Содержание к диссертации
Введение
I. Состояние вопроса и постановка задач исследования
1.1. Тенденции развития современного комбайностроения 9
1.1.1. Рост пропускной способности зерноуборочных комбайнов 9
1.1.2. Пути повышения производительности зерноуборочных комбайнов 13
1.2. Фактическое состояние производительности и качества работы зерноуборочных комбайнов 23
1.3. Анализ причин низкой фактической производительности
и качества работы зерноуборочных комбайнов 28
1.3.1. Влияние квалификации комбайнера на производительность комбайна 29
1.3.2. Зависимость качественных показателей комбайна от квалификации комбайнера 34
1.3.3. Системный подход к исследованию 38
1.4. Общие выводы, цель и задачи исследования 41
II. Теоретические системного подхода к исследованию вопроса повышения производительности и качества работы зерноуборочных комбайнов
2.1. Определение основных закономерностей взаимосвязи факторов эффективности системы "комбайнер - комбайн" 43
2.2. Классификация факторов системы "комбайнер - комбайн" 56
2.3. Влияние входных факторов на производительность и качество работы системы 59
2.3.1. Влажность хлебной массы 60
2.3.2. Культура, сорт 65
2.3.3. Густота, высота стеблестоя 66
2.3.4. Урожайность 68
2.3.5. Полеглость 69
2.4. Построение математической модели системы "комбайнер - комбайн" 72
2.5. Модель оператора в системе "комбайнер - комбайн" 77
2.6. Оценка функциональных возможностей подсистемы "комбайнер" 81
3. Методика экспериментальных исследований
3.1. Общая методика... 85
3.2. Частные методики 87
3.2.1. Анализ входных факторов системы 87
3.2.2. Комбайновый тренажер - физическая модель системы "комбайнер - комбайн" 89
3.2.3. Методика исследования подсистемы "комбайнер" в модельных условиях 98
3.2.4. Методика оценки подсистемы "комбайн" 104
3.2.5. Оценка выходных факторов системы 105
3.2.6. Методика обработки экспериментальных данных 110
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ
4.1. Характер изменения входных факторов системы 116
4.2. Характер изменения функциональных возможностей подсистемы "комбайнер" 123
4.3. Зависимость качественных характеристик системы "комбайнер - комбайн" от функциональных возможностей подсистемы "комбайнер" 129
4.4. Зависимость количественных характеристик системы "комбайнер - комбайн" от функциональных возможностей подсистемы "комбайнер" 132
4.5. Сравнительный анализ экспериментальных данных по количественным и качественным показателям функци онирования системы "комбайнер - комбайн" 136
5. Экономическая эффеестйвность физической модем системы "комбайнер -комбайн" 141
Рекомендации 149
Литература 151
Приложения 165
- Рост пропускной способности зерноуборочных комбайнов
- Зависимость качественных показателей комбайна от квалификации комбайнера
- Определение основных закономерностей взаимосвязи факторов эффективности системы "комбайнер - комбайн"
- Комбайновый тренажер - физическая модель системы "комбайнер - комбайн"
Введение к работе
ВВЕДЕНИЕ 5
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Тенденции развития современного комбайностроения 9
1.1.1. Рост пропускной способности зерноуборочных комбайнов 9
1.1.2. Пути повышения производительности зерноуборочных комбайнов
1.2. Фактическое состояние производительности и качества работы зерноуборочных комбайнов 23
1.3. Анализ причин низкой фактической производительности и качества работы зерноуборочных комбайнов 28
1.3.1. Влияние квалификации комбайнера на производительность комбайна 29
1.3.2. Зависимость качественных показателей комбайна от квалификации комбайнера 34
1.3.3. Системный подход к исследованию 38
1.4. Общие выводы, цель и задачи исследования 41
II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРВД10СЫЖИ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА К ИССЛЕДОВАНИЮ ВОПРОСА ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И КАЧЕСТВА РАБОТЫ ЗЕРНОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ
2.1. Определение основных закономерностей взаимосвязи факторов эффективности системы "комбайнер - комбайн" 43
2.2. Классификация факторов системы "комбайнер - комбайн" 56
2.3. Влияние входных факторов на производительность и качество работы системы
2.3.1. Влажность хлебной массы 60
2.3.2. Культура, сорт 65
2.3.3. Густота, высота стеблестоя - З стр.
2.3.4. Урожайность 68
2.3.5. Полеглость 2.4. Построение математической модели системы "комбайнер - комбайн" 72
2.5. Модель оператора в системе "комбайнер - комбайн" 77
2.6. Оценка функциональных возможностей подсистемы "комбайнер" 81
3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИСШЩЦОВАНИЙ
3.1. Общая методика... 85
3.2. Частные методики
3.2.1. Анализ входных факторов системы 87
3.2.2. Комбайновый тренажер - физическая модель системы "комбайнер - комбайн" 89
3.2.3. Методика исследования подсистемы "комбайнер" в модельных условиях 98
3.2.4. Методика оценки подсистемы "комбайн" 104
3.2.5. Оценка выходных факторов системы 105
3.2.6. Методика обработки экспериментальных данных НО
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ
4.1. Характер изменения входных факторов системы 116
4.2. Характер изменения функциональных возможностей подсистемы "комбайнер" 123
4.3. Зависимость качественных характеристик системы "комбайнер - комбайн" от функциональных возможностей подсистемы "комбайнер" 129
4.4. Зависимость количественных характеристик системы "комбайнер - комбайн" от функциональных возможностей подсистемы "комбайнер" 132
4.5. Сравнительный анализ экспериментальных данных по количественным и качественным показателям функционирования системы "комбайнер - комбайн" 136
5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕЕСТЙВНОСТЬ БРИМШЕШШ ФИЗИЧЕСКОЙ МО
ДЕМ СИСТЕМЫ "КОМБАЙНЕР -КОМБАЙН 141
ОСНОВНЫЕ 147
РЕКОМЕНДАЦИИ 149
ЛИТЕРАТУРА 151
ПРИЛОЖЕНИЯ 165
Рост пропускной способности зерноуборочных комбайнов
За последнее десятилетие комбайновый парк страны вырос как в количественном (с 639 до 713 тыс.)» так и в качественном отношении. За годы десятой пятилетки сельскому хозяйству поставлено около 540 тысяч зерновых комбайнов /I/. Менее производительные комбайны заменены современными марками СК-5 "Нива", (Ж-6 "Колос", СКД-5 и СКД-6 "Сибиряк", которые отличаются от своих предшественников более высоким уровнем механизации управления рабочим процессом; улучшением условий труда комбайнера, в большей степени отвечающим эргономическим требованиям; а главное - повышением пропускной способности с 3...4 кг/с, СК-4, до 5...6 кг/с, СК-5 "Нива", СК-6 "Колос", СКД-6 "Сибиряк".
Наметилась тенденция дальнейшего увеличения пропускной способности зерноуборочных комбайнов. Ростовским и Таганрогским СКВ готовится к выпуску новый комбайн Дон-1500, производительность которого планируется довести до 7...8 кг/с. На Красноярском комбайновом заводе освоен выпуск новых комбайнов марки СКД-6 "Сибиряк" с пропускной способностью 6,3 кг/с, что на 16 % больше пропускной способности его предшественника, СКД-5. В плане советских конструкторов довести пропускную способность зерноуборочных комбайнов до 10...12 кг/с и выше с обеспечением повышения надежности, удобства обслуживания, эксплуатации, контроля и т.д..
Основным показателем, определяющим производительность зерноуборочного комбайна при соответствующей ширине захвата жатки и скорости движения, является пропускная способность молотилки при допустимых потерях зерна /5/. Динамика роста пропускной способноети комбайнов указывает на особую важность этого показателя в характеристике машин. Пропускная способность отечественных зерноуборочных комбайнов за 53 года их производства непрерывно повышалась (приложение I, табл. I) /12/. Росла производительность парка в связи с заменой старых марок комбайнов на новые и последующем их количественном увеличении в парке страны (приложение I, табл. 2) /5/. По данным государственных.испытаний установлено, что в характерных зонах страны: на Кубани, в Сибири, в Прибалтике - комбайны "Колос", "Нива", "Сибиряк" имеют пропускную способность соответственно на 60 %, 14 % и 27 % больше по сравнению с комбайном СК-4А /12/.
Анализ совершенствования конструкций моделей отечественных и зарубежных зерноуборочных комбайнов, технические характеристики которых приведены в таблице І.І и в приложении 2, табл. 3 /13,14, 15,16/, показывает, что пропускная способность молотилки в основном повышалась в результате увеличения размеров рабочих органов: ширины молотилки, диаметра барабана, угла обхвата подбарабанья, площади соломотряса, очистки и т.д.. Частично повышение производительности было достигнуто совершенствованием технологии и конструкции комбайна: применение двухфазного способа обмолота, введение промежуточной зоны сепарации (СКД-5, СКД-6, СК-6 - П).
Повышение производительности за счет увеличения размеров рабочих органов или их добавления не является достаточно эффективным, т.к. увеличиваются габариты комбайна, масса, высокими остаются металлоемкость, энергоемкость и т.д. (приложение 3, табл. 4).
В дальнейшем предусматривается повышение пропускной способности модернизированных комбайнов "Нива", "Колос" и "Сибиряк". В работе /17/ даны примеры расчета различных схем и показана возможность решить задачу повышения пропускной способности комбайнов "Нива" и "Сибиряк" до 7...8 кг/с, а комбайна "Колос" - до 10 кг/с путем поэтапного усовершенствования. ГОСТ 22611-80 "Комбайны зерноуборочные. Общие технические условия" предусматривает создание комбайнов трех классов, разделенных по пропускным способностям: 6... 8 кг/с - первый (СКД-6 и СК-7-8), 8...10 кг/с - второй (комбайны пропускной способностью порядка 9 кг/с), 10...12 кг/с и более -третий (СК-І0-І2) /18/.
Странами СЭВ намечается совместное производство зерноуборочных комбайнов, имеющих пропускную способность 12...14 кг/с. Согласно прогнозам, к 2000 г. должны быть разработаны зерноуборочные комбайны с пропускной способностью 25 кг/с. Они будут иметь ширину захвата до 10 м и рабочую скорость 20 км/ч /19/.
Зависимость качественных показателей комбайна от квалификации комбайнера
Для определения уровня подготовленности механизаторов к управлению технологическим процессом комбайна был проведен опрос 100 комбайнеров по контрольным карточкам, включающим 4 вопроса, по которым выяснялось: знание и правильность выполнения регулировок, знание агротехнических требований, правильность выполнения регулировок в соответствии с заданными условиями уборки, правильность определения потерь. Из числа опрошенных 45 % не смогли правильно ответить на все вопросы; 30 % ответили правильно на I...2 вопроса; 23 % - на 2...3 вопроса и лишь 2 % ответили на все поставленные вопросы, что подтверждает низкую подготовленность механизаторских кадров для работы на комбайне. Почти все опрошенные комбайнеры не смогли правильно назвать величину допустимых потерь по видам в соответствии с агротребованиями. Установлено также, что основная масса комбайнеров, 67 % из проверенных, не определяют потери зерна вообще. Основная масса (из 33 %) определяют потери зерна только в начале работы. Косвенные потери не определяются практически совсем. По анализу проб пшеницы, взятых из бункеров комбайнов, 77 % превышают агротехнические требования по дроблению зерна, изменение которого за отдельными комбайнами составляет от 0,4 % до 14,2 %. По данным исследований, проведенных нами в хозяйствах Челябинской области, потери за комбайном в среднем составили: прямые - более 12 %, дробление зерна - 4,5 %, микроповреждение зерна - свыше 35 % /62/.
Причиной высоких потерь является прежде всего неправильное использование технологических регулировок комбайна. Так, по теории двухфазного обмолота, нашедшей свое воплощение в комбайнах СКД "Сибиряк", первый молотильный барабан должен настраиваться на щадящий режим вымолота зерна из колоса, второй - на более жесткий, что способствует снижению травмирования зерна и недомолота по сравнению с однофазным способом обмолота (СК-5). Наши наблюдения показывают, что оба барабана у многих комбайнов марки СКД-5 работают на одинаково жестких режимах (1000...1200 об/мин), в результате наибольший процент дробления наблюдается именно у комбайнов марки СКД-5 "Сибиряк". Значительная доля потерь зерна приходится на соломо-.тряс (свободное зерно в соломе), как следствие неправильного выбора скорости движения комбайна на подборе валков в зависимости от состояния хлебной массы, и на очистку (потери свободного зерна в полове, недомолоченные колоски в полове), как следствие неправильной регулировки верхнего и нижнего решет, удлинителя и вентилятора очистки.
При обследовании 76 производственных комбайнов в уборочный период 1979 г. не было обнаружено ни одного комбайна, у которого бы все регулировки были выполнены правильно, т.е. в соответствии с условиями уборки, в результате этого потери за отдельными рабочими органами составили: за жаткой - 4 %, подборщиком - 9 %, молотилкой - 8,5 %$ дробление - 5 %, микроповреждения - 45 %, что значительно превышает уровень агротребований /67/.
Наибольшие потери, прямые и косвенные, наблюдаются за комбайнами, которыми управляют неквалифицированные механизаторы, имеющие стаж работы от I до 6 лет. Біло установлено также, что чем ниже стаж комбайнера, тем меньше правильно выполненных им регулировок, тем ниже производительность и качество работы. Если условно всех комбайнеров разделить на три группы: 1-я группа - работающие на комбайне первый сезон; 2-я группа - имеющие стаж І...6 лет; 3-я -7 и более лет, то сменная производительность для первой группы составила - 4,6 га/см, 2-й - 8,6 га/см и 3-й - 15 га/см. Кроме того, период врабатываемости, т.е. количество дней, необходимое для достижения максимальной выработки, начиная с первого дня уборки, соответственно по группам составил 12, 10 и 8 дней (рис. 1.7). При этом потери зерна для 1-й группы комбайнеров в 3...4 раза выше,чем для комбайнеров 3-й группы. Если свести период врабатываемости до минимума за счет повышения квалификации комбайнера, то очевидно сократятся и срок уборки, и связанные с этим потери, и другие показатели.
Доктор П.Фейффер утверждает, что повышение квалификации комбайнеров позволяет сократить потери и повысить производительность комбайна за счет способности механизаторов отрегулировать комбайн в соответствии с конкретными условиями /68/.
Определение основных закономерностей взаимосвязи факторов эффективности системы "комбайнер - комбайн"
Природно-климатические условия характеризуются зональными особенностями: рельеф и конфигурация полей, состав почвы, состояние погоды в период уборки. Невыравненный рельеф и криволинейные поля влияют на изменение стеблестоя по высоте и густоте. Состав почвы - на количество и качество урожая. Состояние погоды в период уборки определяется наличием осадков, влияющих на влажность хлебной массы. Различие в природно-климатических условиях приводит к большим колебаниям урожайности, так в 1975 г. - в пределах 4,7...29,4 ц/га по союзным республикам и в пределах 5,2...16,5 ц/га по природно-экономическим районам РСФСР /6/, а в 1978 г. урожайность озимой пшеницы изменялась от 6,6 ц/га (Таджикская республика) до 40,5 ц/га (Молдавская республика) /53/.
Биологические особенности хлебной массы определяются культурой: пшеница, рожь, ячмень, овес, гречиха, рис, просо и т.д.; сортом: высокоурожайная и сильная пшеница - Саратовская 29,36,210, Альбидум 24, Безостая I, Мироновская 808 и др.. Сорт пшеницы характеризуется урожайностью, качеством зерна, устойчивостью к сельскохозяйственным болезням и вредителям, полеганию и осыпанию, а также приспособленностью к различным почвенно-климатическим условиям. Сорт культуры влияет на ее урожайность. Сорт озимой пшеницы Безостая I в южных районах страны имел урожайность 61,2 ц/га в 1978 г.. Сорт яровой пшеницы Саратовская 29 в среднем за 1973... 1977 г.г. обеспечивал получение урожаев в степных засушливых зонах Казахстана, Урала, Сибири 10,5...28 ц/га, в лесостепных районах 22,6...35,2 ц/га /89/. Между различными культурами отмечено значительное колебание урожайности: от 6 ц/га (гречиха) до 26 ц/га (озимая пшеница) /6/.
Каждый сорт, культура имеют свои физико-механические свойства: обмолачиваемость, повреждаемость, особенность строения колоса, метелки. Обмолачиваемость культуры зависит прежде всего от силы связи зерна с колосом, существуют легко и труднообмолачиваемые сорта. Повреждаемость зерна определяется его физико-механическими свойствами и анатомо-морфологическими особенностями. Количество зерен в колосе или метелке влияют на урожайность культуры. Агротехническое состояние стеблестоя определяется его высотой, густотой, засоренностью, полеглостыо, соотношением зерна и соломы и т.д.. Следовательно, "среда" характеризуется обширным количеством факторов. Рассматриваемые в данной работе внешние факторы являются наиболее существенными с точки зрения непосредственного влияния на протекание технологического процесса уборки. В данной работе "среда" определяется как источник входных факторов системы "комбайнер-комбайн". Входные факторы - это культура, сорт, урожайность, влажность растительной массы, высота, густота стеблестоя, его полег-лость. Входные факторы влияют на технологический режим работы машины - комбайна. Изменение каждого входного фактора системы требует изменения технологической настройки соответствующего рабочего органа комбайна, тем самым проявляется влияние входных факторов на следующее звено системы - комбайн. Комбайн - подсистема, характеризующаяся машинными параметрами, к которым относим (см.рис. 2.1): I. Производительность комбайна. Паспортная - пропускная способность молотилки (в единицу чистого времени), приведенная к принятому отношению зерна к соломе, при обусловленном уровне потерь зерна. Фактическая - производительность (в единицу чистого времени), зависящая от ряда факторов: совершенства схемы молотильно-сепари-рующих органов, состояния убираемой культуры (соломистость, влажность, засоренность и т.д.). Сменная - нормативная производительность с учетом сменного времени. Фактическая сменная - средняя выработка на один комбайн за смену в конкретных условиях. 2. Совершенство конструкции по выполнению заданного процесса -способность управления технологическим процессом комбайна определенной марки из кабины комбайна с наибольшей пропускной способностью и качеством работ в конкретных зональных условиях. Так комбайн СКД-6 "Сибиряк" можно считать более совершенным по конструкции относительно своего предшественника, СКД-5, прежде всего тем, что такие трудоемкие регулировки как изменение частоты вращения первого и второго барабана выполняются из кабины комбайна с помощью гидравлики. 3. Сложность конструкции - количество рабочих органов, механизмов регулирования, вспомогательных систем, их сложность, взаиморасположение, наличие автоматических устройств. Так комбайн СКД-6 имеет более сложную конструкцию по сравнению с комбайном СК-4, т.к. имеет два молотильных аппарата, позволяющих повысить количественный и качественный показатель работы комбайна, но требующих больших знаний комбайнера. 4. Технологические возможности - способность комбайна иметь максимальную фактическую производительность в широком диапазоне изменяющихся входных факторов с наилучшими качественными показателями, соответствующими допустимому уровню агротребований. 5. Конструктивная надежность - долговечность, безотказность, приспособленность к техническому обслуживанию и ремонту, сохраняемость, данные понятия используются в соответствии с ГОСТом 13377-67 /90/. 6. Регулируемость технологического процесса - приспособленность комбайна к изменению технологического режима работы соответственно изменяющимся входным факторам, характеризующаяся количеством, трудоемкостью, мерностью регулировок, степенью механизации и автоматизации регулировок, удобством их выполнения. Методика определения регулируемости технологического процесса комбайна приведена в работе Кутепова Б.П. /91/.
Комбайновый тренажер - физическая модель системы "комбайнер - комбайн"
Для характеристики изменения данных параметров в пределах одного поля строились гистограммы по каждому из параметров (рис. 4.5...4.7). Минимальная густота (по обоим полям) в снопике - 21 шт., максимальная - 136 шт.. Колебание высоты хлебостоя в пределах от 30,5 см до 83,8 см; урожайности - от 23,0 г до 97,7 г на 0,25 кг. По формуле (3.1) была определена урожайность первого поля - 24,88 ц/га, второго - 17,64 ц/га. По двум полям обработано 400 снопиков, среднее количество стеблей в снопике 68 шт.
Полеглость стеблестоя пшеницы количественно определялась коэффициентом полеглости стеблей &пс (см.рис. 2.26). Для определения коэффициента полеглости измерялось расстояние удаления верхушки колоса от прямостоячего положения. Для этого использовался прибор, состоящий из двух взаимно перпендикулярных масштабных линеек и отвеса (рис. 3.2). На участке, определенном контрольной рамкой S - 0,25 иг, устанавливался прибор так, что нижняя часть его втыкалась у самого основания стебля. Линейка 3 устанавливалась перемещением вдоль линейки 2 на нужную высоту так, чтобы верхняя точка колоса приходилась на деление линейки 3. Так фиксировалось расстояние О- .
По среднему значению отклонения а , высоты Л стеблей в снопике подсчитывался &пс Характер изменения коэффициента полеглости в пределах одного поля представлен кривой нормального распределения (рис. 4.8).
Для исследования СКК с целью получения необходимой информации о взаимодействии человека и машины, характеризующемся способностью индивида правильно воспринимать информацию о внешней обстановке, о режимах работы комбайна, о количественных и качественных показателях работы системы, его способностью правильно выполнять управляющие воздействия на рабочие органы комбайна была разработана и изготовлена экспериментальная установка.
Имитационное моделирование, как процесс конструирования моде-ли реальной системы и постановки эксперимента на этой модели /77/, в нашем исследовании оказалось наиболее приемлемым. Предлагаемая экспериментальная установка - комбайновый тренажер является имитатором СКК, ее физической моделью (рис. 3.3).
Структурно-функциональная схема тренажера (рис. 3.4) раскрывает взаимосвязь подсистем СКК в модельных условиях.
Комбайновый тренажер (рис. 3.5) содержит кабину комбайнера 3 с органами управления вождением, включающими рулевое устройство 13, рычаг переключения передач 14, педали основных (колесных) тормозов 2, педаль сцепления ходовой части 4, рычаг стояночного тормоза 5, рычаг подачи топлива II; с органами управления регулировочными механизмами рабочих органов комбайна, часть которых размещена на панели 23, смонтированной на одной из стенок кабины. В частности, на данной панели расположены рычаги: регулирования частоты вращения мотовила или подборщика 19, подъема и опускания жатки 20, мотовила 30, вариатора ходовой части 25, выноса мотовила 24, включения вибратора бункера 21, выгрузки зерна 18, открытия жалюзи удлинителя 22, верхнего решета 26, нижнего решета 27, регулирования частоты вращения вентилятора 29, зазора между пальцами шнека и днищем жатки 28, зазоров между барабаном и декой 31, рычаг включения сцепления двигателя на привод рабочих органов комбайна 32, привода жатки 33, регулирования частоты вращения молотильного барабана 34, педаль выгрузки соломы I, рычаг задатчика подачи хлебной массы 6, рычаг механизма ручного управления скоростью комбайна 7.
Кроме того, часть рычагов управления выполнена в виде кнопочных переключателей (I, 2 ... 10), расположенных на панели блока регулировочных операций II и соответствующих нижеперечисленным регулировкам (рис. 3.6). Елок регулировочных операций введен для непрерывности процесса тренажирования.
