автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Влияние автоколебаний и релаксационных колебаний на эффективность применения упругих стоек при культивации почвы

На правах рукописи

Донченко Михаил Александрович

ВЛИЯНИЕ АВТОКОЛЕБАНИЙ И РЕЛАКСАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ УПРУГИХ СТОЕК ПРИ КУЛЬТИВАЦИИ ПОЧВЫ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт — Петербург - Павловск - 2004

Работа выполнена в Северо - Западном научно - исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства

Научный руководитель - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Клейн Вячеслав Федорович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший

научный сотрудник Валге Александр Мартынович.

Ведущая организация - Северо - Западная МИС.

Защита диссертации состоится 23 декабря 2004г. в 9 часов на заседании диссертационного совета К 006.054.01 в Северо - Западной научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства по адресу: 196625, Санкт - Петербург - Павловск, п/о Тярлево, Фильтров-ское шоссе, д.З, ауд.201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СЗНИИМЭСХ.

Автореферат разослан ноября 2004г.

Ученый секретарь

кандидат технических наук, доцент

Тихонов Сергей Игоревич.

диссертационного совета

А о

КМ/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В нечерноземной зоне России засорено камнями 17,2% пашни, что составляет около 5,3 млн.га. Данное обстоятельство вынуждает использовать для обработки почвы культиваторы с предохранительными устройствами, применение которых приводит к увеличению материалоемкости и усложнению схем крепления рабочих органов.

В настоящее время большинство серийно выпускаемых отечественной промышленностью культиваторов для сплошной обработки почвы используют упругую подвеску рабочих органов, выполняющую одновременно и функцию предохранителя. Ранее проведенными исследованиями установлено, что рабочие органы на упругой подвеске имеют меньшее тяговое сопротивление по сравнению с рабочими органами на жестких стойках и обеспечивают более качественное выполнение технологического процесса.

В связи с этим направление исследований по изучению динамики системы с использованием упругой подвески рабочих органов является актуальным.

Цель исследований. Разработка математической модели системы «трактор - культиватор - почва» с целью анализа возможных авто и релаксационных колебаний и исследование на базе этого анализа возможностей снижения энергоемкости культиватора с упругими стойками.

Объект исследований. Динамическая система «трактор - рабочий орган на упругой подвеске - почва».

Научная новизна. Разработана математическая модель системы «трактор - культиватор с упругими стойками - почва» при нелинейной (кубической) зависимости силы сопротивления почвы от скорости. Исследованы возникающие в системе автоколебания и развита методика расчета их параметров на основе известного в нелинейной механике аппроксимирующего метода гармонического баланса и для сравнения проведено численное решение дифференциальных уравнений, описывающих математическую модель

Выявлена возможность возникновения релаксационных колебаний в системе, которые исследованы путем численного решения дифференциальных уравнений, описывающих систему на разных участках движения, с последующим припасовыванием. Показано, что как при автоколебаниях, так и при релаксационных колебаниях существуют скоростные режимы, при которых достигается существенное (до 20%) снижение тягового усилия по сравнению с жесткими стойками.

Практическая значимость работы. Обоснованы параметры и режимы работы культиватора с упругими стойками, позволяющие снизить тяговое сопротивление, определить скоростные режимы для конкретных конструкций упругих стоек с целью экономии топлива, при сохранении качества выполнения технологических операций.

Реализация результатов исследований. Результаты работы реализованы в рекомендациях для ГНУ СЗНИИМЭСХ и других исследовательских организаций по целенаправленному изучению зависимости силы сопротивления почвы от скорости и измерению параметров колебаний рабочих органов на упругих стойках.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научной конференции ГНУ СЗНИИМЭСХ в марте 2004г.

Публикации. По основным положениям диссертации опубликовано три печатных работы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованных литературных источников из 65 наименований и приложений, содержит 134 страницы машинописного текста, 8 таблиц, 35 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введения изложена актуальность темы и ее значение для повышения эффективности обработки почвы рабочими органами на упругой стойке.

В первой главе дана общая характеристика объекта исследований, рассмотрены конструктивные особенности упругих стоек, а также рассмотрены существующие методы исследования процессов функционирования рабочих органов на упругой подвеске. Отмечено, что в данных исследованиях применяются методы математического моделирования с использованием вероятностных моделей и средств программной обработки.

В нашей стране изучением упругой подвески рабочих органов культиваторов занимались А.А. Вилде, И.В. Игнатенко, СА. Инаекян, А.С. Кушнарёв, В.Ф. Клейн, НА. Китаев, А.Е. Муравьёв, А.А. Завражнов, И.М. Панов, ГА. Рябцев, Ф.М. Садриев, А.В. Сергеев и др., в исследованиях которых установлено, что рабочие органы на упругой подвеске по сравнению с их жёстким креплением имеют меньшее тяговое сопротивление и обеспечивают лучшее качество обработки.

Рассмотренные математические модели, дающие возможность оценить разницу в сопротивлении почвы при обработке её упругими и жесткими стойками, являются стохастическими и используют линейные дифференциальные уравнения. Колебания рассматриваются как вынужденные и случайные. Однако, в работах А.А. Завражного, Ф.М. Садриева, А.В. Сергеева и др. имеет место упоминание об автоколебаниях, а в работе Ф.М. Садриева используется понятие сухого трения и приводится кубическая зависимость сопротивления почвы от скорости.

В исследованиях Ю.Ф. Новикова и ММ. Мурадова показано, что почва является сложной средой, которая при прочих равных условиях в зависимости от скорости деформации, может обладать пластическими и упругими свойствами. При малых скоростях почва ведет себя как пластическое тело, при увеличе-

нии скоростей как упруго-пластическое и, наконец, при большой скорости как хрупкое тело.

На основе анализа состояния вопроса и поставленной цели определены следующие задачи исследования:

- разработать математическую модель системы «трактор - культиватор -почва» на основе не стохастического поведения при случайных внешних воздействиях, а детерминированного поведения нелинейной механической динамической системы;

- следуя общепринятым математическим моделям в близких моделях гидродинамики, металлообработки, принять, что зависимость сопротивления почвы от скорости кубическая и оценить коэффициенты этой зависимости на основе экспериментальных данных, применяя метод наименьших квадратов;

- найти решения описывающие поведение нелинейной модели системы, как на основе качественных методов приближенного нелинейного анализа, так и применяя численные методы исследования.модели;

- исследовать устойчивость возможных решений;

- выявить возможность возникновения релаксационных колебаний в системе и исследовать их путем численного решения дифференциальных уравнений, описывающих систему на разных участках движения, с последующим припасовыванием;

- провести экспериментальные исследования по идентификации параметров математической модели и гипотез исследований;

- сравнить упругие стойки (УС) с различными параметрами для достижения максимального положительного виброэффекта;

- разработать алгоритмы и осуществить численный расчет снижения тягового сопротивления при использовании упругих и жестких стоек для автоколебаний и релаксационных колебаний.

Во второй главе изучается математическая модель трактор - культиватор с упругими стойками - почва (рис.1) при нелинейном сопротивлении Я почвы от скорости наральника

(1)

где щ,а,,а2,а3 - постоянные коэффициенты;

Рассмотрение исследуемой далее модели обосновано: 1) включением в неё основных механических составляющих: а) падающей со скоростью тяговой характеристики трактора

где РЛ,Ъ - параметры, V - скорость трактора;

(2)

Рис.1 Схема движения трактора и культиватора с упругими стойками.

б) упругого элемента связывающего массы и в) нелинейного сопротивления почвы;

2) наличием в научной литературе (Кононенко В.О., Фролов К.В., Ходжа-ев К.Ш.) результатов исследований сходных динамических моделей, возникающих в других отраслях техники;

3) возможностью перехода к более реальной уточненной модели. Принципиально важными особенностями зависимости (1) являются возможность падающего участка силовой характеристики и наличие участка выпуклости. Именно эти качества, как показано в работе, приводят к автоколебаниям и выигрышу в тяговом сопротивление в диапазоне скоростей от

0,9 м/с до 2,2 м/с.

Модель описывается нелинейными дифференциальными уравнениями

(3)

где У„ = х„- скорость наральника; р - угол поворота УС; М0 - суммарная масса трактора и рамы со стойками; С — угловая жесткость упругой стойки; р радиус наральника; J - момент инерции упругой стойки; п — число стоек; рА = \ОЛ\ - расстояние от центра тяжести стойки до оси ее поворота; т - масса упругой стойки с наральником; М0 =М + пт где М- масса трактора и рамы; я = 40 шт.; к = трл.

Метод гармонического баланса аппроксимирует скорости нулевыми и первыми гармониками

¡V = Уц + Аяп(а>г+<р)

IУ„=У0+Уз1па>(

(4)

и приводит к частотному уравнению

позволяющему найти частоту автоколебаний и выражению для амплитуды скорости наральника

Л" [ 0 Ърг

(5)

Автоколебания возникают, если У2>0, что будет выполняться, если скобка справа отрицательна (т.к. Л' = 6а3 >0). Это условие осуществимо при

некоторых соотношениях между характеристиками почвы Л'(к0) и параметрами агрегата.

Следующее «уравнение сил» определяет среднюю скорость трактора У„:

Это кубическое для Ув уравнение вторым членом в правой части отличается от того, что давало бы рассмотрение движения при жестких стойках. Отсюда ясно, что для снижения эффективной силы сопротивления, представленной правой частью (6), за счет вибраций необходимо, чтобы это слагаемое было

отрицательным. В силу (5) (У2:^) это равносильно условию выпуклости силовой характеристики которое является необходимым, но не достаточным для выигрыша в скорости. Иллюстрацией отдельных слагаемых «уравнения сил» является рис.2, на котором видно, что на участке примерно от 1 м/с до 2 м/с сила сопротивления для упругих стоек ниже, чем для жестких . Выигрыш оценивает-

V, м/с

Рис.2 Зависимость сил Л от скорости V в расчете на 40 наральнихов: (пунктир)—сила сопротивления почвы Дж; (толстая линия) - правая часть уравнения сил Яу;

(тонкая линия) - сила тяги трактора Рт =Р„-ЬУ - левая часть уравнения сил;

А- установившейся режим для Ж С ; В- установившейся режим для УС ; С-«точка переходного режима ; V, -установившаяся скорость с Ж С ; У, - установившаяся скорость с УС.

ся как при неизмен-

ном положении управляющих органов трактора. Если при культивации почвы ЖС скоростной режим Гг соответствует значению 1,45 м/с, то при культивации УС (положение рабочих органов трактора не изменилось) соответствует 1,8 м/с.

При этом С - точка, где эффект выигрыша переходит в проигрыш и автоколебания перестают работать. Далее в главе дается анализ приближенного решения, основанного на том, что величина е = пт1М & 0,02 мала.

Сохранение членов первого порядка малости позволяет сделать выводы о том, что низкочастотные колебания с частотой, пропорциональной корню из малого параметра, не реализуются, а имеют место колебания с частотой близкой к собственной частоте упругой стойки со„.

Особо рассматриваются автоколебания при симметричной упругой стойке, СрА =0). В этом случае уравнение частот факторизуется и анализ упрощается- Оказывается, что «уравнение сил» не содержит никаких параметров системы кроме тяговой характеристики трактора, сопротивления почвы и числа на-ральников.

V.;, м/с У, м/с

На рис.3 показано сравнение скорости трактора при жесткой и упругой стойках при одинаковом положении управляющих органов. На рис.4 показана амплитуда скорости наральника в зависимости от установившейся средней скорости трактора (4). Следует обратить внимание, что при скорости более 2 м/с

V,, м/с

Рис. 3 Сравнение скоростей трактора м/с

при ЖС (К,) и УС (к,).

У„м/с

Рис.4 Амплитуда скорости наральника У в зависимости от установившейся скорости V.

имеется фаза, отвечающая отрицательной скорости наральника х„< 0, что дает основание рассмотреть релаксационные колебания.

В третьей главе исследуется математическая модель релаксационных колебаний. При достижении Ун =0 (остановка наральника) сила сопротивления почвы неопределенна (0<Л ¿Л(о)=ия„) и происходит увеличение угла отклонения стойки (/?) за счет продолжающегося движения трактора к рамы. Данный этап можно назвать «взводом пружины». Поскольку условие покоя наральника

связывает переменные У,р, то из системы (3) можно исключить неизвестную силу сопротивления Л. Тогда дифференциальное уравнение, описывающее движение до того момента, когда угол отклонения стойки достигнет критического значения

выглядит так

После этого происходит «срыв» наральника, и движение подчиняется системе (3) до следующей остановки наральника. Далее процесс повторяется. Мы, тем самым, имеем дело с релаксационными колебаниями, разные фазы которых за время периода описываются различными дифференциальными уравнениями.

Для исследования применялось численное решение уравнений (3), (9) и метод припасовывания этих решений.

Нас интересует периодическое решение, которое для скорости наральника Ун должно иметь характер, представленный на рис.5. Начало отсчета времени совместим с моментом «срыва» наральника. Зададим начальные условия для системы (3):

у„=у-рр=о

(1)

(9)

у(о)=у„ т=Рк, жо)=-|

(10)

Здесь К0 - неизвестное значение скорости трактора в момент 1=0. Далее движение описывается системой (3) до момента остановки наральника. Сдвигая на Г, отсчет времени, получим начальные условия для уравнения (9) и решаем его на промежутке

Рис.5 Скорость наральника К« при релаксационном движении.

Рис.6 Сравнительные установившиеся скорости движения трактора при жестких V, и упругих V, стоиках.

Применяя метод деления отрезка пополам, можно добиться, что переменные У,р,р, в момент Т примут значения (10), что соответствует периодическому решению. Этот алгоритм был программно реализован и позволил численно проанализировать релаксационные колебания. Рис.6 показывает выигрыш в средней скорости трактора У„ по сравнению со скоростью при жестких стойках при одном положении управляющих органов трактора.

В четвертой главе изложена программа, методика и результаты экспериментальных исследований. Программа исследований включала определение параметров почвы на основании определения изменения сопротивления почвы в зависимости от скорости движения трактора.

При проведении лабораторно - полевых испытаний была использована лабораторно - полевая установка для динамометрирования рабочих органов

культиватора. Измерения и регистрация исследуемых параметров проводились с помощью тензоизмерительного оборудования, включающего в себя кольцевые тензорезисторные датчики, усилитель ТОПАЗ-1 и осциллограф К-12-22.

Данные, полученные в ходе проведения опытов, обрабатывались на ПК с помощью специальных прикладных программ.

Результаты экспериментальных исследований были использованы при описании сопротивления почвы в главах 2 и 3.

Рис.7 Влияние автоколебаний, релаксационных и случайных колебаний на снижение тягового сопротивления: I - область автоколебаний; П - область релаксационных колебаний; Ш - область случайных колебаний.

На основании анализа и численного расчета математической модели, показывающих возможное снижение тягового сопротивления при культивации упругими стойками по сравнению с жесткими, определена оптимальная скорость движения для трактора МТЗ - 82 (предпосевная обработка) равная 2 м/с, с целью выполнения агротехнических требований на качество выполнения технологического процесса.

При этом ширина захвата культиватора с упругими стойками может быть увеличена до 4,9 м по сравнению с культиватором с жесткими стойками (4 м).

Теоретическое исследование процесса колебания носка наральника на упругой стойке показало, что при движении в диапазоне скоростей от 0,9 м/с до 4,2 м/с возникают три вида колебаний - случайные, релаксационные и автоколебания (рис.7).

В пятой главе приведены результаты технико-экономических исследований. Установлено, что годовой экономический эффект от экономии топлива при использования культиватора с упругими стойками с шириной захвата 4,9 м по сравнению с культиватором на жестких стойках (годовая выработка 450 га) в ценах 2004г. составил 12870 руб. на один агрегат.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Разработана математическая модель системы «трактор - культиватор с упругими стойками - почва» при нелинейной (кубической) зависимости силы сопротивления почвы от скорости.

2. Показано, что в принятой математической модели движения трактора и упругой стойки с учетом нелинейного сопротивления почвы возможно развитие автоколебаний и релаксационных колебаний и предложена методика расчета их параметров на основе известного в нелинейной механике аппроксимирующего метода гармонического баланса и численного решения дифференциальных уравнений, описывающих математическую модель системы.

3. Результаты проведенных расчетов позволяют утверждать, что выигрыш в скорости движения трактора при культивации с упругими стойками по отношению к системе с жесткими стойками в диапазоне скоростей от 0,9 м/с до 2,4 м/с может быть объяснен уменьшением эффективного сопротивления, возникающим за счет появления колебаний и составляет от 0,1 м/с до 0,7 м/с.

4. Теоретический анализ автоколебательного и релаксационного режимов выявляет эффект применения упругих стоек в большем диапазоне скоростей до 2,4 м/с. Расчеты показывают, что более тяжелые стойки (чизельные) увеличи-

вают разницу в скорости до 30%, однако, приводят к вибрациям трактора, что может оказаться нежелательным.

5. При релаксационных колебаниях выявлено преимущество такой конструкции стоек, когда центр тяжести всей стойки приближается к наральнику (выигрыш за счет изменения рл до 10 %). Этот эффект может быть применен для создания конструкций рыхлителей, окучников и т.д., на основе конструкции чизельной упругой стойки.

6. Разработан алгоритм расчета режимов культивации почвы с максимальным числом входных параметров (масса трактора, жесткость упругой стойки, момент инерции стойки, сила сопротивления, масса стойки, радиус расположения наральника, количество стоек) для достижения максимального эффекта экономии топлива.

7. Обосновано допущение, что при вынужденном изменении скорости движения трактора, зависящем от изменения твердости почвы и её влажности на одном гоне, а также при движении под различными уклонами, приоритет переходит от одного типа колебаний к другим с различным процентным отношением с сохранением эффекта применения упругих стоек по сравнению с жесткими стойками.

8. Экономический эффект, основанный на расчете экономии топлива при применении упругих стоек по сравнению с жесткими стойками, за счет увеличения скорости обработки при одном и том же объёме работы составляет 12870 руб. в год на один трактор.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.Ф. Клейн, М.А. Донченко, А.А. Некрасов. Модель движения машинно-тракторного агрегата с упругой сцепкой. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства. / Сб. научн. трудов СЗНИИМЭСХ.-П6., 2003.-с34-39.

2. М.А. Донченко. Моделирование процесса обработки почвы рабочим органом наупругом подвесе. // Труды Псковского политехнического института №7.3 Электротехника, машиностроение: И.-СП6ТТУ Санкт-Петербург/Псков., 2003.-с.314-322.

3. В.А. Андреев, М.А. Донченко. Вибрационное сопротивление в автоколебательной системе с ограниченным возбуждением. // Труды Псковского политехнического института №7.3 Электротехника, машиностроение: И.-СП6ТТУ Санкт-Петербург/Псков, 2003.-С.358-363.

Подписано к печати 15.11.04 г. Заказ №118 Объём 1печ.л. Тираж 100 экз.

Ризограф СЗНИИМЭСХ

»23533

РНБ Русский фонд

2GG5-4 23G79

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Общая характеристика объекта исследования.

1.2 Классификация и схемно - конструкторский анализ упругих стоек культиваторов.

1.3 Существующие методы исследования режимов работы рабочих органов культиваторов и принципы совершенствования их конструкций.

1.4 Природно - климатические условия и особенности эксплуатации рабочих органов и почвообрабатывающих машин в нечерноземной зоне России.

1.5 Тяговые характеристики трактора МТЗ - 82.

1.6 Выводы.

1.7 Фрикционные колебания.

1.8 Цели исследований.

1.9 Выбор программного обеспечения.

2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМЕ

ТРАКТОР - КУЛЬТИВАТОР С УПРУГИМИ СТОЙКАМИ ПРИ НЕЛИНЕЙНОМ СОПРОТИВЛЕНИИ ПОЧВЫ.

2.1 Механическое сопротивление почвы.

2.2 Информационная модель.

2.3 Уравнения движения системы.

2.4 Гармоническая аппроксимация движения.

Получение системы уравнений гармонического баланса.

2.5 Неустойчивость движения на скорости режима с жесткими стойками.

2.6 Решение системы уравнений гармонического баланса.

2.7 Анализ приближенного решения.

2.8 Автоколебания при симметричной упругой стойке.

2.9 Алгоритм расчета системы уравнений методом гармонического баланса.

2.10 Выводы.

3. РЕЛАКСАЦИОННЫЕ КОЛЕБАНИЯ В СИСТЕМЕ

ТРАКТОР - КУЛЬТИВАТОР С УПРУГИМИ СТОЙКАМИ.

3.1 Природа релаксационных колебаний.

3.2 Релаксационная математическая модель.

3.3 Описание алгоритма расчета релаксаций.

3.4 Сравнение релаксационных колебаний для различных типов стоек и различных значений параметра рА.

3.5 Алгоритм определения выигрыша в скорости при использовании жестких и упругих стоек.

3.6 Выводы.

3.7 Влияние автоколебаний, релаксационных и случайных колебаний на снижение тягового сопротивления трактора при культивации рабочими органами на упругих стойках.

4. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Задачи и программа экспериментальных исследований.

4.2 Методика проверки основной гипотезы.

4.3 Методика проведения лабораторно - полевых опытов.

4.4 Измерительная аппаратура.

4.5 Результаты корреляционного и спектрального анализа процессов функционирования рабочих органов культиватора.

4.6 Выбор технологической скорости.

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

С развитием различных форм собственности в сельском хозяйстве страны происходит изменение структуры производителей. В настоящее время возрастает объем продукции, выращиваемой в частном секторе. Как известно, для развития фермерских и личных хозяйств требуется простая в обслуживании и надежная в эксплуатации сельскохозяйственная техника, требующая при применении правильного выбора режимов обработки, конструктивных особенностей и параметров и приводящая к уменьшению расхода топлива и повышению производительности.

В сельскохозяйственном производстве самой энергоёмкой операцией остается обработка почвы. На нее приходится 30 - 40% всей потребляемой в сельском хозяйстве энергии, причем пятая часть расходуется на предпосевную обработку. Большие масштабы энергопотребления при обработке почвы вызывают необходимость поиска путей снижения энергоемкости почвообработки.

Особенностью почв Нечерноземной зоны России является их засоренность камнями, что вынуждает оснащать почвообрабатывающие машины предохранительными устройствами, что приводит, в свою очередь, к увеличению материалоемкости машин.

Снизить материалоемкость позволяет использование упругих стоек. В этом случае рабочий орган выполняет функцию предохранительного механизма, что приводит к исключению предохранительных устройств.

Одно из центральных мест в проблеме снижения энергоемкости почвообработки занимает совершенствование конструкций рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, направленное на снижение их тягового сопротивления. Перспективным считается применение в конструкциях культиваторов для сплошной обработки почвы упругих стоек для крепления рыхлительных рабочих органов.

Ранее проведёнными исследованиями установлено, что применение упругих стоек для культивации, а также крепление рабочих органов на упругом подвесе приводит к уменьшению тягового сопротивления по сравнению с рабочими органами на жестких стойках.

В то же время испытания культиватора КОР-1,4 показали, что возможность снижения тягового сопротивления реализована не в полной мере. Отсутствие эффективных методов расчета параметров упругих стоек с учетом условий их эксплуатации дает предпосылки для более глубокого исследования и изучения процессов происходящих во время работы упругой стойки.

Целью исследований является определение влияния автоколебаний и релаксационных колебаний на динамику агрегата трактор-культиватор с упругими стойками.

Данная работа является продолжением исследований, проводимых СЗ НИИМЭСХ РФ опубликованных в следующих работах:

1. Сергеев A.B. Рабочий процесс и параметры энергосберегающих рабочих органов культиваторов для сплошной обработки почв, засоренных камнями. 1989 г.;.

2. Муравьев А.Е. Повышение эффективности работы культиватора окучника путем оптимизации его параметров. 1993 г.;

3. Стрикунов A.B. Повышение эффективности работы культиватора окучника путем оптимизации параметров упругой подвески комплекта рабочих органов. 1998 г.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

1. В диссертационной работе разработана динамическая модель системы «трактор - культиватор с упругими стойками - почва» при нелинейной (кубической) зависимости силы сопротивления почвы от скорости. Такой выбор зависимости опирается на экспериментальные данные из [43, 44,45] и результатов эксперимента (приложение 3).

2. Показано, что в принятой математической модели совместного движения трактора и упругой стойки с учетом нелинейного сопротивления почвы возможно развитие автоколебаний и релаксационных колебаний и предложена методика расчета их параметров на основе известного в нелинейной механике аппроксимирующего метода гармонического баланса (глава 2) и численного решения дифференциальных уравнений, описывающих математическую модель системы (глава 3).

3. Результаты проведенных расчетов позволяют утверждать, что выигрыш в скорости движения трактора при культивации с упругими стойками по отношению к системе с жесткими стойками в диапазоне скоростей от 0,9 м/с до 2,4 м/с может быть объяснен уменьшением эффективного сопротивления, возникающим за счет появления колебаний и релаксационных колебаний, составляет от 0,1 м/с до 0,7 м/с. Этот механизм следует учитывать наряду с вынужденными случайными колебаниями, рассмотренными другими авторами.

4. Теоретический анализ автоколебательного и релаксационного режимов выявляет преимущества последнего до 18%. Расчеты показывают, что более тяжелые стойки (чизельные) увеличивают разницу в скорости до 40%, однако, приводят к вибрациям трактора, что может оказаться нежелательным.

5. При релаксационных колебаниях выявлено преимущество такой конструкции стоек, когда центр тяжести всей стойки приближается к наральнику (выигрыш за счет изменения рА до 10%). Этот эффект может быть применен для создания конструкций рыхлителей, окучников и т.д., на основе конструкции чизельной упругой стойки.

6. Разработан алгоритм расчета режимов культивации почвы с максимальным числом входных параметров (масса трактора, жесткость упругой стойки, момент инерции стойки, сила сопротивления, масса стойки, радиус расположения наральника, количество стоек) для достижения максимального эффекта экономии топлива.

7 Обосновано допущение, что при вынужденном изменении скорости движения трактора зависящей от изменения твердости почвы, влажности на одном гоне движения, а также движение под различными уклонами, происходит переход одних колебаний в другие с сохранением эффекта применения упругих стоек с различным процентным отношением по сравнению с жесткими стойками.

8. Экономический эффект, основанный на расчете экономии топлива при применении упругих стоек по сравнению с жесткими стойками, за счет увеличения скорости обработки при одном и том же объёме работы составляет 12870руб в год на один агрегат.

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий.-2-e изд., перераб. и доп.-М: наука, 1976.-277с.

2. Альбом типовых технологических карт возделывания и уборки сельскохозяйственных культур в Нечерноземной зоне РСФСР. Ленинград -Пушкин, 1986 г., с. 175.

3. Альбом статистических характеристик условий испытаний машин. Северо-Западная зона. Ленинград 1979 г. 127с. 80-89с.

4. Бурченко П.Н. Вопросы деформации почвы клином. Сборник, 2002г.

5. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. М.: Высшая школа, 1980 г., с.302-304.

6. Бахтин П.У. Исследование физико-механических и технологических свойств основных типов почв СССР.-М.: Колос, 1969г.-271с.(31Стрик)

7. Виноградов В.И., Семенов Г.А. Влияние скорости нагружения на величину временного сопротивления почвы.

8. Вилде A.A. Исследование работы тягового сопротивления и изыскание рациональной конструкции рабочих органов культиваторов и пружинных борон. Научные труды Латв НИИМЭСХ. Рига: Звайгзне, 1972 г., т.4, с.3-54.

9. Вилде A.A., Канторе Г.К. Исследование и агротехническая оценка некоторых способов и средств предпосевной обработки зяби. Научные труды Латв.НИИМЭСХ Рига: Звайзгне, 1972 г., т.4, с.54-90.

10. Вилде A.A., Вилде В.К., Канторе Г.К. Технико-экономическая оценка работы орудий на предпосевной культвации зяби. Научные труды Латв. НИИМЭСХ, Рига: Звайзгне, 1972 г., т.4, с.90-103.

11. Валге А.М. Повышение эффективности тяговой динамики пахотных агрегатов. Сборник научных трудов. Выпуск 50. Ленинград, 1987 г., с.8-18.

12. Вибрации в технике. Т.2. Колебания нелинейных механических систем. Москва: Машиностроение, 1979 г., с.97.

13. Дубровский A.A. Вибрационная техника в сельском хозяйстве. -М.: Машиностроение, 1968 г., с.204.

14. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. М.: Машиностроение, 1968 г.

15. Завражнов A.A., Инаекян С.А. Методическое руководство по определению и расчету параметров упругого крепления рабочих органов почвообрабатывающих машин НПО ВИСХОМ Москва 1987г. с.39 с.60.

16. Завражнов A.A. Обоснование методов оценки и расчета параметров упругих стоек чизельного культиватора: Автореферат дисс. канд. техн. наук.-М.,1982г.-20с.

17. Закс Л. Статистическое оценивание/ Перевод с немецкого В.Н.Варыгина.-М.: Статистика, 1976.-597с.

18. Зоненберг Р.Н. Исследования влияния вибрации на тяговое сопротивление рабочих органов, взаимодействующих с почвой: Автореферат дисс. канд. техн. наук.-Омск, 1965.-20с.

19. Инаекян С. А. Повышение эффективности чизельных культиваторов, "Тракторы и сельхозмашины", 1992 г. №5, с. 14-17.

20. Игнатьев И.В., Левицкий C.B. Оптимизация упругого крепления стрельчатых лап культиватора. В книге "Комплексная механизация и автоматизация сельскохозяйственного производства". Ростов-на-Дону, 1982 г., с.40-45.

21. Игнатенко И.В. Исследование скоростных характеристик упругих подвесок стрельчатой лапы культиватора. Минвуз. Сборник "Комплекснаямеханизация сельского хозяйства". Ростов-на-Дону, 1985 г.

22. Кардашевский C.B., Погорелый JI.B., и др. Испытания сельскохозяйственной техники.-М.: Машиностроение, 1979.-288с.

23. Косачев Г.Г. Экономическая оценка сельскохозяйственной техники.-М.: Колос, 1978.-240с.

24. Китаев М.А., Гасилин В.А., Игнатенко И.В. Методы измерений и контроля характеристик упругого крепления рабочих органов культиваторов: Комплексная механизация сельского хозяйства.-Ростов-на-Дону, 1985.-С.46-53.

25. Колмыков A.A. Средства повышения эффективности работы предохранительного устройства рабочих органов культиваторов и комбинированного агрегата для рыхления почвы: Автореф. дис. канд. техн. наук.-JI.-Пушкин, 1986-16с.

26. Клейн В.Ф., Донченко М.А.,. Некрасов A.A. Модель движения машинно-тракторного агрегата с упругой сцепкой. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства. / Сб. научн. трудов СЗНИИМЭСХ.-Пб., 2003.-С.34-39.

27. Лурье А.Б. Моделирование сельскохозяйственных агрегатов и их систем управления.-Л. : Колос, 1979.-312с.

28. Левицкий C.B. Исследование виброэффекта упругой подвески рабочих органов скоростного лапового культиватора с целью снижения тягового сопротивления: Автореферат дисс. канд. техн. наук.-Ростов-на-Дону, 1980.-20с.

29. Моргачев В.Е. Исследование и обоснование основных параметров культиватора с упругими стойками для работы на скоростях 9-15 км/час-Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Казань, 1973г.

30. Мохамед Бабе Ахмед Вафе Заин Аль-Абидин. Изыскание и обоснование параметров культиваторных рабочих органов на упругойстойке. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. М.: 1979 г.

31. Муравьев А.Е. Повышение эффективности работы культиватора окучника путем оптимизации его параметров. Диссертация к.т.н. С-Пб -Пушкин, 1993 г., 139 с.

32. Муравьев А.Е. Сергеев A.B. Оценка надежности результатов оптимизации рабочих органов почвообрабатывающих орудий: Тезисы доклада на научно практической конференции 15-17 мая 1991г.-С.-Петербург, 1991.-С.48-49.

33. Муравьев А.Е. Клейн В.Ф. Сергеев A.B. Результаты экспериментального исследования рабочих органов на упругих стойках: Сборник научных трудов НИПТИМЭСХ НЗ.- С.-Петербург, 1992-вып.61.-с.27-32.

34. Новиков Ю.Ф. Основы теории и механико-технологические исследования процесса вспашки. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. Ростов-на-Дону, 1970 г., 340 л.

35. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. М.: Машиностроение, 1967 г., с.316.

36. Рябцев Г. А. Технологические основы применения почвообрабатывающих машин с упругой подвеской рабочих органов. -Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н. Воронеж, 1973 г.

37. Рябцев Г.А. Технологические показатели работы культиваторов с упругой подвеской. Вестник сельскохозяйственной науки. 1970 г., №12.

38. Рябцев Г.А. Работа, культиватора с упругой подвеской лап на повышенных скоростях. "Техника в сельском хозяйстве," 1974 г., №6.

39. Рябцев Г.А., Стовба Н.И. Технологические показатели работы культиваторных лап. "Техника в сельском хозяйстве", 1980 г., №4.

40. Рябцев Г.А. Энергетические показатели работы культиватора с упругой подвеской лап. "Техника в сельхозмашиностроении", 1971 г., №2.

41. Решетов Д.Н. Детали машин. -изд.З-е, испр. и перераб.-М.: Машиностроение, 1974.-654с.

42. Бабаков И.М. Теория колебаний. М:-Государственное издательство технико-теоретической литературы. 1958.-630с.

43. Садриев Ф.М. Совершенствование технологии и технических средств для предпосевной обработки почвы. Автореферат дисс. канд. техн. наук.- Зеленоград, 2002 г.-20с.

44. Сергеев A.B. Рабочий процесс и параметры энергосберегающих рабочих органов культиваторов для сплошной обработки почв, засоренных камнями. Диссертация к.т.н. С-Пб. Пушкин, 1989 г.

45. Стрикунов A.B. Повышение эффективности работы культиватора окучника путем оптимизации параметров упругой подвески комплекта рабочих органов. Диссертация к.т.н. С-Пб. - Пушкин, 1998 г.

46. Свирский Г.Э. Исследование процесса вибрационной обработки почвы: Автореферат дисс. канд. техн. наук.-М., 1958.-15с.

47. Спивак А.И., Богаченко C.B., Тарасенков Ю.Н. Чизельные культиваторы КЧП-5,4 и КЧП-7,2. Тракторы и сельхоз машины, 1988.-№10,-С.51-52.

48. Тяговые характеристики сельскохозяйственных тракторов. Альбом справочник.-М.: Россельхозиздат, 1979.-160с.

49. Т.Хаяси Нелинейные колебания в физических системах. Издательство "Мир", 1968 г., под ред. В.Е. Боголюбова,с. 39, 338, 367.

50. Цесниекс А.Х. Исследование функционирования пружинных зубьев, их рациональный тип для машин предпосевной обработки почвы в условиях Латвийской ССР. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Елгава, 1983 г.

51. Цытович H.A. Механика грунтов. Москва: Высшая школа, 1979 г.

52. Янковский И.Е. «О моделях условий работы мобильных сельскохозяйственных агрегатов»-Э.И. «Методы и организация испытаний сельскохозяйственной техники» 1975 г №2 (В/О «Союзсельхозтехника» ЦНИИТЭИ).

53. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем.-Москва. Наука. 1967.-С.420.

54. Методические указания по определению и расчету параметров упругого крепления рабочих органов почвообрабатывающих машин.-М.: НПО ВИСХОМ, 1987г.

55. Концепция развития механизации, электрофикации и автоматизации сельскохозяйственного производства нечерноземной зоны России на1995год и напериод до 2000 года.-СПб.:ОНЗ РАСХН, 1993.-199с.

56. Вайнруб В.И., Догановский М.Г. Повышение эффективности использования энергонасыщенных тракторов.-JI.: Колос, 1982.-274с.

57. Догановский М.Г., Давидсон Е.И. Работа плугов для каменистых почв на повышенных скоростях.- Материалы НТС ВИСХОМ,вып.19, М.Д965.-С.238-245.

58. Лурье А.Б., Рейнтам А.К. К динамике предохранительного механизма плугов типа ПНК. и ПКС. -Записки ЛСХИ, т.96, Л.-Пушкин, 1965.-С.54-61.

59. Мурадов М.М., Мурадов Ш.М., Кеншаева A.B. Моделирование взаимодействия рабочих органов с почвой в процессе её обработки. Бух ТИП и ЛП 2002г-С. 117-121.

60. Донченко М.А. Моделирование процесса обработки почвы рабочим органом на упругом подвесе. // Труды Псковского политехнического института №7.3 Электротехника, машиностроение.: И.-СПбГТУ Санкт-Петербург/Псков., 2003,- с.314-322.

61. Лойцянский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики.-т2. динамика.-Москва.-595с.

62. Колобов Г.Г. Парфёнов А.П. Тяговые характеристики тракторов. Москва «Машиностроение» 1972с 152

63. Лурье А.Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных агрегатов. Колос, 1970.с162-165.

64. Самсонов В.А., Зангиев A.A. Обоснование типоразмерного ряда тракторов с адаптируемыми параметрами. ТСМ, №4, 1998, с.24-28.

65. Построение кубической от скорости зависимости силы сопротивления почвы (на один наральник) по экспериментальным данным методом наименьших квадратов:

66. Жехр:=[0,400., [0.6,475], [1.66,495], [2.44,355], [3.6,707]]:уе:=уесгог(5, 0,0.6,1.66,2.44,3.6.):

67. К := V -> а0 + а1 у + а2 у + аЗ у

68. Р1 :=р1о1(Кехр.,81у1е=рот1,8утЬо1=с1гс1е,со1ог=0): >Р:=рЫ([К(у)],у=0.4.5,0.900, 1аЬе18=[,у\,К1,х^сктагк8=4,^сктагкз=4, со1ог=0,81у1е=Нпе, 1аЬе1Гоп1=[Т1МЕ8ДОМАЫ,14]):1. Й8р1ау(Р,Р1);

69. R1: =v->a 1 +2 * a2 * v+3 * a3 * vA2 :R2: =v->a2+3 * a3 * v:

70. Y2:^->-4*(Rl(v)-t-(M0*(c-J*fA2)+n*(k*f)A2)/(b*roA2))/(3*a3):1. Fv:==v->n*R2(v)*Y2(v)/4:

71. P1 :=plot(Pt(30000,v0)/1000,v0=0.3,labels=f v ,'F.,xtickmarks=4, ytickmarks=3, color=0,style=line, labelfont=TIMES,ROMAN, 14]):

72. P2:=plot(n*R(v0)/1000,v0=0.3,color=0,linestyle=2):

73. X:=subs(zF,y(t)).XP:=subs(zF,yp(t)):

74. Ah:=v->evalf(sqrt(-4*b1h(v)/(3*b3h))/om); Ы h(v)sqrt(- 4/3-)b3h1. Ah := v -> evalf(--)om

75. Warning, new definition for norm Warning, new definition for traceve:=vector(4,0,1.66,2 44,3.6.);Rp:=vector(4,[1000,495,355,707]); ve := [0, 1.66, 2.44, 3.6]

76. Rp:=vector(51600,500,495,355,707.);ve := 0, .6,1.66, 2.44, 3.6.

77. Fsh:=v->subs(ah,(aO+a1*v+a2*vA2+a3*vA3)); 2 3

78. Fsh := v -> subs(ah, aO + al v + a2 v + a3 v)

79. Fss:=v->subs(as,(a0+a1 *v+a2*vA2+a3*vA3)); 2 3

80. Fss := v -> subs(as, aO + a1 v + a2 v + a3 v)

81. Аспирантом СЗ НИИМ.ЭСХ Донченко МА. выполнены теоретические и экспериментальные исследования по снижению энергоемкости культиватора.

82. PROG. 1 Построение зависимостисилы сопротивления почвы (на один наральник) пофгжсперкментальным данным, методом наименьших квадратов;1. PROG. 2

83. Зависимость сил сопротивления от скорости;1. PROG. 3

84. Расчет параметров Автоколебаний;1. PROG. 4

85. Расчет параметров релаксационных колебаний;1. PROG. 51. Расчет эффекта выигрышаuicupuuTM дли жмиткид,и упругих стоек. На основе предложенной ме тодики рассчитаны оптимальныепараметры упругих стоек к культиваторам классов КШП 8, КШУ - 6/8, и

86. КЧП 5,4(7,2), обеспечивающие высокие технике - экономическиепоказатели.

87. Работа выполнена в СЗ НИИМЭСХ по плану 02.03.02 (18/1) «Разработать концепцию применения чизелькых орудий для каменистых почв в условиях повышенного увлажнения, математическую модель упругих стоек культиватора».т1. От СЗ НИИМЭСХ

88. Зав лабораторией технологий и технических средств обработки1. От СКБ «Красный Аксай»

89. Зав научно исследовательскойлабораторией1. В.И. Гасилинwoaj