автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности тракторных агрегатов путем совершенствования навесных систем

Введение.

ГЛАВА 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования.

1.1. Навесные системы тракторов. Общая характеристика.

1.2. Навесные системы с двойным силовым замыканием. Некоторые свойства.

1.2.1. Схемы навесных систем.

1.2.2. Трехзвенные механизмы.

1.2.3. Четырехзвенные механизмы.

1.2.4. Многозвенные механизмы.

1.3. Силы сопротивления на рабочем органе.

1.4. О заглубляемости рабочего орудия.

1.5. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. Управляемость рыхлителя. Некоторые ограничения.

2.1. Ограничения по агрегату.

2.2. Ограничения по системе управления.

2.3. Общие условия управляемости. Диаграмма управляемости.

2.4. Выводы к главе.

ГЛАВА 3. Заглубление орудия в грунт.

3.1. Силы, действующие на штамп.

3.1.1. Вертикальное деформирование.

3.1.2. Горизонтальное деформирование.

3.2. Задача о движении прямого штампа.

3.2.1. Движение прямого штампа при постоянном усилии.

3.3. Задача о движении косого штампа.

3.3.1. Движение косого штампа при полном начальном погружении.

3.3.2. Движение косого штампа при неполном начальном погружении.

3.4. Движение штампа при переменном усилии.

3.5. Выводы к главе.

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования. Методика и результаты.

4.1. Цель задачи экспериментальных исследований.

4.2. Объект исследования. Методика и средства измерения.

4.2.1. Объект исследования.

4.2.2. Методы и средства регистрации исследуемых параметров.

4.3. Результаты экспериментальных исследований.

4.3.1. Силы действующие на рабочий орган.

4.3.2. Нагруженность агрегата.

4.3.3. Оценка линейной гипотезы.

4.3.4. Траектории заглубления.

4.4. О влиянии переменной силы на процесс заглубления.

4.5. Выводы к главе.

ГЛАВА 5. Оценка схем навесных систем с позиций реализуемости оптимального управления и нагруженности.

5.1. Оптимальное управление агрегатом.

5.1.1. Общая задача оптимального управления агрегатом.

5.1.2. Об информационных параметрах при оптимальном управлении.

5.1.3. Оценка схем навесных систем по реализуемости оптимального управления.

5.2. Нагруженность системы управления.

5.2.1. О подходе к оценке нагруженности системы управления.

5.2.2. Оценка схем навесных систем выполненных конструкций по нагруженности системы управления.

5.3. Выводы к главе.

Актуальность темы. Агрегаты на базе тракторов двойного назначения, применяемых в последние годы в arpo - промышленном комплексе, помимо технологических операций - основного сельскохозяйственного производства: пахоты, боронования, посева и т.д., вне сезона полевых работ используются в сельском строительстве, на дорожных, мелиоративных и других работах. Это позволяет существенно повысить среднегодовую загрузку, получить значительный экономический эффект и достигается за счет расширения агрегатирования трактора другими типами орудий, предъявляющими к навесным системам новые, дополнительные требования.

Навесная система, состоящая из механизма навески с исполнительными силовыми цилиндрами, вместе с гидравлической системой управления является неотъемлемой частью трактора, однако ее схема и параметры существенно определяются агрегатируемыми с трактором орудиями, свойствами и особенностями выполняемых технологических процессов.

Среди всего многообразия схем навесных систем можно выделить два их основных типа: с односторонним и двухсторонним силовым замыканием. Системы с односторонним замыканием не допускают принудительного заглубления орудия в грунт и при выполнении технологического процесса обеспечивают свободное перемещение орудия относительно трактора. Системы с двухсторонним замыканием осуществляют принудительное заглубление орудий в грунт и при выполнении технологического процесса допускают управляемое относительное перемещения трактора и орудия.

Теория навесных систем с односторонним замыканием, применяемых в основном с почвообрабатывающими машинами, и прежде всего плугами, хорошо разработана. В связи с появлением тракторов двойного назначения, большая доля загрузки которых приходится на работы, связанные с сельским и дорожным строительством, повышается интерес к изучению систем второго типа, применяемых в основном, с орудиями предназначенными, в силу сезонности этих работ, для разрушения мерзлых, прочных скальных грунтов, преимущественно рыхлителями по которым имеются немногочисленные работы, в основном описательного характера.

Существенным свойством технологического процесса разрушающих орудий является принудительное заглубление рабочего орудия в грунт с использованием нагрузки от силы тяжести. Схема навесных систем таких орудий и способ присоединения цилиндров управления принципиально изменяют функциональные свойства агрегата: способность дополнительно заглубляться или выглубляться при изменении угла рыхления, выполнять дополнительные операции, например, корчевание камней, пней и т.д. Способ присоединения цилиндров существенно определяет нагруженность системы управления, уровень давления, возможность выполнения управляющих воздействий и т.д.

Таким образом схема и параметры навесной системы объединяющей трактор и орудие в агрегат самым существенным образом определяют его свойства и эффективность, изучение которых является актуальной научной задачей.

Научная новизна:

- разработан метод поиска ограничений на параметры системы управления, обеспечивающие функционирование агрегата в любых условиях нагружения рабочего орудия. В основе метода лежат математические модели в форме системы неравенств и диаграмм управляемости по массово-габаритным параметрам системы управления;

- разработаны математические модели процессов заглубления рабочего органа в грунт на базе изучения движения штампа, в виде дифференциальных уравнений с запаздывающим аргументом;

- разработан метод построения оптимальных траекторий движения главного машинного контура агрегата по критерию минимальной длины перемещения при заданной глубине погружения;

- выполнен кинематический анализ приспособленности различных схем навесных систем к оптимальному управлению рабочим орудием.

Практическая полезность:

- разработанные методы анализа, поиска ограничений на параметры и построение оптимальных траекторий рабочего орудия обеспечивают выбор схемы и параметров навесной системы и требования к системе автоматизированного управления на ранней стадии проектирования;

- выработанные практические рекомендации реализованные в конструкции навесной системы агрегата на базе трактора кл.10 обеспечили 59-95% прироста производительности на операции рыхления;

- результаты исследований положены в основу выбора схемы и параметров навесной системы перспективных моделей тракторов кл.10 и 15.

- разработанные методы выбора схем и параметров навесных систем используются в практической работе ГСКБ ОАО ЧТЗ.

Основные выводы

1. Ограничения на параметры навесной системы с двойным силовым замыканием, обеспечивающие управляющее воздействие при любых сочетаниях сил сопротивления, действующих на орудие, зависят от ее схемы, массовых и геометрических характеристик агрегата и описываются системой линейных алгебраических неравенств. Система ограничений реализуется в виде диаграммы управляемости.

Эффективная работа агрегата обеспечивается если область ограничений по массово - габаритным параметрам включается в область ограничений по системе управления.

2. Рабочий процесс рыхлительного агрегата с навесной системой с двухсторонним силовым замыканием разделяется на два этапа: заглубление и собственно рыхление. На этапе заглубления орудия, выполняемого принудительно, основное заглубляющее воздействие оказывает вертикальное усилие от веса агрегата. Дополнительная вертикальная составляющая от силы на рабочем органе возрастает с глубиной, и для агрегатов с тракторами кл.10 она составляет 5-8% от вызываемой весом в конце процесса заглубления.

На этапе стационарного рыхления горизонтальная и вертикальная составляющие силы сопротивления рыхлению монотонно возрастают с ростом угла и глубины и для нужд инженерных расчетов могут быть представлены функциями параметра (ак) с высоким значением корреляционного отношения Пирсона. Наибольшее значение составляющих сил рыхления ограничивается тягово-сцепными качествами трактора. Величина коэффициента сцепления на мерзлых и скальных грунтах не превышает значений 0,4-0,56.

3. Процесс заглубления орудия в грунт под действием вертикального усилия и кинематически заданного горизонтального движения агрегата имитируется движением штампа прямого, косого и косого при неполном начальном погружении.

Моделью движения орудия (штампа) является дифференциальное уравнение с запаздывающим аргументом, решение которого выполняется пошаговым методом численно с помощью пакета MathCAD.

Уравнение движения допускает введение безразмерных переменных, в которых решение приобретает единообразный вид независимо от параметров орудия и характеристик грунта.

Критерием оптимальности процесса заглубления, обеспечивающим агрегату максимальную производительность, является минимальная длина заглубления рабочего органа на заданную величину.

Решение уравнения оптимального заглубления в пространстве переменных х,а,у достигается на границе допустимых значений угла рыхления (а) и линии уровня тягового усилия (Рх = const).

4. Требования к навесной системе с позиций оптимального управления орудием и нагруженности системы управления противоположны. Кинематические свойства навесной системы существенно определяются способом включения цилиндров подъема. Навесная система с нагруженной поршневой полостью цилиндров подъема при одноконтурном управлении, когда управляющее действие выполняется цилиндрами изменения угла рыхления, не реализует ни одно из предпочтительных управлений ни при каких соотношениях ее параметров. Навесная система с нагруженной штоковой полостью цилиндров подъема реализует эти управления при некоторых соотношениях параметров, однако, требует при этом, в соответствии с системой ограничений, увеличения усилий исполнительных цилиндров в 2,5-3раза.

При двухконтурном управлении, когда управляющее действие выполняется обеими группами цилиндров, предпочтительные управления реализуются при соответствующей увязке расхода жидкости и давления в них.

Практические рекомендации по улучшению параметров навесной системы трактора кл.10, выработанные в процессе настоящего исследования позволили без изменения параметров трактора и орудия увеличить производительность на рыхлении на 55-95% в зависимости от грунта. Экономический эффект составляет более 1,5млн. рублей на агрегат за срок его службы (в ценах 2002г).

1. Алексеева Т.В. и др., Дорожные машины 4.1 Машины для землеройных работ, М.: Машиностроение, 1964, с.467.

2. Артоболевский М.М. Теория механизмов. М. Наука,1967,с.719.

3. Багиров И.З., Исследование деформаций и сопротивлений грунта при взаимодействии с клином на различных скоростях, Авто-реф. дис. канд. техн. наук, Минск, 1963, с.24.

4. Баладинский В.Л., Кисленко A.A. и др., Навесное оборудование для разработки мерзлых грунтов, Механизация строительства №6, 1972, с. 13-14.

5. Баловнев В.И., Новые методы расчета сопротивлений резанию грунтов, М: Росвузиздат, 1963, с.96.

6. Баловнев В.И., Хлата Л.А., Интенсификация земляных работ в дорожном строительстве, М.: Транспорт, 1983.

7. Беккер М.Г. Введение в теорию систем местность-машина. М: Машиностроение, 1973, с.520

8. Блау В.Ю. К анализу процесса заглубления модуля широкозахватного плоскореза. Почвообрабатывающие машины и динамика агрегатов, Науч. труды ЧИМЭСХ вып. 149, Челябинск, 1979, с.31-35.

9. Бледных В.В. Исследование динамических свойств полунавесных плугов, Кандидатская диссертация, 1967.

10. Бледных В.В., Совершенствование рабочих органов почвообрабатывающих машин на основе математического моделирования технологических процессов, докторская диссертация, Л.Пушкин, 1989.

11. Бондарь В.Б., Мицын Г.П., Позин Б.М., Тарасенко С.И., Механизмы навески тракторного рыхлителя: выбор схемы. Тракторы и сельхозмашины, 1994, №5, с19-21.

12. Веденяпин Г.В., Киртбая Ю.И., Сергеев М.П., Эксплуатация машинно-тракторного парка, М.: из-во Колос, 1968, с.343.

13. Ветохин В.И., Малоэнергетические рыхлители почвы: Форма прицельного профиля рабочей поверхности, Тракторы и сельхозмашины №6, 1993.

14. Ветохин В.И., Малоэнергетические рыхлители почвы: Экспериментальная оценка рационального профиля, Тракторы и сельхозмашины №7, 1993.

15. Ветров Ю.А., Кисленко A.A., Бажан В.Г., Шахов B.C., Рыхлитель с регулируемым углом рыхления, Механизация строительства, 1981 №1, с.20-21.

16. Ветров Ю.А., Резание грунтов землеройными машинами, М.: Машиностроение, 1971, с.360,

17. Волков Д.П. и др., Исследование динамики рыхлителя Д-652А, Строительно-дорожные машины №12, 1970, с.23-25.

18. ГОСТ 7425-71. Рыхлители гусеничные. Технические условия.

19. Гуськов В.В. Оптимальные параметры сельскохозяйственных тракторов. М: Машиностроение, 1966,с.195

20. Егоров Ю.Д., Магарилло Б.Л., Позин Б.М., О работе гусеничных тракторов с навесными орудиями, Тракторы и сельхозмашины №10, 1962, с.7-10.

21. Емельянов В.И., Мамаев Ю.А. и др., Механическое разрушение мерзлых пород землеройно рыхлительными агрегатами, Магаданское книжное изд-во, 1978, с.96.

22. Ефимов Б.А., Анализ основных характеристик электромеханического привода гусеничного трактора с подвесками различных типов, Труды ВНИИСтройдормаш, вып. 86, Создание и совершенствование трубоукладчиков и рыхлителей, М., 1980, с. 67-73.

23. Ефимов Б.А., Захарчук Б.З. и др. Влияние особенностей конструкции трактора на эффективность работы навесного рыхлителя, вып.65, Исследование машин для разработки мерзлых грунтов, 1974, с.35-41.

24. Запольский В.П. Исследование сцепных качеств и обоснование параметров траков гусеничных движителей, Автореф. дис. канд. техн. наук, Минск, 1971, с.23.

25. Захарчук Б.З.,Телушкин В.Д., Шлойдо Г.А., Яркин A.A. Бульдозеры и рыхлители. М.: Машиностроение, 1987, с.240.

26. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керов И.П. Машины для земляных работ. М: Машиностроение, 1975,с.422

27. Зеленин А.Н., Основы разрушения грунтов механическими способами, М.: Машиностроение, 1968, с.375.

28. ИСО 6165-87. Машины землеройные. Основные типы. Термины и определения.

29. ИСО 6747-88. Машины землеройные. Тракторы. Терминология.

30. Кавунов В.В. Исследование тяговой характеристики колесного промышленного трактора с гидромеханической трансмиссией в бульдозерном агрегате, Автореф. дис. канд. техн. наук, М. 1976, с.22.

31. Кавьяров И.С., Исследование, создание и внедрение мощных гусеничных тракторов классов 10, 15, 25 и 35 т. тяги, Доклад, представленный вместо диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Челябинск, 1969.

32. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М: Наука, 1976, с.576

33. Капов С.Н., Механико-технологические основы разработки энергосберегающих почвообрабатывающих машин, Докторская диссертация, Челябинск, 1999, с.355.

34. Кацыгин В.В. О закономерности сопротивления почв сжатию. Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства, 1962, №4, с.28-31

35. Курош А.Г., Курс высшей алгебры, Физматгиз, 1959, с.431.

36. Лихачев B.C., Испытания тракторов, М.: Машгиз, 1963, с.280.

37. Лурье А.Б. Динамика регулирования навесных сельскохозяйственных агрегатов, М: Машиностроение, 1989, с.287.

38. Львов Е.Д. Теория трактора. М: Машгиз, 1952, с.388

39. Любимов А.И., Динамика широкозахватных агрегатов основной обработки почвы, автореферат докторской диссертации, Челябинск, 1973, с.40.

40. Магарилло Б.Л., Исследование оптимальных тяговых усилий гусеничного промышленного трактора, Кандидатская диссертация, Челябинск, 1970, с. 122.

41. Мицын Г.П., Об оптимальном управлении рыхлителем, Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог, Сб.научных трудов МАДИ (ТУ), М. 2001, с.230-232.

42. Мицын Г.П., Позин Б.М., Механизмы навески рыхлителя (к выбору схемы и параметров).Учебное пособие, Издание ЧГТУ, Челябинск, 1994г.

43. Мицын Г.П., Позин Б.М., Схемы и параметры механизмов навески рыхлителей Учебное пособие. Рекомендовано УМО вузов РФ для специальности 170904, Издание ЧГТУ, Челябинск, 1996г.

44. Мицын Г.П., Позин Б.М., Трояновская И.П., Модель движения штампа в грунте, Вестн. Урал, межрег. отд. Академии Транспорта РФ, вып.3, Изд-во КГУ, 2001г., с.

45. Недорезов И.А., Распределение грунтов по трудности разработки землеройными машинами, Строительно-дорожные машины №7, 1973, с.5-6.

46. Новый рыхлитель на базе трактора Т-130, Строительно-дорожные машины №3, 1992, с.5-7.

47. ОСТ 22-1666-86. Бульдозеры и рыхлители. Технические условия.

48. Перри К., Лисснер Г., Основы тензометрирования, М.: Иностр. Лит., 1957, с.324.

49. Позин Б.М., Основы теории тяговой характеристики промышленного трактора, ЦНИИТЭИ тракторосельхозмаш №524, 1985, с. 150, депон. рук.

50. Полканов И.П., Теория и расчет машинно-тракторных агрегатов, М.: Машгиз, 1958, с.212.

51. Рахимов P.C., Повышение эффективности технологического процесса работы противоэрозионных почвообрабатывающих машин, Докторская диссертация, Челябинск, 1990, с.434.

52. Ровинский М.И и др., Определение параметров и области эффективного применения рыхлителей, М.: Труды ВНИИСДМ 48, 1970, с.27-38.

53. Ровинский М.И., Определение производительности навесных рыхлителей при разработке мерзлых грунтов, Строительно-дорожные машины №12, 1969, с. 16-18.

54. Ровинский М.И., Скворцов Г.С., Исследование сопротивления грунтов резанию, ЦНИИНТИ машиностроения, М., 1959, с.31.

55. Ровинский М.И., Телушкин В.Д., Влияние ядер уплотнения на характер разрушения мерзлого грунта при его послойном рыхлении., Строительно-дорожные машины №2, 1968, с.33-35.

56. Ровинский М.И., Телушкин В.Д., Исследование процесса разрушения мерзлого грунта методом послойного рыхления, Сб. трудов ВНИИСДМ XXXVII, 1967.

57. Ровинский М.И., Шлойдо Г.А., Навесные рыхлители для разработки мерзлых и скальных грунтов, М.: НИИ информация по строительному и дорожному машиностроению, 1965, с.77.

58. Саакян С.С., Зависимость сопротивления почв вдавливанию от диаметра штампа, Сельхозмашина, 1954, №5, с. 14-17.

59. Свирщевский B.C., Эксплуатация машинно-тракторного парка, М.: Сельхозгиз, 1958, с.660.

60. Сельскохозяйственная техника, Каталог, М.: изд-во Колос, 1967, с.624.

61. Сельскохозяйственные машины. Машины для основной обработки почвы. Часть I. Москва, 1989.

62. Сладкова Л.А., Коротких Б.И., Самозатачивающийся наконечник рыхлителя повышенной долговечности для разработки мно-голетнемерзлых грунтов, Трение и износ, 1991, т. 12, с. 171-177.

63. Смирнов H.В., Дунин Барковский И.В., Курс теории вероятностей и математической статистики, М.: Наука, 1969, с.511.

64. Телушкин В.Д., Селиванов A.C., Расчет производительности навесного рыхлителя, Строительно-дорожные машины №7, 1981, с. 17-19.

65. Телушкин В.Д., Шлойдо Г.А., Захарчук Б.З., Прогрессивные конструкции навесных рыхлителей и опыт их эксплуатации, М.: ЦНИИНТИ по строительному, дорожному и коммунальному машиностроению, 1974, с.67.

66. Трепененков И.И., Эксплуатационные показатели сельскохозяйственных тракторов, М.: Машгиз, 1963, с.271.

67. Федоров Д.И., Машины для земляных работ, М.: Транспорт, 1969, с.224.

68. Хархута Н.Я. Машины для уплотнения грунтов. Теория, расчет и конструкции. Ленинград: Машиностроение, 1973, с. 175

69. Хлата Л.А., Шаров C.B., Анализ направлений совершенствования навесных рыхлителей, Издание вузов, Строительство архитектура №7, 1988, с. 108-112.

70. Хлата Л.А., Шаров C.B., Главацкий К.И., Исследование процесса рыхления грунтов рабочими органами навесных рыхлителей с изогнутыми зубьями, Строительно-дорожные машины N21, 1996.

71. Чудаков Д.А., Основы теории сельскохозяйственных навесных агрегатов, М.: Машгиз, 1954, с.175.

72. Шлойдо Г.А., Захарчук Б.В., Верейнов О.В., Исследование рыхлителей с регулируемым углом рыхления, Строительно-дорожные машины №6, 1974, с.21-22.

73. Шлойдо Г.А., Захарчук Б.З., Сухов И.И., Современные конструкции рабочих органов рыхлителей. Механизация строительства №5, 1977, с.14-16.

74. Шлойдо Г.А., Конструкции навесных рыхлителей, Механизация строительства, 1972, №6, с. 10-12.

75. Шлойдо Г.А., Рыхлители с активным рабочим органом фирмы Caterpillar (США), Строительно-дорожные машины №1, 1991, с.8-10.

76. Эльсгольц Л.Э. Введение в теорию дифференциальных уравнений с отклоняющимся аргументом. М: Наука, 1964, с. 127.

77. Эльсгольц Л.Э., Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление, М.: Наука, 1965, с.424.