Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса и постановка задач исследования 7
1.1 Общее уравнение движения мобильной машины 7
1.2 Сопротивление почвы движению рабочих органов 8
1.2.1. Составляющие сопротивления почвы движению рабочих органов 8
1.2.2 Способы определения сопротивления почвы движению рабочих органов 18
1.3 Аэродинамическое сопротивление движению мобильной машины 23
1.3.1 Оценочные показатели аэродинамических свойств 23
1.3.2. Составляющие воздушного сопротивления 24
1.3.3. Способы определения аэродинамического сопротивления мобильной машины 26
1.4 Выводы и задачи исследования 33
ГЛАВА 2. Взаимодействие рабочих органов с почвой при наличии угловых колебаний 36
2.1 Взаимодействие рабочих органов с почвой в горизонтальной плоскости 36
2.2 Взаимодействие рабочих органов с почвой в вертикальной плоскости 44
2.3 Результирующий вектор почвенных воздействий 47
2.4 Случайные воздействия со стороны почвы на рабочие органы 48
ГЛАВА 3. Устройства и методы определения сопротивления движению 51
3.1 Конструкции стендов для определения силы сопротивления среды 51
3.1.1 Стенд для определения сопротивления среды движению тела 51
3.1.2 Стенд для определения силы сопротивления среды движению тела 57
3.2 Определение коэффициента обтекаемости Сх с помощью стенда для определения силы сопротивления среды движению тела 62
3.3 Способ определения коэффициента аэродинамического сопротивления движущегося тела 66
3.4 Определение характеристик силового взаимодействия рабочих органов с почвой 71
3.5 Испытания в аэродинамической трубе 78
3.5.1 Исследование влияния угловых отклонений в вертикальной и горизонтальной плоскостях на сопротивление среды движению рабочих органов сельскохозяйственных машин 78
3.5.2 Испытания автопоезда в аэродинамической трубе 81
3.6 Определение координат точек поверхности тела сложной формы 88
3.6.1 Способы определения формы поверхности тела 88
3.6.2 Способ определения координат точек и ориентации участков поверхности тела сложной формы 92
3.6.3 Экспериментальное определение координат точек и
ориентации участков поверхности тела сложной формы 96
ГЛАВА 4. Исследование сопротивления при движении мобильной машины 104
4.1 Определение коэффициента обтекаемости Сх с помощью стенда для определения силы сопротивления среды движению тела 104
4.2 Испытания в аэродинамической трубе 105
4.2.1 Исследование влияния углов наклона в вертикальной и горизонтальной плоскостях на сопротивление среды движению рабочих органов сельскохозяйственных машин 105
4.2.2 Вывод переводного коэффициента 113
4.2.3 Испытания автопоезда 114
4.3 Анализ результатов экспериментального определения координат точек и ориентации участков поверхности тела сложной формы 121
Общие выводы и рекомендации 124
Список использованных источников 126
Приложения 140
- Способы определения сопротивления почвы движению рабочих органов
- Взаимодействие рабочих органов с почвой в горизонтальной плоскости
- Способ определения коэффициента аэродинамического сопротивления движущегося тела
- Определение коэффициента обтекаемости Сх с помощью стенда для определения силы сопротивления среды движению тела
Способы определения сопротивления почвы движению рабочих органов
Стендовые испытания проводятся в почвенном канале 151. Почвенный канал содержит раму, рельсы, желоб с почвой, тензометрическую тележку с закрепленными на ней испытуемыми рабочими органами, привод тензометриче-ской тележки и тензозвенья для определения компонент тягового сопротивления.
Конструкции стендов для испытания рабочих органов сельскохозяйственных машин отличаются между собой приводом тензометрической тележки /2/, способом замены почвы в желобе /3/, расширением состава измеряемых характеристик 111. При испытаниях определяются характеристики тягового сопротивления в зависимости от почвенно-климатических условий /116/, глубины обработки и типа почвы /120/.
При стендовых испытаниях проводятся визуальные наблюдения за процессом обработки ниже уровня обрабатываемой поверхности с помощью экрана /4/.
Достоинствами стендовых испытаний являются независимость проведения испытаний от погодных условий и более качественное определение параметров процесса обработки почвы, а также более четкое установление параметров испытуемых рабочих органов (углов наклона, глубины обработки и др.).
Недостатками стендовых испытаний являются сложность изготовления оборудования, высокая стоимость проведения испытаний, а также изменение характеристик почвы при переносе ее в почвенный канал или желоб и ограниченная возможность выбора характеристик почвы.
Испытания в полевых условиях проводятся с использованием тракторов либо специальных стендов, помещаемых в реальные условия обрабатываемой почвы.
Способы определения сопротивления почвы обработке отличаются анализируемыми параметрами, характеризующими процесс обработки. Так, например, существуют способы для тракторов, оснащенных двигателями с турбо-наддувом (К-700, К-701 и др.), основанные на анализе разности частот вращения ротора турбокомпрессора на холостом ходу и под нагрузкой /1/, на анализе разности давлений, нагнетаемых турбокомпрессором на холостом ходу и под нагрузкой 161. Также исследуется зависимость тягового сопротивления почвообрабатывающих органов от скорости обработки /122/.
Некоторые стенды монтируются на тракторах. Измерительная аппаратура регистрирует тяговые нагрузки на прямом сигнале тензодатчика без дополни 20
тельных усилителей /121/, с измерительной системой для установления уровня сигнала, тарирования, записи показателей и ввода их к компьютер /112/, с помощью мобильного датчика, преобразующего изменение сопротивления почвы в электрический сигнал с определенными характеристиками /89/ или с помощью рамки с приваренными по краям пальцами и жестко связанным с ними измерительным элементом /78/.
Существует также устройство для исследования сопротивления грунтов резанию в полевых условиях, состоящее из рамы, опирающейся на салазки, тензометрических элементов и экспериментального ножа специальной конструкции для определения усилия резания /49/.
К преимуществу испытаний в полевых условиях следует отнести точность характеристик обрабатываемой почвы ввиду ее нахождения в естественных условиях.
Недостатками испытаний в полевых условиях являются трудность точного определения параметров обработки почвы (глубины и углов установки почвообрабатывающего орудия), и как следствие, низкая точность измерений по причине колебаний буксирующей машины, а также зависимость результатов испытаний от метеорологических условий.
Взаимодействие рабочих органов с почвой в горизонтальной плоскости
Для системы сил, действующих на рабочий орган со стороны почвы, как любой системы сил, может быть выбрана любая точка приведения. Выберем в качестве точки приведения проекцию точки приложения главного вектора сил почвенного воздействия к рабочей поверхности рабочего органа на горизонтальную плоскость, проходящую через плоскость рамы. Рисунок 2.1 иллюстрирует взаимодействие симметричного рабочего органа с почвой при наличии угловых отклонений в горизонтальной плоскости.
В работе /35/ указано, что величины главного вектора R и главного момента М, являющиеся характеризующими для системы сил почвенного воздействия на рабочий орган, существенно зависят от ориентации рабочего органа относительно набегающего потока почвы. Ориентация рабочего органа характеризуется углом в между вектором абсолютной скорости центра приведения системы сил почвенного воздействия и вертикальной плоскостью симметрии рабочего органа. При отклонении вектора скорости на угол в от плоскости симметрии, главный вектор R сил почвенного воздействия отклоняется на некоторый угол X от направления скорости движения рабочего органа.
Из графиков видно, что величина главного вектора R сил почвенного воздействия существенно зависит от величины угла в в рабочем интервале. В итоге игнорирование данного факта приведет к существенным погрешностям результатов расчета. Окончательно зависимости R,Mn% от в будут иметь вид:
R=R0 + y/e/; М=(3-Э; х = ос-в. (2.1)
Система сил, в которой главный вектор и главный момент описываются уравнениями (2.1), является потенциальной и стремится при отклонении рабочего органа на угол в возвратить его в первоначальное положение.
Определим величину угла в, который зависит от расположения рабочего органа относительно рамы и величины абсолютной и угловой скорости центра приведения каждого рабочего органа. Для этого необходимо связать с рамой звена подвижную ось координат и проводить определение величины в для рабочих органов, находящихся в каждом из квадрантов, представленных на рисунке 2.3.
Прицепная машина при движении по поверхности поля совершает плоско-параллельное движение. Это движение можно разложить на переносное и относительное движение.
Абсолютная скорость Vi каждого центра приведения складывается из скорости центра масс звена V, которая является переносной, и скорости VQj, являющейся относительной (вращательной) скоростью движения точки Д вокруг центра О. Причем сумма этих скоростей - геометрическая:
Угол в - это угол между вектором Vt и продольной вертикальной плоскостью симметрии рабочего органа. Определить величину угла 9 можно, взяв арктангенс отношения проекции скорости Vi на оси координат OY и ОХ:
Способ определения коэффициента аэродинамического сопротивления движущегося тела
Если рассматривать не стенды, а способы определения коэффициента обтекаемости в лабораторных условиях, то таких способов существует несколько.
В частности, можно выделить как разновидности способов определения коэффициента Сх способы применения устройств, описанных в п.3.1.
Первый способ - это способ, основанный на использовании прибора для определения коэффициента лобового сопротивления исследуемого тела /69/. Данный способ связан с наблюдением движения исследуемого и эталонного тел, объединенных между собой механической связью. Движение происходит в свободно-молекулярном потоке газовой среды. Силу лобового сопротивления исследуемому телу, позволяющую судить о коэффициенте обтекаемости движущегося тела, определяют во время движения тела с помощью измерительного устройства, изготовленного в виде датчика, связанного с эталонным и исследуемым телами.
Достоинством этого способа определения коэффициента обтекаемости, так же, как и прибора, является достаточно высокая степень точности результатов измерений.
Недостатками описанного способа определения коэффициента лобового сопротивления исследуемого тела являются повышенная трудоемкость измерений, а также узкие функциональные возможности вследствие определения коэффициента лобового сопротивления только в газовых средах.
Другой способ также можно рассматривать как применение прибора для измерения силы сопротивления движению тела при падении /99/. Этот способ также "связан с наблюдением свободного падения ориентированного в пространстве тела под действием силы тяжести. Исследуемое и эталонное тела сбрасывают с высоты 115 метров вместе с конструкцией, снабженной пружинным динамометром и регистрирующим устройством. Динамометрами, закрепленными на раме конструкции, измеряют силу сопротивления в процессе падения тел, а регистрирующим устройством на бумаге, навернутой на вращающиеся при падении барабаны фиксируют показания динамометров. Ориентация движущегося тела в пространстве производится с помощью направляющей, имеющей утолщение в нижней части для предотвращения столкновения конструкции с землей.
Достоинством данного способа, как и прибора, является простота его осуществления.
Недостатками описанного способа измерения силы сопротивления движению тела являются повышенная трудоемкость измерений. Также следует отнести к недостаткам низкие точность и достоверность определения силы сопротивления среды, а также узкие функциональные возможности вследствие обеспечения измерения только воздушного сопротивления.
К способам определения коэффициента обтекаемости можно отнести способ определения силы сопротивления среды движению тела, основанный на применении стенда с аналогичным названием /72/.
Этот способ основан на измерении и сравнении полной энергии исследуемого и эталонного падающих тел в различных средах, в том числе и в воздушной среде.
Исследуемое и эталонное тела поочередно опускаются на чашу весов под действием силы тяжести. Для поглощения энергии удара падающих тел на чашу весов помещают песок, после чего весы уравновешивают.
В момент падения тела стрелка весов отклоняется от положения равновесия за счет энергии, переданной падающим телом чаше весов. Фиксация показаний весов может осуществляться с помощью флажков. Для возможности ориентации тела в пространстве используется направляющая.
Разница показаний стрелки весов эталонного и исследуемого тел будет различна, и будет соответствовать силе сопротивления воздуха.
Также способ предусматривает использование безвоздушного пространства, что допускается конструкцией стенда. В этом случае достаточно использовать лишь исследуемое тело, поочередно опуская его на чашу весов под действием силы тяжести в какой-либо среде и в безвоздушном пространстве.
Данный вариант конструкции стенда способствует повышению точности и достоверности получаемых экспериментальных данных, поскольку для проведения испытаний применяется одно и то же тело.
Достоинствами данного способа является снижение трудоемкости проведения эксперимента по определению коэффициента обтекаемости, достаточно высокие точность и достоверность результатов экспериментального исследования и широкие функциональные возможности. Недостатком способа является достаточно сложный механизм фиксации показаний весов, а в силу этого у данного стенда имеются резервы для дальнейшего повышения точности результатов измерений. Также к недостаткам способа следует отнести возможные погрешности при определении высот падения тел при испытаниях и погрешности в определении массы падающих тел.
В случае сравнения энергий падающих эталонного и исследуемого тел погрешность измерений усугубляется применением эталонного тела, которое имеет, хоть и минимальное, воздушное сопротивление.
Для устранения вышеуказанных недостатков предлагается разработанный способ определения коэффициента аэродинамического сопротивления движущегося тела, при применении которого достигается снижение трудоемкости, повышение точности и достоверности определения силы сопротивления, а также расширение технологических возможностей /74/.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что его применение связано с установлением моментов прохождения ориентированного в пространстве тела мимо регистрирующих устройств. После того, как моменты прохождения установлены, определяют момент начала движения тела с постоянной скоростью. Величина скорости движения позволяет судить о коэффициенте аэродинамического сопротивления движущегося тела.
Снижение трудоемкости заключается в том, что способ можно применять в лабораторных условиях, так как для его осуществления не требуется опускать тело с большой высоты.
Повышение точности и достоверности определения силы сопротивления обеспечивается вследствие применения регистрирующих устройств, например, светового или электромагнитного типа. Регистрирующие устройства находятся на фиксированном расстоянии друг от друга на протяжении всего пути падения тела.
Способ не требует использования динамометров, измеряющих силу сопротивления, действующую на движущиеся тела, тем самым исключаются погрешности, связанные с их использованием.
Определение коэффициента обтекаемости Сх с помощью стенда для определения силы сопротивления среды движению тела
Значения продольной силы и угловых отклонений для вертикальной плоскости были нанесены на координатную плоскость и при последующей статистической обработке были аппроксимированы линейной зависимостью вида кх+b, где к - коэффициент пропорциональности, a b - начальное значение усилия /14/. Степень достоверности аппроксимации находилась в пределах 93,84 - 99,16%. О достоверности выдвинутой гипотезы о линейности зависимости свидетельствует значение критерия детерминированности в пределах 0,9-1,0 /38/, /29/. Полученное в результате статистической обработки значение R2 находится в требуемом интервале, что дает основание считать выдвинутую гипотезу о линейной зависимости продольной силы от угла наклона достоверной.
График зависимости силы от угла наклона в вертикальной плоскости, представленный на рисунке 4.1, можно условно разделить на две ветви в зависимости от значений угла наклона/101/ от-25 до -14 и от -14 до 10,5.
Первая ветка характеризует интервал изменения угла от -25 до -14, где продольная сила снижается для всех значений испытаний.
Как видно из приведенных ниже зависимостей, наименьший темп снижения усилия наблюдается при первом скоростном режиме испытания (=-0,0258), наибольший темп - при четвертом скоростном режиме (=-0,048). Таким образом, увеличивая скорость продувки, можно более интенсивно снизить величину продольной силы с наибольшего значения до наименьшего. При увеличении скорости с 1-го скоростного режима до 2-го скоростного режима (соответственно в 1,05 раза) темп снижения усилия возрастает в 1,13 раза. При увеличении скорости со 2-го до 3-го скоростного режима (в 1,08 раза) темп снижения усилия увеличивается в 1,35 раза. При увеличении скорости с 3-го до 4-го скоростного режима (в 1,09 раза) темп снижения усилия возрастает в 1,06 раза. Как видно из приведенных соотношений, дальнейший рост скорости испытаний приводит к уменьшению эффективности снижения усилия.
При обработке почвы рабочий орган устанавливается с положительным углом наклона в вертикальной плоскости /108/. Интервал положительных значений угла наклона в вертикальной плоскости находится на второй ветке графика, приведенного на рисунке 4.1. Продольная сила для всех значений скорости испытаний на данном отрезке увеличивается. Наименьший темп увеличения усилия наблюдается при 1-м скоростном режиме продувки (к = 0,1959), наибольший темп увеличения усилия наблюдается при 4-м скоростном режиме (к = 0,3334).
При увеличении скорости с 1-го до 2-го скоростного режима (соответственно в 1,05 раза) темп роста усилия возрастает в 1,14 раза. При увеличении скорости со 2-го до 3-го скоростного режима (в 1,08 раза) темп роста усилия увеличивается в 1,14 раза. При увеличении скорости с 3-го до 4-го режима продувки (в 1,09 раза) темп снижения усилия возрастает в 1,36 раза. Соответственно, более выгодным с точки зрения минимизации темпов роста усилия является эксплуатация данного рабочего органа (стрельчатой лапы культиватора) при 3-м скоростном режиме продувки. При этом достигается максимальная скорость обработки при минимальном росте усилия.
Общий темп снижения усилия при увеличении угла наклона с -25 до -14 и общий темп роста усилия при дальнейшем увеличении угла наклона представлен на рисунке 4.2.
Из рисунка 4.2 видно, что темп снижения усилия имеет более пологий характер, чем темп роста усилия.
Дополнительно была проведена проверка предложенной гипотезы на предмет совпадения результатов эксперимента с теоретической зависимостью аэродинамической силы от квадрата скорости. Проверка показала удовлетворительные результаты правильности выдвинутой гипотезы. Все из рассмотренных вероятностей находились в пределах требуемого интервала от 0,9 до 1,0 /38/.
