Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и постановка задач исследования 7
1.1. Обзор исследований процесса резания растений 7
1.2. Обзор и анализ конструкции кормоуборочных машин 11
1.3. Обоснование и анализ конструкции косилки с электромеханическим приводом ножа 21
1.4. Методы анализа динамических систем 24
1.5. Цель и задачи исследования 32
2. Разработка математических моделей 36
2.1. Связь между скоростными и силовыми параметрами в кривошипно-ползунном механизме 37
2.2 Связь между скоростными и силовыми параметрами в плоском кулачковом механизме 41
2.3 Полная энергетическая цепь мобильного энергомодуля с двумя каналами передачи мощности 44
2.3.1 Нахождение статических значений переменных 48
2.3.2 Нахождение приращений переменных 51
2.4 Амплитудно-частотная характеристика 59
2.4.1 Частотные характеристики цепи 1-5 59
2.4.2 Частотные характреристики цепей (6-10), (11 -16) 61
2.4.3 Частотные характеристики системы в целом 62
3. Разработка экспериментальной установки 64
3.1. Назначение экспериментальной установки и ее структурная схема 64
3.2. Характеристика устройств и агрегатов, входящих в экспериментальную установку 70
3.2.1. Дизель-генератор 70
3.2.2 Согласующее устройство 72
3.2.3 Плата аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования
3.2.4 Преобразователь тока 75
3.2.5 Преобразователь крутящего момента 77
3.2.6 Преобразователи частоты вращения коленчатого вала дизеля, вала привода ножа косилки, скорости движения модуля. 79
3.2.7 Преобразователь положения рейки топливного насоса высокого давления дизеля 81
3.3. Комплекс «АКиУЭП» 81
3.4. Поверка измерительной аппаратуры 83
4 Результаты теоретических и экспериментальных исследований 85
4.1 Идентификация экспериментальных зависимостей и модели 85
4.2. Расчет технико-экономической эффективности от применения сегментно-пальцевой косилки с электромеханическим приводом ножа. 104
4.2.1. Общая методика расчета 104
4.2.2 Расчет экономической эффективности от применения сегментно пальцевой косилки с электромеханическим приводом ножа. 108
Заключение 111
Библиографический список 113
Приложения 125
- Обзор и анализ конструкции кормоуборочных машин
- Связь между скоростными и силовыми параметрами в кривошипно-ползунном механизме
- Назначение экспериментальной установки и ее структурная схема
- Идентификация экспериментальных зависимостей и модели
Введение к работе
В соответствии с современными тенденциями развития животноводства потребность в кормах на одну треть должна обеспечиваться за счет травянистых кормов. При этом предусмотрено существенно повысить качество заготавливаемых кормов путем совершенствования и внедрения новейших ре-сурсо- и энергосберегающих способов их заготовки, а также применения новейших высокопроизводительных кормоуборочных машин, адаптируемых к различным условиям их применения. Как показывают проведенные исследования, лишь около 70 % необходимых запасов кормов убирается на специально предназначенных для этого участках — сенокосах. Остальные 30 % убирают на так называемых «неудобьях» (овраги, обочины дорог, лесные просеки и т.д.). Кормоуборочные машины на таких участках работают на скорости в три-пять раз ниже, чем в полевых условиях. Кроме того, они эксплуатируются в условиях изменяющихся внешних воздействий, главными из которых являются физико-механические свойства растений (влажность, плотность, упругость и т.д.); рельеф почвы (гребнистость, склоны и пр.); климатические факторы (температура, влажность воздуха, запыленность и т.д.). Указанные факторы оказывают влияние на неравномерность загрузки ходовой части и технологических приводов сельскохозяйственных агрегатов (СХА), а также на показатели качества технологических операций (скашивания, плющения, измельчения и т.п.).
Применяемые в настоящее время комплексы машин для скашивания трав во многом исчерпали возможности развития, недостаточно эффективны в различных условиях их применения и не отвечают современным требованиям из-за низкой производительности и высоких энергозатрат. Непроизводительные затраты мощности в механических передачах сегментно-пальцевых косилок при колебательном характере внешней нагрузки достигают 40 %. Поэтому разработка новых универсальных электромеханических приводов режущих аппаратов косилок, агрегатируемых с мобильными энер-
гетическими модулями (МЭМ), для сельского хозяйства является актуальной и практически значимой задачей.
Отсюда вытекает цель исследования: создание универсального электромеханического привода сегментно-пальцевой косилки для МЭМ сельскохозяйственного назначения, обеспечивающего повышение технико-экономического уровня скашивания трав.
Выполненные исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов:
разработаны математические модели электромеханического привода сегментно-пальцевой косилки и сельскохозяйственного агрегата на базе МЭМ с электромеханической трансмиссией с учетом обратных связей регуляторов, позволяющие определять их конструктивные параметры в зависимости от величины энергозатрат;
получены зависимости между конструктивными, силовыми и кинематическими параметрами в плоском кулачковом механизме, позволяющие оценивать в нем активные потери на стадии конструирования;
разработан алгоритм, повышающий точность определения активного сопротивления в электромеханическом приводе косилки за счет совершенствования способа измерения крутящего момента.
Диссертационная работа выполнена согласно программе развития АПК Республики Мордовия до 2010 года «Разработка методов и средств контроля энергопотребления сельскохозяйственных агрегатов» и плану научных исследований ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева»
Практическая ценность результатов исследования заключается в разработке:
конструкции плоского кулачкового механизма для сегментно-пальцевого режущего аппарата;
электропривода сегментно-пальцевой косилки на примере КС-2,1 и МЭМ на базе самоходного шасси Т-16М с электромеханической трансмиссией;
- рекомендаций по повышению эффективности работы СХА с ко
силкой, оснащенной электромеханическим приводом режущего аппарата.
Новизна и промышленная применимость таких устройств подтверждена двумя патентами на полезную модель.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс ФГОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», Института механики и энергетики ГОУВПО «МГУ имени Н. П. Огарева» при изучении дисциплин «Тракторы и автомобили», «Эксплуатация машинно-тракторного парка», «Автоматизация технологических процессов», «Сельскохозяйственные машины», «Тепловые двигатели и нагнетатели», используются в Государственном унитарном предприятии РМ «Центр испытания и внедрения сельскохозяйственной техники и машинных технологий» (г. Саранск), ГНУ Мордовском НИИ сельского хозяйства, Министерстве сельского хозяйства и продовольствия Республики Мордовия при разработке новой техники.
На защиту выносятся следующие основные положения:
математические модели электромеханического привода сегмент-но-пальцевой косилки и сельскохозяйственного агрегата на базе МЭМ с электромеханической трансмиссией;
зависимости между конструктивными, силовыми и кинематическими параметрами в плоском кулачковом механизме;
сегментно-пальцевая косилка с электромеханическим приводом ножа в составе агрегата с мобильным энергетическим модулем;
алгоритм определения активного сопротивления резанию трав по записям реализаций тока и напряжения приводного электродвигателя.
Обзор и анализ конструкции кормоуборочных машин
Сальников СВ. провели достаточно подробную классификацию ротационных косилок. Классификация по Сальникову СВ. имеет общий характер, а Кусов Т.Т. проводит разделение косилок по типам режущих аппаратов [58].
Косилки с ротационным режущим аппаратом имеют захват 1,5- 2,15 м. Ножи могут вращаться в горизонтальной или вертикальной плоскостях. Если ножи вращаются в вертикальной плоскости, то они не только срезают растения, но и измельчают срезанные стебли. Окружная скорость ножей составляет 60-80 м/с.
Сальников СВ. в своей работе предложил конструкцию ротационной косилки для технологий залуженного содержания междурядий в многолетних насаждениях. В обычной ротационной косилке над ножами под определенным углом установлены отбивающие пластины для обеспечения равномерности разбрасывания срезанной массы по ширине междурядья. Косилка снабжена приспособлением для обхода окашивающей секцией штамбов деревьев. Это приспособление позволяет скашивать ранее недоступную приствольную полосу шириной до 1 метра, приспособление для обхода штамбов деревьев выполнено в виде подпружиненного ротора [90]. Грищенко В.В. описывает ротационные косилки, предназначенные для окашивания откосов и берм каналов. Косилки отличаются типом навесного устройства. Конструкция таких косилок сложна и громоздка, однако она не имеет альтернативы при окашивании каналов [29].
Немецкой фирмой «Welger» выпускаются косилки, диски которых имеют форму спирали с двумя полувитками. При вращении диски выполняют роль вентилятора и поднимаю растения воздушным потоком [97, 98].
Аликбеков С.К. и Краморов Ю.И. разработали высокоскоростную косилку, рабочими органами которой являются пилообразные диски, частично перекрывающие друг друга. Диски также как и в ротационных косилках вращаются в горизонтальной плоскости и приводятся в движение с помощью высокочастотного электропривода. Такой привод позволил значительно повысить частоту вращения рабочих органов и за счет этого повысить производительность. Однако, в целом конструкция машины усложняется, т.к. для работы высокочастотного привода необходим либо высокочастотный генератор, либо преобразователь частоты [5].
Наибольшее распространение в нашей стране получила косилка-измельчитель с барабанным режущим аппаратом КИР - 1,5. Она предназначена для уборки растений на зеленый корм.
Также разработаны новые типы барабанных режущих аппаратов с винтообразными и барабанно-шнековыми рабочими органами. Косилки с данными типами режущих аппаратов позволяют не только производить скашивание и измельчение зеленой массы, но и осуществлять погрузку растительной массы в транспортное средство. К недостаткам данных косилок относится высокое качество изготовления рабочих органов. К преимуществам ротационной косилки относятся высокая производительность в результате увеличения поступательной скорости до 15 км/ч, возможность работы на высокоурожайном или полеглом травостое. Недостатками являются высокая металлоемкость и энергоемкость - в 5 - 6 раз выше чем у косилки с сегментно-пальцевым режущим аппаратом; повышенные потери уро жая из-за повторного срезания стеблей растений; быстрое затупление ножей, и как следствие появление рваного среза и повреждение стерни, что сказывается на урожайности трав при последующих укосах; при большом количестве естественных препятствий на участке (земляные кочки, муравейники и т.п.) скошенные растения оказываются перемешанными с частицами земли, что сказывается на качестве кормов. В результате исследований ротационных косилок, проведенных А.Н. Погорельцем установлено следующее: 1. нагрузочный момент от сопротивления резанию не оказывает влияния на отклонение угловой скорости ротора, который имеет 2 или 4 ножа, поэтому следует ставить на ротор 2 ножа; 2. при скорости резания 80 м/с первоначально срезанный стебель повторно срезается до 8 раз. 3. необходимы устройства отводящие срезанную массу от ножей сразу после завершения среза. Косилки с сегментно-пальцевым режущим аппаратом имеют захват от 1 до 6 м и имеют следующие основные составные части: пальцевый брус, внутренний и наружный башмаки, нож, пальцы, пластины трения, прижимы, механизм привода ножа, механизм подъема режущего аппарата. Максимальная ширина захвата косилки, выполняющий только кошение составляет 2,1 м. При большей ширине ухудшается поперечное копирование рельефа поля и увеличивается число задеваний режущего аппарата за неровности почвы. Гудобин В.Б. производит анализ различных конструкций мелиоративных косилок. Он отмечает, что не смотря на ряд достоинств ротационных косилок, сегментно-пальцевые аппараты отличаются своей универсальностью. В частности они могут работать не только на сухих площадях, но и при частичном или даже полном погружении в воду. Сегментно-пальцевые аппараты применяются в жатках, т.к. ротационные аппараты из-за наличия ударных воздействий приводят к вымолачиванию зерна на корню и следовательно к потере части урожая. Возвратно-поступательное движение ножа вызывает знакопеременные инерционные нагрузки на его при вод, что ограничивает рабочие скорости перемещения машин. Для качественного среза растений необходима скорость резания для зерновых культур не менее 1,6 м/с, а для трав - 2,15 м/с. Для режущих аппаратов косилок и зерноуборочных машин характерна схема перерезания стебля, представленная на рис. 1.5. Для данной схемы условие резания будет иметь вид:
Связь между скоростными и силовыми параметрами в кривошипно-ползунном механизме
Анализ состояния вопроса показал, что основными факторами, приво дящими к нерациональным (неоправданным) потерям мощности при функцио нировании СХА с сегментно-пальцевыми косилками являются не контроли руемые колебания нагрузки и скорости и фазовый сдвиг между ними. Колеба ния нагрузки приводят к неоправданным потерям мощности двигателя, потерям мощности в штатных демпфирующих устройствах (гасители крутильных коле баний на валу ДВС, валу муфты сцепления, амортизаторах ходовой части, сцепных устройствах и др.); увеличения объемных потерь в гидравлических трансмиссиях. Колебания скорости приводят к потерям мощности вследствие: возбуждения колебаний в системах регулирования частотой вращения колен чатого вала; установки гасителей непосредственно в приводах косилок, постро енных на инерционных и активных элементах; буксования движителей ходовой части. Кроме того, нерациональные потери мощности возрастают при увеличе нии числа переходных режимов (число переключений передач и троганий агре гата и др.). Величина нерациональных потерь мощности при работе СХА на скашивании трав может доходить до 40% при этом основную доля составляют реактивные потери значительная доля которых может быть существенно снижена за счет применения не жестких трансмиссий и приводов режущих аппаратов, обладающих демпфирующими свойствами. 2. Как показывают проведенные исследования лишь около 70% необ ходимых запасов кормов убирается на специально предназначенных для этого участках — сенокосах. Остальные 30% убирают на так называемых «неудобьях» (овраги, обочины дорог, лесные просеки и т.д.). Работа кормоуборочных машин на таких участках проводится на скорости в три - пять раз ниже чем в полевых условиях. Кроме того они работают в условиях изменяющихся внешних воздействий, главными из которых являются физико-механические свойства растений (влажность, плотность, упругость и т.д.); рельеф почвы (гребнистость, склоны и т.д.); климатические факторы (температура влажность воздуха, запыленность и т.д.). Указанные факторы оказывают влияние на неравномерность загрузки ходовой части и технологических приводов сельскохозяйственных агрегатов (СХА), а также на показатели качества технологической операции (скашивания, плющения, измельчения и т.п.). Применяемые сегодня комплексы машин для скашивания трав во многом исчерпали возможности развития, недостаточно эффективны в различных условиях их применения и не отвечают требованиям сегодняшнего дня из-за высокой доли энергозатрат. Величина непроизводительных затрат мощности в механических передачах сегментно-пальцевых косилок при колебательном характере внешней нагрузки доходит до 40%. Поэтому разработка новых универсальных электромеханических приводов режущих аппаратов косилок, агрегатируемых с мобильными энергетическими модулями (МЭМ) для сельского хозяйства является актуальной и практически значимой задачей. Существующие оценки эффективности протекания энергетических процессов базируются на вероятностных, интегральных, частотных методах и сводятся в большей части к построению моделей одной физической природы.
Используемый теоретический аппарат оценок энергозатрат в СХА базируется главным образом на осредненных вероятностно-статистических характеристиках, не раскрывающих закономерности потерь мощности в динамических системах. В последнее время предпочтение отдается методам идентификации, позволяющим более точно приблизиться к реальному процессу, однако не четкая связь с параметрами реальных процессов ограничивает их применение.
Кардинальным направлением разработки методов энергетического анализа являются интегрально-вероятностные подходы с использованием методов идентификации и цепей. Использование метода цепей дает возможность по строения изоморфных моделей и прогнозировать движение энергетических потоков различной физической природы с несколькими каналами.
3. Для согласования динамических подсистем СХА используют различные конструкции демпферов (гасителей) на коленчатом валу, маховике, раме, сцепном устройстве. Однако локальная установка демпферов без оценки их влияния на всю систему не дает существенного эффекта, а в отдельных случаев может привести к возникновению колебаний. Эта проблема требует дополнительных исследований, т. к. с увеличением числа потоков передачи мощности предпочтение будет отдаваться нежестким трансмиссиям.
4. Традиционные энергоконтролирующие системы, рекомендуемые для испытаний СХА уже не отвечают современным требованиям в части оценки реальных энергозатрат при колебательном характере их загрузки и должны перерасти в программные комплексы.
Назначение экспериментальной установки и ее структурная схема
Проведенные исследования показали, что косилки с сегментно-пальцевыми режущими аппаратами обеспечивают достаточно высокую производительность и качество на специально подготовленных участках, площади которых ограничены. В условиях, когда ставится задача наращивания объемов первоклассных травянистых кормов путем расширения естественных сенокосов за счет «неудобий», использование традиционных косилок с сегментно-пальцевыми режущими аппаратами в таких условиях ограничено и связано с дополнительными энергозатратами.
Разработаны математические модели электромеханического привода сегментно-пальцевой косилки и сельскохозяйственного агрегата на базе мобильного энергомодуля с электроприводом на основе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором в виде энергетической цепи, позволяющие оценить их динамику и определить оптимальные конструктивные параметры с учетом обратных связей, образуемых регуляторами. Установлено, что на улучшение демпфирующих свойств данных динамических систем, а следовательно, снижение энергозатрат существенное влияние оказывают оптимальная масса плоского кулачка (т = 3,2 кг), электрические параметры приводного электродвигателя (R2= Юм и ,2 =0,1 Гн) и минимальные потери в механическом приводе r3 = 45 Нс/м.
Получена аналитическая зависимость между конструктивными (r0, d0, Jo, т), кинематическими {&, #) и силовыми параметрами (г, fliarp), от угла поворота вала (р, позволяющая на стадии конструирования оценивать в нем активные потери. Установлено, что наиболее существенное влияние на величину потерь оказывает масса кулачка т и угловая скорость его вращения со.
Разработан, алгоритм повышающий не менее чем в 2 раза точность определения активного сопротивления резанию трав сегментно-пальцевой косилки по записям реализаций мгновенных значений тока и напряжения приводного электродвигателя за счет совершенствования способа определения крутящего момента через действующее значение активной мощности. Установлено, что на скоростях движения агрегата до 3 км/ч активное сопротивление резанию существенно зависит от скорости резания. При увеличении поступательной скорости агрегата до 7 км/ч и выше активное сопротивление резанию практически не зависит от скорости резания.
5. Разработана функциональная схема мобильного энергомодуля с электромеханической трансмиссией, позволяющая независимо осуществлять управление как технологическим, так и ходовым приводом. Управление ходовым приводом агрегата осуществляется по величине нагрузки (тока) в технологическом приводе косилки.
6. Усовершенствован экспериментальный образец мобильного энергетического модуля с электромеханической трансмиссией на базе самоходного шасси Т-16М и дизель генератора фирмы YANMAR мощностью 20 кВА посредством введения в канал ходового привода преобразователя частоты, который позволяет автоматически изменять частоту питающего напряжения в зависимости от тока в фазе технологического привода косилки.
7. Создан экспериментальный образец электромеханического привода сегментно-пальцевой косилки КС-2,1 с плоским кулачковым механизмом, приводимым в движение от асинхронного электродвигателя с короткозамк-нутым ротором, адаптированный под различные условия применения.
8. В результате лабораторных и производственных испытаний установлено, что применение энергетических модулей с электромеханической трансмиссией и независимым технологическим приводом на скашивании трав обеспечивает повышение производительности на 30 % и снижение затрат мощности на привод до 20 %.
9. Внедрение электромеханического привода сегментно-пальцевой косилки в агрегате с энергетическим модулем на уборке трав позволило получить экономический эффект в размере 24,1 тыс. руб. на один агрегат в год при объеме работ 700 га.
Идентификация экспериментальных зависимостей и модели
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан новый тип привода сегментно-пальцевой косилки, подтверждающий снижение нерациональных потерь энергии, расширение диапазона использования.
Предложенные решения отличаются простотой модернизации штатных систем, незначительными затратами труда и денежных средств. Во всех случаях экономический эффект был получен за счет снижения нерациональных потерь энергии, повышения коэффициента использования эффективной мощности и повышения производительности СХА за счет усовершенствования электромеханической трансмиссии. На рис. 4.21 приведена сравнительная характеристика СХА для скашивания трав с электромеханической трансмиссией и базового варианта (шасси Т - 16М и косилка КС-2,1).
Экономический эффект определяли, сопоставляя приведенные затраты базового и нового варианта. Экономический эффект от снижения эксплуатационных затрат: где Ээ — экономический эффект от внедрения усовершенствованной машины по сравнению с базовой, руб; 3j и З2 - приведенные затраты на единицу работы, производимой с помощью базового и нового вариантов, руб/га; В2 - годовой объем работ, выполненных машиной. Приведенные затраты представляют собой сумму эксплуатационных затрат и нормативной прибыли: где Зэксп - эксплуатационные затраты, руб/га; Ип - нормативная прибыль от капитальных вложений, руб/га. Расходы на содержание и эксплуатацию (эксплуатационные затраты) являются комплексной статьей затрат в себестоимости продукции растениеводства. Статьи эксплуатационных затрат в зависимости от вида и объема выполняемых за год механизированных работ, т.е. годовой загрузки, подразделяют на постоянные и переменные. К постоянным расходам, не зависящим от изменения годовой загрузки, относятся амортизационные отчисления и расходы на содержание. К переменным расходам, зависящим прямо пропорционально от годовой загрузки, относятся затраты на техническое обслуживание и ремонт, горюче-смазочные материалы и оплату труда механизатора. где 3А - амортизационные отчисления, руб/га; Б — балансовая стоимость машины, руб; НАМ - норма амортизационных отчислений (для косилок НАМ = 20%); Тгод - годовая загрузка машины (ТГод = 480 ч.); WT - производительность машины, га/ч. Производительность сеноуборочных машин при кошении определяется из выражения: где 3 - поступательная скорость косилки, км/ч; LKOC - ширина захвата косилки, м; г - коэффициент использования смены. Коэффициент использования смены определяется из выражения: где Тш — 8ч — время смены; Тто - время технического обслуживания, ч; Тн - время простоя из-за технических неполадок, ч; Т0 - продолжительность остановок по технологическим причинам, ч; Тх - время на повороты и холостые заезды, ч. Затраты на техническое обслуживание и ремонт: где Зто - затраты на техническое обслуживание, руб/га; Нто - норматив затрат на ТО и ремонт (для косилок Нто =14%); Тгод - годовая загрузка машины, ч; Затраты на горюче-смазочные материалы: где Згш - затраты на горюче-смазочные материалы, руб/га; Нгсм - норма расхода горюче-смазочных материалов кг/ч; Цгсм - цена горюче-смазочных материалов (Цгсм =16 руб/кг); Затраты на хранение техники 3 , не изменяются, следовательно из расчетов можно исключить. Затраты на оплату труда вспомогательных рабочих Зр =0 т.к. труд вспомогательных рабочих не используется. Величина оплаты труда механизаторов определяется по формуле:
