Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы, цель и задачи исследования 6
1.1. Развитие картофелеуборочных машин и показатели их работы 6
1.2. Технологическая схема картофелеуборочного комбайна типа КСК-4-1 и функции его рабочих органов 11
1.3. Факторы, влияющие на работу картофелеуборочного комбайна . 13
1.4. Обзор работ по динамике самоходных сельскохозяйственных агрегатов 18
1.5. Обзор систем контроля работы самоходных сельскохозяйственных агрегатов 21
1.6. Цель и задачи исследования 24
Выводы по главе 1 25
Глава 2. Динамическая модель картофелеуборочного агрегата на базе комбайна КСК-4-1 26
2.1. Рабочие органы 26
2.1.1. Лемех 27
2.1.2. Элеваторы 37
2.1.3. Поперечный ленточный транспортер 43
2.2. Трансмиссия 44
2.2.1. Схема трансмиссии комбайна 44
2.2.2. Клиноременные передачи 45
2.2.3. Неголономная связь между колесами и почвенным пластом 47
2.2.4. Гидропривод выгрузного транспортера 49
2.2.5. Объемный гидропривод ходовой части 53
2.3. Уравнение движения центра инерции комбайна 60
2.4. Динамика трансмиссии 63
2.5. Анализ динамических нагрузок в трансмиссии комбайна 74
Выводы по главе 2 78
Глава 3. Электромеханическая система предотвращения аварийных режимов работы мобильных сельскохозяйственных агрегатов 79
3.1. Назначение и принцип работы ЭСПАР 79
3.2. Моделирование динамики работы электромагнитного привода УсАО 83
3.3. Расчет основных элементов устройства аварийной остановки 89
3.3.1. Расчет электромагнитного привода 89
3.3.2. Расчет параметров возвратной пружины 92
3.4. Расчет надежности ЭСПАР 96
Выводы по главе 3 98
Глава 4. Экспериментальные исследования и технико-экономический анализ эффективности работы картофелеуборочного комбайна, оборудованного ЭСПАР 99
4.1. Лабораторно-стендовые испытания УсАО системы ЭСПАР 99
4.2. Полевые испытания комбайна КСК-4-1, оснащенного ЭСПАР 100
4.2.1. Методика сравнительных испытаний 100
4.2.2. Результаты сравнительных испытаний комбайнов 102
4.3. Исследование эксплуатационной надежности комбайна КСК-4-1, оборудованного ЭСПАР 104
4.3.1. Программа и методика исследований 104
4.3.2. Результаты исследований 108
4.4. Технико-экономический анализ эффективности ЭСПАР 109
Выводы по главе 4 113
Основные результаты и выводы 114
Список литературы 115
Приложения 126
- Факторы, влияющие на работу картофелеуборочного комбайна
- Гидропривод выгрузного транспортера
- Моделирование динамики работы электромагнитного привода УсАО
- Технико-экономический анализ эффективности ЭСПАР
Введение к работе
Значительную часть технологических операций в полеводстве выполняют мобильные сельскохозяйственные агрегаты (МСА). Высокие требования, предъявляемые к их надежности, качеству и производительности требуют решения задачи повышения технико-экономического уровня МСА.
Мобильные сельскохозяйственные агрегаты, представляющие собой сложные динамические системы, работают в разнообразных почвенно-климатических условиях при воздействии случайных возмущений, приводящих к нарушениям технологического процесса. Так, по данным машинно-испытательных станций до 25% всего рабочего времени картофелеуборочные комбайны простаивают из-за поломок и забивания рабочих органов.
Оператор (комбайнер) наряду с управлением комбайна, осуществляет контроль за выполнением технологического процесса и техническим состоянием его узлов и агрегатов. Однако, в силу ограниченных физиологических возможностей, оператор не в состоянии воспринять, обработать поток информации и своевременно отреагировать на опасные изменения загрузки и поломки рабочих органов с последующими отключением их работы и остановкой комбайна.
Известные системы предотвращения аварийных режимов работы МСА недостаточно эффективны из-за их значительной сложности, инерционности и низкой надежности. Поэтому, создание эффективных систем предотвращения аварийных режимов работы уборочных машин является актуальной и практически значимой задачей сегодняшнего дня.
Данная диссертационная работа выполнена в 2003-2007 г.г. в ФГОУ ВПО МГАУ имени В. П. Горячкина и посвящена созданию электромеханической системы предотвращения аварийных режимов работы МСА.
Цель исследования. Повышение технико-экономического уровня мобильных сельскохозяйственных агрегатов путем разработки электромеханической системы предотвращения аварийных режимов их работы.
На защиту выносятся следующие основные положения работы:
математические и компьютерные модели динамики трансмиссии и рабочих органов картофелеуборочных комбайнов;
математическая модель динамики работы электромагнитного привода;
электромеханическая система предотвращения аварийных режимов работы (ЭСПАР) мобильных сельскохозяйственных агрегатов.
Лабораторные испытания были проведены на кафедре «Сервисного обслуживания» Мордовского Государственного Университета имени Н. П. Огарева.
Полевые испытания были проведены на картофельных полях в ОПХ «Ялга» Октябрьского района г. Саранска.
На разработанное устройство автоматической остановки получен патент РФ на изобретение [68].
Факторы, влияющие на работу картофелеуборочного комбайна
Технологический процесс самоходного картофелеуборочного комбайна оптимален, если отсев мелкой фракции почвы заканчивается в конце сепарирующих органов (после третьего элеватора), а содержание крупных примесей, не способных разрушаться и отсеиваться на сепарирующих органах в оставшейся клубненосной массе, не превышает пропускной способности выгрузного транспортера [51]. Однако, в реальных условиях эксплуатации происходит отклонение выполняемого технологического процесса от оптимального, приводящее к снижению качественных показателей работы и производительности комбайна.
Причины, вызывающие неравномерность загрузки комбайнов и ведущие к нарушению технологического процесса, многочисленны и разнообразны. Их можно разделить на внешние и внутренние. Внешние вызывают изменение затрат энергии комбайна на передвижение, подкапывание и загрузку рабочих органов клубненосной массой в процессе эксплуатации. К ним можно отнести неравномерность подачи клубненосной массы в комбайн, изменение ее физико-механических свойств, состава и др.
Отличительной особенностью работы картофелеуборочных комбайнов от других уборочных машин является значительная подача на рабочие органы клубненосной массы, содержащей до 98 % почвы, 1,0-1,5 % клубней картофеля и 0,5-1,0 % ботвы с примесями и оказывающей существенное влияние на весь технологический процесс [70]. Такое большое количество клубненосной массы, поступающей в комбайн, вызвано разбросанностью клубней в почве, определяющей необходимую глубину хода подкапывающих органов. Величина подачи колеблется в широких пределах [51, 70, 71, 77, 86, 88] в результате изменения рельефа картофельного поля и формы грядок [16], неравномерности изменения глубины хода подкапывающих органов и скорости поступательного движения комбайна. Установлено, что оптимальная подача клубненосной массы в комбайн варьирует в широких пределах от 70 до 280 кг/с (рис. 1.4) [70]. Колебание подачи клубненосной массы в комбайне КГП-2. В работе Н.Н. Марченко [53] выявлена неравномерность подачи клубненосной массы в комбайн вследствие значительного изменения формы грядок и неудовлетворительного копирования их приемной частью. Исследованиями И.Р. Размысловича и Л.А. Вергейчика [77] установлено, что колебание глубины хода подкапывающих лемехов может превышать заданную на 6-8 см, что увеличивает количество почвы, поступающей на сепарацию, на 42 % от установленной номинальной. На технологические показатели качества работы картофелеуборочных комбайнов влияет скорость поступательного движения комбайна. Частота возмущающих факторов увеличивается с увеличением скорости движения, следствием этого является изменение технологических, энергетических, агротехнических и эксплуатационных показателей работы комбайна. Результаты энергетических исследований самоходного картофелеуборочного комбайна КСК-4, проведенные В.Я. Ищейновым [30], показали, что с увеличением глубины хода лемехов мощность на привод рабочих органов возрастает (рис.1.5). Возрастание тягового усилия вызвано повышением твердости почвы и увеличением глубины подкапывания, а возрастание мощности на привод рабочих органов - увеличением подачи клубненосной массы в комбайн. Определение рациональной величины глубины хода подкапывающих органов в данных условиях как одного из главных факторов, влияющих на протекание технологического процесса уборки картофеля, является важной задачей улучшения энергетических и агротехнических показателей работы комбайна. На весь технологический процесс значительное влияние оказывает изменение физико-механических свойств и состава поступающей клубненосной массы, которые происходят непрерывно при движении комбайна вдоль гона. Изменение свойств клубненосного пласта, оцениваемое, например, по его способности к разрушению и сепарации на сепарирующих рабочих органах, зависит от ряда причин. Основными из них являются влажность, твердость и механический состав почвы. По результатам Государственных испытаний, проводившихся на Западной и Центральной МИС в 1977-1985 гг. на среднесуглинистых почвах, были построены гистограммы (рис. 1.6) количества примесей почвы в выгрузном транспортере самоходных картофелеуборочных комбайнов КСК-4, КСК-4-1 и КСК-4А-1 [75]. При снятии лабораторных проб скорость поступательного движения комбайна, глубина хода лемехов и кинематический режим работы сепарирующих органов выбирались в соответствии с условиями испытания.
Гидропривод выгрузного транспортера
Электромеханическая система предотвращения аварийных режимов работы (ЭСПАР) предназначена для автоматического отключения гидростатического привода ходовой части МСА путем перевода рычага, управляющего производительностью насоса гидропривода, в нейтральное (нулевое) положение и отключения рабочих органов [84, 89].
Структурная схема ЭСПАР представлена на рис.3.1. Принцип работы системы заключается в следующем (на примере самоходного картофелеуборочного комбайна). При нормальных технологических и эксплуатационных режимах работы комбайна величины угловых скоростей валов рабочих органов и крутящего момента вала контрпривода находятся в узком диапазоне относительно номинальных значений. При нарушении нормальных режимов работы, т.е. при отклонении фактической частоты вращения валов рабочих органов от номинального значения на 15% с датчиков 13 угловых скоростей валов рабочих органов 14 поступает сигнал на систему автоматического контроля 10. Далее сигнал поступает на блок управления 7, который соединен с устройством 5 аварийной остановки комбайна (УсАО) и электрогидравлическим преобразователем 6. В результате УсАО механически устанавливает рычаг управления производительностью насоса 1 в нейтральное положение, в следствие чего происходит остановка комбайна. Одновременно, электрический преобразователь 6 воздействует на гидрозолотник 11 силового гидроцилиндра 16, который разъединяет его муфту сцепления. При этом, ведущий шкив 19, соответственно ведомый шкив 20 и вал 18 контрпривода рабочих органов отключаются.
По такому же принципу ЭСПАР работает от датчика 17 крутящего момента вала контрпривода рабочих органов. На устройство 5 (рис.3.1) аварийной остановки привода ходовой части комбайна получен патент РФ на изобретение [68]. УсАО представляет собой электромеханическое устройство, установленное на корпусе насоса гидропривода ходовой части ГСТ-90 и преобразующее электрический сигнал, поступающий с блока 7 (рис.3.1) управления, регистри 81 рующего рабочие моменты и угловые скорости валов трансмиссии. Для разработки УсАО проведен его полный электромеханический расчет. Конструкция такого устройства была разработана с помощью САПР трехмерного моделирования. УсАО (рис.3.2) состоит из корпуса 2, с установленным на нем электромагнитом 3 и толкателем 4, кинематически связанным с диском 5 сцепления, соединенным посредством штифтов б и возвратной пружины 7 со шлицевым ведомым диском 8 и ведущим диском 9 рычага управления производительностью гидронасоса объемной трансмиссии. При этом рычаг управления закреплен на наружной обойме подшипника 10, внутренняя обойма которого установлена на корпусе 2. На поверхности последнего выполнен паз для полного хода рычага управления производительностью гидронасоса объемной трансмиссии, соединенного с механизмом 11 ручного управления посредством механических тяг. Такое устройство работает следующим образом. При нормальном выполнении технологического процесса сельскохозяйственным агрегатом сигнал управления (с выхода блока 7 управления, рис.3.1) отсутствует и обмотка электромагнита 3 обесточена. При этом ведомый шлицевой 8 и ведущий 9 диски находятся в зацеплении посредством диска 6 сцепления с помощью штифтов 6. Это позволяет регулировать производительность гидронасоса / объемной трансмиссии с помощью механизма 11 ручного управления. При этом полный рабочий ход рычага ведущего диска 9 равен ±30 (рис.3.3). При нарушении технологического процесса, выполняемого сельскохозяйственным агрегатом, например, в случае забивания или поломок основных рабочих органов, на обмотку электромагнита 3 поступает сигнал управления. Толкатель 4 последнего воздействует на хвостовик диска 5 сцепления, который сжимает возвратную пружину 7 (рис.3.4). При этом происходит выход из зацепления ведущего диска 9 и диска 5 сцепления. Это приводит к разъединению ведомого 8 и ведущего 9 дисков. В результате ведомый диск 8 займет нейтральное положение, производительность гидронасоса / станет равной нулю, что приведет к остановке сельскохозяйственного агрегата. После устранения причины нарушения технологического процесса возврат к ручному управлению сельскохозяйственного агрегата осуществляется путем поворота ведущего диска 9 механизмом 11 ручного управления, что приводит к зацеплению диска 5 сцепления и ведомого шлицевого диска 8.
Моделирование динамики работы электромагнитного привода УсАО
Хозяйственные испытания комбайна КСК-4-1, оборудованного ЭСПАР, проводились в периоды уборки картофеля на полях ОПХ «Ялга» Октябрьского района г. Саранска Республики Мордовия [45] (рис.4.3, 4.4).
В результате проведенных испытаний установлено следующее: 1 - полнота уборки клубней на обоих почвенных фонах у комбайна с ЭСПАР несколько выше, чем без нее и составляет 97,5% против 97,0% без устройства, что соответствует агротребованиям (97%); 2 - с увеличением скорости движения комбайна полнота уборки клубней изменяется незначительно; источниками потерь у комбайна, оборудованного ЭСПАР и без нее, являются клубни, оставленные в почве и на поверхности поля; 3 - чистота клубней в таре при работе на обоих почвенных фонах с ЭСПАР несколько лучше, чем без него; 4 - количество поврежденных клубней при работе с ЭСПАР и без нее отличаются незначительно. Несколько меньшее число повреждений у комбайна с ЭСПАР можно объяснить оптимальным режимом загрузки, который способствовал отсеву мелкой фракции почвы в конце сепарирующих органов. Скорость движения комбайна, оборудованного ЭСПАР, была несколько больше, чем без ЭСПАР, что соответствует повышению производительности комбайна на 5%. Для повышения эффективности работы комбайна КСК-4-1 с ЭСПАР в сравнении с серийным комбайном КСК-4-1 проводилась эксплуатационно-технологическая оценка, данные которой представлены в таблице 4 приложения 3 и таблице 1 приложения 2. Анализ полученных данных позволил установить следующее: 1 - производительность в час основного времени работы комбайна КСК-4-1 с ЭСПАР и без нее составила 1,06 и 1,07 га/ч соответственно, что от вечает агротребованиям (0,6-2,0 га/ч); 2 - производительность в час сменного и эксплуатационного времени со 104 ставляет соответственно 0,64 и 0,56 у комбайна КСК-4-1 с ЭСПАР и 0,59 и 0,52 у серийного комбайна КСК-4-1 и отвечает ТУ. 3 - коэффициенты использования сменного и эксплуатационного времени у комбайна КСК-4-1 с ЭСПАР составляют соответственно 0,6 и 0,53, а у серий ного комбайна - 0,55 и 0,48. На снижение коэффициентов использования смен ного и эксплуатационного времени повлияли технологические отказы, затраты времени на повороты и техническое обслуживание. Хозяйственные испытания показали, что самоходный картофелеуборочный комбайн, оборудованный ЭСПАР работал устойчиво со средними скоростями 0.46-0,83 м/с (табл.3, прилож.З). При этих же условиях (табл.3, прилож.З) комбайн КСК-4-1 имел скорости 0,38...0,72 м/с. Работа на более высоких скоростях была невозможна из-за несоответствия примесей агротребованиям и отдельным забиваниям рабочих органов. Анализируя результаты лабораторно-стендовых и хозяйственных испытаний, можно сделать вывод, что оснащение самоходного картофелеуборочного комбайна КСК-4-1 ЭСПАР повышает его производительность на 5...8%, улучшает качественные показатели технологического процесса, уменьшает простои из-за уменьшения поломок рабочих органов и улучшает условия труда оператора. 4.3. Исследование эксплуатационной надежности комбайна КСК-4-1, оборудованного ЭСПАР 4.3.1. Программа и методика исследований С целью сравнительного анализа основных показателей технической эксплуатации серийных и усовершенствованных картофелеуборочных машин, была принята следующая программа исследований: 1 - определение трудоемкости работ по техническому обслуживанию и текущему ремонту серийных и усовершенствованных машин КСК-4-1; 2 - определение средней наработки на отказ картофелеуборочных машин в целом и рабочих органов отдельно до и после усовершенствования; 3 - расчет основных показателей технической эксплуатации картофелеуборочных машин: коэффициент технической готовности, коэффициент технического обслуживания и коэффициент технической надежности; 4 - оценка степени влияния изменений в конструкции картофелеуборочных машин на общую эксплуатационную надежность. Исследования проводились в процессе испытаний на полях ОПХ «Ялга» Октябрьского района г. Саранска Республики Мордовия. За основу была взята стандартная методика испытаний [24,32, 65,94, 96]. Суммарная наработка картофелеуборочных машин в среднем за период испытаний представлена в таблице 2 приложения 2. При планировании комплекса работ по техническому обслуживанию и ремонту необходимо было скорректировать трудоемкость выполнения операций технического обслуживания и текущего ремонта серийных машин, а также определить удельный простой в ремонте с учетом изменений в конструкции, связанных с усовершенствованием картофелеуборочных машин. Трудоемкость работ по техническому обслуживанию (ТО) определялась отдельно для каждой машины [26, 96]. При этом перечню обязательных для серийной машины работ по каждому виду обслуживании добавлялись работы, связанные с изменениями в конструкции усовершенствованной машины. Работы выполнялись слесарями пятого разряда. Продолжительность каждого обслуживания определялась методом хронометража с трехкратной повторностью. Трудоемкость по ТО (чел. ч) определялась выражением: где tj - текущая трудоемкость -ого обслуживания, чел. ч; ПОБ - число повторений обслуживания. Текущая трудоемкостьу -ого обслуживания определялась из выражения: где T - продолжительностьу -ого обслуживания, ч; N- число работников, выполняющих данный вид обслуживания, чел.
Для определения трудоемкости выполнения работ текущего ремонта предварительно был выполнен весь комплекс работ по снятию и установке элементов разработанных устройств на машине, а элементы устройств были разобраны на отдельные детали и затем собраны в единое целое. Продолжительность каждой операции регистрировалось секундомером. Чтобы снизить влияние случайных факторов на продолжительность выполнения операции, по-вторность была трехкратной. В процессе эксплуатации машин на уборке картофеля регистрировались отказы по всей машине в целом и по ее конструктивным элементам отдельно. В результате обработки данных получены значения трудоемкости выполнения операций текущего ремонта картофелеуборочной машины.
Технико-экономический анализ эффективности ЭСПАР
Электромеханическая система предотвращения аварийных режимов работы (ЭСПАР) предназначена для автоматического отключения гидростатического привода ходовой части МСА путем перевода рычага, управляющего производительностью насоса гидропривода, в нейтральное (нулевое) положение и отключения рабочих органов [84, 89].
Структурная схема ЭСПАР представлена на рис.3.1. Принцип работы системы заключается в следующем (на примере самоходного картофелеуборочного комбайна). При нормальных технологических и эксплуатационных режимах работы комбайна величины угловых скоростей валов рабочих органов и крутящего момента вала контрпривода находятся в узком диапазоне относительно номинальных значений. При нарушении нормальных режимов работы, т.е. при отклонении фактической частоты вращения валов рабочих органов от номинального значения на 15% с датчиков 13 угловых скоростей валов рабочих органов 14 поступает сигнал на систему автоматического контроля 10. Далее сигнал поступает на блок управления 7, который соединен с устройством 5 аварийной остановки комбайна (УсАО) и электрогидравлическим преобразователем 6. В результате УсАО механически устанавливает рычаг управления производительностью насоса 1 в нейтральное положение, в следствие чего происходит остановка комбайна. Одновременно, электрический преобразователь 6 воздействует на гидрозолотник 11 силового гидроцилиндра 16, который разъединяет его муфту сцепления. При этом, ведущий шкив 19, соответственно ведомый шкив 20 и вал 18 контрпривода рабочих органов отключаются.
По такому же принципу ЭСПАР работает от датчика 17 крутящего момента вала контрпривода рабочих органов. На устройство 5 (рис.3.1) аварийной остановки привода ходовой части комбайна получен патент РФ на изобретение [68]. УсАО представляет собой электромеханическое устройство, установленное на корпусе насоса гидропривода ходовой части ГСТ-90 и преобразующее электрический сигнал, поступающий с блока 7 (рис.3.1) управления, регистри 81 рующего рабочие моменты и угловые скорости валов трансмиссии. Для разработки УсАО проведен его полный электромеханический расчет. Конструкция такого устройства была разработана с помощью САПР трехмерного моделирования.
УсАО (рис.3.2) состоит из корпуса 2, с установленным на нем электромагнитом 3 и толкателем 4, кинематически связанным с диском 5 сцепления, соединенным посредством штифтов б и возвратной пружины 7 со шлицевым ведомым диском 8 и ведущим диском 9 рычага управления производительностью гидронасоса объемной трансмиссии. При этом рычаг управления закреплен на наружной обойме подшипника 10, внутренняя обойма которого установлена на корпусе 2. На поверхности последнего выполнен паз для полного хода рычага управления производительностью гидронасоса объемной трансмиссии, соединенного с механизмом 11 ручного управления посредством механических тяг.
Такое устройство работает следующим образом. При нормальном выполнении технологического процесса сельскохозяйственным агрегатом сигнал управления (с выхода блока 7 управления, рис.3.1) отсутствует и обмотка электромагнита 3 обесточена. При этом ведомый шлицевой 8 и ведущий 9 диски находятся в зацеплении посредством диска 6 сцепления с помощью штифтов 6. Это позволяет регулировать производительность гидронасоса / объемной трансмиссии с помощью механизма 11 ручного управления. При этом полный рабочий ход рычага ведущего диска 9 равен ±30 (рис.3.3).
При нарушении технологического процесса, выполняемого сельскохозяйственным агрегатом, например, в случае забивания или поломок основных рабочих органов, на обмотку электромагнита 3 поступает сигнал управления. Толкатель 4 последнего воздействует на хвостовик диска 5 сцепления, который сжимает возвратную пружину 7 (рис.3.4). При этом происходит выход из зацепления ведущего диска 9 и диска 5 сцепления. Это приводит к разъединению ведомого 8 и ведущего 9 дисков. В результате ведомый диск 8 займет нейтральное положение, производительность гидронасоса / станет равной нулю, что приведет к остановке сельскохозяйственного агрегата.
После устранения причины нарушения технологического процесса возврат к ручному управлению сельскохозяйственного агрегата осуществляется путем поворота ведущего диска 9 механизмом 11 ручного управления, что приводит к зацеплению диска 5 сцепления и ведомого шлицевого диска 8.
