Автоматизация управления демпферно-сцепным устройством тракторно-транспортного агрегата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Забалуев, Игорь Анатольевич

• Забалуев, Игорь Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Забалуев, Игорь Анатольевич

Введение.

Глава I. Анализ состояния вопроса. Цель и задачи исследования.

1.1. Использование тракторно-транспортных агрегатов в сельекохозяйст венном производстве.У

1.2 . Динамика тракторно-транспортных агрегатов, эргономика и безопасность их движения.^ q

1.3. Анализ существующих конструкций демпферно-сцепных устройств.

1.4. Цель и задачи исследования.

Выводы из главы 1.

Глава II. Математические модели динамической системы «Трактор

ДСУ-Прицеп».

2.1. Математическая модель технической системы «Трактор-ДСУ-Прицеп».

2.2. Математическая модель энергетической цепи динамической системы «Трактор-ДСУ-Прицеп».

Выводы из главы II.

Глава III. Синтез рациональной системы автоматического управления демпферно-сцепным устройством.^

3.1. Выбор критерия качества автоматического управления ДСУ.

3.2. Разработка функциональной и структурной схем автоматического управления ДСУ.^

3.3. Синтез рациональной системы автоматического управления работой

Выводы из главы III.

Глава IV. Экспериментальные исследования и экономическая эффективность применения автоматических демпферно-сцепных устройств. ^

4.1. Разработка конструкций автоматического ДСУ.

4.2. Экспериментальные исследования.

4.3. Экономическая эффективность применения автоматических ДСУ.

Выводы из главы IV.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация управления демпферно-сцепным устройством тракторно-транспортного агрегата»

Тракторно-транспортные агрегаты (ТТА) выполняют значительную долю механизированных работ в сельском хозяйстве. Высокие требования, предъявляемые сегодня к качеству и эффективности таких агрегатов, диктуют необходимость решения задачи повышения их технико-экономического уровня.

ТТА, как динамические системы, работают в сложных внешних условиях, носящих случайный характер (действия оператора, изменения макро- и микрорельефа почвы, её влажности и другие) и приводящих к нарушениям энергетического и эксплуатационного режимов. При этом возникновение динамических ударных нагрузок, перегрузок и недогрузок в работе дизельного двигателя ТТА, буксование его колёс приводят к перерасходу топлива, снижениям ресурса двигателя, производительности мобильного агрегата, а также безопасности работы оператора (механизатора).

Особую значимость это имеет при присоединении к тракторам различных прицепов посредством специальных тяговых демпферно-сцепных устройств (ДСУ). Их конструкция и демпфирующие свойства для разных типов тракторов и эксплуатационных характеристик прицепов оказывают существенное влияние на технико-экономические показатели ТТА в целом.

Кардинальным направлением улучшения условий труда оператора, повышения технико-экономического уровня мобильного агрегата является автоматизация его работы в целом, и базовых узлов, в частности. Известные ДСУ, как правило, не обеспечивают требуемых характеристик (которые могут быть получены с использованием средств автоматизации) и не дают существенного эффекта.

Современным эффективным инструментом модернизации и разработки новых ДСУ с автоматическим управлением является их компьютерное моделирование. Известные отечественные и зарубежные методы моделирования технических систем, подобных ТТА с ДСУ, как правило, узко специализированы и предоставляют пользователю возможность исследования и автоматизации лишь отдельных элементов или процессов функционирования машин. В программном же обеспечении вопросы разработки математических моделей объектов управления и таких систем автоматизации, как «Трактор -ДСУ - прицеп», изучены недостаточно.

Таким образом, разработка новых эффективно управляемых ДСУ на базе применения автоматических средств и компьютерного моделирования при минимальных его сроках и затратах является практически значимой и актуальной задачей.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка новых автоматически управляемых ДСУ на базе компьютерного моделирования, обеспечивающих повышение эффективности эксплуатации и в целом технико-экономического уровня ТТА.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи: - анализ существующих ДСУ ТТА;

- разработка математической модели энергетической цепи динамической системы «Трактор - ДСУ - прицеп»;

- создание математической модели работы технической системы «Трактор-ДСУ-прицеп» как объекта управления;

- синтез системы автоматизации управления работой ДСУ ТТА;

- разработка нового автоматического ДСУ и оценка экономической эффективности его применения.

Объект исследования. Техническая система «Трактор - ДСУ - прицеп».

Методическая база и методы исследования. Решение поставленных задач проведено на основе моделирования физических процессов (газо- и гидродинамических) с использованием дифференциальных уравнений, применения методов оптимизации, фильтрации, регрессионного, спектрального и системного анализа, программирования, теорий алгоритмов и автоматического управления. Разработанные теоретические положения проверены на имитационных и компьютерных моделях, а также на реальных объектах.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- разработана математическая модель энергетической цепи динамической системы «Трактор - ДСУ - прицеп»;

- разработана математическая модель системы «Трактор - ДСУ - прицеп» как объекта управления;

- разработана математическая модель проведения синтеза системы автоматизации управления работой демпферно-сцепного устройства.

Практическую ценность имеют следующие результаты исследования:

- программное обеспечение работы технической системы «Трактор - ДСУ - прицеп» как объекта управления;

- программное обеспечение для проведения энергетических расчетов динамической системы «Трактор - ДСУ - прицеп»;

- система автоматизации управления работой ДСУ ТТА.

Реализация результатов исследования. В МГАУ им. В.П. Горячкина с участием автора была разработана техническая документация на макетный образец автоматического ДСУ, которая совместно с программным обеспечением и результатами настоящей работы передана в ОАО «ВИСХОМ» и институт механики и энергетики ФГОУ ВПО «МГУ им. Н.П.Огарёва».

В учебном процессе МГАУ им. В.П. Горячкина и РГАЗУ используются результаты исследования при изучении дисциплин «Тракторы и автомобили», «Автоматизация технологических процессов», «Основы инженерного творчества» и «Сельскохозяйственные машины».

Достоверность и обоснованность результатов исследования 'ф подтверждены математическим и компьютерным моделированием, а также экспериментальными исследованиями и испытаниями макетного образца автоматического ДСУ.

Апробация. Основные положения диссертации и результаты исследования доложены, обсуждены и одобрены на международной научно-практической конференции «Проблемы энергообеспечения и энергосбережения в АПК

Украины» (Харьков, 2001), международной конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий» (Москва-Сочи, 2003), международной конференции «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий (Инноватика-2004)» (Москва-Сочи, 2004), научной конференции профессорско-преподавательского состава МГАУ им. В.П. Горячкина (Москва, 2003).

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 7 научных публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и приложения, изложена на 126 страницах, включая 31 рисунок и список литературы из 108 наименований.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Забалуев, Игорь Анатольевич

основные результаты и выводы

В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые автоматические демпферно-сцепные устройства, обеспечивающие значительное улучшение технико-экономических показателей работы ТТА.

1. Установлено, что сложные условия эксплуатации ТТА предъявляют жёсткие требования к управляемости демпферно-сцепных устройств и необходимости их автоматизации. Известные конструкции исчерпали свои возможности развития, они недостаточно эффективны в эксплуатации и не в полной мере отвечают требованиям сегодняшнего дня.

2. Разработаны математическая и компьютерная модели динамики работы системы «Трактор - ДСУ — прицеп» как объекта автоматического управления.

3. Разработаны математическая и компьютерная модели энергетической цепи динамической системы «Трактор - ДСУ - прицеп».

4. Проведен синтез автоматической системы управления работой демп-ферно-сцепного устройства и определены рациональные параметры настройки его управляющего устройства: Куу = 0,315;Тц = 0,06 с;Тд = 0,02 с.

5. Разработана система автоматизации управления работой ДСУ, техническая новизна и промышленная полезность которого подтверждены патентом на изобретение.

6. По результатам испытаний установлено, что по сравнению с серийно выпускаемыми применение автоматического ДСУ позволяет до 12 % повысить производительность ТТА при снижении удельного расхода топлива до 7 %, улучшить условия труда оператора, при этом сравнительный экономический эффект на один агрегат за расчётный восьмилетний период составляет 45,1 тыс. р.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Забалуев, Игорь Анатольевич, 2005 год

1. Агеев Л.Е. Основы расчета оптимальных и допустимых режимов работы машинно-тракторных агрегатов - Л.: Колос, 1978. 294 с.

2. Агейкин Д.И. и др. Датчики контроля и регулирования. М.: Машиностроение, 1965.

3. Алексеев С. А. Динамика тракторного агрегата. М.:1991.

4. Алфёров С. А. Динамика зерноуборочного комбайна. М.: Машиностроеие, 1973.

5. Андреев А. О. Динамика тракторного агрегата. М.:1991.

6. Арсеньев Г. М., Винокуров Г.Ф. Исследование тяговых качеств трактора МТЗ-80 и тяговых сопротивлений прицепов в тракторном агрегате. Труды Великолукского СХИ. Вып. 25. 1972, с. 48-51.

7. Артемьев П. П., Андреев А. О., Атаманов Ю. Е., Богдан Н. В. и др. Тракторные поезда. Под ред. В. В. Гуськова. М.: Машиностроение, 1982, с. 183.

8. Артюшин А. А. Стратегические направления автоматизации сельскохозяйственного производства. Доклады международной научно-технической конференции. Ч. 1. М.: Углич, 2004, с.484.

9. Барский И.Б., Анилович В.Я., Кутьков Г.М. Динамика трактора. М.: Машиностроение, 1973.-280с.

10. Ю.Болтинский В.Н. Мощность тракторного двигателя при работе с неустановившейся нагрузкой и ее определение // Механизация и электрификация соц. Сельского хозяйства 1959. №2, №4.

11. П.Бородин И. Ф. Технические средства автоматики. М: Колос, 1982.

12. Бородин И.Ф. Классификация датчиков сельскохозяйственной автоматики. Сб. научных трудов, МИИСП, 1972, вып. 3, 4.1, том 9.

13. З.Бородин И.Ф. Проблемы развития автоматизации сельского хозяйства // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1996, № 5.

14. Бородин И.Ф., Кирилин Н.И. Практикум по основам автоматики и автоматизации производственных процессов. М.: Колос, 1974.

15. Бородин И.Ф., Судник Ю. А. Автоматизация технологических процессов. М.: Колос, 2002.

16. Борошок Л.А. Повышение технического уровня уборочных машин на базе автоматических систем управления. Автореф. дис. . докт. техн. наук , Минск, 1987.

17. Василенко П.М., Василенко И.И. Автоматизация процессов сельскохозяйственного производства. М.: Колос, 1972.

18. Водянников В. Т. Экономическая эффективность энергетики АПК. М.: Экмос, 2002.

19. Воронин Е. А. и др. Компьютеризация сельскохозяйственного производства. -М.: Колос, 1993.

20. Гамаюнов П.П., Федотов А. М., Гурьев В. И. К вопросу совершенствования динамических качеств транспортных средств. Межвузовский научный сборник «Актуальные проблемы эксплуатации транспорта» Саратов -1990. С.12-16.

21. Гамаюнов П.П., Цыпцын В.И. Динамика прицепов и тягачей при продольных ударах. Саратов: Сарат. гос. агр. ун-т им. Н.И. Вавилова. 2001. 136 с.

22. Гамаюнов П.П. Повышение эффективности использования тракторно-транспортных поездов за счёт улучшения эргономики и эксплуатационных качеств на основе снижения динамических нагрузок. Автореф. и дис-сер. докт. техн наук, Саратов, 2002.

23. Гельфенбейн С. П., Хорошенков В. К. Автоматизация регулирования скоростных и загрузочных режимов современных тракторных агрегатов // Вестник сельскохозяйственной науки, 1969, № 1.

24. Горячкин В .П. Собр. соч. т. 6. М.: Сельхозгиз, 1948. -298 с.

25. Грибко Г. П. Динамика тракторного агрегата. М.:1991.

26. Гулбис В. П. Динамика тракторного агрегата. М.:1991.

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

28. Дидманидзе О. Н., Рыбаков К. В. Автотранспортные процессы и системы. М. УМЦ «Триада», 2004, с. 127.

29. Дидманидзе О. Н., Рыбаков К. В., Карпекина Т. П., Пуляев Н. Н. Управление машинотракторными агрегатами. М. УМЦ «Триада», 2004, с. 291.

30. Зб.Зазуля А.Н. Динамика сельскохозяйственных агрегатов. Воронеж, 1998. -186с.37.3акин Я.Х., Федоров Б.П. Взаимодействие тягача и прицепа при разгоне на передачах // Автомобильная промышленность 1958. №2. - с. 14-15.

31. Иофинов С. А., Бабенко И. П. автоматическое регулирование загрузки зерноуборочного комбайна СК-4. Записки ЛСХИ, т. 121, 1968.

32. Киртбая Ю.К. Организация использования машинно-тракторного парка. М.: 1974.

33. Кожуханцев А.И. О влиянии колебаний колесного трактора на снижение его тягово-динамических показателей // Тракторы и сельсхозмашины -1977. №7-с. 10-11.

34. Кирюхин В. И. Исследование путей повышения эффективности тракторных транспортных агрегатов с тракторами 14 кН. Автореф. дис. канд. техн. наук-Саратов, 1982, с. 19.

35. Колобов Г.Г., Парфенов А.П. Тяговые характеристики тракторов. М. : Машиностроение, 1972.

36. Краусп В. Р.Автоматизированные и инфокоммуникационные технологии в управлении электрифицированным производством. Доклады международной научно-технической конференции. Ч. 2. М.: Углич, 2004, с.484.

37. Краусп В. Р. Автоматизация и информатизация управления электрифицированным сельскохозяйственным производством. Научные труды ВИМ «Развитие информационного обеспечения и инновационной деятельности», т. 143. М.: 2002.C. 47-54.

38. Ксеневич И.П., Солонский A.C., Рубенчих В.Я., Пснина Л.И. К программе исследования на ЭВМ динамики разгона и торможения колесного трактора // Тракторы и сельхозмашины 1079. №5 - с. 6-9.

39. Ксеневич И.П., Трофимов В.А., Хохлов А.И., Хорошенков В.К. Концепция автоматизации сельскохозяйственной техники // Тракторы и сельскохозяйственные машины . 1990, № 1.

40. Кутьков Г.М. Тяговая динамика тракторов М.: Машиностроение, 1980. -251 с.

41. Кутьков Г.М. Технологические основы мобильных энергетических средств, ч. 1, М.: МГАУ, 1999.

42. Кычев В.Н. Повышение производительности машинно-тракторных агрегатов на основе эффективного использования установленной мощности двигателей энергонасыщенных тракторов. Автореферат докторской диссерт. Челябинск, 1997,44с.

43. Левшин А. Г. Разработка методов повышения эффективности использования мобильных сельскохозяйственных агрегатов как человеко-машинных систем. Автореф. дис.д-ра техн. наук М., 2000, с. 40.

44. Лурье А.Б., Нагорский И.С., Озеров В.Г., Абелев Е.А., Литновский Т.В. Моделирование сельскохозяйственных агрегатов и их систем управления. Под ред. А. Б. Лурье. Ленинград: Колос, 1979.

45. Львов Е.Д. Теория трактора. М.: Машгиз, 1960. - 252 с.

46. Медведев М. И. Гусеничные зацепления тракторов. Киев: Машгиз, 1959, с. 248.

47. Нагорский И.С. Определение динамических характеристик сельскохозяйственных объектов управления с помощью ЭВМ // Вопросы сельскохозяйственной механик. Минск: Ураджай, 1970.

48. Наконечный И. И. Анализ технологических и эксплуатационных основ автоматизации зерноуборочных комбайнов.Труды ВИСХОМ, вып. 43. М.:1963.

49. Нехорошее В. В. Повышение эффективности использования тракторно-транспортного агрегата при эксплуатации путём применения упруго-демпфирующих связей. Автореф. на дис. . канд. техн. наук. Саратов, 2001, с. 18.

50. Нормативно-справочный материал для экономической оценки сельскохозяйственной техники. М.:1988, 106 с.

51. Пановко Я. Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Машиностроение, 1980, с. 270.

52. Парфёнов А. П. Динамика тракторного агрегата. М.:1991.

53. Полежаев А. А., Викторов А. И., Загинайлов В. И., Судник Ю. А. Борулько В. Г., Забалуев И. А. Патент РФ № 2189910 на изобретение / Устройство для автоматического контроля давления воздуха в шинах колёс сельскохозяйственного трактора / Бюл. № 27, 2002.

54. Полетаев А.Ф., Щетинин Ю.С. К вопросу формирования крюковой нагрузки при движении МТА. М., 1985. 19 с.

55. Прихотько Л.С., Щупак П.Л. Статический метод оценки колебания нагрузки на крюке трактора. Тр. НАТИ, вып. 203. М.:НАТИ, 1969. - с.4565.4&шидов Н. Р. Тракторные многозвенные поезда. Т.: Узбекистан, 1981, с. 368.

56. Розанов В.Г. Торможение автомобиля и автопоезда. М.: Машиностроение, 1964.-209 с.

57. Рославцев А. В., Быков А. А., Третяк В. М. Особенности движения много-звенчатых тягово-транспортных средств.// Приводная техника, 2004, №2, с.10-12.

58. Рославцев А. В., Быков А. А., Третяк В. М., Грибовский А. В. Комплектование машинно-тракторного агрегата и динамика его движения. // Приводная техника. 2003, № 3, с. 43-46.

59. Ротач В. Я. Расчёт систем автоматического регулирования с цифровыми регуляторами. Практикум по курсу « Теория автоматического управления ». М.: МЭИ, 1982.

60. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. М.: Энергия, 1973.

61. Ротенберг Р. В. Подвеска автомобиля. М.: Машиностроение, 1972, с. 392.

62. Сергованцев В.Т Факторы, определяющие развитие работ по автоматизации производства // Автоматизация и компьютеризация в сельском хозяйстве. Сб. науч. тр. МГАУ. Москва, 1995.

63. Сергованцев В.Т. Автоматика и вычислительная техника в сельскохозяйственном производстве. Сб. науч. трудов, М.: МИИСП, 1990, с. 306.

64. Сергованцев В.Т. и др. Компьютеризация сельскохозяйственного производства. М.: Колос, 1993, с. 106.

65. Сергованцев В.Т. О структурах и свойствах систем управления развития природы и общества // Автоматика и телемеханика 1993. № 2.

66. Серый Г. Ф., Соловьёв В. М., Стурис А. И. Исследование некоторых параметров систем автоматического регулирования зерноуборочного комбайна. Доклады МИИСП, вып. 1, т. 2. М.: 1965.

67. Силаев А. А. Спектральная теория подрессоривания транспортных машин. М.: Машиностроение, 1971, с. 190.

68. Скрябин В. В. Динамика тракторного агрегата. М.:1991.

69. Славкин В. И. Динамика рабочих органов самоходных картофелеуборочных комбайнов. Автореф. дисс. . докт. техн. наук. М.:1997.

70. Славкин В. И. и др. Особенности тягового баланса картофелеуборочного машинотракторного агрегата с двумя ведущими осями. Сб. науч. трудов. М.: НПО ВИСХОМ, 1990, с. 90-96.

71. Славкин В. И. и др. Эксплуатация машинотракторного парка. Саранск, Мордовский госуниверситет, 2002, с. 248.

72. Славкин В. И. Исследование переходных процессов в системе регулирования загрузки самоходного картофелеуборочного комбайна. Сб. науч. трудов. М.: МИИСП, 1982, с.49-55.

73. Стребков Д. С. Научно-технические проблемы автоматизации стационарных технологических процессов в сельском хозяйстве Н Автоматизация сельскохозяйственного производства. Тезисы докладов международной научно-технической конференции, т. 1.М.: ВИМ, 1997.

74. Судник Ю. А., Дидманидзе О. Н., Забалуев И. А. Математическая модель динамики движения системы «Трактор-демпфер-прицеп». Деп. рукопись ЦНИИТЭИавтосельхозмаш, № 1691-ТС, 2004.

75. Судник Ю. А., Дидманидзе О. Н., Забалуев И. А. Математическая модель энергетических цепей системы «Трактор-демпфер-прицеп». Деп. рукопись ЦНИИТЭИавтосельхозмаш, № 1690-ТС, 2004.

76. Судник Ю. А., Забалуев И. А. Имитационное моделирование тягово-сцепных устройств. «Проблемы энергообеспечения и энергосбережения в АПК Украины». Вестник Харьковского государственного технического университета сельского хозяйства. Харьков, 2001 г., Зс.

77. Судник Ю. А., Забалуев И. А., Грудин А. П. Решение о выдаче патента РФ по заявке № 2003113893 / Тягово-сцепное устройство / 2003.

78. Судник Ю.А. Машинный метод поискового конструирования новых датчиков. // Материалы международной научно=технической конференции « Энергосбережение в сельском хозяйстве ». М. ВИЭСХ, 1998.

79. Судник Ю.А. О методике лабораторно-полевых испытаний комбайнов, оборудованных автоматическими устройствами. Труды МИИСП, Т.Х111, вып.1, 1976.

80. Судник Ю.А., Денисов A.A., Воробьев A.C., Тырнов Ю.А. Устройство для измерения расхода жидкого топлива. A.c. 1788441 / Б.И. № 2, 1993.

81. Судник Ю.А., Кирилин Н.И. Построение математической модели мобильной сельскохозяйственной уборочной машины. Тезисы У Всесоюзного научно-технического совещания по автоматизации производственных процессов в сельском хозяйстве, 1977.

82. Тургиев А. К. Повышение эффективности и безопасности работы пропашного агрегата с трактором класса 1,4 Т. М.: 1988, с.205.

83. Тырнов Ю. А. Повышение эффективности технологических процессов на основе улучшения тягово-сцепных свойств колёсных тракторов при колебательной тяговой нагрузке. Дис. в виде научного доклада д. т. н., Рязань, 1999, 85 с.

84. Фаробин Я. Е. Теория поворота транспортных машин. М.:, 1970, с. 324.

85. Шавров A.B., Коломиец А.П. Автоматика. М.: Колос, 1999.

86. Шавров A.B., Солдатов В.В. Многокритериальное управление в условиях статистической неопределенности. М. : Машиностроение, 1990.

87. Шалягин В.Н., Фриккель Р.Б. К вопросу агрегатирования сельскохозяйственных колесных тракторов на транспортных работах // Тракторы и сельхозмашины 1983. №4. С. 3-7.

88. Шеповалов В.Д. Автоматизация уборочных процессов. М. :Колос,1985.

89. Шипилевский Г. Б. Повышение потребительских свойств тракторов средствами автоматического контроля и управления ( Теоретические и методические основы ). Автореф. дис. докт. техн. наук. Москва, 1998.

90. Шичков Л.П., Коломиец А. П. Электрооборудование и средства автоматизации сельскохозяйственной техники. М.: Колос, 1995.

91. Шкарлет А.Д. и др. Влияние неравномерности момента сопротивления на тяговые показатели тракторов при испытаниях // Тракторы и сельхозмашины 1978. №1. С.3-4.

92. Шкляр А. А. Динамика тракторного агрегата. М.:1991.

93. Щукин M. М. Устройство автомобилей и тягачей. M.: 1961.

94. Ясеневич В. В., Гушиневский Ю. Н., Куркин В. В. Исследование тормозной динамики тракторного поезда. Труды НАТИ, вып 188, 1967, с. 4348.

95. Traktorshwingungen und die Gesundheit des Menshen Gesundheitline schaden durch dn Traktorsitz // Traktor und Landmarsch. 1966. -28. №5.