходного картофелеуборочного комбайна КСК-4 происходит следующим образом (рис.1.1) [Zl]. При движении комбайна по полю лемехи I подрезают почвенный пласт с четырех рядков и передают его на основной двухсекиионный элеватор 2, на котором происходит рыхление и первичная сепарация почвы. Оставшаяся часть почвы, клубни и ботва попадают на второй элеватор 3, где наступает дальнейшая сепарация. Дальше общая масса почвы и картофеля проходит между баллонами комкодавителя 4, которые разрушают почвенные комки. После этого вся общая масса поступает на два поперечных транспортера 5, которые сужают поток и передают его на третий элеватор 6, где происходит окончательная сепарация почвы от клубней картофеля и частичное удаление ботвы. С третьего элеватора масса поступает на распределительный 7, редкопрутковый транспортер 8 и горку ботвоудалите-ля 9. С горки ботвоудалителя клубни подаются в выгрузной транс портер II. При помощи прижимного полотна 10 происходит отделение клубней от ботвы и вынос ее вместе с растительными примесями на поверхность убранного поля /377.
На протекание технологического процесса работы комбайна влияют внешние и внутренние факторы. Внешние факторы связаны с технологическими параметрами работы: поступательной скоростью комбайна, влажностью почвы, ее структурой и составом, глубиной хода лемехов, микрорельефом поля; внутренние факторы - кинематический режим рабочих органов, их вибрация, настройка перед работой и др.
Из вышеуказанных факторов на технологические параметры качества работы комбайна особое влияние оказывает изменение поступательной скорости комбайна во время уборки ввиду различных воздействий. Увеличение поступательной скорости комбайна, как показали исследования ряда авторов, вызывает возрастание моментов сил сопротивления и необходимой мощности для привода рабочих органов и ходовой части, ввиду повышения подачи клубненосной массы (рис.1,2, 1.3) /"32,41,627.
В работах О JL Сафразбекяна /б5,6б] приведены результаты испытаний картофелеуборочного комбайна ККР-2, в которых установлено, что с повышением скорости движения комбайна с 0,24 до 1,28 м/с подача массы в комбайн увеличивается с 40 до 200 кг/с, потери клубней растут с 25 до 38$, а чистота клубней в таре уменьшается с 90 до 41$. Эти данные, а также приведенные на рис.1.2 и 1.3 зависимости, свидетельствуют о значительном влиянии поступательной скорости комбайна на энергетические и качественные показатели его работы. Очевидно, выбор оптимальной скорости движения комбайна позволит добиться улучшения этих показателей.
Особенностью работы самоходного картофелеуборочного комбайна является поступление на рабочие органы большего количества клубненосной массы (до 700 кг/с), в которой содержится только 2-3$ клубней картофеля. Так, большое количество массы, поступающей в комбайн, вызвано неравномерностью залегания клубней в почве, определяющей необходимую глубину хода лемехов. По данным наблюдений, в картофельных гнездах крайние по ширине рядка клубни располагаются один от другого на расстоянии до 0,4 м, а нижние клубни находятся в почве на глубине до 0,22 м /18/. Последняя величина определяет предельное значение необходимой глубины хода лемехов, которое колеблется в широких пределах вследствие значительного изменения формы грядок вдоль картофельного поля и неудовлетворительного их копирования приемной частью комбайна. В некоторых экспериментальных работах /l7,62j указывается, что изменение глубины хода лемехов на 6-8 см увеличивает количество почвы, поступающей на сепарацию до 40%. Увеличение глубины хода лемехов вызывает также увеличение количества почвенных комков, поступающих в комбайн, вследствие чего возрастает момент от сил сопротивления и процент повреждения клубней /927. Результаты экспериментальных исследований картофелеуборочного комбайна К-3 /64J и самоходного картофелеуборочного комбайна КСК-4 /33,41j позволили определить зависимости тягового усилия и необходимой мощности для привода комбайна от величины заглубления лемехов (рис.1.2, 1.4, 1.5).
Определение рациональной в данных условиях величины глубины хода лемехов, как одного из главных факторов, влияющих на протекание технологического процесса уборки картофеля, является важной задачей улучшения энергетических и качественных показателей работы комбайна.
Согласно агротехническим требованиям, из почвы должно быть извлечено 97$ клубней без их повреждений. На легко сепарируемых супесчаных почвах комбайны успешно справляются с этой задачей, но на тяжелых, с плохой сепарацией (почвах суглинистых) они не обеспечивают качественной уборки. Это объясняется в основном различием физико-механических свойств почвы.
К числу физико-механических факторов, оказывающих существенное влияние на технологический процесс работы комбайна, относятся: плотность, влажность, твердость почвы и другие.
Плотность почвы, определяемая соотношением у—Щ-і (где т - масса почвы, а У - ее объем), значительно влияет на величину моментов от сил сопротивления, так как определяет вес почвенного пласта, поступающего на рабочие органы комбайна. Как показали исследования ряда авторов /33,54,87,92j , момент от сил сопротивления на валу контрпривода рабочих органов пропорционален плотности почвы (рис. 1,3; 1.6). Результаты этих исследований показывают, что по мере нарастания плотности сильно возрастает момент от сил сопротивления на валу контрпривода рабочих органов (кривая I на рис.1.6) и отмечается незначительное влияние плотности почвы на момент сопротивления у ходовой части комбайна (кривая 2 на рис. 1.6). Это объясняется тем, что увеличение плотности почвы вызывает возрастание подачи массы, значение которой определяет момент внешней нагрузки на рабочие органы.
Тяговые характеристики передач, применяемых в приводе картофелеуборочного комбайна
Согласно вышеприведенным формулам для определения крутящего момента фрикционной передачи проведем анализ тяговых характеристик передач, применяемых в картофелеуборочном комбайне KCK-4-I.
Зависимость (2.6) представляет с математической точки зрения гиперболу, которая в зависимости от физических условий движения передачи имеет разное математическое описание, а тем самым, разное графическое представление (рис.2.5). Из зависимости (2.6) вытекает, что если jr Uj = О , то Мкр= Мтах; а, приЦ/ = / MHp= 0 . Если Щ-Lj I , то в передаче происходит буксова г.\: и ние, а для Нц / - скольжение, так как ведомая часть теперь стала ведущей. Нижняя ветвь гиперболы (рис.2.5) описывается за S3 висимостью: 2.7)
Широкое распространение клиноременных передач в сельскохозяйственном машиностроении объясняется многими их преимуществами, к числу которых можно отнести прежде всего бесшумность, компактность, большой диапазон передаваемых мощностей, относительно высокая тяговая способность, сглаживание динамических нагрузок. К недостаткам следует отнести снижение к.п.д. из-за скольжения ремня, а также небольшую долговечность клинового ремня.
Клиноременные передачи сглаживают крутильные колебания, являясь, кроме того своеобразными предохранительными муфтами, но в то же время они допускают порой значительные уменьшения угловых скоростей рабочих органов, что снижает качество выполняемого ими технологического процесса /"47.
Мощность, передаваемая одним ремнем, выражается формулой Геи Nn = N. -%St- - (2.8) Op где N0 - номинальная мощность передачи с одним ремнем (определяется по ГОСТ 1284.1-80 и ГОСТ 1284.3-80 в зависимости от вида ремня); Сл - коэффициент угла обхвата шкива; Сі - коэффициент длины ремня; Ср - коэффициент динамичности и режима работы. Момент, развиваемый передачей, определяется по общеиявест ной формуле: н -- - $45- »] 2-9 а полезное окружное усилие передачи: Р - Мп , (2.10) где сої , Вш - угловая скорость и диаметр ведущего шкива передачи. Коэффициент тягиуцредставляет собой согласно выражению (2V2) отношение полезного окружного усилия FQ к первоначальному натяжению ремня 2So : =- 7.- (2.П) Максимальный возможный момент, развиваемый передачей, равняется: . мтах = г$ 0 дш. (2.12) На основании приведенных выше формул (2.5 - 2.12) определим тяговые характеристики клиноременных передач, выступающих в при- \ воде комбайна KCK-4-I.
Рабочие органы комбайна KCK-4-I приводятся в движение при помощи 8-ручьевой клиноременной передачи. Общая мощность передачи Nn - 41,6 кВт, передаточное число 11г = 1,89; максимальный возможный момент, передаваемый передачей, Мтах- 431,4 Нм; коэффициент тяги Я* определен для общего натяжения ремней 2S'0 = 539,2 Нм (ГОСТ 1284.1-вО И ГОСТ 1284.3-80) и равен Ц> = 0,48. Из (2.3) найдем если tf = О, то 6=0;
Скоростная характеристика двигателя Самоходный картофелеуборочный комбайн КСК-4-І снабжен дизельным двигателем СВД-64 и центробежным всережимным регулятором топливного насоса ЦД 22/664-24 [20],
В связи с тем, что в рабочем диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя, согласно регуляторной характеристике, зависимость между моментом развиваемым двигателем Mffi и частотой вращения cogs линейная, в соответствии с рисунком 2.9 тяго- вую характеристику двигателя можем аллроксимировать зависимостью: Мя = A-Butf. (2.28) Постоянные коэффициенты А,В вычисляем из принятых условий движения коленчатого вала (см.рис.2.8): для Мд$так= 150 л.с. (110,4 кВт), 0)dg = 199,9 рад/с (1908 об/мин); для Nff = 60 лДі (44,18 кВт), Goee = 214,15 рад/с (2045 об/мин). Пересчитывая мощность на момент, развиваемый двигателем при данных частотах вращения долучаєм условия для определения коэффициентов А, В уравнения (2.28): если 0)3 = 199,9 рад/с, то Мд$тах = 552,27 Нм; если ^зпквГ 214»15 Рад/» то Мдб = 206, 3 Нм. или Г552,27 = А - 199,9 В ) I (2 30) t 206,3 = А - 214,15 В . В результате решения системы уравнений (2.30) получаем: А = 5403:8; В = 24,27. Характеристика двигателя на его линейном участке выражается формулой Мае = 5Ш,д -24,г7со&. (2.31)
Теоретические исследования тяговых характеристик фрикционных передач,приведенные во второй главе, позволяют сделать следующие выводы:
1. Клиноременные передачи, передачу "колесо- почва" и гидростатические передачи можно отнести к типу фрикционных, имеющих аналогические тяговые характеристики и аппроксимировать одинаковыми зависимостями.
2. Снабжение дизельного двигателя СМД-64 центробежным веере жимным регулятором позволяет аппроксимировать его скоростную характеристику линейной зависимостью, что упрощает математическую модель привода.
Определение крутящих моментов от сил сопротивления на ведомых валах привода комбайна
Согласно кинематической и эквивалентной схеме (рис.3.1, 3.2) нагрузку на коленчатый вал двигателя составляют крутящие моменты от группы рабочих органов, ходовой части и,выгрузного транспортера, а также "собственные" моменты от сил сопротивления, то есть: момент от сил инерции Миз , момент от сил трения Afrps и момент от сил сопротивления воздуха Мсбъ М5 = Мизі-Мтрз- -Мс&+М1гпі Мз.бп + М3іі,п, (3.40) где Мггп , М3//п, М3)6п - приведенные к валу двигателя крутящие моменты соответственно от группы рабочих органов, выгрузного транспортера и ходовой части комбайна.
Момент от сил инерции Миз вычисляется по формуле (3.7) с учетом 73 = 3,773 кгм2 [l]. Момент трения Мтрз для движущихся частей двигателя принимаем Mjp3 - 6,9 Нм /"ЭОУ. Момент от сил сопротивления воздуха Мс$3 вычисляется по формуле (3,6): МсЪ = В ъО} , (3.41) где В ъ - коэффициент сопротивления воздуха для вращающихся частей двигателя, В 3 - 0,00002 кгм2 /"Э0_/. Крутящие моменты от группы рабочих органов, ходовой части и выгрузного транспортера приводим к коленчатому валу двигателя по формуле: Мы, - . М\ (3.42) где Мы - приведенный к валу двигателя крутящий момент данного органа; МІ - крутящий момент на валу данного органа; bigg - передаточное число между валом данного органа и валом двигателя; ІічЄ " К«П Д передачи, приводящей в движение данный орган.
Вал гидронасоса ходовой части Уравнение баланса моментов на валу гидронасоса ходовой части представляется следующим образом: % = Мик + Мтре f NcU +MGjn, (3.43) где Мие - момент от сил инерции;
МТр6 - момент от сил трения, Мтре - 31,4 Бм / 377; McSt - момент от сил сопротивления воздуха; Mgjn- момент от сил сопротивления на валу ходового колеса комбайна, приведенный к валу гидронасоса ходовой части. Момент от сил. инерции Мие определяется по формуле (3.7), с учетом, что J =0,38 кгм2 [I2J.
Момент от сил сопротивления воздуха MCG вычисляли по формуле (3.6) с учетом, что коэффициент сопротивления воздуха Вд = 0,00022 кгм2.
Крутящий момент от сил сопротивлений на валу ходового колеса М6і7п » приведенный к валу гидронасоса ходовой части, выражается формулой: ««»- /- - (3.44) S.7 б.7 где І67 - передаточное число между валом ходового колеса и валом гидромотора ходовой части; J,_ - к.п.д. передачи "колесо-почва". Уравнение баланса моментов на валу гидронасоса выгрузного транспортера можно представить следующей формулой: % = Ми +Мтрм +МсВл +Мъ5П , (3«45) где Мич - момент от сил инерции;
Мщ - момент от сил трения, Mjpt, = 12,75 Нм /37J; Мс( - момент от сил сопротивления воздуха;
MiSn - момент от сил сопротивления на валу гидромотора выгрузного транспортера, приведенный к валу его гидронасоса. Момент от сил инерции MUtf определяется по формуле (3.7) с учетом, что «7 = 0,092 кгм2 /"357.
Крутящий момент от сил сопротивления на валу гидромотора выгрузного транспортера МЧі5п , приведенный к валу его гидронасоса, выражается формулой
Динамическая схема привода и математическая модель работы комбайна
Самоходный картофелеуборочный комбайн в процессе работы представляет собой сложную динамическую систему с переменной механической структурой. В его конструкции применяются различные передачи, которые, с точки зрения динамики больших движений, можно разделить на передачи с жесткими геометрическими связями, то есть голономными (передачи зацеплением - зубчатые и цепные) и передачи с неголономяыми связями, работающими всегда со скольжением или букосванием (дисковые муфты сцепления, клиноременные и гидростатические передачи, связь колеса с почвой).
В передачах с геометрическими связями кинематическое передаточное число всегда постоянно, тем самым постоянны или опрделелен-ны и передаваемые ими моменты. Моменты, передаваемые передачами с неголономными связями, меняются в зависимости от отношения 7Dy2V угловых скоростей ведущего и ведомого валов.
Для анализа динамики процессов целесообразно представить реальную структуру комбайна в виде эквивалентной многомассовой модели. Согласно условным обозначениям передач, выступающих в приводе комбайна и кинематической схеме комбайна KCK-4-I 37 построена структурная схема, отражающая его динамическую модель (рис ,4.1).
При создании математической модели работы комбайна принимаются следующие допущения: - учитываются только большие движения основных масс без
Условно принимаем, что каждая из масс многомассовой системы совершает вращательное движение относительно своей оси; следовательно, рабочие органы с приведенным моментом инерции как-будто вращаются вокруг вала контрпривода и т.д. Поступательное движение комбайна заменяем на движение массы комбайна с моментом инерции 07 вокруг оси ходовых колес. Такие принятые допущения позволяют рассматривать разнородную систему, какой является комбайн, в одинаковых координатах.
Система дифференциальных уравнений (4.1) является общей системой для всех режимов работы комбайна как установившихся, так и неустановившихся.
При выполнении комбайном технологического процесса уборки картофеля производятся различные операции такие как: подкапывание грядок, транспортирование клубненосной массы и ее сепарация на последующих сепарирующих органах, удаление ботвы, выгрузка клубней на транспортные средства и др.
Процесс самой уборки картофеля является общим случаем работы комбайна, в котором участвуют все рабочие органы и ходовая часть» Кроме того, можно выделить частные случаи работы, когда работает один или несколько органов, но не все вместе. Такими случаями являются разгон и выбег рабочих органов и ходовой час ти. По своєму существу подготовка комбайна к работе происходит следующим образом: сначала включают двигатель, который работает на определенном рейкой топливного насоса режиме, дальше включают рабочие органы, потом выгрузной транспортер и, наконец, ходовую часть. Комбайн разгоняется и начинается рабочий процесс уборки картофеля.
Обратным путем происходит выбег рабочих органов и ходовой части. Сначала останавливают комбайн; рабочие органы и выгрузной транспортер пока еще работают до момента окончательного завершения сепарации и выгрузки последних клубней на транспортные средства, потом выключают рабочие органы и выгрузной транспортер. Классифицируя вышеизложенное, можно выделить семь случаев (состояний системы) работы комбайна: 1 - разгон рабочих органов; 2 - разгон выгрузного транспортера; 3 - разгон комбайна; 4 - уборка картофеля; 5 - выбег комбайна ; 6 - выбег рабочих органов; 7 - выбег выгрузного транспортера. Рассмотрим все случаи отдельно.
