Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Анализ производства сорго в России 9
1.2 Машины для уборки сорго 12
1.3 Анализ научно-исследовательских работ по оценке уровня надежности современных машин для уборки сельскохозяйственных культур и их режущих аппаратов 16
1.4 Режущие аппараты машин для уборки сельскохозяйственных культур 28
1.5 Некоторые контролирующие системы, используемые в уборочных машинах 41
1.6 Цель и задачи исследования 44
2 Теоретические предпосылки повышения ремонтопригодности режущего аппарата жатки для уборки сорго 45
2.1 Анализ работоспособности соргоуборочного комбайна 45
2.2 Анализ свойств и показателей ремонтопригодности объекта исследований 48
2.3 Модернизация режущего аппарата жатки 53
2.4 Теоретические предпосылки оценки кинематических показателей режущего аппарата и показателей среза растений 56
2.5 Разработка номограммы выбора линейной скорости перемещения сегментов жатки от числа отказов 68
2.6 Параметры системы контроля отказов 71
2.7 Выводы по разделу 2 72
3 Программа и методика экспериментальных исследований 74
3.1 Лабораторная установка для исследования величины максимального отгиба стеблей сорго при срезе 74
3.2 Определение уровней варьирования наиболее значимых факторов 77
3.3 Методика проведения многофакторного эксперимента 79
3.4 Методика определения работоспособности системы контроля отказов режущего аппарата 81
3.5 Определение времени восстановления и трудоемкости ремонта режущих аппаратов 82
3.6 Методика проведения производственных испытаний 85
3.7 Методика обработки экспериментальных данных 86
3.8 Выводы по разделу 3 92
4 Результаты исследований модернизированного режущего аппарата жатки для уборки сорго 94
4.1 Особенности модернизации режущего аппарата жатки 94
4.2 Результаты исследований показателей ремонтопригодности модернизированного режущего аппарата жатки 97
4.2.1 Результаты исследований показателей контролепригодности сравниваемых режущих аппаратов 97
4.2.2 Результаты исследований затрат времени и трудоемкости восстановления исследуемых режущих аппаратов 98
4.3 Результаты исследований показателей количества импульсов системы контроля отказов 103
4.4 Результаты испытаний модернизированного режущего аппарата 104
4.4.1 Результаты многофакторного эксперимента 104
4.4.2 Результаты лабораторных исследований 106
4.4.3 Результаты полевых исследований 108
4.5 Выводы по разделу 4 109
5 Оценка экономической эффективности применения модернизированного режущего аппарата 111
5.1 Экономическая эффективность применения режущего аппарата модернизированной конструкции 111
5.2 Расчет стоимости дополнительной продукции 111
5.3 Расчет удельных капиталовложений 114
5.4 Определение эффективности капиталовложений 121
Заключение 122
Список литературы 124
Приложения 140
- Анализ научно-исследовательских работ по оценке уровня надежности современных машин для уборки сельскохозяйственных культур и их режущих аппаратов
- Теоретические предпосылки оценки кинематических показателей режущего аппарата и показателей среза растений
- Методика обработки экспериментальных данных
- Расчет удельных капиталовложений
Анализ научно-исследовательских работ по оценке уровня надежности современных машин для уборки сельскохозяйственных культур и их режущих аппаратов
Вопросами повышения надежности уборочных машин и деталей режущих аппаратов занимались такие ученые, как Горячкин В.П. [25], Адигамов Н.Р. [2], Алексенко Н.П. [4], Босой Е.С. [13], Долгов И.А. [42], Дроздов Н.И. [43], Ерохин Г.Н. [45], Жалнин Э.В. [46], Лебедев А.Т. [70], Лисунов Е.А. [5 1], Карпенко А.Н. [53], Курочкин В.Н. [65], Резник Н.Е. [105], Труфляк Е.В. [125] и другие ученые. Проанализировав теоретические и экспериментальные исследования, представленные в их работах, можно выделить основные направления повышения надежности, которые показаны на рисунке 1.6.
Совершенствование технологии и технологических средств обслуживания способствует повышению надежности и эффективности использования техники, связанной с устранением, поиском и предотвращением различного рода отказов, которые могут быть вызваны дефектами и неисправностями. Для эффективного использования техники и снижению затрат, связанных с ее простоями, необходимо знать определенное оптимальное количество пунктов технического обслуживания и их рациональное функционирование. Этим вопросам были посвящены работы [68, 132, 138].
Методы расчета основных параметров работы системы технического сервиса были рассмотрены в работе [23]. В данной работе авторы определили необходимое количество звеньев, численный состав работников и число промежуточных пунктов технического обслуживания, используя значения вероятностного характера наступления отказов и минимум удельных затрат. Исследования проводились для Ростовской области. Профессором Курочкиным В.Н. [65], были разработаны модели процессы управления эффективностью эксплуатации машинно-тракторного парка, благодаря которым появилась возможность установления необходимого использования ресурсов техники при ремонте и ТО.
Следует отметить работы Агеева Л.Е. [1], Аллилуева В.А. [5], Веденя пина Г.В. [17], Киртбая Ю.К. [54], Терских И.П. [50] и других. Профессором Веденяпиным Г.В. [17] была разработана методика, позволяющая определять время диагностирования для систем ТО сельскохозяйственных машин исходя из доверительного уровня безотказности.
Совместно со своими учениками профессор Аллилуев В.А. теоретически и экспериментально обосновывал применение виброакустического метода диагностирования [5, 6, 7, 82]. Результатом их работ стали приборы диагностирования, определяющие дефекты в узлах и механизмах на основе вибросигнала.
Большое внимание вопросам диагностирования узлов уборочных машин было уделено сотрудниками ГОСНИТИ. Благодаря их работам, были разработаны различные стенды для контроля технического состояния деталей входящих в состав: жатвенной части, гидросистемы, энергетической установки и других [21, 107, 139].
Работы ученых Дроздова Н.И. [43], Кривошеева В.К. и других [61] были посвящены скоростным режимам режущих аппаратов. Исследования надежности режущих аппаратов, проводимые Резниченко И.А., устанавливают зависимость скорости уборочной машины и частоты вращения приводного механизма. Так, для эффективной работы режущего аппарата при увеличении рабочей скорости уборочной машины, существует необходимость в увеличении частоты вращения приводного механизма, для увеличения скорости среза или поступательной скорости режущих элементов режущего аппарата.
Босой Е.С. [14] в своих трудах рассматривал процесс резания при различном воздействии сил на стебель (статическом и динамическом), а также привел схемы сил, действующих в момент резания на нож. В трудах [24, 39, 47 и др.] описаны рекомендации касательно выбора конструктивных параметров жатвенной части для надежной работы.
Вопросами возникновения и последствий внезапного отказа, возникающего при попадании в режущий аппарат посторонних деталей, были посвящены работы Верховского А.В., Ярмоленко С.И. и других [19, 20]. В их исследованиях детали режущего аппарата подвергались воздействию нагрузок, вызванных имитацией попадания посторонних предметов.
Работы [11, 79, 80] посвящены динамической нагруженности режущего аппарата от инерционных сил, которые, в свою очередь, возникают от привода. Авторы отмечают, что инерционные силы приводят к снижению надежности режущего аппарата и потерям урожая. Инженеры немецкой фирмы «Shumacher» занимались и внедряли в производство конструкции режущих аппаратов, где в качестве привода используется планетарная передача, производящая продольное движение ножа. Данное решение позволило снизить инерционные силы, возникающие при работе сегментно-пальцевого режущего аппарата [102].
Срез растений осуществляется сегментами и противорежущими пластинами, размеры которых должны быть оптимальными для проведения соответствующей операции. Труды ученых [16, 59, 60 и др.], направленные на определение оптимальных параметров, легли в основу стандартизации параметров и размеров деталей режущего аппарата уборочных машин.
Надежность сегментно-пальцевых и беспальцевых режущих аппаратов напрямую зависит от качества прижима режущих элементов. Некачественный прижим способствует взаимодействию ножа с другими частями режущего аппарата, способствуя его износу. Помимо этого, при создании минимального зазора между режущими элементами наблюдается более качественный срез растений.
Авторы работы [87] предлагают устанавливать нижние направляющие и верхние прижимы, смещенные горизонтально относительно бруса на одинаковую величину, для создания упругого беззазорного прижима ножей (рис. 1.7). Благодаря чему достигается стабильный качественный срез.
Теоретические предпосылки оценки кинематических показателей режущего аппарата и показателей среза растений
При работе режущего аппарата, где в качестве ножа выступает ножевой контур, потеря одного или двух сегментов отражается не существенно на качестве среза. Поэтому нет необходимости останавливать операцию для устранения данной неисправности. Отсутствие данных по максимально возможному количеству отказов сегментов не позволяет нам игнорировать ремонт при превышении двух поломок. Поэтому при использовании жаток часто возникает необходимость нахождения допустимого количества отказов сегментов по предельному позиционированию ножа режущего аппарата. Предельным позиционированием ножа режущего аппарата с ножевым контуром считаем такое позиционирование, при котором его дальнейшее применение недопустимо или нецелесообразно из-за снижения качества скашивания растений сельскохозяйственных культур по причине излома стеблей.
Для определения предельного позиционирования ножа режущего аппарата необходимо знать максимальный отгиб растений при выполнении операции – перемещение центра тяжести стебля растения под воздействием режущих элементов (сегментов), при котором происходит качественный срез стеблей.
Чтобы определить максимальный отгиб растений необходимо рассчитать ход режущего элемента режущего аппарата жатки и ход машины при N отказах сегментов. Для этого рассмотрим схему режущего аппарата жатки с ножевым контуром для двух случаев: без отказов сегментов (рис. 2.5а) и с отказом одного (рис. 2.5b) сегмента. Схема, представленная на рисунке 2.5b, применима также для определения максимального отгиба растений при отказах двух и бо лее рядом расположенных сегментов.
Однако формулу (2.15) нельзя применять при расчете максимального отгиба растений режущим аппаратом с ножевым контуром в случаях отказов одного или нескольких рядом расположенных сегментов.
Рассматривая рисунок 2.5b, получим, что ход режущего элемента режущего аппарата жатки при наличии отказов сегментов
Количество растений nр, которые могут одновременно оказаться между противорежущими пластинами соседних пальцев и могут быть срезаны одним сегментом, определим с учетом хода машины при N отказах, величины междурядий и расстояния между растениями сорго в рядке. Так как, в настоящее время основным способом посева сорго является пунктирный с междурядьем lм = 0,70 м и густотой растений при посеве на зерно Nв = 40—70 тыс., на силос Nв = 60—100 тыс., на зеленый корм Nв = 80—120 тыс. растений на 1 га, то расстояние lр между растениями сорго в рядке можно определить по формуле: (2.30)
Кроме того, следует учесть, что при lм = 0,70 м между противорежущими пластинами соседних пальцев может оказаться только один рядок растений.
Тогда, nр определим с учетом расстояния lр между растениями сорго в рядке и хода машины при N отказах: (2.31)
Зависимость (2.31) позволяет определить нагрузку на один сегмент режущего аппарата жатки при уборке сорго.
Построены схемы среза растений сорго опытным соргоуборочным комбайном, оборудованным модернизированным режущим аппаратом в случае безотказной работы с поступательными скоростями движения машины = 1,5 м/с (рис.2.6), = 2,0 м/с (рис.2.7) и = 2,5 м/с (рис.2.8) и изменяю щейся линейной скоростью перемещения сегментов Vр. При построении получены следующие площади движения сегментов: - площадь движения i – го сегмента
Ввиду образования зон перекрытия образованных тремя сегментами, дальнейшее увеличение линейной скорости перемещения сегментов не рационально, ввиду увеличения холостого хода. Под холостым ходом в данном случае понимается отсутствие полной загрузки режущей кромки сегмента, при которой ее часть не срезает растения.
Для качественного среза необходимо соблюдать соотношение [109]: Vр = (1,25..1,3) . (2.32)
Учитывая это, минимальная линейная скорость перемещения сегментов Vр при поступательной скорости движения машины = 1,5 м/с равняется 1,88 м/с, при = 2,0 м/с равняется 2,5 м/с, при = 2,5 м/с равняется 3,13 м/с.
Ввиду того что, минимальная линейная скорость перемещения сегментов Vр при поступательной скорости движения машины = 2,0 м/с равняется 2,5 м/с, в первом случае (рис 2.7, а) будет происходить выскальзывание стебля растения из режущей пары, не обеспечивая при этом качественный срез. Поэтому применение данного соотношения скоростей недопустимо. При этом в третьем случае (рис 2.7, в) увеличение линейной скорости перемещения сегментов Vр нецелесообразно
Ввиду того что, минимальная линейная скорость перемещения сегментов Vр при поступательной скорости движения машины = 2,5 м/с равняется 3,13 м/с, в первом случае и во втором случае (рис 2.8, а, б) будет происходить выскальзывание стебля растения из режущей пары, не обеспечивая при этом качественный срез. Поэтому применение данного соотношения скоростей недопустимо, а увеличение скорости Vр в четвертом случае нецелесообразно (рис 2.8, г)
Построены также схемы среза растений сорго опытным соргоуборочным комбайном, оборудованным модернизированным режущим аппаратом в случае, отказа одного сегмента при = 1,5 м/с (рис.2.9), = 2,0 м/с (рис.2.10) и = 2,5 м/с (рис.2.11).
Методика обработки экспериментальных данных
Обработку экспериментальных данных вели согласно методикам [3, 103]. Все точки плана для реализации всех возможных сочетаний уровней факторов определяли по формуле: где N – общее число различных точек в плане; З – число уровней; - общее число факторов.
После построения плана матрицы планирования проверяли ее свойства:
- симметричность относительно центра эксперимента – алгебраическая сумма элементов столбца каждого фактора должна быть равна нулю, кроме столбца, отвечающего свободному члену, b0:
где - номер точки плана; - номер фактора; - число различных точек плана матрицы;
- нормировку – сумма построчных квадратов каждого столбца равна числу точек плана матрицы:
– ортогональность – сумма построчных произведений планов матрицы любых двух столбцов равна нулю:
где - комбинация факторов в e-ой точке, i .
Если построенный план матрицы планирования отвечает вышеуказанным свойствам, то, следовательно, математическая модель, полученная в результате эксперимента, способна предсказать значение показателя параметра оптимизации с одинаковой точностью в любых направлениях на равных расстояниях от центра эксперимента. Перед реализацией плана эксперимента производилось рандомизирова-ние опытов.
По каждой точке плана матрицы планирования устанавливали действительные значения факторов, верхних, нижних и основных, в порядке реализации опытов первой серии эксперимента. Получали действительные значения показателя параметра оптимизации по всем точкам плана матрицы планирования. Затем значения факторов устанавливали по каждой точке плана матрицы планирования поочередно второй и третьей серии эксперимента.
Среднее значение показателя параметра оптимизации определяли по реализации параллельных наблюдений по формуле:
где среднее арифмитическое по m опытов с номером n;
e - строчка плана матрицы планирования;
действительное значение показателя параметра оптимизации; n – число параллельных наблюдений в каждой точке.
По формуле (3.7) определяли среднее значение параметра оптимизации для нулевого уровня, пяти параллельных опытов в центральной точке плана.
Для оценки отклонения показателя параметра оптимизации от среднего значения вычисляли дисперсию воспроизводимости по данным т параллельных наблюдений плана матрицы планирования в каждой точке по формуле:
где - дисперсия e - ой точке;
- порядковый номер параллельного опыта в данной точке плана матрицы;
- среднее арифметическое значение параметра оптимизации в m параллельных опытах в точке e;
- параметр оптимизации в е - ой точке; n - 1 - число параллельных наблюдений в точках плана матрицы.
По формуле (3.8) определяли дисперсию воспроизводимости на нулевом уровне пяти параллельных опытов в центральной точке плана.
Полученные значения суммировали по текущим номерам точек плана матрицы и находили максимальное значение дисперсии.
Затем проверяли однородность дисперсии. Для проверки гипотезы однородности пользовались критерием Кохрена, то есть:
где G – критерий Кохрена;
– максимальная дисперсия в е – ой точке; – сумма всех дисперсий.
По полученному значению G проверяли гипотезу о воспроизводимости измерений, для этого задавали уровень значимости q = 5%, определяли число степеней свободы, находили табличное значение критерия Кохрена Gкр при соответствующих степенях свободы. Если расчетное значение G оказалось меньше найденного табличного значения Gкр, то гипотеза об однородности дисперсий и воспроизводимости результатов принималась. Если проверка дала отрицательный результат, то увеличивали число параллельных опытов.
Далее находили разность между значением эксперимента G, определенным по формуле (3.9), и Gкр.
где S{Y} – средняя арифметическая дисперсия всех различных точек плана матрицы или дисперсия параметра оптимизации; е – дисперсия в е – ой точке;
- сумма всех дисперсий; - общее число различных точек в плане матрицы планирования. Коэффициенты регрессии определяли по формулам:
где - коэффициенты регрессии 0,1,2,... ;
– сумма значений выхода системы i-го вектор-столбца с учетом знака.
где - коэффициенты регрессии 0,1,2,... ;
– сумма значений выхода системы ii-го вектор-столбца с учетом знака;
– расчетный коэффициент.
где – расчетные коэффициенты.
Расчетные коэффициенты находятся по формулам:
где - среднее значение параметра оптимизации для нулевого уровня.
Коэффициенты при взаимодействии факторов рассчитываются по формуле:
где - сумма значений выхода системы ij-го вектор-столбца с учетом кодированного знака. После получения уравнения регрессии был проведен расчет значений выхода , определена ошибка и . Ошибку находили по формуле:
- математическое ожидание параметра оптимизации, подсчитанное по уравнению регрессии.
Для оценки значимости коэффициентов уравнения регрессии находились по формуле:
где t – критерий Стьюдента для степени свободы f = n – 1 = 16 и вероятности превышения = 0,1 равен 1,746;
- среднеквадратичная ошибка.
Среднеквадратичная ошибка находиться по формуле:
где – коэффициент корреляции.
Определение значимости коэффициентов уравнения регрессии проводят путем сравнения следующего неравенства: если начальный коэффициент при (берется из уравнения регрессии) больше по абсолютному значению то принимается за конечное значение т е если а кр то а ко
Расчет удельных капиталовложений
Расчет удельных капиталовложений производили для двух конструкций режущих аппаратов: базовой и модернизированной, предварительно просчитав стоимость изготовления режущего аппарата с ножевым контуром и системы контроля отказов (табл. 5.1).
Затраты на изготовление режущего аппарата с системой контроля отказов определим по формуле:
где Ск – стоимость изготовления корпусных деталей, рам, каркасов, руб;
Сод – затраты на изготовление оригинальных деталей (валы, втулки и т.п.), руб;
Спд – цена покупных деталей, руб;
Ссб.н – заработная плата производственных рабочих, занятых на сборке конструкции, руб;
Соп – общепроизводственные расходы на изготовление конструкции, руб.
Стоимость изготовления корпусных деталей можно определить по формуле:
где Qк – масса материала, израсходованного на изготовление корпусных деталей, кг;
Скд – средняя стоимость 1 кг готовых деталей, руб/кг.
Масса корпусных деталей разработанной конструкции режущего аппарата из профильного проката Qк1=12 кг, из полосы широкой Qк2= 3 кг.
Средняя стоимость 1 кг готовых деталей составляет соответственно 25 руб и 56 руб.
Зная среднюю стоимость 1 кг готовых деталей и их массу, определим стоимость корпусных деталей:
Для определения затраты на изготовление оригинальных деталей воспользуемся формулой:
где Спр,н – заработная плата производственных рабочих, занятых на изготовлении оригинальных деталей, руб;
СМ1 – стоимость материала заготовок для изготовления оригинальных деталей, руб.
Расчет основной заработной платы проводим по формуле:
где t1 – средняя трудоемкость на изготовление отдельных оригинальных деталей, чел.ч.;
Сч – часовая ставка рабочих, исчисляется по среднему разряду, руб; kt – коэффициент, учитывающий доплаты к основной работе, равный 1,025…1,03.
Для определения полной заработной плата воспользуемся по формулой:
где kэн – коэффициент, учитывающий дополнительную заработную плату и начисления по соцстрахованию, kэн=1,65.
Определение стоимости материала заготовок для изготовления оригинальных деталей проводим по формуле:
где Ц1 – цена килограмма материала заготовки, руб. Q3 – масса заготовки, кг.
Полученные результаты расчетов на изготовление оригинальных деталей занесли в таблицу 5.2.
Для определения основной зарплаты производственных рабочих занятых на сборке пользовались формулой:
где Тсб – нормативная трудоемкость на сборку конструкции, чел-ч.
где Кс - коэффициент учитывающий соотношение между полным и оперативным временем сборки Кс = 1,08; tсб - трудоемкость сборки отдельных частей конструкции, чел.-ч.
Трудоемкость сборки при завертывании болтового соединения составляет tсб = 1,08180 = 194,4 мин. Трудоемкость операций при монтаже, учет которых не производился, приняли равной tсб =180 мин.
Для определения трудоемкости сборки суммировали полученные значения:
Тсб=\94,4+180=374,4 мин =6,24 ч.
Зная трудоемкость сборки, зарплата составит Ссб= 6,24-72,1 1,03=463,4 руб.
Для определения часовой тарифной ставки рабочих занятых на сборке необходимо принять значение как для среднего разряда, которое равняется С =72,1 руб/ч. Коэффициент доплаты равняется К,=1,03. С учетом доплат полная заработная плата составляет: Ссбм =Ссб-Кд =463,4-1,65=764,61 руб.
Для определения общепроизводственных накладных расходов при изготовление конструкции, воспользуемся формулой:
где С пр - основная зарплата производственных рабочих, участвующих в изготовлении конструкции, руб. = 296,8+463,4=762,2 руб. Коп - процент общепроизводственных накладных расходов, (180-400 %);
Для определения затрат на изготовление режущего аппарата с системой контроля отказов пользовались формулой 5.10: = 468+4032,8+24251,53+764,61+2286,6=31803,5 руб.«32000 руб.
Подставив полученное значение стоимости изготовления режущего аппарата с системой контроля отказов в таблицу 5.1 получили значения удельных капиталовложений в базовом Кб = 126 руб./га и предлагаемом Кн = 320 руб./га вариантах конструкций режущих аппаратов соргоуборочного комбайна..