Содержание к диссертации
Введение
1 Обоснование актуальности проблемы и задачи иисследования 9
1.1 Преимущества использования агрегатов с фронтально навешенными машинами и орудиями и требования, предъявляемые к ним 9
1.2 Определения управляемости и устойчивости движения МТА 14
1.3 Критерии оценки управляемости 27
1.4 Проблемы использования агрегатов с фронтально навешенными машинами и орудиями 36
1.5 Пути решения проблемы использования МТА с фронтальной навеской 45
1.6 Задачи исследования 56
2 Моделирование движения агрегата с фронтальной навеской 57
2.1 Выбор математической модели движения МТА 57
2.2 Взаимодействие колес трактора и орудия с опорным основанием 61
2.3 Взаимодействие рабочего органа культиватора с грунтом 69
2.4 Взаимодействие рабочего органа фронтально навешенного культиватора с грунтом при повороте машинно-тракторного агрегата 80
2.5 Построение модели функционирования агрегата с жестко навешенным культиватором фронтально 84
2.6 Построение модели функционирования агрегата с управляемым фронтально навешенным культиватором 94
2.7 Построение структурных схем управляемого движения агрегата 99
3 Экспериментальные и теоретические исследования 107
3.1 Цели и задачи экспериментальных исследований 107
3.2 Методика проведения полевых экспериментальных исследований .... 108
3.3 Объект и условия проведения полевых испытаний 112
3.4 Приборы и оборудование для полевых испытаний машинно- тракторного агрегата 116
3.5 Тарировка измерительного оборудования 123
3.6 Проверка адекватности математических моделей управляемого движения трактора на холостом ходу и агрегата с управляемым культиватором 124
3.7 Определение положения характерных точек агрегата 126
3.8 Сравнительный анализ управляемого движения машинно- тракторного агрегата и трактора на холостом ходу 127
Результаты и выводы 141
Библиографический список 143
Приложение 157
- Проблемы использования агрегатов с фронтально навешенными машинами и орудиями
- Взаимодействие рабочего органа фронтально навешенного культиватора с грунтом при повороте машинно-тракторного агрегата
- Методика проведения полевых экспериментальных исследований
- Определение положения характерных точек агрегата
Введение к работе
Актуальность работы. Применяемые в настоящее время технологии возделывания сельскохозяйственных культур основаны на многократном прохождении по полю машинно-тракторных агрегатов, в составе трактора и различного рода сельскохозяйственных машин и орудий, выполняющих, как правило, одну или две операции за один проход, при этом значительная часть энергии трактора расходуется на многократное перемещение по полю так называемого «мертвого» груза (трактора, машины, прицепа и т.п.).
Наиболее высокую эффективность обработки почвы обеспечивает система использования техники, совмещающая в едином технологическом процессе все операции предпосевной обработки и посев. Одним из перспективных направлений развития комплексной механизации сельскохозяйственного производства является создание комбинированных машин различных схем, наиболее полно отвечающих современной тенденции в тракторостроении, позволяющих одновременно в одном технологическом процессе выполнять несколько операций по обработке почвы, посеву, внесению удобрений и гербицидов.
Однако с возрастанием линейных размеров машинно-тракторного агрегата, а также с возрастанием рабочей скорости агрегата изменяются и его динамические свойства. Агрегат превращается в своего рода механическую колебательную систему, параметры которой уже нельзя выбирать произвольно. Это связано не только с возможным ухудшением качества движения машин и возрастанием их тягового сопротивления. При неправильном выборе механических параметров агрегат может стать неустойчивым и, следовательно, неспособным к выполнению заданного технологического процесса.
При плохой управляемости машинно-тракторного агрегата невозможно достичь высоких показателей производительности МТА, и, как следствие, применение несовершенного комбинированного агрегата не является экономически целесообразным. Ухудшение управляемости комбинированного агрегата обусловлено, главным образом, негативным влиянием фронтально навешенного орудия, входящего в его состав. Поэтому при решении вопросов повышения управляемости МТА с фронтальной навеской необходимо выявить это негативное влияние и устранить его.
Целью диссертационной работы является обеспечение высоких показателей управляемости машинно-тракторного агрегата с фронтальным почвообрабатывающим орудием и качества обработки почвы путем снижения негативного влияния орудия на поворот агрегата.
Объект исследования. Машинно-тракторный агрегат в составе энергети-
ческого средства, культиватора и приспособления для фронтального навешивания и поворота культиватора.
Предмет исследования. Технологический процесс междурядной обработки пропашных культур при фронтальном агрегатировании культиватора.
Научная новизна:
условие выполнения скользящего резания сорняка культиваторной лапой при выполнении технологического процесса в междурядьях машинно-тракторным агрегатом с фронтально навешенным почвообрабатывающим орудием, учитывающее отклонение направления движения рабочего органа от плоскости симметрии этого органа при управляемом движении агрегата;
оригинальный метод повышения управляемости машинно-тракторного агрегата с фронтально навешенным культиватором путем поворота последнего;
математические модели движения агрегата в составе энергетического средства и фронтально навешенного управляемого культиватора;
условие выбора связи между углом поворота управляемых колес трактора и углом поворота культиватора.
Практическая ценность. Разработана оригинальная конструкция механизма поворота фронтально навешенного культиватора, которая способствует повышению качества междурядной обработки почвы и улучшению управляемости агрегата.
Основные положения, выносимые на защиту:
взаимодействие культиваторной лапы с сорняком при выполнении междурядной обработки агрегатом с фронтально навешенным орудием,"
метод повышения управляемости машинно-тракторного агрегата с фронтально навешенным культиватором путем поворота последнего;
математические модели движения агрегата в составе энергетического средства и фронтально навешенного управляемого культиватора;
передаточные функции, связывающие угол поворота управляемых колес трактора с углом поворота культиватора.
Реализация результатов исследований. Методические рекомендации по применению машинно-тракторных агрегатов с фронтальной навешенным культиватором переданы в Управление по промышленности, энергетике, транспорту, развитию предпринимательства и труду Администрации г.Рубцовска. Выводы и рекомендации настоящей работы используются Некоммерческим Партнерством ((Алтайский кластер аграрного машиностроения» при составлении перспективных агрегатов на базе «Системы машин в земледелии Алтайского края», входящих в «Программу освоения производства с/х машин и орудий для
ресурсосберегающих технологий возделывания зерновых культур на предприятиях Алтайского края» от октября 2010г., одобренную Администрацией Алтайского края. Результаты исследования внедрены в учебный процесс кафедры «Наземные транспортные системы» Рубцовского индустриального института АлтГТУ им. И.И. Ползунова.
Апробация. Основные положения работы были доложены на всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (г.Тольятти 2005г.); научно-технической конференции студентов и аспирантов (г.Рубцовск 2005г.); всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г.Рубцовск 2006г.); всероссийской научно-технической конференции «Проблемы социального и научно-технического развития в современном мире» (г.Рубцовск 2007г.); XI всероссийской научно-технической конференции «Проблемы социального и научно-технического развития в современном мире» (г.Рубцовск 2009г.); всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы социального и научно-технического развития в современном мире» (г.Рубцовск 2010г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе одна статья в журнале по перечню ВАК, 2 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, три главы и общие выводы. Текст диссертации изложен на 163 страницах, включает 49 рисунков, 147 наименований используемой литературы и приложения.
Проблемы использования агрегатов с фронтально навешенными машинами и орудиями
Проблема интенсификации рабочих процессов мобильных сельскохозяйственных и транспортных машин не исчерпывается «энергетическими» соображениями. Дело в том, что с возрастанием линейных размеров машинно-тракторного агрегата (а следовательно, масс и моментов инерции масс его звеньев - трактора и рабочих машин), а также с возрастанием рабочей скорости агрегата изменяются и его динамические свойства. Агрегат превращается в механическую колебательную систему, параметры которой уже нельзя выбирать произвольно. Это связано не только с возможным ухудшением качества движения (а следовательно, и качества работы) машин и возрастанием их тягового сопротивления (за счет движения рабочих органов с перекосом). При неправильном выборе механических параметров агрегат может стать неустойчивым и, следовательно, неспособным к выполнению заданного технологического процесса. Сказанное относится не только к энергонасыщенным агрегатам, но и к агрегатам малой мощности, поскольку и в этом случае качество движения зависит от сочетания механических параметров всех машин, вошедших в агрегат.
При плохой управляемости машинно-тракторного агрегата невозможно достичь высоких показателей производительности МТА, и, как следствие, применение несовершенного комбинированного агрегата не является экономически целесообразным.
При работе в междурядьях агрегат движется не по прямой линии, а отклоняясь в правую и левую стороны от нее, причем направление, скорость и величина смещения рабочих органов машины зависят от расположения ее относительно трактора. Особенно важное значение это обстоятельство имеет при выполнении пропашных работ, так как с этим связана величина устанавливаемой защитной зоны, что в свою очередь определяет объем последующей ручной обработки.
Значительное количество работ [14,15,18,27,29,31,54,56,69,71,95,96,99, 100,101,106,107,115,] посвящено влиянию сил сопротивления движению машинно-тракторного агрегата со стороны рабочих органов орудия, входящего в состав агрегата, обуславливающих характер движения МТА, выполняющего технологический процесс, на устойчивость и управляемость движения этого МТА. Однако многие вопросы остаются еще недостаточно изучены, некоторые выводы и рекомендации, сделанные по этой тематике, имеют конкретную узкую направленность и нуждаются в обобщении.
Использование выводов и рекомендаций, полученных в результате исследований влияния сельскохозяйственных машин и орудий на устойчивость и управляемость тракторных агрегатов, в состав которых входили заднена- весные орудия и машины, не подходит для агрегата с фронтально навешенным орудием, так как изменение места размещения орудия с заднего на переднее относительно трактора приводит к резкому изменению динамических характеристик агрегата как механической системы и вызывает ухудшение его устойчивости и управляемости. При этом меняются характер и величина сил и моментов, приложенных к агрегату, а именно, значительно возрастают момент сопротивления поворота и боковые силы от рабочих органов орудия, действующие на агрегат при повороте, уменьшается величина сил, стабилизирующих агрегат при его прямолинейном движении.
Взаимодействие рабочего органа фронтально навешенного культиватора с грунтом при повороте машинно-тракторного агрегата
Анализируя вышеприведенные методики выбора угла раствора лап культиватора, можно сделать вывод о том, что все методики не учитывают действительного направления движения рабочего органа, т.е. принимается, что движение осуществляется по линии симметрии рабочего органа. Для задне- навесных и прицепных сельскохозяйственных орудий такое допущение вполне применимо, так как направление движения орудия лишь на небольшие углы отклоняется от плоскости симметрии рабочего органа.
При фронтальном же агрегатировании рабочие органы находятся на значительном расстоянии от мгновенного центра поворота машинно-тракторного агрегата, в отличие от заднего агрегатирования, в результате чего при повороте МТА действительное направление движения рабочих органов значительно не совпадает с плоскостью симметрии рабочего органа (рис. 2.9). Это явление в большей степени проявляется при агрегатировании широкозахватных машин.
В работах [109,119] приводятся значения углов: 2у=55...80, 2у 60. Однако при движении машинно-тракторного агрегата с жестко навешенным почвообрабатывающим орудием фронтально, действительный угол раствора лезвия лапы изменяется на угол 8 и принимает значения:
- для внутреннего по отношению к повороту крыла лапы:
у = у + 3; (2.23)
- для внешнего по отношению к повороту крыла лапы:
у" = у-8. (2.24)
Таким образом, рабочий орган уже нельзя охарактеризовать значением 2у, а необходимо рассматривать каждое крыло лапы как отдельные элементы. Кроме того, при отклонениях вектора скорости центра рабочего органа от его плоскости симметрии каждое из крыльев лапы работает по-разному - на одном
крыле может выполняться условие скользящего резания, на другом нет (будет наблюдаться обволакивание крыла лапы). К тому же немаловажное значение имеет величина перекрытия смежных лап культиватора, и при отклонении вектора скорости даже то крыло лапы, на котором выполняется условие скользящего резания, не будет перекрываться с крылом смежного рабочего органа, в результате чего останутся неподрезанные сорняки в междурядье.
Рисунок 2.9 - Поворот машинно-тракторного агрегата с жестко навешенным фронтально почвообрабатывающим орудием (культиватором)
На основании вышеизложенного можно представить условие скользящего резания с учетом направления движения рабочего органа, подставив значения (2.23) и (2.24) в неравенство (2.22):
- для внутреннего по отношению к повороту крыла лапы: у 90 -( р + /3)+д или / 90-{2(р-(рх)+8;
- для внешнего по отношению к повороту крыла лапы: / 90 -(р + р)- или /" 90 -{2(р-(р1)-8. (2.26)
Рассматривая кинематику поворота, без учета увода упругих шин трактора, были получены некоторые результаты. За основу был взят машинно- тракторный агрегат, составленный по схеме «трактор+НП-5,4+культиватор КРШ-8,1». База трактора 2м; расстояние от оси управляемых колес трактора до линии действия сил сопротивления рабочих органов орудия 2м; ширина орудия 8,1м; предельный угол поворота управляемых колес трактора 5; скорость движения трактора 2м/с. Так, скорость центра внутреннего по отношению к повороту рабочего органа составила 1,753м/с, внешнего 2,284м/с - разница в скоростях 23,2%; отклонение вектора скорости центра рабочего органа от плоскости симметрии внутреннего по отношению к повороту рабочего органа 8,78, внешнего 6,73 - разница углов 23,3%; величина равнодействующей силы сопротивления внутреннего по отношению к повороту рабочего органа 1,086кН, внешнего 0,996кН - разница сил 8,3%.
На основании проведенных предварительных расчетов можно сделать вывод о том, что при применении машинно-тракторных агрегатов с жестко навешенным фронтально широкозахватным почвообрабатывающим орудием органы этого орудия работают в неоптимальных условиях, что безусловно повлечет за собой нарушение качества обработки почвы, снижение управляемости и устойчивости движения агрегата.
Повысить качество обработки почвы, управляемость и устойчивость машинно-тракторного агрегата с широкозахватным орудием можно путем поворота фронтального почвообрабатывающего орудия. Поворот орудия должен осуществляться таким образом, чтобы отклонение вектора скорости центра каждого рабочего органа этого орудия был равен или близок к нулю (рис. 2.26, 2.10).
В результате при 3=0 результирующая сила сопротивления движению Я будет направлена вдоль плоскости симметрии рабочего органа и будет отсутствовать главный момент М0, который и является основным фактором, препятствующим осуществлению поворота всего машинно-тракторного агрегата.
Методика проведения полевых экспериментальных исследований
Если рассматривать функционирование почвообрабатывающей машины как реакцию на внешние возмущения и управляющие воздействия, то наиболее подходящей расчетной схемой любой машины будет схема по принципу вход-выход. В такой схеме в качестве входных переменных принимаются условия работы и управляющие воздействия (со стороны водителя или управляющих устройств), которые представляют собой конкретные физические величины (силы, моменты сил, перемещения и др.), а в качестве выходных - совокупность1 параметров, которые определяют качество работы машины, энергетические и технико-экономические ее показатели, прочностные свойства и др.
Такой подход к построению модели функционирования сельскохозяйственной машины определяет ее представление в виде динамической системы, осуществляющей преобразование входных возмущающих и управляющих воздействий в выходные. Известно, что все наблюдаемые при работе различных динамических систем процессы могут быть условно разделены на две группы. К одной группе относят процессы, обусловленные заранее известными факторами. Протекание этих процессов можно прогнозировать (при наличии соответствующей модели системы) с любой степенью точности. Конечно, в любом процессе работы реальной системы имеются элементы случайности, но иногда эти случайности несущественны и ими можно пренебречь. Для анализа, синтеза и оптимизации таких процессов применяют так называемые детерминистические методы, разработанные на основе законов классической физики и механики. В этих методах все внешние условия функционирования и свойства самой системы рассматриваются как вполне определенные. При таком подходе получают модель детерминированной системы, т.е. системы, характеризующейся однозначным или взаимно-однозначным соответствием реализаций входных и выходных процессов (ГОСТ 21878-76).
Другая группа процессов характеризуется тем, что случайные факторы в них имеют существенные значения. Только учитывая случайный (в вероятностно-статистическом смысле) характер составляющих /(1) и у{(1) векторов Р и 7, можно правильно рассчитывать эти процессы и оценивать их результаты. Анализ и прогнозирование таких процессов без учета реальных условий их протеканий может привести к существенным ошибкам.
Существенной особенностью функционирования сельскохозяйственных агрегатов как динамических систем является их многомерность, т.е. наличие многих входных и выходных переменных. Число компонентов входных и выходных векторов в процессе функционирования зависит от типа агрегата, выбранной расчетной схемы, степени учета условий работы и других определяющих факторов. Если принять предпосылку о том, что в первом приближении каждое входное воздействие определяет только одну какую-либо переменную, т.е. ограничиться моделью агрегата с одним входом и одним выходом, то такую модель можно назвать одномерной.
В действительности же сельскохозяйственные агрегаты являются многомерными системами, причем каждое входное воздействие может влиять на несколько выходных переменных. Многомерность сельскохозяйственных агрегатов обусловлена не только количеством учитываемых входных и выходных процессов, но и взаимными связями между ними. Для сельскохозяйственных агрегатов наиболее подходящими моделями функционирования следует считать модели с несколькими входными процессами и одним выходным компонентом вектора У (технологическим, энергетическим и др.). По ГОСТ 21878-76 одномерной является система, у которой входные и выходные сигналы являются скалярными процессами, а многомерной — система с векторными процессами [65].
Определение положения характерных точек агрегата
Модель считается адекватной, если отражает заданные свойства с приемлемой точностью. Точность определяется как степень совпадения значений выходных параметров модели и объекта. Если в процессе построения модели допущены принципиальные ошибки, то разговор о ее точности не имеет смысла. Точность модели различна в разных условиях функционирования объекта.
Адекватность математической модели изучаемому объекту проверяется путем сравнения экспериментальных данных, полученных на объекте, и результатов моделирования с привлечением методов статистической проверки гипотез. В качестве критериев адекватности чаще всего используются квадратичные выражения, характеризующие отклонения опытных данных от расчетных.
С целью подтверждения достоверности решения системы дифференциальных уравнений движения МТА в междурядьях было проведено сравнение траекторий, полученных аналитическим и экспериментальным путями. Экспериментальное определение траектории движения рассматриваемых МТА производилось следующим образом. Трактор или машинно-тракторный агрегат устанавливался на участок поля, предназначенного для заезда; включалась регистрирующая аппаратура для записи нулевых линий на ленту осциллографа; агрегат начинал движение сначала по прямой для набора необходимой скорости, затем водитель вел трактор по заранее размеченной траектории, согласно разработанной методике с использованием оригинального устройства для определения положения мобильной машины на местности (пат. №2171461). При заезде данные с одиннадцати датчиков, установленных на исследуемом тракторе или агрегате и на вспомогательном транспортном средстве, регистрировались шлейфовым осциллографом на ленте.
Аналитически траекторные показатели движения рассматриваемых агрегатов и трактора определялись с помощью их математических моделей. Решение дифференциальных уравнений, входящих в указанные модели, производилось методом Рунге-Кутта. Результаты решения моделей предстают в виде зависимостей от времени кривизны траектории центров масс агрегатов и трактора, их курсовых углов, угла отклонения рамы орудия относительно своего исходного положения (в случае его нежесткого крепления к трактору). Поэтому траекторные показатели движения машин, полученные экспериментальным путем, целесообразнее привести к зависимостям такого же вида. В отличие от координатного способа представления траекторных показателей, выбранный способ позволяет избежать при сравнивании результатов экспериментальных и теоретических исследований между собой накапливающейся со временем суммарной ошибки, возникающей из-за неизбежных погрешностей при экспериментальном определении параметров орудия и трактора.
В качестве критерия адекватности математической модели используем коэффициент корреляции между соответствующими текущими траекторны- ми показателями, полученными расчетным и экспериментальным путем, как между двумя зависимыми случайными величинами:
