Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 9
1.1. Обзор основных принципов построения комбинированных почвооб-рабатывающе-посевных машин 9
1.2. Классификация современных сельскохозяйственных машин 17
1.3. Влияние условий функционирования на работу рабочих органов, блоков и секций в комбинированных агрегатах 23
1.4. Обзор исследований по оптимизации комбинированных почвообраба-тывающе - посевных машин 32
1.5. Современное представление о системно-структурном синтезе 39
1.6. Рабочая гипотеза, цель, задачи и программа исследований 53
2. Результаты аналитических исследований 55
2.1 Обоснование выбора метода аналитических исследований 55
2.2. Частотная оптимизация структурной схемы, режимов и параметров почвообрабатывающе-посевных машин 57
2.2.1. Аналитические основы устойчивости технологического процесса сельскохозяйственной машины 57
2.2.2. Оптимизация структурных звеньев 60
3. Методика проведения экспериментальных исследований почвообрабатывающе-посевного агрегата 73
3.1. Программа экспериментальных исследований 73
3.2. Основные положения экспериментального исследования комбинированного агрегата 79
3.3. Измерительная аппаратура и методика проведения экспериментов 83
3.4 Обработка результатов исследований 89
4. Результаты исследования многофункционального адаптивного почвообрабатывающе - посевного агрегата на базе варианта ппа-494
5. Оценка экономической эффективности комбиниро ванных многофункциональных агрегатов 129
Выводы и предложения 133
Литература
- Влияние условий функционирования на работу рабочих органов, блоков и секций в комбинированных агрегатах
- Частотная оптимизация структурной схемы, режимов и параметров почвообрабатывающе-посевных машин
- Основные положения экспериментального исследования комбинированного агрегата
- Обработка результатов исследований
Влияние условий функционирования на работу рабочих органов, блоков и секций в комбинированных агрегатах
По характеру выполняемого технологического процесса комбинированные машины могут быть разделены на непосредственно для обработки почвы и посева; для послойного рыхления почвы и посева и для широкого спектра применения (рыхление почвы, посев, прикатывание, боронование и т.д.) К двум группам относятся машины статического и динамического воздействия, к третьей – комбинированного воздействия.
Из машин третьей группы в последнее время наибольшее внимание привлек почвообрабатывающе-посевной комплекс «Конкорд 2000» предназначенный для прямого посева зерновых культур с одновременным внесение минеральных удобрений, боронованием и прикатыванием почвы на стерневых фонах. Комбинированная почвообрабатывающе-посевная машина – посевной комплекс Конкорд-2000 /84/, включает сеялку-культиватор, бункер с системой управления, дозирования и транспортирования семян, а также систему контроля за высевом, рабочие органы: сошник-лапа, зубья, уплотнители. К недостаткам «Конкорд-2000» следует отнести то, что он неудовлетворительно адаптируется на смену условий зоны и почвенных условий, температуры и т.п., так как комбинация рабочих органов «Конкорд-2000» не обеспечивает требуемый агрегатный состав подготовленной почвы из-за образования высоких гребней стойками и крупных комьев почвы: неравномерный слой почвы над высеянными семенами. Кроме того, следует отметить, что прямой посев в чистом виде для зоны Южного региона не приемлем, так как приводит к увеличению засоренности полей.
Широко известно, что борьба с сорняками в зоне эффективна при до посевной обработке почвы, к тому же это способствует аэрации почвы. Поэтому посев должен производиться на предварительно подготовленной почве, но не обязательно на фоне предпосевной культивации. Использование культиваторных рабочих органов на раме шириной захвата до 6м для посева неприемлемо, так как агротехнические допуски на эти операции не совпадают.
Один из перспективных направлений совмещения операций при посеве является применение энергетической части, в Курской области накоплен положительный опыт использования самоходных корнеуборочных машин для составления комбинированных почвообрабатывающе-посевных агрегатов для посева сахарной свеклы.
С передней части корнеуборочной машины РКС-6 снимают копач, а в освободившееся пространство устанавливают тянущую навеску для агрегатирования культиватора. С задней части шасси снимают механизм очистки с транспортером и навешивают механизм для агрегатирования сеялки /34,35/.
Подобные усовершенствования можно сделать и для посева других культур на базе энергетических средств, но это отдельная область исследования. Переоборудование громоздкий и трудоемкий процесс, а использовать только для одной операции нецелесообразно, придется создавать ряд машин и рабочих органов для энергетической части или создавать универсальные навески для всех рабочих органов.
Применение агромостов для совмещения операций обработки почвы также является перспективным направлением комбинирования машин и тоже относятся к отдельной области исследования. Агромосты в ходе дальнейшего их усовершенствования возможно будут в тех условиях, где они экономически выгодны по сравнению с другими направлениями совмещения операций обработки почвы.
Исследованиями А.А. Вилде, А.Х. Цесниекса, Ю.П. Моритиса и др. было выявлено, что комбинированные агрегаты составленные из нескольких серийных одно-операционных машин, несмотря на кажущую простоту не получили широкого применения из-за своей громоздкости и низкой маневренности, несогласованности агрегатов параметрам (особенно по ширине захвата, а самое главное из-за отсутствия производительности по сравнению с раздельным выполнением операций обработки почвы и посева.
Они также выяснили, что наиболее рациональным решением является комбинированная машина-агрегат на общей раме которой последовательно размещены разные по назначению рабочие органы или секции рабочих органов, заимствованные от простых машин. Примерами таких машин являются плуг ПКГ-5-40В с рыхлителем подпахотного слоя, комбинированные культиваторы КУМ-4,КШП-8, КПС-4, УСМК-5,4, РВК-3,0., агрегат основной и предпосевной обработки почвы АКП-2,5 и др.
Было установлено, что преимуществом комбинированных машин данного типа, по сравнению с первым, является большая компактность и меньшая металлоемкость, также возможность использования рабочих органов и секций серийных машин в нужном сочетании. Недостатки заключаются в более сложной конструкции рамы и рядом других недостатков. /24/
Прибалтийские ученные утверждают, что машины с комбинированными рабочими органами наиболее полно обеспечивают совмещение техно 15 логических операций. Они наиболее компакты и менее металлоемки, что позволяет делать их навесными. /24/
Недостаток этих машин заключается в основном в трудности проектирования, исследования, изготовления и компоновке самих рабочих органов. Для их разработки необходимо производить масштабные, дорогостоящие исследования.
Анализ комбинированных агрегатов произведенный Тараниным В.И. /108/ показывает, что для рыхления почвы используются в основном агрегаты с последовательным расположением рабочих органов на несущей системе агрегата, а именно дисков, лап, выравнивателей, катков и сеялки. Этот путь создания почвообрабатывающе-посевных агрегатов характеризуется невысокой производительностью, маневренностью, недостаточной равномерностью распределения растений по площади поля.
К недостаткам упомянутого способа обработки почвы и посева является то, что высев семян производится в почву с высокой вспушенностью, что недопустимо по агротехническим требованиям к посеву возделываемых культур.
Совершенствование в настоящее время идет в основном рыхлящей части комбинированного почвообрабатывающего агрегата типа АКП-5,0, рыхлящая часть которого принята за основу при создании комбинированных почвообрабатывающе-посевных агрегатов.
Комбинированный почвообрабатывающий агрегат АКП-5,0 /42/, включает рыхлящую часть (рис.1.1), содержащую присоединительное устройство, раму (несущую систему), рабочие органы: дисковые батареи, плоскорезы и дополнительную прицепную часть с рабочими органами для поверхностной обработки: выравниватель и каток.
Частотная оптимизация структурной схемы, режимов и параметров почвообрабатывающе-посевных машин
Если ранее в исследованиях применялась классическая теория режимов работы и параметров механизмов основанная на принципах равновесной механики, то сейчас все больше исследователей склоняется к анализу динамики технологических процессов т.к. в реальных условиях функционирования сельскохозяйственных машин равновесие сил в исполнительных механизмах постоянно нарушается, что порождает возникновение явлений запаздывания и последствия, нарушающих устойчивое протекание технологических процессов. /14/
Исследованием динамики в Советском Союзе занимались две сильные школы, два направления Ленинградская (А.Б. Лурье, Л.Е. Агеев, Е.И. Давид-сон, А.И. Любимов, К.А. Сохт и др) Волгоградская, также в Ростове (В .П. Жаров, Л.И. Грошев), Челябинск (А.П. Грибановский), Новосибирск (И.Т. Ковриков) и других районах страны. Ленинградское направление дальше других продвинулось в исследовании случайных процессов протекающих в сельскохозяйственных агрегатах. Ими было построено множество математических моделей сельскохозяйственных агрегатов, произведено профилирование полей в Ленинградской области и на Северном Кавказе, разработаны методы идентификации сельскохозяйственных агрегатов.
Для исследования динамики в последнее время принято создавать математические модели, основанные на определении вида оператора, т.е. в установлении характера и вида преобразования входных векторных функций в выходную функцию.
Определение оператора (построение математической модели) может быть выполнено аналитическим, экспериментальным и комбинированными методами. Для многих сельскохозяйственных машин аналитическое (теоретическое) построение математической модели представляет весьма трудную и подчас невозможную задачу. Поэтому наряду с аналитическими методами весьма перспективными следует считать экспериментальные и в основном методы идентификации, которые базируются на информации о случайных процессах – на входе и выходе агрегата в условиях нормального функционирования /60/. Для комбинированных агрегатах в частности ППА-4 построение математической модели может оказываться еще трудней, чем для простых сельскохозяйственных агрегатов (например: плуг, плоскорез, лущильник, сеялка и т.д.) ,т.к. имеется значительный набор рабочих органов разных по назначению со своими степенями свободы и связями. Причем каждый рабочий орган, механизм взаимодействует, влияет на другие и математически все связи взаимодействия учесть невозможно. Для решения модели, необходимо будет слишком идеализировать условия работы этих объектов, что приведет к искажению картины технологического процесса. Поэтому в принципе возможно составить математическую модель комбинированного агрегата только в общем виде.
В последнее время существенное развитие получили эмпирические модели машин и их рабочих процессов например метод теории планирования экспериментов. Вместе с тем как отмечал профессор А.Б. Лурье, операторы, получаемые экспериментальными методами, в ряде случаев могут иметь ограниченное значение из-за невозможности прогнозирования поведения машины вне области изменения переменных для которой получены экспериментальные данные, поэтому наиболее перспективны комбинированные методы, совмещающие аналитические методы и результаты опытов. Но для сельскохозяйственных машин и их технологических процессов комбинированные методы получения операторов не разработаны /59, 60/. В связи с вышеизложенным в плане теоретических исследований нами были рассмотрены структурные схемы агрегата и его рабочих органов на основе много массовых моделей, анализ которых позволит сравнить их с экспериментальными данными. 2.2. Частотная оптимизация структурной схемы, и режимов и параметров почвообрабатывающе-посевных машин.
Аналитические основы устойчивости технологического процесса сельскохозяйственной машины.
Из-за низкого качества копирования рельефа поля почвообрабаты-вающе-посевными машинами снижается урожайность сельскохозяйственных культур, а у уборочных повышается невосполнимые потери урожая /7/.
При выполнении технологического процесса мобильной сельскохозяйственной техникой на получение качества оценочных показателей воздействует большое число факторов, нарушающих нормальное протекание процесса. В.И. Фортуна предложил схему действующих факторов, состоящую из четырех основных групп: - биологические, отражающие современные состояния биологической науки по созданию наилучших свойств семян и растений, обеспечивающих более высокое качество механизированных технологических процессов; - природные или почвенно-климатические и метеорологические; - агротехнологические, вызываемые деятельностью по возделыванию сельскохозяйственных культур; - технические. Четвертая группа факторов является основной поскольку через нее оказывается возможным воздействовать на материал обработки….., эта же группа факторов вызывает нарушение качества технологических процессов. Таким образом, обеспечение технологической устойчивости процесса, выполняемого машиной, зависит от характера рабочего процесса, протекающего в техническом средстве для выполнения технологического процесса. Характер рабочего процесса технического устройства в динамике оценивается точностью оператора.
Основные положения экспериментального исследования комбинированного агрегата
Исходя из вышеизложенного экспериментальных исследования проводятся при разной глубине хода рабочих органов (6; 8; 10; 12 см) на скорости 2,2; 2,8; 3,3 м/с (8; 10; 12 км/ч). Повторность опыта трехкратная.
При проведении экспериментальных исследований оцениваются следующие агротехнические показатели: равномерность глубины хода дисковых (игольчатых) орудий, плоскорезов, сошников, а также параметры неровностей поверхности поля: математическое ожидание, стандартное отклонение, коэффициент вариации, корреляционные и взаимнокорреляционные фуцк-ции, спектральные и взаимноспектральные плотности, и функции когерентности названных параметров в реальном частотном диапазоне.
Кроме того, оцениваются технико-эксплуатационные параметры: тяговое сопротивление, расход топлива по стандартной методике ОСТ 70.2.2.-73 /76, 77, 78/.
В ходе полевых исследований производится определение основных показателей почвы: влажность и плотность в горизонтах 0-15 см, а также равномерность глубины предпосевной обработки в соответствии с ОСТ 70.9.1.-82, испытания сельскохозяйственной техники. Машины посевные /79/. Осуществляется определение энергетических и необходимых агротехнических показателей, а также проводятся аппаратурные измерения динамических спектральных характеристик в условиях нормального функционирования системы.
Профессор Лурье отмечал, что оценка качества выполнения технологического процесса мобильными сельскохозяйственными машинами математически может быть сведена к задаче идентификации систем с распределенными параметрами. Для оценки внутренних структуры процессов происходящих при работе агрегата и устойчивости технологии процесса могут быть использованы, по методике оценки показателей статической динамики проф. А.Б. Лурье и методике проф. Н.М. Беспамятновой /12/, динамические характеристики спектров – спектральная плотность, функция когерентности и амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ) для парных функций. Оценка исследуемых процессов проводилась следующим образом: на комбинированном-почвообрабатывающем агрегате на раме и стойках рабочих органов устанавливались датчики угловых скоростей ДУСУ-1-30А, ДУ-СУ-1-60А и акселерометр МП-90 для определения величины колебания агрегата и рабочих органов в плоскости параллельной плоскости движения сельскохозяйственного агрегата(рис.3.3). Данное оборудование связано с анализатором фирмы «Brll and Kyr» и приводится в действие с помощью генератора от бортовой сети трактора. Полученные экспериментальные данные были обработаны на ПЭВМ с помощью программы МРП-24 (П.1) с целью получения следующих показателей: авто и взаимноспектральных плотностей, авто и взаимнокорреляционных функций, функции когерентности и АФЧХ, что позволило определить частотный спектр каждого рабочего процесса в агрегате и устойчивость этих процессов.
Ранее для оценки технологических, энергетических и других показателей работы мобильных сельскохозяйственных агрегатов при их испытаниях в эксплуатационных условиях пользовались только числовыми характеристиками случайных величин, т.е. эмпирическими средними значениями ординат процесса, средними квадратическими отклонениями и коэффициентами вариации /56, 57, 58, 58, 60, 61/.
Для правильной оценки результатов работы агрегатов с учетом скорости их движения необходимо дополнить числовые характеристики (m, ) параметрами корреляционных функций и спектральных плотностей процессов. При этом следует иметь ввиду, что технологические и энергетические показатели работы агрегата являются его выходными переменными и характер их протекания зависит не только от характера входных воздействий, но и от динамических свойств агрегата, которые не остаются постоянными с изменением скорости движения. При расчетах вероятностных характеристик принимаем допущение о том, что в модели функционирования почвообрабатывающе-посевного агрегата случайные процессы являются эргодическими и стационарными в широком смысле /56, 57, 58, 59/. У таких процессов математические ожидания и дисперсии постоянны, а корреляционные функции зависят только от разности времен r=t2i, то есть
Тогда вычисления вероятностных характеристик существенно упрощается: математическое ожидание, корреляционная функция и взаимная корреляционная функция определяются усреднением по времени отдельных реализаций (конкретных значений) случайного процесса /56, 57, 58, 59/. Корреляционная функция Rx(tht2) характеризует степень линейной связи (корреляцию) между значениями случайного процесса в различные моменты времени (t2 и tj). В ряде случаев пользуются нормированной корреляционной функцией Для каждых фиксированных значений t2 и ti соотношение (3.2) представляет собой коэффициент корреляции между случайными величинами в сечениях t2 и ti. При ti=t2=t Px(t ,t)=l, так как значение корреляционной функции в этом случае равно дисперсии: Rx(t ,t)=Px(t).
Совокупность случайных процессов образует систему, для которой могут быть установлены не только статистические характеристики каждого процесса в отдельности, но и характеристики, определяющие их взаимные связи. Такой статистической характеристикой является взаимная корреляционная функция Rx (th / .Эта функция характеризует степень связи между сечением процессах при t=tj и сечением процесса Y(t) при t=t2. Соответственно для нормированной корреляционной функции будем иметь pjtltt2)=r Д / ,-., (3.3) F ( J ry\t2)\ где i -коэффициент корреляции; тх (ґ7), сту (t2)-средние квадратические отклонения процессов. Основные вероятностные характеристики случайного процесса - математическое ожидание тг (О и корреляционная функция Rx(t1,t2), являются моментными функциями распределения случайного процесса и определяют его структуру во временной области. Структура процессов в частотной области определяется соответст вующими спектральными характеристиками. Частотный состав случайного процесса оценивается спектральной плотностью сравнению с кор реляционной функцией спектральная плотность не дает новой информации о процессах, но она раскрывает внутреннюю структуру случайного процесса по энергетическому частному спектру.
Обработка результатов исследований
По Лурье А.Б. основным параметром, используемым при анализе корреляционных функций случайных процессов, являются интервал корреляций тк. Иногда вычисляют и некоторые другие параметры: средний полупериод колебаний rs корреляционной функции около оси Z, декремент затухания 8 . практически все эти параметры вычисляют для случайных процессов, стационарных в широком смысле по отношению к корреляционной функции, т.е. для таких процессов, у которых можно принять, что R(tj, t2)=R(T) , где T=t2] . /59/ Для процессов с периодическими составляющими, по мнению Лурье А.Б. /59/ определять тк неудобно, так как вычисление точек кривой корреляционной функции производят практически до какого либо наибольшего сдвига ттах , который в начале выбирают по характеру протекания реализации процесса на осциллограмме, а затем уточняют при вычислении корреляции на цифровых ЭВМ. Поэтому для таких процессов практически более удобно пользоваться параметром т0 спада корреляционной функции, определяющим отрезок времени от начала координат до первого пересечения кривой R(T) с осью абсцисс. /59/
Анализ корреляционных функций подсистем агрегата свидетельствует о том, что в основной массе кривых случайных функций имеется в наличии в процессе периодических составляющих. Функция при некотором значении х=х0 пересекает ось абсцисс и далее колеблется около этой оси с постепенным затуханием .Характер протекания лишь одной нормированной автокорреляционной функции тягового сопротивления на скорости 10 км/ч относится ко второму типу случайных процессов, которые иногда называют чистыми случайными процессами без периодических составляющих. Этот тип случайных процессов по мнению А.Б.Лурье в практике функционирования агрегатов встречается значительно реже, чем первый 59 , что и подтверждается на примере исследования агрегата ППА-4 (1 случай из 15).
Для оценки спектральной плотности стационарного процесса использовались следующие основные параметры : частота среза со0- которая по ГОСТ-21878-76-определялась как длина наибольшего отрезка на оси частот , на которой спектр имеет существенное значение для решаемой задачи; частота со0 при которой спектральная плотность достигает максимального значения; ширину спектра Aco=\S(wo)\ J,2de S(a0) -значение нормированной спектральной плотности и относительную ширину спектра BQ.
Относительная ширина спектра ес как параметр оценки спектральной плотности случайного процесса определяется по так называемым моментам спектра частот 23. Моментами спектра к-го порядканазывают величину.
Как видно из табл.4.2 с повышением скорости движения агрегата наблюдается уменьшение времени спада корреляционной функции 0 по подсистемам дисковые батареи, плоскорезная (экстирпаторная) лапа, сошник передний где наименьшее 0 рамы, дисковых батарей, плоскорезной лапы приходится на скоростной режим 12 км/ч, а сошника заднего и тягового сопротивления на скорости 8 км/ч, сошник передний на скорости 10 км/ч. Максимумы спектральных плотностей смещаются в сторону более высоких частот табл. 4.3. (рама и сошник задний-8 км/ч, остальные подсистемы на повышенной скорости 12 км/ч), при этих режимах происходит растягивание энергетического спектра и уменьшения его уровня в указанных режимах. Все это свидетельствует по мнению Агеева Л.Е. о сокращении продолжительности внешних воздействий, увеличении частоты возмущений о повышении динамичности процесса, т.е. при этих, режимах создаются более трудные условия работы, но преобладание высокочастотных составляющих в спектре входных параметров агрегата с увеличением рабочих скоростей являются благоприятным по отношению к математическим ожиданиям выходных параметров, на которые существенное влияние оказывают низкочастотные колебания внешних воздействий. /2/
Анализ табл. 4.2. свидетельствует о том, что скоростной режим работы агрегата при 10 км/ч является наиболее неблагоприятным, т.к. здесь присутствует в основном (кроме плоскореза) наибольшие декременты затухания дср и соответственно им отношению больше полупериоды колебаний, что отрицательно сказывается на качестве технологического процесса. Высказанное выше подтверждается агротехнической оценкой глубины обработки приведенной в табл. 4.2. (V=2,5 м/с)
В таблице 4.3. представлены данные позволяющие сделать анализ изменении спектральных плоскостей происходящих в подсистемах в зависимости от скорости агрегата.
Почти по всем подсистемам увеличением скорости до 10 км/ч спектр сужается (подсистемы рамы, дисковые батареи, сошник (задний) тяговое сопротивление) и наблюдается всплеск по низким частотам, что приведет к ухудшению качества технологического процесса и подтверждает сказанное выше. С увеличением скорости до 12 км/ч спектр в основном расширяется но
