Содержание к диссертации
Введение 3
Глава 1. Математическая модель комбайна 10
-
Уравнения движения 10
-
Положение равновесия 13 1.3 Линеаризация уравнений механической модели комбайна 14 1.4. Управляемость и наблюдаемость 20
Глава 2. Устойчивость 26
-
Устойчивость системы без трения 26
-
Исследование устойчивости в зависимости от управляющих параметров 33
Глава 3. Расчет эффективности метода подавления колебаний
Хедера 38
3.1. Статистические характеристики микропрофиля подстилающей
поверхности. 39
3.2. Частотные характеристики передаточных функций и критерий
качества работы комбайна при движении по неровной дороге. 45
-
Расчеты оптимальных параметров и оценка эффективности способа подавления колебаний. 47
-
Выводы 59
Заключение 61
Список использованных источников 63
Приложение 67
Введение к работе
Увеличение производительности и уменьшение стоимости уборки зерновых культур всегда являлось важной технической задачей. Так, в частности, появилась жатки, молотилки, комбайны и другие сельскохозяйственные устройства. Относительно недавно (около 150 лет назад) возникла одна из разновидностей комбайна - очесывающие. В статье Шабанова П.А., Данченко Н.Н.и др. [5,6,7,8,9,12,13,17,24] описан принцип действия очесывающего комбайна. Если в обычных комбайнах солома вместе с колосьями срезается под корень и обрабатывается в молотилке, то в очесывающих комбайнах колосья обрывают и обрабатывают, оставляя солому на корню. Солома при этом скашивается и убирается отдельно. Основное преимущество очесывающих комбайнов состоит в том, что в молотилку попадают колосья без соломы, что улучшает процесс отделения зерна от колоса и существенно уменьшает энергозатраты. Последнее связано с тем, что уменьшается объем сырья, которое попадает в молотилку, не происходит бесполезного смятия соломы и ряд других факторов. Это позволяет уменьшить вес основных агрегатов комбайна, дает возможность увеличить скорость движения комбайна, что, в принципе, уменьшает стоимость уборки зерна.
Ниже приводятся некоторые сведения из литературных источников (см. [24].) По сравнению с традиционной технологией уборки зерновых (прямой и раздельной уборкой) общие потери зерна при обмолоте на корню составляют при прямостоящем стеблестое - 1.0-1.5%, при полеглом - 1.8-3.0% при нормативном показателе не более 2 % и 3 % соответственно; дробление зерна находится в пределах 0.2-0.4 % - агротехнический показатель 2 %. Качественные показатели очесывающего устройства позволяют увеличить рабочую скорость комбайна; увеличивается пропускная способность классической барабанной молотилки, очесывающее устройство не требует постоянной настройки, а следовательно, производительность возрастает в 1.5-2 раза.
1.» Г.О
Скорость
Рис. 1. Зависимость уровня потерь зерна при уборке от скорости движения очесывающих комбайнов (из [24]). i)/%f" pk
Рис. 2. Схема пневматического комбайна с очесывающим устройством (из [6]).
1) очесывающие барабаны с гребенками; 2) шнек для подачи очесанного вороха в наклонную камеру; 3) плавающий транспортер наклонной камеры; 4) зерновой элеватор; 5) сепарирующая решетка; 6) вытяжной вентилятор; 7) автономное домолачивающее устройство; 8) вентилятор первичной подачи.
Рис. 3. Схемы очесывающих устройств (из [24]): а - Украинский вариант; б Английский вариант; 1-очесываюишй барабан, 2 -битер-отражатель, 3 -неподвижный отражающий кожух, 4 - подвижный отражающий кожух, 5 - шнек, 6 - транспортер.
Работы по конструированию и внедрению очесывающих комбайнов активно велись в последние десятилетия в Австралии, Англии, на Украине, в России, и в некоторых других странах.
Конструктивно очесывающий комбайн отличается от обычных тем, что у него вместо хедера, скашивающего солому вместе с колосья-
6 ми, расположено очесывающее устройство. Основой его является вращающийся вал с гребенками, которые и производят очес. Кроме того, это устройство содержит транспортеры и шнеки, которые передают очес на механизмы, расположенные на основной платформе. В целом, очесывающее устройство представляет собой достаточно тяжелый агрегат, вынесенный вперед по ходу движения комбайна, соединенный с платформой при помощи шарнира. Положение очесывающего устройства определяет силовой гидроагрегат, который перемещает приемную часть очесывающего устройства на высоту, оптимальную для очеса при заданной высоте стеблестоя.
Одной из проблем очесывающих комбайнов являются вертикальные колебания механизма очесывания при движении. В результате таких колебаний меняется положение очесывающего механизма относительно растения, очес может производиться неэффективно, что приводит к дополнительным потерям зерна.
Можно отметить два основных источника возникновения таких колебаний: внешние - за счет движения комбайна по неровному полю и внутренние - за счет работы различных механизмов комбайна. Последняя проблема рассматривалась, в частности, на кафедре прикладной механики МЕХМАТА МГУ в 1994г. В дипломной работе, А.В. Коновалова (научный руководитель проф. Новожилов И.В.) [1] были подробно рассмотрены автоколебания, возникающие за счет неустойчивости двигателя и механической связи двигателя и продольного движения комбайна. Показано, что при этом могут возникнуть интенсивные колебания всех элементов системы.
Значительные колебания очесывающего устройства возникают при движении комбайна по неровному полю. Связано это с конструктивной особенностью этого типа комбайнов. Дело в том, что очесывающий механизм представляет собой тяжелый агрегат, вынесенный вперед относительно основной части экипажа (см рис. 2). При этом колесная
7 база экипажа не может быть сделана достаточно большой. Собственные частоты колебаний такой конструкции оказываются сравнительно низкими и близкими к частотам возбуждения колебаний за счет неровности дороги.
Как уже отмечалось, в конструкцию комбайна заложены элементы, позволяющие управлять высотой очесывающего устройства по отношению к средней высоте колосьев на данном участке поля. Обычно для этого используется гидропривод, которым управляет комбайнер или специальное автоматическое устройство. Существуют предложения использовать имеющийся в конструкции комбайна гидропривод для улучшения качества работы комбайна. Для этой цели предлагается разместить на элементах конструкции некоторое количество датчиков и использовать их показания для управления гидроприводом. Предполагается, что в результате такого управления можно добиться уменьшения амплитуды колебаний некоторых, наиболее важных, точек конструкции.
Цель диссертационной работы состоит, таким образом, в проверке целесообразности и эффективности предложения использования автоматического управления гидроприводом комбайна для подавления нежелательных колебаний рабочих элементов комбайна. Для этого исследуется механическая модель комбайна с учетом системы управления. Это позволяет теоретически оценить возможности предлагаемого способа.
Рассмотрим более подробно основную идею работы. Комбайн можно рассматривать как механическую систему с N обобщенными координатами X = {xlt.jcN}, находящуюся под воздействием случайных возмущений Y = {yx,..yM}, которые возникают при перемещении комбайна по неровной дороге.
В линейном приближении уравнения исследуемой системы можно привести к виду:
8 X{t)=A-X{t)+B-U{t)+D-Y{t) (1)
Движение некоторого элемента конструкции (например, движение приемной части очесывающего устройства) можно записать в виде
,=(ДГ-*), (2) где R = {rl,.rN} - N - мерный вектор, элементы которого определяются геометрическими параметрами конструкции.
Внешние воздействия Y(t), в первом приближении, можно считать стационарным случайным процессом с определенным спектром, среднюю амплитуду которого характеризует дисперсия D. Колебания всех элементов конструкции, в том числе и очесывающего устройства <(/), поэтому также являются случайными. Дисперсию амплитуды колебаний очесывающего устройства DA=4\, можно считать, таким образом, критерием качества работы комбайна.
Для подавления колебаний приемного устройства предлагается применить силовой привод (гидроцилиндр), используемый в существующей конструкции для управления высотой очесывающего устройства над уровнем поля. Для этой цели формируется управление u(t) в виде линейной комбинации обобщенных координат: u(t)=H-x(t) где Н - матрица коэффициентов управления. Уравнения исследуемой системы в этом случае приобретают вид: x(t)=A-x(t)+D-Y{t) (3) где 2 = А + ВН - модифицированная за счет управления матрица коэффициентов динамической системы. Частоты колебаний, коэффициенты затухания и другие характеристики модифицированной динамической системы изменяются в зависимости от коэффициентов управления. В соответствии с этим изменяется дисперсия колебаний очесывающего
9 устройства DA. Предполагается, что это может быть использовано для выбора оптимальных коэффициентов управления, при которых колебания очесывающего устройства будут минимальны.
Отношение Г дисперсии DA колебаний к дисперсии внешних воздействий D r = D/D (4) не зависит от средней амплитуды неровностей дороги и может служить критерием оптимальности выбора параметров комбайна. Этот критерий является функцией структуры комбайна, основных параметров системы, скорости движения V и доступных для настройки коэффициентов управления Я. Значение этого критерия может быть определено из исследования решений уравнения (3). Задачей исследования является, таким образом, поиск оптимальных значений параметров системы управления, т.е. сводится к нахождению минимума функционала Г г=г(у,н) и выбору соответствующих оптимальных значений управляющих параметров для разных значений скорости V. Анализ функционала Г позволяет сделать определенные выводы о возможности подавления колебаний очесывающего устройства комбайна и улучшения эффективности его работы.
