автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности работы самоходного картофелеуборочного комбайна

9

На правах рукрщгои Васьков Александр Анатольевич

Повышение эффективности работы самоходного картофелеуборочного комбайна

05.20.01 «Технологии и средства механизации сельского хозяйства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2009

003489967

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П.Горячкина»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Сяавкин Владимир Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лобачевский Яков Петрович

доктор технических наук Чепурной Анатолий Иванович

Ведущая организация

Федеральное государственное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса» («Росинформагротех»),

Защита состоится 25 января 2010 года в 13:00 на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московски! государственный агроинженерный университет имени В.П.Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16 а, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО МГАУ.

Автореферат разослан «24» декабря 2009 г. и размещен на сайте ФГОУ ВПО МГАУ \vw\v.тачал ш «24» декабря 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, ,

доктор технических наук, профессор // ](¡¡М- А.Г. Левшин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Уборка картофеля является наиболее трудоемкой операцией, на нее приходится более половины всех трудозатрат. В связи с этим разработка новых и модернизация существующих картофелеуборочных комбайнов является одной из актуальных задач сельскохозяйственного машиностроения. Создание новых отечественных картофелеуборочных комбайнов КСК-4-1, КСК-4А-1, КПК-3, КПК-2 позволило улучшить условия работы механизаторов, качественные и эксплуатационные показатели уборки. Анализ данных испытаний картофелеуборочных комбайнов на машино - испытательных станциях (МИС) показывает, что до 20% всего рабочего времени они простаивают из за поломок и забивания рабочих органов клубненосной массой.

Поэтому исследование динамики основных рабочих органов самоходных картофелеуборочных комбайнов, направленное на совершенствование их конструкций, разработку средств управления технологическим процессом, обеспечивающих повышение производительности и качественных показателей технологического процесса является актуальным и имеет важное народно-хозяйственное значение.

Работа проводилась в соответствии с заданиями ГКНТ (программы 051.12 и 051.17) по разработке и внедрению высокоэффективных технологических процессов производства картофеля и Постановлением Правительства РФ №446 от 14.07.2007 - О госудаственной программе развития сельского хозяйства на 2008-2012 годы, предусматривающей «... ускоренный переход к использованию новых высокопроизводительных сельскохозяйственных машин и ресурсо-сберегающих технологий».

Цель работы. Разработка технических средств, обеспечивающих эффективность технологического процесса самоходного картофелеуборочного комбайна повышение его качественных показателей работы.

Объекты исследований. Самоходный картофелеуборочный комбайн КСК-4-1, его рабочие органы, ходовая часть и средства управления технологическим процессом.

Методика исследований. Методика теоретических исследований базировалась на математическом описании динамических процессов в основных рабочих органах, ходовой части и системе управления технологическим процессом. Для этого применялись методы высшей математики, теоретической механики, теории вероятностей, операционного исчисления. При экспериментальных исследованих использовали тензометрирование и осциллографирование. Агротехнические, технико-эксплуатационные, энергетические и экономические показатели определялись в соответствии с ГОСТом, ОСТом и РТМом.

Научная новизна. Получены математические модели основных рабочих органов и ходовой части комбайна КСК-4-1, на основании которых определены их передаточные функции и найдены аналитические выражения переходных процессов. Проведено аналитическое исследование, разработаны

системы управления технорлогическим процессом, определены настроечные параметры.

Практическая ценность. Определены динамические характеристики рабочих органов, ходовой части и системы управления технологическим процессом (СУТП) в переходных режимах. Разработана, изготовлена и испытана система управления технологическим процессом. Методика расчёта СУТП может быть применена при создании аналогичных систем для других самоходных сельскохозяйственных машин.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований использованы ОАО «ВИСХОМ» при разработке четырехрядных картофелеуборочных комбайнов КСК-4-1, КСК-4А-1 и блочно-модульного самоходного картофелеуборочного комбайна БМСК-4К, а также при создании опытных образцов систем управления технологическим процессом самоходных уборочных машин, кафедрами «мобильных энергетических средств» (МЭС) и «сельскохозяйственных машин» института механики и энергетики ГОУ ВПО Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева и кафедрой «почвообрабатывающих машин» МГАУ им. В.П. Горячкина при подготовке студентов и научных кадров.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования доложены и одобрены на: научно-технической конференции, посвященной 50-летию МИИСП (г.Москва, 1980); конференции научных сотрудников и аспирантов БИМСХ (г.Минск, 1981); конференции научных сотрудников и аспирантов МИИСП (г.Москва, 1981); секциях НТС ГСКБ по машинам для возделывания и уборки картофеля и секциях НТС ВИСХОМ комплексов машин для уборки и послеуборочной обработки корнеклубнеплодов (гг.Рязань, Москва, 1980-1983); международных научно-практических конференциях «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» института механики и энергетики ГОУ ВПО Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева (Саранск, 2007-2009).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, объемом 5,96 п.л., из них лично автором - 3,06 п.л., получено одно авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, содержит 130 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 3 таблицы, список литературы, включающий 154 наименования, приложения на 18 страницах.

На защиту выносятся основные положения диссертации: 1. методика динамического расчета основных рабочих органов и ходовой

части самоходного картофелеуборочного комбайна

2. разработка технических средств управления технологическим процессом самоходного картофелеуборочного комбайна

3. методика динамического расчета системы управления технологическим процессом самоходного картофелеуборочного комбайна

4. результаты лабораторно-полевых и хозяйственных испытаний, оценка экономической эффективности разработок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертационной работы и сформулированы основные ее положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса, цели и задачи исследований» отражено состояние проблемы. Проанализированы компоновки существующих схем отечественных и зарубежных самоходных картофелеуборочных комбайнов. В технологических схемах комбайнов прослеживается тенденция увеличения ширины захвата, оснащения объемными бункерами-накопителями, позволяющими производить выгрузку картофеля в рядом идущий транспорт. Отличительной особенностью работы картофелеуборочных комбайнов является значительные колебания подачи клубненосной массы, содержащей до 98% почвы, 1... 1,5% клубней картофеля и 0,5...1,0% ботвы с примесями. В исследованиях Г.Д. Петрова, A.A. Сорокина, JI.A. Вергейчика, Н.М. Марченко, А.И. Малько, O.A. Сафразбекяна, В. И. Славкина, Ю.А. Судника, В.И. Шляхецкого и др. установлено, что подача клубненосной массы в комбайн колеблется в широких пределах вследствие изменения рельефа картофельного поля и формы грядок, непостоянства изменения глубины хода подкапывающих органов и скорости поступательного движения машины и др. Во время работы значительное влияние на технологический процесс оказывает изменение физико-механических свойств: влажности, твёрдости и состава поступающей клубненосной массы. Приведенные причины влияют на работу картофелеуборочных комбайнов, вызывают нарушения технологического процееса и приводят к неисправностям, забиваниям, поломкам рабочих органов, для устранения которых требуется значительные трудозатраты. Вышеприведенное подтверждается испытаниями самоходных картофелеуборочных комбайнов на машиноиспытательных станциях в 1975 -1985 годах.

Общие принципы динамики сельскохозяйственных машин были сформулированы академиком В. П. Горячкиным. В дальнейшем эти исследования получили развитие в работах С.А.Алфёрова, И.И.Артоболевского, Ю.АВантюсова, П.М.Василенко, Л.В.Гячева, С.С.Дмитриченко, Г.М.Кутькова, А.Б.Лурье, И.С.Нагорского, И.М.Панова,

В.П.Рослякова, Б.И.Турбина, В.Д.Шеповалова и ряда других отечественных и зарубежных ученых.

Решение этих задач применительно к теории технологических процессов и динамики мобильных картофелеуборочных машин даны в работах Г.С. Алфёрова, М.И. Белова, Л.А. Вергейчика, Н.И. Верещагина, P.P. Джапаридзе, М.Н. Ерохина, Я.П. Лобачевского, З.В. Ловкиса, М.Е. Мацепуро, А.И. Малько, Г.Д. Петрова, А.А. Сорокина, В.И. Славкина, М.Б. Угланова, В.А. Хвостова, Чепурного А.И. В. Д. Шеповалова и других авторов.

Динамика сепарирующих органов грохотного и элеваторного типа как объектов в системах регулирования загрузки рассмотрена в работах А.И. Малько, В.Д. Шеповаловым, P.P. Джапаридзе. Авторы рекомендуют аппроксимировать передаточные функции их апериодическим звеном второго и третьего порядка с запаздыванием.

Проведённый анализ литературных источников и состояния вопроса позволил сформулировать основные задачи научных исследований: 1) на основании теоретических и экспериментальных исследований разработать математические модели основных рабочих органов и ходовой части самоходного картофелеуборочного комбайна KCK-4-I; 2) разработать принципиальную схему и технические средства системы управления технологическим процессом самоходного картофелеуборочного комбайна; 3) исследовать на устойчивость и оценить качество работы системы управления технологическим процессом самоходного картофелеуборочного комбайна. 4) провести сравнительные лабораторно-полевые и хозяйственные испытания самоходного картофелеуборочного комбайна, оборудованного СУТП; 5) определить экономическую эффективность и выдать рекомендации по применению системы управления технологическим процессом на самоходных картофелеуборочных и других комбайнах.

Вторая глава «Исследование динамических процессов в основных рабочих органах и ходовой части самоходного картофелеуборочного комбайна» посвящена разработке математических моделей. В соответствии с выполняемым технологическим процессом исследуемый самодный картофелеуборочный комбайн представим в виде трёх последовательно соединённых звеньев: ходовой части, подкапывающих органов (лемехов), сепарирующих органов (основных элеваторов). С целью определения динамических свойств установим закономерности преобразования звеньями входных воздействий в выходные величины, определив уравнения движения их в линейном приближении. При исследовании динамики ходовой части учитывали следующее: скоростные характеристики двигателя, приведённые моменты инерции отдельных масс, тяговые характеристики фрикционных передач, постоянное трение и воздушное сопротивление, а также внешние

нагрузки. При этом пренебрегалось пульсацией крутящего момента двигателя, биением передач и упругими колебаниями в приводе.

На основании уравнений Лагранжа-Даламбера составлена система дифференциальных уравнений движения следующих основных частей комбайна КСК-4-1: 1-коленчатого вала двигателя и приводного вала гидронасоса с общим моментом инерции J\; 2- выходных валов гидромотора и коробки передач ходовой части с моментом инерции 3-валов ходовых колёс с приведённым моментом инерции

В соответствии с этим система дифференциальных уравнений движения ходовой части имеет следующий вид:

и.гЧ\.г /1.4 4

J2Ö)2+Mee.1+Mn.2+-— = М 1.2 ( (1)\< (02 )<

'2 3 /72.3

Jid)3 + Ммз + Mm.i + Fx(t) = Мгз( 0)2>т)'

(1)

где соь со2, «з, ~ угловые скорости вращения валов (рад/с) и

моменты сопротивления воздуха (Н-м) на соответствующих валах; Л/т,, Л/Т 2, Mj з - моменты от сил постоянного треиия (Н м) на соответствующих валах приведения; M](coi) -частичная или внешняя характеристика двигателя по крутящему моменту на коленчатом валу (принимается по С.А. Алфёрову)

МХ{&)=А -CCD,;

тц,еМ12(о}1,(о2)М2.з(со2,с^з)-моменты(Н-м), возникающие в гидростатических и фрикционных передачах (принимаются по С.А. Алфёрову)

Ми((о,,wi) =-Ai~Ci— in', Ми(саг,<oi) =Ai~Ci—iu\

(Ol <Oi

А, А ], А у, С, Ci, СЧ - постоянные коэффициенты (Н-м; Нм-с/рад);

М\ 4 - момент в приводе выгрузного транспортёра (Н-м) принимаем постоянным; Г/12, ~ КПД передач; il 2, ь.з? 'ы ~ передаточные

числа; Fx(r) - внешняя нагрузка (Н-м), зависящая от времени.

Проведя линеаризацию системы нелинейных уравнений (1) относительно со t, ссь, со3 и решая вновь полученную систему придём к линейному дифференциальному уравнению движения ходовой части комбайна КСК-4-1, записанному в операторной форме

(а3Р?+а2Рг+а1Р+а0)У= -(Ь.Г+Ь^+Ь,^, (2)

где Л'и У- изображение по Лапласу входной (рад) и выходной Ук (м/с) величин; <э3(с3), сь(с2), в^с), а0, Ь2(с2), 6,(с), 6„ - коэффициенты; р = оператор дифференцирования.

= (4)

В соответвии с уравнением (2) запишем передаточную функцию \УХ(Р) ходовой части комбайна в безразмерном виде:

ЬГ+ЫР+Ь о .

агР +агР +а\Р +ао Численные значения коэффициентов передаточной функции (3) самоходного картофелеуборочного комбайна КСК-4-1 и ее окончательный вид определены по экспериментально полученным кривым разгона ходовой части, обработанным методом площадей с учётом времени запаздывания:

К,е~"

0,197 р3 +1,209 рг +1,87 р +1' где ЛГ] =1,133 м/(с рад) - коэффициент усиления ходовой части;

т,= 0,1 с - время запаздывания.

Для определения погрешностей аппроксимации передаточной функции (4) найдено аналитическое выражение переходного процесса изменения скорости движения комбайнов КСК-4-1 /1К,(м/с):

dV.it) ={ 1 - 0,121 ,ли1"-0Л)- 3,01х (5)

X С05[0,479(7- 0,1)- 1,275]} ЛГ'^оо).

Переходные процессы, рассчитанные по выражению (5), с доверительными границами показаны на рис. 1. Расхождение между расчётными и экспериментальными кривыми не превышает 2,5%.

<2 - подача (кг/с) клубненосной массы на подкапывающие органы, в основном, зависит от скорости поступательного движения комбайна м/с; площади поперечного сечения подкапываемого пласта Р„, м2 и плотности клубненосной массы кг/мЗ

Уравнение подкапывающих органов самоходного

картофелеуборочного комбайна в отклонениях можно записать так:

аот -т2); ДО, , (6)

где Кг = , /С2=(240^250)кг/м

V дУь Л

Тг - время продвижения клубненосной массы по подкапывающим органам, т2=0,3 с; ДО - произвольная функция времени (кг/с),

На основании (6) получим передаточную функцию подкапывающих органов Ш2(Р) (кг/м) по управляющему воздействию:

Ш2(Р) = К2е^Р, (7)

—г

С^.^-гг-:«^....;........р

0,4 if-0,2||—

1 2 3 4 tc

Рисунок 1 - Переходные процессы ходовой части самоходного картофелеуборочного комбайна КСК-4-1: 1 - экспериментальный^ - расчётный; 3 и 4 - границы доверительных интервалов при вероятности 0,95

ЩИ)

ДЯг(ю)

0,6 0,4 0,2

1

а.. i

^Ж.....[

О 0,4 0,3 1,2 1,6 2,0 t,c

Рисунок 2 - Переходные процессы сепари-руюших органов самоходного картофелеуборочного комбайна КСК-4-

1 - экспериментальный; 2 - расчётный; 3 и 4 - границы доверительных нтервалов при вероятности 0,95

Закономерности процесса сепарации клубненосной массы довольно сложны, поэтому при исследовании сепарирующих органов ограничимся рассмотрением процесса, происходящего при сепарации клубненосной массы, и определим влияние отклонений подачи на толщину ее слоя с учётом изменения кинематического режима. Запишем уравнение материального баланса клубненосной массы на сепарирующих органах в отклонениях (по В. Д. Шеповалову):

-¿Са(0 -ЛСпр({) , (8)

где Ю(1), АС^О - отклонение величин подачи, схода.и

прохода клубненосной массы от установившихся значений (кг/с); -

отклонение величины клубненосной массы (кг), находящейся на сепарирующей поверхности, от установившегося значения.

Полагаем физико-механические свойства клубненосной массы постоянными, тогда величины в уравнении (8) рассмотрим как функции толщины слоя клубненосной массы на выходе Я2- Заспишем каждую величину в линейном приближении:

ДС1(/,Я2) = ДС1,(/,Яг)+ДС1'(Яг) = Д^-Дг+ДДЯ2,

ш

где АС* и АС" - составляющие клубненосной массы, определяемые изменением кинематического режима и изменением подачи (индексы «к» и «п»).

«■(а ЧШ'1

С изменением подачи клубненосной массы кинематический режим работы сепарирующих органов, например, частота (Гц) встряхивания элеватора V изменяется во времени. Тогда в общем случае #2 (м) зависит от времени. За промежуток времени Д г имеем

за™ ЛС„(г) = (^-|дя2 = а,ДЯг>

ш

где ЛСпЛО и ДС1ЛО ~ составляющие клубненосной массы, определяемые

изменением кинематического режима и изменением подачи, причём

Д С я, С) является функцией толщины слоя клубненосной массы Н2 и

частоты встряхивания у; уь 72, у3, [кг/м] определяются аналогично /¡¡,

Из-

С учётом линеаризации и приведения к безразмерному виду уравнение (8) в операторной форме запишется в виде:

(^у +«>+<*;) (9)

где )С и У~ - изображение по Лапласу входной О и выходной Н2 величин, й'2с', <\с, <}„' и 6„"- коэффициенты.

На основании (9) передаточная функция сепарирующих органов №3(Р) по возмущению в виде изменения величины подаваемой клубненосной массы в безразмерном виде запишется так:

= '.р+ -. (Ю)

аг' +а1" + оо

Численные значения коэффициентов передаточной функции (10) и ее окончательный вид определены по экспериментально полученным кривым разгона сепарирующих органов, обработанным методом площадей,

^Чомр^Сзр +1' (11)

где А"3=0,175 -10"3 (м с/кг) - коэффициент усиления; тз=0,6 с - время запаздьшания.

Для определения погрешности аппроксимации передаточной функции (11) найдено аналитическое выражение переходного процесса.

А Я 2(0= л# Д00)^ -6,618е-3-4,1"-1)'6)со5[0,522(Г -0,6)-1,419]}.

Расхождение между исходными и расчётными данными не превышает 2,5% (рис.2).

Для удобства расчетов ходовой части и сепарирующих рабочих органов можно без существенной погрешности пренебречь высшими производными с относительно малыми коэффициэнтами в передаточных функциях (4) и (11).

В третьей главе «Разработка системы управления технологическим процессом комбайна КСК-4-1 и исследование ее динамических характеристик» проведённые исследования показали, что у самоходного картофелеуборочного комбайна КСК-4-1 технологическим процессом можно управлять изменением скорости поступательного движения, используя в качестве параметра стабилизации толщину слоя клубненосной массы на сепарирующих органах.

На основании вышеизложенного, нами была разработана гидромеханическая система управления технологическим процессом самоходного комбайна КСК-4-1, состоящая (рис.3) из измерительных элементов: датчиков толщины слоя клубненосной массы 1, установленных над первыми элеваторами 2; гидрозолотника 13, плунжер 12 которого через шарнирное звено 11, компенсатор 10, двуплечий рычаг 6 и тягу 7 соединён с рычагом механизма настройки 8; гидроцилиндра 14; механизма переключения вида управления 17; рычага управления гидронасосом 18; механизма ручного управления 19; гидростатической трансмиссии (ГСТ) с ходовой частью.

С увеличением толщины слоя клубненосной массы выше установленного значения рычаг суммирующего элемента датчиков поворачивается против часовой стрелки, смещая плунжер гидрозолотника из нейтрального положения. Рабочая жидкость начинает поступать в левую полость гидроцилиндра. Рычаг механизма переключения 20 и кинематически связанный с ним рычаг управления производительностью гидронасоса ГСТ 18 начинает перемещаться вниз, вызывая уменьшение подачи рабочей жидкости в гидромотор, в результате чего скорость поступательного движения комбайна будет уменьшаться до тех пор, пока толщина слоя клубненосной массы не достигнет заданного уровня. При восстановлении требуемого значения толщины слоя, датчики, а в месте с ними и плунжер гидрозолотника, возвращаются в нейтральное положение, и скорость прекратит изменяться. С отклонением толщины слоя клубненосной массы в сторону уменьшения происходит обратный процесс.

СУТП состоит из следующих звеньев с передаточными функциями: ходовой части ^¡(Р), подкапывающих органов 1¥?(Р), сепарирующих органов 1Уз(Р), датчиков толщины слоя клубненосной массы 1У4(Р), гидрозолотника 1У}(Р) и исполнительного механизма 1¥б(Р).

25 13 12 22 11 Ш 29

I

Рисунок 3 - Принципиальная схема системы управления технологическим процессом самоходного картофелеуборочного комбайна КСК-4-1

В соответствии с теоретическими и экспериментальными исследованиями нами получены следующие передаточные функции звеньев СУТП.

К,е-''Р = ЗДЗЗе-"1' Т\Р +Т ¡Р + \ 1.209Я' +1.87Р +1

IV ---^г^-; Кге^=1Ь0е1

К, 33.4 . „,

2 Р-

Где КХ...К6 - коэффициенты усиления звеньев; т; = а,', т' = а[. Т* = а,", Тй, Т-, - постоянные времени звеньев,

Используя правила преобразования структурных схем передаточные функции и ФЛ,,(Р) замкнутой одноконтурной СУТП для координат

ЛН2',ЛУ определяется выражением:

ф (р\=ФЯ,1 =_№г(Р)1Уг<Р)__

' ' + И'\ (Р) IV г (Р) Н'з <Р) ¡V, (Р) IV, (Р) (Р)

К,е'<р(т2'Рг + ТХР +1) (Т6Р +1 У^р ~ (т1Р'+Т,Р + 1) (т,р +1) (7-6Р+1) Т,Р + К0е'

ф (Р)~ I _ у ^ «Ир >(рУ«(р)

Л ¿Я 1-+1У АР)\- г{Р )у г(р <(Р )г ,(/' 1г ,{Р)

где ¿[А#2], ¿[/1(0] - изображения по Лапласу выходных

координат и возмущающего воздействия;

К, =К1Кг; г, =г, +г„- г„ =г, +гг +гэ.

Проведенное исследование устойчивости по амплитудно-фазовой характеристике (АФХ) передаточной функции разомкнутой системы подтвердило правильность выбора настроечных параметров, при этом получены запас устойчивости по фазе у=1,07 рад., по амплитуде /'=0,35.

Исследование переходных процессов в СУТП позволило определить аналитические выражения для координаты ЛН2 и /ДГпри двух значениях х0.

При т0=0 с

.ОПат0-21* соф,31бГ -1,37)+0Д22е-М1"соз(0,357< +1,387)-0,0005е-4'°!1 ДК (/)= 1 + 0,003е"*02" - 1,666есоф,316/ -1,168)-0,56ЬГМ" соз(0,357? - 0,913)

При Т0=1 С

№ г(' )= У (0122е -*•»>«-о.» СО5[0.24(г - 0,9)- 0^47]+0,053е-1м« -» »1сох[0,8(/ - 0,9)+1,104] - V

/ 6\-0,003е-из(!-о'9) ДК(?)=1 + 0,0004е^з(',)-1,53е-и7,<,-,,с0б[0,241(г-1)-0,95б]-0Д17е1:мз('"|)со5[0,80(?-1)-0,127].

Графики переходных процессов приведены на рис.4. Как видно из рисунка 4, переходные процессы для то=0 с, 1 с, при 1=0 с, 0,9 с, и I -»со стремятся к нулю.

Рисунок 4 - Кривые переходных процессов в системе управления технологическим процессом для координат а) Д//2(0 и б) ДУ при различных

значениях т0

Вследствие большого периода Т гармонических функций ДЯ2(0 и ЛУ(С) перерегулирование составляет 10%, что является вполне допустимым. Длительность переходного процесса для координаты ДЯ2(0 при то=0 равно 8,0 с, при т0=1 с - 11,4 с, для координаты ЛУ(Ч) при то=0 равно 7,6 с, при т0=1с- 11,0 с

В четвертой главе «Экспериментальные исследования и хозяйственные испытания самоходного картофелеуборочного комбайна» отражены результаты сравнительных экспериментальных исследований и хозяйственных испытаний самоходного картофелеуборочного комбайна КСК-4-1, оборудованного СУПТ. Экспериментальные исследования и хозяйственные испытания проводились на полях совхоза «Динамо» Клинского района Московской области в 1980-1983 гг. и в ООО «Нива» Октябрьского района г. Саранска республики Мордовия в 2007-2008гг. в период уборки картофеля. Условия испытаний определялись согласно ГОСТ-20195-90, а показатели качества в соответствии с ОСТ-70.8.5-86 и сопоставлялись с отечественными агротребованиями на четырёхрядный самоходный картофелеуборочный комбайн.

В программу полевых экспериментов входило проведение оценки управляемого параметра - толщины слоя клубненосной массы с целью проверки полученных расчётным методом настроечных параметров СУТП. Кроме того, ставилась задача сравнительного анализа качества работы

системы на основании эксплуатационных и технологических показателей работы. При оценке качества работы определялся коэффициент стабилизации загрузки, равный отношению коэффициентов вариации управляемого параметра при ручном режиме работы комбайна и работе его с системой управления технологическим процессом.

В связи с этим регистрировалась толщина клубненосной массы на основных элеваторах H2(t), крутящий момент Md(t) и угловая скорость сод

вала муфты сцепления двигателя СМД-64, скорость поступательного движения комбайна I7,, путь S, пройденный комбайном, время t, угол поворота a6(t) рычага, управляющего производительностью гидронасоса

ГСТ.

В результате экспериментальных исследований были окончательно установлены настроечные параметры СУТП Ко=0,32 и Tf= 2 с. При этом

кинематические параметры - амплитуда и частота встряхивания сепарирующих органов для легкосуглинистых и среднесуглинистых почв были соответственно равныЛэ=0,013 иЛэ=0,026 м; v3=10 Гц; Г к=2,3 м/с.

Обработка на ЭВМ процессов Н2(0, МД) и &>/(] и полученных на среднесуглинистых почвах во время работы комбайна КСК-4-1 с оператором, позволила найти математические ожидания =0,081 м, Л/й=343,21 Нм, (ий=201,80рад/с, среднеквадратичные отклонения ¿г№=0,027м, ад/г,=46,30Н'М, Орад/с коэффициенты вариации УН2=33,3%, Уш= 13,50%, 7^=2,68%,

При работе комбайна КСК-4-1 с СУТП определено: Н2с=0,070м, 1/^=298,15Н-м, 0^=195,10рад/с, £ГЖс=0,018 м, амЖ=36,50Нм, 0^=5,4Орад/с, FH2c=25,70%, 1^=12,24%, 1^=4,00%.

В этом случае дисперсии уменьшились соответственно в 2,25; 1,61; 2,09 раза. Коэффициенты стабилизации Кш оказались равными: по толщине

слоя клубненосной массы на основных элеваторах - 1,30; по общей нагрузке на двигатель - 1,10, по угловой скорости вала двигателя - 1,49.

Лабораторно-полевые сравнительные испытания на двух почвенных фонах позволили установить следующее:

1.Полнота уборки клубней комбайнами КСК-4-1 с СУТП и без неё отличается незначительно и составляет 97,2-98,1% против 97,0-97,5%; что соответствует АТТ (97%). С увеличением скорости движения комбайна полнота уборки изменяется незначительно.

2.Чистота клубней в таре у испытываемых комбайнов составляет: у КСК-4-1 с СУТП - 84,1-90% против 82,3-88,9% у комбайна КСК-4-1, что соответствует АТТ (80%). Меньшая чистота клубней получена на среднесуглинистых почвах.

3.Повреждение клубней на обоих почвенных фонах у комбайна КСК-4-1 с СУТП и без неё отличается незначительно и составляет 4,0-8,1% против

6,1-9,7% у КСК-4-1, что соответствует АТТ (10%). Скорость движения у испытываемых комбайнов КСК-4-1 с СУТП была несколько больше чем у сравниваемого КСК-4-1 и соответствовала повышению производительности на 13-15%.

В результате проведённой эксплуатационно-технологической оценки установлено следующее: основная, сменная и эксплуатационная производительности комбайна КСК-4-1 с СУТП соответственно равны 1,05; 0,51; 0,44 гаУчас, комбайна КСК-4-1 - 0,91; 0,43; 0,38 га/час, что соответствует агротребованиям и ТУ.

Коэффициенты использования сменного и эксплуатационного времени у комбайна КСК-4-1 с СУТП равны 0,52; 0,46, у комбайна КСК-4-1 - 0,51;

0.45. На снижение коэффициентов повлияли технологические отказы, затраты времени на техническое обслуживание и повороты.

Расчётный годовой экономический эффект от применения СУШ на одном самоходном картофелеуборочном комбайне КСК-4-1 составляет не менее 270000 руб. в ценах 2009 года. Указанный экономический эффект достигается за счёт повышения производительности на 13... 15%.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ развития отечественной и зарубежной картофелеуборочной техники позволяет сделать вывод о все большем применении самоходных картофелеуборочных комбайнов, оснащенных двигателем до 360кВт, гидростатическим приводом ходовой части, увеличенной шириной захвата, оборудованных объемными бункерами-накопителями, способными производить выгрузку картофеля в рядом идущий транспорт.

2. Анализ факторов, влияющих на технологический процесс работы картофелеуборочного комбайна показал, что основной причиной возмущений является колебание величины подачи клубненосной массы в комбайн. Для поддержания оптимального режима работы комбайна величин}' подачи необходимо регулировать путём изменения скорости поступательного движения комбайна.

3. Теоретические и экпериментальные исследования показывают, что найденные выражения передаточных функций пригодны для инженерных расчетов, для этого их достаточно аппроксимировать:

а) ходовой части - апериодическим звеном второго порядка с запаздыванием;

б) подкапывающих органов - безынерционным звеном нулевого порядка с запаздыванием;

в) сепарирующих органов - апериодическим звеном первого порядка с запаздьгоанием.

4. Наиболее эффективно управляет подачей клубненосной массы в комбайн линейная астатическая система управления технологическим процессом картофелеуборочного комбайна по толщине слоя клубненосной массы на основных сепарирующих органах.

5. Теоретические исследования устойчивости по амплитудно-фазовой характеристике разомкнутой системы (на основании критерия Найквиста) и экспериментальные исследования позволили установить следующие рациональные значения настроечных параметров: К0 = 0,32;

7>2с.

6. Исследование переходных процессов в СУТП позволило определить их аналитические выражения при времени запаздывания т0 0 с, 1 с и

установить, что они имеют апериодический вид с временем регулирования Тп, равным 8с и 12с соответственно и

перерегулированием оп около 10%.

7. Тензометрирование и обработка результатов на ЭВМ позволили установить снижение общей нагрузки на двигатель комбайна КСК-4-1 с СУТП, при этом коэффициент стабилизации по нагрузке на двигатель равен 1,10, по толщине слоя - 1,30, по угловой скорости вращения вала муфты сцепления двигателя - 1,49.

8. Проведенные лабораторно-полевые и хозяйственные испытания выявили преимущества комбайна КСК-4-1, оборудованного СУТП, перед КСК-4-1. Его производительность увеличилась на 11-15%, улучшились качественные показатели, снизились простои, вызванные забиванием рабочих органов, улучшились условия труда комбайнера. Только за счет увеличения производительности применение СУТП даёт годовой экономический эффект 270583,28 руб. в ценах 2009 года.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Васьков, A.A. Анализ устойчивости сепарации клубненосной массы на сепарирующих органах. [Текст]/Спавкин В.И., Голованов В.В., Васьков A.A. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2007. -№12. -с.31. (0,06 п.л./0,03 п.л).

2. Васьков A.A. Вошугцающее воздействие на входе рабочих органов самоходных картофелеуборочных машин. ¡Текст] / Васьков A.A., Славкин ВН., Белов C.B., Подрубалов М.В., Кусайко Д.В. //Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - №12. - С.26-28. (0,5 п.л./0,3 пл.).

3. Васьков A.A. Динамика сепарирующих органов картофелеуборочных комбайнов. [Текст]/Васьков A.A., Кусайко Д.В., Славкин В.И., Белов C.B. /7 Тракторы и сельскохозяйственные машины. — 2008. - №2. - с.34-35. (0,4 п.л./0,2 п.л.).

4. Васьков A.A. Исследование самоходного картофелеуборочного комбайна с системой регулирования загрузки. ¡Tекст] /Васьков A.A. /'/Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2008. - №3 -С. 13-15. (0,4 пл.).

5. Васьков A.A. Исследование самоходных картофелеуборочных комбайнов как объектов системы управления технологическим процессом. ¡Tекст] / Славкин В.Н., Журавлев A.B., Васьков A.A., Кусайко Д.В. /7 Техника в сельском хозяйстве. -2008. -Лвб. - С.30-33. (0,5 п.л./0,3 пл.).

6. Васьков A.A. Управление технологическим процессом самоходного картофеле-уборочного комбайна. [Текст] / Славкин В.И., Белов C.B., Журавлев A.B., Кусайко Д.В. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2008. - ЛЬЮ. - С.35-38. (0,9 пл./0,4 пл.).

7. Васьков A.A. Оптимизация режима работы самоходного картофелеуборочного комбайна путем применения автоматической системы регулирования поступательной скорости машин по загрузке сепарирующих элеваторов [Текст] Васьков A.A., Большаков A.B.// Технологические процессы механизированных работ в с/х: Сб. трудов МИИСП. - М., 1981, С. 91-96. (0,5 п.л./0,25 п.л.).

8. Васьков A.A. К вопросу о динамике картофелеуборочного комбайна КСК-4, оборудованного автоматической системой стабилизации загрузки элеваторов первичной сепарации [Текст] // Технологические процессы механизированных работ в полеводстве: Сб. науч. трудов МИИСП. -М., 1982, С.105-109. (0,4 п.л./0,2 п.л.).

9. Васьков A.A. О рациональном выборе параметров регулирования загрузки сепараторов картофелеуборочной техники [Текст] Васьков A.A., Карев Е.Б.// Механическая технология сельскохозяйственных работ: Сб. науч. трудов МИИСП. - М„ 1983, С. 51-55. (0,4 п.л./0,2 ' п.л.).

10. Васьков A.A. Применение гидромеханических регуляторов загрузки сепараторов многорядных картофелеуборочных машин техники [Текст] Васьков A.A., Карев Е.Б.// Механическая технология с/х работ: Сб. науч. трудов МИИСП. - М., 1983, С. 55-59. (0,4 п.л./0,2 п.л.).

11. Васьков A.A. Регулирование загрузки самоходной картофелеуборочной машины с гидростатической трансмиссией [Текст] Васьков A.A., Ловкие З.В.// Сб. тезисов докладов научно-технической

конференции БИМСХ. - Минск, 15-16 ноября 1985, С. 75-76. (0,1 п.л./0,05 п.л.).

12. Васьков A.A. Исследования самоходного картофелеуборочного комбайна, оснащенного системой регулирования загрузки. [Текст] Славкин В.И., Васьков A.A., Пронин В.Ю., Голованов В.В.// Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем: Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск, 2007, С. 193-198. (0,4п.л./0,1 п.л).

13. Васьков АА. Определение настроечных параметров системы регулирования загрузки самоходного картофелеуборочного комбайна. [Текст] Славкин В.И.. Васьков A.A., Пронин В.Ю., Голованов В.В.// Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем: Междунар. науч. - техн.конф. - Саранск, 2007, С. 198-203. (0,4 п.л./0,1 п.л.).

14. Васьков A.A. Внешние нагрузки, действующие на привод и ходовую часть самоходных картофелеуборочных комбайнов [Текст] Славкин В И., Белов М.И., Журавлев A.B., Пронин В.Ю., Васьков A.A.// Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем: Всеросс. научн. техн. конф. - Саранск, 2009, С.180-183. (0,3п.л./0,06 п.я.).

15. A.c. 1102513 СССР, МКИ А 01 D 41/12. Устройство автоматической стабилизации загрузки самоходного картофелеуборочного комбайна [Текст] / Васьков A.A. (СССР). - № 3530156/30-15; заявл 29.12.82; опубл. 15.07.84, Бюл. № 26. - 2 е.: ил.

Подписано в печать 17.12.09. Формат 68x84/16. Печать трафаретная. Усл.-печ. п. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ К» 480. Отпечатано в издательском центре ФШУ ВПО МГАУ: 127550, Москва, ул. Тимирязевская 58

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса, цели и задачи исследований.

1.1. Предпосылки создания самоходных картофелеуборочных комбайнов.

1.2. Анализ факторов, влияющих на работу картофелеуборочных комбайнов.

1.3. Обзор работ по исследованию основных рабочих органов картофелеуборочных комбайнов.

1.4. Цель и задачи исследования.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Исследование динамических процессов в основных рабочих органах самоходного картофелеуборочного комбайна.

2.1. Уравнение движения ходовой системы.

2.2. Уравнение подкапывающих органов.

2.3. Динамика сепарирующих органов самоходного картофелеуборочного комбайна.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Разработка системы управления технологическим процессом самоходного картофелеуборочного комбайна КСК-4-1 и исследование ее динамических характеристик.

3.1. Обоснование параметра управления.

3.2. Описание работы и структурной схемы управления технологическим процессом самоходного картофелеуборочного комбайна.

3.3. Уравнения и передаточные функции звеньев управляющего устройства.

3.3.1. Уравнение измерительного элемента датчика.

3.3.2. Уравнение плунжера гидравлического золотника.

3.3.3. Уравнение исполнительного механизма - гидроцилиндра.

3.4. Передаточные функции системы управления технологическим процессом самоходного картофелеуборочного комбайна КСК-4-1.

3.5. Исследование системы управления технологическим процессом на устойчивость.

3.6. Исследование переходных процессов в системе управления технологическим процессом самоходного картофелеуборочного комбайна КСК-4-1.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Экспериментальные исследования и хозяйственные испытания самоходного картофелеуборочного комбайна.

4.1. Программа лабораторно-полевых исследований.

4.2. Методика сравнительных испытаний.

4.3. Обработка результатов измерений и оценка погрешности опытов

4.4. Результаты сравнительных лабораторно-полевых и хозяйственных испытаний комбайна КСК-4-1.

4.5. Технико-экономическая эффективность применения системы управления технологическим процессом самоходного картофелеуборочного комбайна КСК-4-1.

Выводы по главе 4.

Картофель - это незаменимый продукт питания, который часто называют вторым хлебом. Его используют также в качестве кормовой культуры и технического сырья для получения крахмала и спирта. Отсюда видно, что решение продовольственной проблемы во многом связано с решением задачи механизации уборки картофеля - наиболее трудоемкой операции в цикле производства этой культуры. В связи с этим разработка новых и модернизация существующих картофелеуборочных комбайнов является одной из актуальных задач сельскохозяйственного машиностроения. Создание новых отечественных картофелеуборочных комбайнов КСК-4-1, КСК-4А-1, КПК-З, КПК-2 позволило улучшить условия работы механизаторов и повысить качественные и эксплуатационные показатели уборки. Однако, надежность работы отечественных комбайнов в средних и тяжелых почвенно-климатических условиях еще остается невысокой. Анализ данных испытаний картофелеуборочных комбайнов на машино-испытательных станциях (МИС) показывает, что до 20% всего рабочего времени они простаивают из-за поломок и забивания рабочих органов клубненосной массой. Это говорит о том, что даже высококвалифицированный оператор (комбайнер) при постоянно меняющихся условиях работы не в состоянии своевременно реагировать на изменение загрузки рабочих органов картофелеуборочного комбайна и регулировать скорость его движения в строгом соответствии с непрерывно меняющейся подачей.

Следовательно, при создании и совершенствовании картофелеубороных машин важное значение имеют исследования, раскрывающие сущность явлений, протекающих в сложных динамических системах. Только хорошо отработанные методики теоретических и экспериментальных исследований и использование современной компьютерной техники позволят конструкторам и производственным эксплуатационникам с высокой достоверностью определять динамические характеристики разрабатываемых машин применительно к конкретным условиям работы. Поэтому, при создании перспективных картофелеуборочных машин и средств управления ими необходимо дальнейшее исследование в области их динамики и в первую очередь изучение влияния колебаний подачи клубненосной массы на загрузку рабочих органов и энергетические показатели.

Исследованию динамических процессов в рабочих органах, ходовой части и средствах управления загрузкой клубненосной массы самоходного картофелеуборочного комбайна посвящена настоящая работа, выполненная в 1980-2009 гг. в Московском государственном агроинженерном университете (МГАУ) им. В.П. Горячкина.

Цель работы. Разработка технических средств, обеспечивающих эффективность технологического процесса самоходного картофелеуборочного комбайна, повышение его качественных показателей работы.

На защиту выносятся основные положения диссертационной работы:

1. методика динамического расчета основных рабочих органов и ходовой системы самоходного картофелеуборочного комбайна;

2. разработка технических средств управления технологическим процессом самоходного картофелеуборочного комбайна;

3. методика динамического расчета системы управления технологическим процессом самоходного картофелеуборочного комбайна;

4. результаты лабораторно-полевых и хозяйственных испытаний, оценка экономической эффективности разработок;

На разработанную систему управления технологическим процессом самоходного картофелеуборочного комбайна нами получено авторское свидетельство СССР №3530156

Результаты исследований использованы ОАО «ВИСХОМ» при разработке основных рабочих органов и ходовой части самоходных картофелеуборочных комбайнов КСК-4-1, КСК-4А-1, БМСК-4К и создании производственных образцов систем управления технологическим процессом кафедрой «Сельскохозяйственные машины» института механики и энергетики ГОУВПО Мордовского госуниверситета им. Н.П. Огарева и кафедрой «Почвообрабатывающих машин» МГАУ им. В.П.Горячкина при подготовке студентов и научных кадров.

Научные исследования являлись частью решения важных научно-технических проблем 051.12 и 051.17 по разработке и внедрению высокоэффективных технологических процессов производства картофеля и постановления правительства РФ №446 от 14.07.2007 - О государственной программе развития сельского хозяйства на 2008-2012 годы, предусматривающей «.ускоренный переход к использованию новых высокопроизводительных сельскохозяйственных машин и ресурсосберегающих технологий».

Основой для написания диссертационной работы послужили исследования автора, выполненные в МГАУ им. В.П.Горячкина. Лабораторно-полевые и хозяйственные исследования проводились на опытно-полевой базе ОАО «ВИСХОМ» 1980-1983 гг. и сельскохозяйственных предприятиях республики Мордовия 2006-2008 гг.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ