Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1 Анализ состояния сельских хозяйств и их технической оснащенности 11
1.2 Анализ конструкций орудий для обработки почвы. 14
1.3 Пути повышения эффективности функционирования агрегатов с орудиями для поверхностной обработки почвы: 20
1.4 Анализ работ по исследованию устойчивости движения машинотракторных агрегатов 26
1.5 Постановка задач исследования 31
Глава 2 Теоретические исследования 33
2.1 Теоретические предпосылки исследования динамики универсальной несущей системы 33
2.2 Математическая модель 40
2.3 Исследования устойчивости функционирования модуля к тракторам класса 0,6 - 09 52
2.3.1 Устойчивость движения модуля с рабочими органами
дискового лущильника 60
2.3.2 Устойчивость движения модуля с рабочими органами бороны игольчатой 61
2.3.3 Устойчивость движения модуля с рабочими органами мотыги ротационной 70
2.4 Выводы по теоретическим исследованиям 72
Глава 3 Методика экспериментальных исследований модуля к тракторам класса 0,6 - 0,9 73
3.1 Программа проведения исследований , 73
3.2 Исследования характера изменений агротехнических показателей в зависимости от вида рабочих органов 74
3.3 Исследуемый макет модуля, регистрирующие приборы и оборудование 79
3.4 Методика проведения экспериментальных исследований 83
3.5 Методика агротехнической оценки 88
3.6 Методика обработки результатов измерений и оценка = погрешностей 89
3.7 Выводы по методике экспериментальных исследований модуля к тракторам класса 0,6 - 0,9 91
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований модуля к тракторам класса 0,6 - 0,9 93
4.1 Оценка статистических характеристик профиля поверхности поля и твердости почвы 93
4.2 Результаты исследования влияния основных параметров модуля на качественные показатели обработки почвы 100
4.3 Анализ устойчивости движения модуля с различными видами рабочих органов 105
4.3.1 Модуль УНС-3 с рабочими органами дискового лущильника 106
4.3.2 Модуль УНС-3 с рабочими органами бороны игольчатой 112
4.3.2 Модуль УНС-3 с рабочими органами мотыги ротационной 113
4.4 Выводы по результатам экспериментальных исследований модуля к тракторам класса 0,6 - 0,9 114
Глава 5 Обоснование параметров и разработка компоновочных схем блочно-модульных машин к тракторам класса 1,4; 3-4; 5 117
5.1 Определение оптимальных параметров базового модуля 117
5.2 Оценка показателей выполнения технологического процесса и динамических свойств базового модуля. 120
5.3 Разработка компоновочных схем блочно - модульных машин... 128
5.4 Определение экономической эффективности разработки блочно-модульных машин 133
5.5 Выводы по обоснованию параметров и разработке компоновочных схем блочно-модульных машин к тракторам класса 1,4; 3-4; 5 136
Общие выводы и рекомендации 138
Список литературы
- Анализ состояния сельских хозяйств и их технической оснащенности
- Теоретические предпосылки исследования динамики универсальной несущей системы
- Исследования характера изменений агротехнических показателей в зависимости от вида рабочих органов
- Оценка статистических характеристик профиля поверхности поля и твердости почвы
Введение к работе
В настоящее время заводы тракторного и сельскохозяйственного машиностроения испытывают глубочайший, затянувшийся кризис, вследствие которого производство тракторов и сельскохозяйственных машин в сравнении с 1990 годом сократилось в 10-15 раз.
Производимая сельскохозяйственная техника в основном устарела, ее уровень значительно уступает зарубежньш аналогам. Оснащенность тракторами и сельскохозяйственными машинами на 100 га пашни в России в 3 - 5 раз меньше, чем в странах Западной Европы и США. Фондообеспеченность на 100 га сельскохозяйственных угодий в Сибири составляет только 58% от среднероссийской [43]. При этом свыше 80% парка машин выработало свой срок службы [38].
В период разукрупнения колхозов и совхозов, создания на их основе мелких хозяйств иных организационно-правовых форм, в том числе фермерских, реальная потребность в машинах значительно возросла.
Сельским товаропроизводителям необходимы. наборы как малогабаритной, так и широкозахватной техники и орудия. Поэтому в настоящее время очень важно, учитывая опыт прошлых лет, создание новых высокоэффективных и экономически выгодных для сельских хозяйств сельскохозяйственных машин..
Развитие отечественного и зарубежного сельскохозяйственного машиностроения происходило по нескольким направлениям. Сначала к каждому трактору создавалось свое орудие. Разработка мощных энергонасыщенных тракторов поставило на повестку дня создание шлейфа широкозахватных орудий, унифицированных между собой. Вопрос оперативно был решен путем соединения орудий в широкозахватные агрегаты на базе универсальных сцепок. Появились 2-7- машинные агрегаты. Однако при этом непропорционально возросла материалоемкость, увеличилась трудоемкость перевода агрегатов в транспортное и рабочее положение. Сцепки перестали быть универсальными, так как из-за высокой трудоемкости пере составления агрегатов сцепки, сагрегатированные с какими-то орудиями, оставались с ними на долгие годы. Так, например, трудоемкость перевода агрегата, состоящего из пяти игольчатых борон БИГ-3 и сцепки СП-16, в транспортное положение составляло 6,68чел./ч., при этом требовалось 3-4 человека или подъемное средство [107].
В 70-е годы началась разработка широкозахватных орудий к каждому тяговому классу тракторов. При этом уменьшилась трудоемкость обслуживания агрегатов. Значительно сократилось время и трудоемкость перевода орудий в транспортное положение (до 30 раз), уменьшилась материалоемкость орудий [107].
Однако при этом резко возросла номенклатура машин, значительно увеличился парк машин в хозяйствах. Так, вместо культиватора КПС-4 появились культиваторы КШУ-6, КШУ-12, КШУ-18, вместо плоскореза КПП-2,2 - плоскорезы КПШ-5, КПШ-9, КПШ-11 и т.д. Значительно ухудшилась ремонтопригодность агрегатов. Так, если в широкозахватных агрегатах на базе сцепок при поломке одного из орудий его можно было заменить на рабочее и продолжить работать, а дефектное орудие ремонтировать, то теперь на ремонт становился весь агрегат. При поломке трактора какого-то одного класса, например К-701, использовать его орудие с трактором другого класса, например Т-150, нельзя [107].
Соединить положительные элементы сцепных и бессцепочных широкозахватных агрегатов можно- путем разработки унифицированных несущих систем с комплектами секций различных рабочих органов.
Для сельских товаропроизводителей выгоднее иметь пять - шесть комплектов рабочих органов, которые могли бы оперативно устанавливаться на одну и ту же раму, чем пять — шесть отдельных орудий. Многократное использование рамы в качестве универсальной несущей системы (УНС) позволит снизить стоимость машинного парка, уменьшить номенклатуру машин [112]. - -.
В связи с этим, одним из перспективных направлений развития сельскохозяйственного машиностроения является создание принципиально новых средств механизации блочно-модульного типа, позволяющие применять универсальные несущие системы с типовыми узлами существующих конструкций орудий и набором сменных рабочих органов [7,40].
Необходимость УНС для крестьянских хозяйств Алтайского края подтверждена постановлением администрации края от 10.09.2001 г. № 569 «Об освоении > и производстве современных тракторов, сельскохозяйственных машин и оборудования для АПК на промышленных предприятиях края в 2001 -2005 годах» [85] .
Большую работу по разработке УНС с набором сменных рабочих органов для поверхностной обработки почвы для тракторов различных классов проводит ТФПГ «Сибагромаш». Основные конструкторские решения по УНС защищены патентом РФ на изобретение [82].
На пути создания таких машин и агрегатов имеется ряд трудностей, вызванных главным образом недостаточной изученностью технологических процессов модульных агрегатов и динамических свойств УНС с набором сменных рабочих органов для поверхностной обработки почвы.
Поэтому обоснование параметров УНС с различными типами рабочих органов для составления тракторных агрегатов является актуальной задачей.
Необходима разработка методов, позволяющих прогнозировать и обеспечивать желаемое изменение характеристик почвообрабатывающих машин для оптимального выполнения процесса.
Целью работы является повышение эффективности использования агрегатов для поверхностной обработки почвы, включающих УНС блочно-модульного построения со сменными рабочими органами.
Эффективность использования заключается в снижении себестоимости механизированных работ и приведенных затрат по поверхностной обработке почвы за счет: - увеличения годовой загрузки орудия использованием несущей рамы с различными видами рабочих органов; снижения цены УНС с различными рабочими органами по сравнению с совокупной ценой машин специального назначения.
Объектом исследования явился процесс взаимодействия рабочих органов почвообрабатывающих орудий с почвой
Предмет исследования связан с устойчивостью хода модуля со сменными рабочими органами для поверхностной обработки почвы в продольно - и поперечно вертикальных плоскостях.
Методы исследования. В работе применялись методы математического моделирования, методы получения экспериментальных данных и их статистическая обработка с использованием методов статистической динамики.
Научная новизна работы состоит в разработке математической модели функционирования модуля УНС-3 с набором сменных рабочих органов для поверхностной обработки почвы.
Математическая модель функционирования модуля УНС-3 включает вопросы устойчивости агрегатов по глубине обработки с учетом воздействия внешних возмущающих факторов и особенностей взаимодействия рабочих органов с почвой.
Практическая ценность работы состоит в обосновании параметров семейства блочно-модульных машин для поверхностной обработки почвы к тракторам класса 0,6-0,9; 1,4; 3 - 4; 5.
Реализация работы. Выводы и рекомендации работы приняты к использованию при разработке блочно-модульных машин со сменными рабочими органами для поверхностной обработки почвы предприятиями ТФПГ «Сибагромаш» и ОАО «Рубцовский машиностроительный завод».
На защиту выносятся: математическая модель функционирования модуля УНС-3;
9 компоновочные схемы и параметры блочно-модульных машин для поверхностной обработки почвы на базе У НС к тракторам класса 0,6-0,9; 1,4; 3-4; 5; оценка принятых решений.
Апробация работы. По работе были сделаны доклады на: научно-практической конференции «Управление промышленными предприятиями в условиях становления рынка: Проблемы и пути их решения» (Барнаул, Славгород, 1997); научно-технической межвузовской конференции студентов и аспирантов (Рубцовск, 2002); первой Всероссийской конференции «Продукция предприятий Алтайского края для АПК России» (Барнаул, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, общие выводы и рекомендации, список литературы и приложения.
Работа изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунков и фотографий, 12 таблиц и 7 приложений. Список литературы включает 119 источников, в том числе 4 зарубежных.
Сравнение теоретических положений, полученных на основе разработанной математической модели функционирования модуля УНС-3 с набором сменных рабочих органов для поверхностной обработки почвы с результатами испытаний, а также оценка соответствия эксплуатационных показателей УНС-5,7 и УНС-11,4 агротехническим требованиям проведены ВНИПТИМЭСХ по совместно разработанным с автором настоящей работы программам и методикам [73, 74, 75].
Тема работы связана с договором №12 на выполнение НИР на 1990 -1992 годы между Россельхозакадемией и ВНИПТИМЭСХ, планами НИР и ОКР ТФПГ «Сибагромаш» на 1990 - 2003 годы, тематическим планом НИР АлтГТУ,
10 постановлением администрации Алтайского края от 10.09.01 № 569 «Об освоении и производстве современных тракторов, с - х машин и оборудования для АПК на промышленных предприятиях края в 2001-2005 годах».
Анализ состояния сельских хозяйств и их технической оснащенности
Происходящее реформирование в сфере АПК привело к резкому падению спроса на сельскохозяйственную технику в связи с неплатежеспособностью сельских товаропроизводителей..
Крайне тяжелое положение по обеспеченности сельскохозяйственной техникой сложилась в республиках, краях и областях Западной и Восточной Сибири [43]. Ежегодное обновление сельскохозяйственной техники АПК Алтайского края к 2002 году снизилось с 10 - 12% до ОД- 1%. Большая часть техники выработала амортизационный срок: тракторы — 80%, зерноуборочные комбайны - 69%, кормоуборочные комбайны - 62%, плуги, сеялки, и культиваторы — 75%. С сокращением машинотракторного парка увеличилась нагрузка на технику: на зерноуборочные комбайны она выросла со 125 до 308 гектаров, а в отдельных районах - до 500-600 гектаров, что в 4-5 раз выше нормативной. По этой причине снижаются объемы посева сельскохозяйственных культур, затягиваются сроки уборки, возрастают потери выращенного урожая [84,94].
Сравнивая структуру механизации и работу фермерских хозяйств развитых капиталистических стран с работой хозяйст нашей страны, можно отметить, что нашим фермерам недостает культуры производства при низком уровне механизации и большом удельном весе ручного труда, большей себестоимости продукции и незначительном объеме производства. Например, наш фермер кормит кроме себя 5...7 человек, а фермер Германии или Дании до 70 человек. При этом размеры фермерского хозяйства в Германии составляют: от 1 до 20 га — 6 %, от 21 до 30 га - 24 %, свыше 30 га — 6 % от общего объема сельскохозяйственных угодий. В своем распоряжении фермер имеет от 3 до 5 тракторов мощностью 40...80 л.с, в среднем по 4 л.с. на 1 га земли [33].
Анализ тенденции развития АПК в мире показывает, что в США наблюдается дальнейшая концентрация производства: в 1955 г. было 5,5 млн. фермерских хозяйств, в 1995 - 1,9 млн. хозяйств, из них 334 тыс. произвели 8,2% сельхозпродукции. К 2000 году планировалось оставить 850 тыс. фермерских хозяйств, из которых 55 тыс. будут производить 75% сельхозпродукции [43].
В связи с этим технической политикой США предусмотрено создание и оснащение сельскохозяйственного производства мощными тракторами — до 440 л.с. (в настоящее время средняя мощность тракторов в США — 220...260 л.с), широкозахватными машинами и орудиями, зерноуборочными комбайнами с мощностью двигателя до 320 лх. и кормоуборочными комбайнами до 420 л.с.
Отражая общую картину парка энергетических средств можно заметить, что в соответствии с «системой машин» отечественные трактора по типу; мощности, тяговым усилиям в целом соответствуют типам американских и западных машин [117].
Структура парка по типам и маркам тракторов, эксплуатируемых в сельских хозяйствах различных зон России, приведена в таблице 1.1
Анализ структуры парка тракторов показывает, что как пропашные, так и пахотные тракторы; класса 0,6; 0,9-1,4; 3-5 распространены повсеместно, независимо от природных особенностей зон. Количество тракторов и сфера их использования устанавливают первоочередной набор и количество машин к ним.
В Федеральный регистр технических средств для: производства продукции растениеводства (Система машин для растениеводства) в раздел РА1 «Техника для обработки почвы» включено 91 наименование машин. В том числе для поверхностной обработки почвы 47 машин. В графе 6 «Приоритетность и рекомендации» по всем наименованиям машин отмечено, что они подлежат модернизации, замене, или в России не выпускаются [114].
Одной из важных задач: на данном этапе в области механизации сельского хозяйства является создание машин для комплексной механизации растениеводства, оптимальной загрузки вновь создаваемых энергетических средств в условиях многоукладной экономики.
Назрела необходимость в целесообразности изменения качественных и количественных характеристик парка сельскохозяйственных тракторов и машин. В настоящее время научно-исследовательскими институтами АПК определены основные принципы механизации труда в сельских хозяйствах. В основе выбора: средств механизации для них лежат следующие основные критерии: тип производства (товарное, подсобное), масштабы товарного производства, направление и уровень специализации и др. С учетом этого и зональных систем земледелия, определена номенклатура основных энергетических средств и первоочередной набор сельскохозяйственных машин к ним.
Так, трактор должен быть универсальным, различия между тракторами общего назначения, универсально-пропашными и специальными должны быть минимальными [7]. Сельскохозяйственные орудия нового поколения должны создаваться с использованием новой элементной базы на принципах блочно-модульности, многофункциональности и универсальности. Очень важной становится разработка техники, легко обслуживаемой одним механизатором [43]..
В системе агротехнических мероприятий по производству продуктов растениеводства важнейшим звеном является механическая обработка почвы. Механическая обработка почвы - одна из самых главных составных частей зональной системы земледелия. Под влиянием механической обработки почвы, в частности, поверхностной, существенно изменяются свойства почвы и улучшаются условия жизни растений, тем самым повышается вероятность получения высоких устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур, при одновременном сохранении или повышении плодородия почв [65]. Еще в первых своих работах К.А.Тимирязев, Н.Е.Овсинский [113] отмечали, что плодородие почвы зависит не только от наличия питательных веществ, но и от количества влаги в почве, химических и = биологических процессов, протекающих в ней, которое можно изменять при помощи механических воздействий.
Теоретические предпосылки исследования динамики универсальной несущей системы
Работа машинно-тракторных агрегатов в сельскохозяйственном производстве определяется массой особенностей, зависящих от агробиологических, и природно-климатических условий. Машинное производство характеризуется такими явлениями как сезонность, многократное перемещение агрегатов, прерывистость между операциями и сопровождается рядом трудностей, связанных с качественным выполнением полевых операций и устойчивостью протекания технологического процесса по обработке почвы.
Известно, что качество работы почвообрабатывающих машин и орудий в значительной степени зависит от устойчивости хода их рабочих органов на заданной глубине обработки. Колебания прицепных машин относительно точки прицепа в горизонтальной плоскости не рассматриваем.
Под устойчивостью технологического процесса понимается обеспечение и поддержание в меняющихся условиях работы ив течении конкретного времени работы машинного агрегата, заранее обоснованных показателей качества в требуемых пределах [68]. Определение условий: устойчивости движения почвообрабатывающих машин и орудий, как динамических систем, является механико-математической задачей.
Еще В.П. Горячкин, при определении условий работы почвообрабатывающих агрегатов, движение их рассматривал, как «... поступательное движение по плоскости, которое определяется, прежде всего, законом о движении центра тяжести, вернее проекции его на плоскости». Движение орудия при этом сводится к движению его центра тяжести и к вращению орудия около его центра. Несмотря на то, что силы, действующие на орудие, непрерывно изменяются и остаются неизвестными: по величине и направлению, общий характер движения системы остается неизменным. Особенно важным является изучение устойчивости движения машинно-тракторного агрегата, выполняющего технологический процесс поверхностной обработки, почвы, на стадии разработки принципиально новых конструкций сельскохозяйственных машин. На этапе разработки новых машин необходимо располагать данными о их геометрических параметрах, массовых характеристиках, их распределении, схемах расстановки и вида используемых рабочих органов.
Изменяющиеся в ходе технологического процесса различного рода воздействия на машинно-тракторный агрегат, влияющие на устойчивость протекания процесса, относятся в своем большинстве к случайным [1, 50].
Так, одним из основных факторов, влияющих на устойчивость хода рабочих органов по глубине обработки, а также на устойчивость протекания технологического процесса, являются механико-технологические свойства почвы (тип, влажность, микрорельеф, наличие растительных остатков и др.) и их изменение в процессе функционирования агрегата. Кроме того, влияют конструктивные параметры орудия (вид рабочих органов и схема их размещения), способы соединения орудия с трактором, режимы работы агрегата.
При выполнении технологического процесса на машинно-тракторный агрегат, как динамическую систему, непрерывно воздействуют целый ряд внешних возмущающих: факторов (входных воздействий), возмущающих основное движение, на: которое система отвечает вполне определенной реакцией. Причем «реакция» системы происходит в результате преобразования входных воздействий, что и характеризует динамические свойства агрегата.
С точки зрения классической механики движение машинного агрегата детерминировано, то есть, если известно, как изменяются, и от чего зависят действующие силы, или каковы потенциальные поля, в которых движется система, то информация о состоянии системы в некоторый: момент времени определяет характер ее движения и в остальные моменты времени.
В большинстве исследований движения мобильных агрегатов принимается главным образом метод составления уравнений: движения рассматриваемой системы. Однако учет всех факторов, действующих на реальный агрегат, невозможен, так как приводит к неразрешимой задаче. С целью упрощения и линеаризации уравнений необходимы определенные допущения и упрощения, с учетом которых уравнение движения будет достаточно точно отражать процесс движения реального агрегата.
Так, при рассмотрении процесса функционирования машинно-тракторного агрегата в составе колесного энергетического средства К-2 0 и прицепного модуля УНС-3 с набором различного вида сменных рабочих органов для поверхностной обработки почвы исключим влияние трактора на устойчивость движения рабочих органов. Поскольку целью проводимых ниже исследований является целесообразное сочетание основных параметров модуля, при которых бы в системе создавалось наибольшее сопротивление колебаниям. Благодаря этому сопротивлению обеспечивается затухание всех видов колебаний, что оказывает стабилизирующее воздействие на качественные показатели выполняемого технологического процесса.
В силу этого возникает необходимость в изучении факторов, обуславливающих устойчивое движение рабочих органов модуля и технических приемов, при помощи которых можно повысить устойчивость хода.
Для исследования устойчивости функционирования модуля используем метод, разработанный А.М Ляпуновым [46, 47], который установил ряд общих достаточных условий устойчивости и неустойчивости невозмущенного движения, описываемых системой дифференциальных уравнений.
Невозмущенное движение оказывается устойчивым, если любой, сколь угодно малой величине є 0 можно найти соответствующие величины 8і(є) и $2= 52(є) так, чтобы при условии [Aqj0] 5Ь [Aqi] 52 (І 1 2, 3, ...к) иметь во все время функционирования агрегата условие:
[ДЧі] = [(p\(t) - pi(t)] s, (2.1) где є - сколь угодно малая величина; Д% = q io - q;0 и Дціо = q jo - qj0 -возмущения начальных условий; qj0 и q;0 - начальные условия невозмущенного движения; qio и q\0 - начальные условия возмущенного движения; Aq;0 - возмущения координат во время функционирования системы.
Задачу об устойчивости системы A.M. Ляпунов сводит к исследованию нулевого решения системы дифференциальных уравнений, используя один из двух методов.
В данной работе мы воспользуемся первым методом Ляпунова (методом функций), на основании которого можно определить как устойчивость, так и неустойчивость движения динамической системы и, следовательно, изучить протекание самого технологического процесса.
Для практического применения второго метода Ляпунова необходимо знать критерии знакоопределенности и знакопеременное функций. Однако общих критериев такого рода не существует, и задача в общем случае достаточно сложна.
Физический смысл устойчивости движения по Ляпунову заключается в том, что при заданном направлении движения точки, движение её устойчиво, если при возмущениях, не отклоняющих: точку от заданного направления движения дальше, чем на 5(є), возмущенное движение точки будет таким, что в последующие моменты времени точка не отклонится от заданного направления движения дальше, чем на є. Остальные же виды движения точки неустойчивы.
Исследования характера изменений агротехнических показателей в зависимости от вида рабочих органов
Функционирование машинно-тракторного агрегата в составе колесного энергетического средства класса 0,6 и прицепного модуля на базе универсальной несущей системы происходит в условиях изменяющихся внешних воздействий. Пахотный горизонт со своими сложными физико-механическими свойствами является при этом одним из основных факторов, оказывающих влияние на устойчивость протекания технологического процесса обработки почвы. Воздействие на поведение системы оказывает и сам модуль со своими изменяющимися параметрами, такими как масса модуля, расположение центра тяжести, угол атаки рабочих органов, режим работы агрегата.
В связи с этим возникает необходимость в проведении экспериментальных исследований для получения достоверной информации о поведении системы.
Проведенные теоретические исследования разработанной математической, модели системы позволили исследовать её поведение в продольно - и поперечно- вертикальных плоскостях в зависимости от вида устанавливаемых рабочих органов и дать оценку устойчивости их по глубине обработки, оптимизировав при этом = основные геометрические параметры модуля.
Результаты теоретических исследований определили цели и задачи экспериментальных исследований. В соответствии с поставленной целью программа экспериментальных исследований предусматривала: - изучение процесса изменения глубины хода рабочих органов во взаимосвязи с возмущающими воздействиями рельефа поля и твердости почвы; - получение информации об изменении угловых и линейных отклонений элементов рассматриваемой системы;.. - оптимизацию геометрических параметров модуля УНС-3 с точки зрения, заглубляемости и устойчивости хода рабочих органов по глубине обработки; - определение моментов инерции составных элементов модуля; - определение характера изменений агротехнических, технологических и энергетических показателей для различного вида, рабочих органов при изменении геометрических параметров модуля.
Полученная первичная информация при проведении: предварительных экспериментальных: исследований была использована для: декомпозиции и агрегирования математической модели системы, а также для обоснования и оптимизации основных конструктивных параметров модуля.
Программа экспериментальных исследований выполнялась на основе стандартных и частных методик проведения исследований.
Исследования модуля с набором различного вида рабочих органов для поверхностной обработки почвы проведены в агрегате с колесным энергетическим средством класса 0,6 [89,115].
Особенностью конструкции модуля, рисунок 3.1, является наличие фронтального бруса 1, сницы 2, шарнирно присоединенной к брусу, опирающегося на пневматические опорные колеса 3. На снице 2 установлен гидроцилиндр 4 для поворота бруса на 90, чем обеспечивается перевод модуля из рабочего положения в транспортное и обратно путем подката опорных колес 3, а также для регулировки глубины хода рабочих органов. Z-образные рычаги 5, верхние концы которых закреплены в вертикальных шарнирах 6 несущего бруса 1, а нижние концы посредством вертикально 75 плоскостного шарнира 7 соединены с рамками 8 секций сменных рабочих органов. Нажимные штанги 9 равномерно догружают передние и задние батареи рабочих органов (в 2-х рядном исполнении) в рабочем положении и Рисунок 3.1 — Схема модуля УНС-3 удерживают секции рабочих органов при переводе модуля в транспортное положение [82].
При экспериментальных исследованиях важную роль играют поиски рациональной последовательности и объема получения опытных данных о параметрах объекта. План экспериментальных исследований желательно составить так, чтобы получить максимум информации при минимальных затратах средств и времени.
При оценке взаимодействия различного вида рабочих органов с почвой, определяющими факторами (на основании изучения литературных источников и поисковых экспериментальных исследований) являлись длина сницы модуля (м) и места приложения усилия нажимной штанги по длине (А) и ширине (В) рамки батареи рабочих органов. Эксперименты, характеристика условий проведения которых представлена в таблице 3.2, ставились с использованием математической теории планирования эксперимента [61], в частности В -оптимального плана второго порядка для трех факторов. Диапазон изменения факторов был равен разности между верхним и нижним пределом данного фактора и ограничены возможностями конструкции модуля.
При трех варьируемых факторах матрица планирования эксперимента, по плану Бокса-Бенкина [61] будет иметь 15 опытов при трехкратной повторности, таблица 3,4.
Уравнение регрессии, описывающее процесс взаимодействия различного вида рабочих органов с почвой, можно представить в виде функции трех переменных.
Коэффициенты регрессии уравнений (4.6)...(4.11) для описания качественных показателей работы модуля с набором различного вида рабочих органов определялись в результате решения уравнений на IBM PC/AT.
После определения коэффициентов и получения уравнений регрессии проводилась проверка воспроизводимости эксперимента, проведенного по нулевым точкам плана, определение статистической значимости коэффициентов регрессии по t-критерию и оценка адекватности полученной модели по F - критерию. 3.3 Исследуемый макет модуля, регистрирующие приборы и оборудование
В соответствии с программой экспериментальных исследований на базе колесного энергетического средства К-20 класса 0,6 были, подготовлены агрегаты УНС-3 с рабочими органами лущильника дискового (ЛДГ-2,8), рисунок 3.2, бороны игольчатой (БМШ-2,8), рисунок 3.3, мотыги ротационной. (МРШ-2,8), а также катка кольчато-шпорового (ККШ-2,8), рисунок 3,4.
При проведении экспериментальных исследований регистрировались, измерялись и фиксировались следующие показатели: скорость движения агрегата, тяговое сопротивление модуля, угловые скорости и ускорения элементов модуля и др.
Оценка статистических характеристик профиля поверхности поля и твердости почвы
Экспериментальные исследования, проведенные при помощи макетного образца модуля на базе универсальной несущей системы, включали в себя проверку адекватности требований, предъявляемых к орудиям для поверхностной обработки почвы, а также получение первичной информации о характере технологических и энергетических показателей.
Для полевых исследований выбирались участки с характерным макро- и микрорельефом, уклон поверхности которых в направлении движения агрегата не превышал 1,.,2. %. Обработка почвы проводилась перпендикулярно направлению движения агрегата, выполняющего последнюю операцию по обработке почвы. Почва на опытных участках относилась к карбонатному чернозему.
Профиль поверхности поля оказывает одно из самых главных возмущающих воздействий на машинно-тракторный агрегат, существенно влияет на равномерность глубины хода рабочих органов, на линейные и-угловые отклонения элементов рассматриваемой системы.
Определение и: анализ статистических характеристик микрорельефа поля по профилограммам проводились перед каждым проходом агрегата. На всех реализациях профилограмм средняя высота неровностей колеблется в пределах 1,2...5,4 см., а дисперсия 0,58...1,83 см .
Гипотеза о нормальном распределении высот неровностей была проверена с помощью критерия согласия Пирсона % 2 [8];. расхождение теоретического и эмпирического распределений имеет вероятность 0,08...0,3. Таким образом, возмущающие воздействия от неровностей поверхности поля представляют собой случайный процесс с распределением близким к нормальному, обладающему свойствами стационарности.
С целью изучения внутреннего состава неровностей микрорельефа поля были получены нормированные корреляционные функции phn (т) и спектральные плотности аьп(ш) этих процессов, рисунок 4.1.
Кривые нормированных корреляционных функций phn (т) имеют круто падающий характер, что свидетельствует о сильной корреляционной связи на сравнительно коротком промежутке времени т0. С течением времени t связь ослабевает и при t = То когда функция Phn (х) пересекает ось абсцисс, корреляционная связь равна нулю.
Отрезком времени т0 для неровностей,, как стационарных случайных процессов с нормальным распределением и случайным характером связи при т to определяется среднее значение времени корреляционной связи. Для процесса, задающего возмущения элементам модуля, в большинстве случаев при т % функции PhnCO не принимают нулевого значения и не являются асимптотически приближающимися к нулю. Учитывается, что при т т0, приняв ряд отрицательных значений, они вновь пересекают ось абсцисс и, колеблясь около неё, постепенно затухают. Это свидетельствует о том, что в структуре процесса изменения высот неровностей нивелируемых участков полей имеются периодические составляющие. Как видно из таблицы 4.1, в зависимости от агрофона, время связи То изменяется в пределах 0,09...0,12 с, причем нет четкой и определенной взаимосвязи То от дисперсии высот неровностей.
Коэффициенты а и Р, являющиеся коэффициентами корреляционной связи, зависящие от изменения высоты неровностей, позволяют судить о характере изменения неровностей и сравнить их между собой. Большим значениям коэффициентов аир соответствует большая крутизна корреляционной функции, а, следовательно, и больший энергетический уровень высокочастотных составляющих спектров неровностей. Увеличение энергетического уровня высокочастотных составляющих приводит к росту интенсивности возмущающего воздействия неровностей поля в наиболее неблагоприятном для модуля диапазоне частот их собственных колебаний..
Спектральная плотность процесса изменения высоты неровностей несет в себе характеристику о частотном составе высот неровностей, т. е. распределение их дисперсии по частотам.
Средние значения и дисперсии изменения твердости обрабатываемого слоя почвы, а также расчетные значения коэффициентов аппроксимации приведены в таблице 4.2.
Анализ таблицы показывает, что средняя твердость почвы по глубине обработки изменяется от 0,21 до 0,63 МПа, а дисперсия от 0,80 до 1,09 (МПа)2. Кривые спектральной плотности являются убывающими функциями, и основной спектр дисперсии твердости почвы заключен в диапазоне частот 0...8 с"1. Из характера протекания кривых нормированных корреляционных функций и спектральных плотностей, а также небольшого значения коэффициентов ai, аг, Р видно, что в изменениях твердости почвы по глубине обрабатываемого слоя наличие периодической составляющей в этом процессе незначительное.
Для исследования математических моделей технологических процессов поверхностной обработки почвы, выполняемой машинно-тракторным агрегатом, состоящим из колесного энергетического средства класса 0,6 и прицепного модуля на базе универсальной несущей; системы с набором сменных рабочим органов, были приняты факторы и пределы их варьирования, а также назначены их кодированные обозначения, глава 3.
Основная цель исследований - получение информации о качественном выполнении операций поверхностной обработки почвы тремя видами рабочих органов по соответствующему агрофону, в частности, по глубине обработки и её среднеквадратическому отклонению, на основании которой должно приниматься решение о наиболее оптимальных параметрах модуля.
В результате экспериментальных исследований была получена информация о степени влияния каждого исследуемого фактора, обработана с использованием методов математической статистики и были получены уравнения регрессии, адекватно описывающие изучаемую область.
Для построения математической модели по предлагаемым параметрам оптимизации на основе реализованной матрицы планирования экспериментальных исследований по существующей методике [61] были проведены расчеты,. в результате которых получены уравнения регрессии второго порядка, адекватно описывающие изменение глубины обработки и устойчивость хода рабочих органов по глубине.
