Повышение производительности культиваторного МТА за счет применения автоматической системы контроля режимов генерации вибрации секций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Черноусов Павел Сергеевич

• Черноусов Павел Сергеевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Черноусов Павел Сергеевич

Введение

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Энергоемкость процесса почвообработки и пути ее оптимизации

1.2 Анализ исследований режимов функционирования рабочих органов культиватора с упругим креплением

1.3 Анализ конструктивных решений культиваторов с упругим креплением

1.4 Актуальные проблемы использования упругого крепления и вибрации рабочих органов для снижения энергозатрат

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОМУ РАЗДЕЛУ

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УПРУГО-МАССОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕКЦИИ КУЛЬТИВАТОРА С ВОЗБУДИТЕЛЕМ КОЛЕБАНИЙ

2.1 Упруго-массовые характеристики секции культиватора, оснащенной электромеханическим возбудителем колебаний

2.2 Моделирование процесса взаимодействия секции культиватора, настроенной на резонансный режим работы, с обрабатываемой средой

2.3 Сравнительная оценка амплитуды и ускорений вынужденных колебаний секции культиватора, оснащенной ЭГВ, и секции культиватора настроенной на резонансный режим работы

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОМУ РАЗДЕЛУ

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Программа и задачи исследования

3.2 Объект и предмет исследования

3.3 Лабораторные исследования генерации вынужденных колебаний секции культиватора

3.4 Подбор датчиков и необходимого оборудования для регистрации опытных данных. Монтаж выбранного оборудования

3.5 Разработка системы управления ЭГВ

3.5.1Разработка функциональной схемы системы управления

3.5.2Разработка алгоритма работы системы управления

3.5.3Разработка электрической принципиальной схемы управления

3.5.4Конструкция устройства управления ЭГВ

3.5.5Программирование микроконтроллера

3.6 Измерительная и регистрирующая аппаратура

3.7 Тарирование датчиков

3.8 Методика проведения эксперимента

3.9 Обработка экспериментальных данных

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕМУ РАЗДЕЛУ

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ КУЛЬТИВАТОРА С АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ ГЕНЕРАЦИИ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ

4.1 Лабораторные исследования генерации вынужденных колебаний секции культиватора

4.2 Анализ энергетических затрат электромеханического генератора вибраций

4.3 Анализ спектральных характеристик возмущающего воздействия почвенного фона на секцию культиватора

4.4 Спектральный анализ тягового сопротивления культиватора с различными устройствами активации колебательного режима работы

4.5 Влияние изменения характеристик почвенного фона на значение тягового сопротивления культиватора и отдельной секции

4.6 Влияние работы автоматической системы контроля режимов генерации вибрации секций на угол поворота стойки и глубину обработки

4.7 Производительность культиваторного агрегата с автоматической системой контроля режимов генерации вибрации

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОМУ РАЗДЕЛУ

5. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КУЛЬТИВАТОРА С АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ ГЕНЕРАЦИИ ВИБРАЦИИ СЕКЦИЙ

ВЫВОДЫ ПО ПЯТОМУ РАЗДЕЛУ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ПАТЕНТЫ РФ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ. СВИДЕТЕЛЬСТВА О РЕГИСТРАЦИИ ПРОГРАММ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ДИПЛОМЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ В. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ И ИСПЫТАНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение производительности культиваторного МТА за счет применения автоматической системы контроля режимов генерации вибрации секций»

Актуальность темы исследования.

Предпосевная обработка почвы является одним из важнейших подготовительных этапов перед посевом семян. Основное назначение данной операции это создание необходимых условий для роста и развития семенного материала благодаря организации требуемой глубины посева и обеспечению накопления и сохранения влажности в нижнем слое, так необходимых для роста и развития растений в первые периоды роста. Из сказанного можно сделать вывод, что все почвообрабатывающие орудия для предпосевной обработки должны обеспечивать качественные характеристики выполняемого технологического процесса. Это требование обеспечивается производителями на стадии проектирования и проведении испытаний разрабатываемых конструкций. Более сложной задачей является разработка менее материалоемких, энергоэффективных агрегатов способных выполнять обработку почвы на высоких скоростях. Снижение приведенных показателей позволит повысить экономическую эффективность процесса обработки и в результате снизить стоимость производимой продукции, что в целом поспособствует развитию продуктовой безопасности страны.

Один из известных способов увеличения энергоэффективности процесса культивации это применение упругого крепления секций почвообрабатывающего орудия к раме машинно-тракторного агрегата (МТА). Получаемые при этом колебания могут носить различную природу возбуждения, большинством ученых они оцениваются как эффект, снижающий тяговое сопротивление. Однако использование этого эффекта на практике затруднительно и все известные способы активации колебаний рабочего органа не обеспечивают его стабильности на всей площади обрабатываемого поля. Причиной этому являются изменяющиеся свойства почвы, которые не могут быть учтены настройками предлагаемых системы. Решение данной проблемы видится в применении автоматической системы контроля режимов генерации вибрации секций.

Степень разработанности темы. Исследования в области снижения затрат энергии в процессе почвообработки путем разработки новых конструкций рабочих органов, а также способов их активации проводятся на протяжении длительного периода времени. Большой теоретический и практический вклад в разработку данного вопроса внесли такие ученые как А.С. Кушнарев, И.В. Игна-тенко, С.И. Камбулов, С.В. Левицкий, Д.С. Гапич, С.Е. Федоров, М.А. Донченко, М.М. Константинов, С.Г. Мударисов, И.М. Фархутдинов, А.Б. Калинин, Г.А. Рябцев, Н.Г. Кузнецов, и др. Преимущественным направлением исследований у приведенных авторов является изучение вопроса снижения тягового сопротивления от применения упругих связей в элементах крепления рабочих органов к раме почвообрабатывающих орудий. Также часть исследователей рассматривала различные способы активации рабочих органов непосредственно автоколебаниями от почвенного фона или с использованием разнообразных внешних генераторов вынужденных колебаний. Тем не менее остается не решенным множество задач: выполнение агротехнических требований; появление мелкофракционных частиц под действием вибрирующих рабочих органов способствующих развитию ветровой эрозии почвы; сохранение устойчивости колебательного движения в условиях постоянно изменяющихся свойств почвы; сложность настройки предлагаемых конструкций, требующих проведения дополнительных математических расчетов для определения требуемой жесткости упругого элемента, а также отсутствие базовой информации по генерирующей способности различных видов почв, необходимой для выполнения правильной настройки активированных рабочих органов.

Объект исследования - технологический процесс обработки почвы при помощи культиваторного МТА.

Предмет исследования - культиватор с автоматической системой контроля режимов генерации вибрации секций, обеспечивающей устойчивое ускорение рабочего органа на протяжении всего процесса почвообработки.

Целью исследования является - повышение производительности куль-тиваторного МТА за счет применения автоматической системы контроля режимов генерации вибрации секций, позволяющей произвести адаптацию к условиям меняющихся свойств почвы.

Задачи исследования:

1. Проанализировать опыт применения и конструктивные особенности упругого крепления секций почвообрабатывающих орудий с различными способами активации.

2. Разработать математическую модель движения секции культиватора, оборудованной автоматической системой контроля режимов генерации вибрации, на основании которой выполнить оценку упруго-массовых и кинематических характеристик генератора вибрации и секции культиватора.

3. Разработать алгоритм и программу для работы системы контроля режимов генерации вибрации, позволяющие поддерживать устойчивые колебания секций в широком диапазоне изменения сопротивления почвенного пласта.

4. Провести сравнительные испытания культиваторного МТА, секции которого оборудованы автоматической системой контроля режимов генерации вибрации.

5. Выполнить экономическое обоснование эффективности применения культиватора с автоматической системой контроля режимов генерации вибрации секций.

Научная новизна работы:

— предложена автоматическая система контроля режимов генерации вибрации секций культиватора;

— разработана математическая модель движения секции культиватора, оборудованной автоматической системой контроля режимов генерации вибрации, на основании которой выполнена оценка упруго-массовых и кинематических характеристик генератора вибрации и секции культиватора.

На предлагаемые в работе технические решения получены патенты на изобретения, а на программную часть - свидетельство о регистрации программы ЭВМ.

Теоретическая и практическая значимость работы

Главным результатом, обуславливающим теоретическую значимость работы, является математическая модель кинематики секции культиватора, оборудованной автоматической системой контроля режимов генерации вибрации, с помощью которой возможно оценить амплитуду и ускорение рабочего органа, а также дать заключение об устойчивости его движения.

Практическая значимость заключается в разработке автоматической системы контроля режимов генерации вибрации секций культиватора, позволяющей произвести адаптацию МТА к условиям меняющихся свойств почвы.

Методология и методы исследования.

В представленной работе применена методология исследования, основанная на сочетании двух методов — это теоретическое обоснование гипотезы дедуктивным способом на основании результатов актуальных исследований в данной области и проведение ряда экспериментов, для подтверждения полученных теоретических выводов.

Теоретический метод базировался на положениях теоретической механики и теории колебаний твердых тел, а их обработка методами математического анализа позволила получить основные аналитические зависимости. Также в работе применялись методы математической статистики позволившие выполнить верификацию полученной модели на основе экспериментальных данных.

Экспериментальный метод основан на использовании общепринятых методик, адаптированных автором под конкретные условия проведения экспериментов.

Положения, выносимые на защиту:

1) математическая модель движения секции культиватора с электромеханическим генератором вибраций в почвенной среде;

2) автоматическая система контроля режимов генерации вибрации секций культиватора;

3) результаты сравнительного экспериментального исследования культи-ваторных МТА с различными системами генерации вибрации рабочих секций.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность исследований подтверждается высокой сходимостью данных, полученных в результате проведения теоретических и экспериментальных изысканий, а также наличием соответствующих документов, приведенных в приложении.

Основные положения и результаты исследования обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

— Национальная научно-практическая конференция «Научное обоснование стратегии цифрового развития АПК и сельских территорий», г. Волгоград, 9 ноября 2022г.

— Международная научно-практическая конференция, посвященная 80-летию победы в Сталинградской битве «Инновационные технологии в агропромышленном комплексе в условиях цифровой трансформации», г. Волгоград, 16-17 февраля 2023г.

— Национальная научно-практическая конференция, посвященная 100-летию со дня рождения доктора технических наук, профессора, академика ВАСХНИЛ (РАСХН) Г.Е. Листопада «Научное обоснование стратегии цифрового развития АПК и сельских территорий», г. Волгоград, 07-08 декабря 2023г.

— Международная научно-практическая конференция, посвящённая 80-летию со дня основания ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ «Инновационные технологии в агропромышленном комплексе в условиях цифровой трансформации», г. Волгоград, 08-09 февраля 2024г.

— Национальная научно-практическая конференция «Научное обоснование стратегии цифрового развития АПК и сельских территорий», г. Волгоград, 12 декабря 2024г.

— Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в агропромышленном комплексе в условиях цифровой трансформации», г. Волгоград, 13-14 февраля 2025 года.

Структура и объем диссертации

Работа соответствует требованиям к оформлению диссертаций ГОСТ Р 7.0.11-2011, текстовых документов ГОСТ Р 2.105-2019 и списка литературы ГОСТ Р 7.0.100-2018. Структура работы также соответствует стандарту и включает в себя: введение; раздел 1 с литературным обзором изученности вопроса; раздел 2 - посвященный рассмотрению теоретических положений проблемы; раздел 3 - описывающий методику эксперимента и используемое оборудование; раздел 4 - результаты экспериментальных исследований; раздел 5 - экономический эффект от применения разработанной системы; заключение, список литературы; приложения. Объем текстовой части работы составляет 166 страниц, в составе которых 89 иллюстраций, 7 таблиц и 3 приложения.

По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, 4 из которых в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 3 патента на изобретение и 1 свидетельство на программу ЭВМ. Объем опубликованных работ составляет 4,13 п.л., из них 2,1 п.л. принадлежит лично автору.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Энергоемкость процесса почвообработки и пути ее оптимизации

Современные энергетические проблемы затрагивают все отрасли народного хозяйства, в том числе и агропромышленный комплекс (АПК). Многие научные работы уже не одно десятилетие направлены на разработку способов снижения производственных энергозатрат на обработку почвы [1, 2, 8, 11, 12, 15, 27, 29, 31, 32, 35, 37, 39, 41, 42, 45, 46, 48, 52, 54, 55, 71, 75, 78, 81, 84, 91, 92]. В этом направлении проводятся исследования физико-механических свойств почвы, а также поиск оптимальных способов и средств воздействия на нее. Данные исследования позволяют добиться снижения энергозатрат при почвообра-ботке и выработать основные принципы проектирования современных эффективных почвообрабатывающих агрегатов и их рабочих органов, а также разработать новые или оптимизировать существующие подходы к возделыванию сельскохозяйственных культур.

К процессам оптимизации технологии возделывания в основном относятся вопросы, касающиеся количества необходимых операций воздействия на почву, применения тех или иных способов ее обработки и т.д. Проектирование современных МТА направлено на определение оптимальной компоновки и возможность комбинирования с другими агрегатами, а также на применение средств автоматизации и оптимизацию конструкции важных узлов. Процесс совершенствование рабочих органов (РО) направлен на оптимизацию их геометрии, а также на интенсификацию их воздействия на почву (например, использование вращения, ударных и вибрационных режимов).

В работе будет рассмотрена оптимизация режимов работы универсального культиватора, используемого для предпосевной обработки почвы. Предпосевная обработка почвы выполняется для формирования посевного ложа, далее в которое вносится посевной материал. Выполнение данной операции сокращает потерю влаги в почве и выравнивает поверхность поля.

Требования к качеству предпосевной обработки почвы регламентированы ГОСТ 26244-84 «Обработка почвы предпосевная»: «поверхность поля должна быть выровнена, высота гребней или глубина борозд должна быть не более 40 мм, с отклонением от заданной глубины обработки ±10мм; поверхностный слой почвы должен быть разрыхленным, а ее состав мелкокомковатым, в нем допускаются комки почвы размером по наибольшему диаметру до 25 мм не более 80%, а от 50 до 100 мм - не более 10%; отсутствие неподрезанных сорных растений» [21].

Не выполнение поставленных требований приводит к снижению урожайности культур. Например, отклонение глубины заделки семян пшеницы на 3-4 см от оптимальной приводит к снижению урожайности на 29 % [13]. Чрезмерное измельчение структуры почвы с образованием мелких фракций будет способствовать развитию ветровой эрозии, что является серьезной проблемой для Волгоградской области и всего Нижнего Поволжья. Для предотвращения развития эрозионных процессов учеными используется подход по совершенствованию конструкции рабочих органов [39]. В противном случае требуется введение ограничения на все процессы, приводящие к увеличению эродирующих частиц в почве.

Уменьшения энергетических затрат на культивацию почвы возможно добиться путем снижения тягового сопротивления от движения РО в почве. Данное утверждение напрямую связано с механикой процесса воздействия на почву РО. Как утверждает Г.И. Синеоков «сопротивление движению РО определяется выражением:

Я = Яз + + + Я0, (1.1)

где Rз - сопротивление, учитывающее проникновение лезвия клина в почву;

- сопротивление передвижению почвенного пласта (вес пласта);

- сопротивление, возникающее от сил инерции пласта и силы трения, возникающей на рабочей поверхности клина, RD - сопротивление почвы деформации, производимой рабочей поверхности клина» [79].

«Во время движения клина, с постоянной скоростью, часть сопротивлений (Я3, RG, RF) принимает одно, неизменное значение, в то время как ^ изменяется

в широком диапазоне» [79], согласно периодическому закону. Значения, принимаемые данным сопротивлением, зависят от деформации почвы под действием РО. Схема реакции почвы приведена на рисунке 1.1.

1

Рисунок 1.1 - Составляющие тягового сопротивления рабочего органа

клиновидной формы

Вопрос движения клина в почве достаточно хорошо изучен и имеет свои существенные различия в зависимости от способа крепления РО к раме МТА. Выделяют жесткое крепление рабочего органа и упругое.

При жестком креплении, как считает большинство ученых, «взаимодействие РО и почвенного пласта объясняется с помощью теории Кулона-Мора, согласно которой разрушение почвы происходит в результате сдвига пласта при определенном соотношении нормальных и касательных напряжений, которые определяются зависимостью

тк = Со +Ст^(ф), (1.2)

где тк - допустимое тангенциальное напряжение в почве; С0 - коэффициент сцепления почвы; а - нормальное давление на поверхности среза; tg(ф) - угол внутреннего трения» [6, 20, 34 д.р.].

Описанный процесс разрушения почвы наблюдается не во всех случаях, так как выявлена зависимость от её свойств. Так в условиях пониженной влажности на сухих почвах характер разрушения изменяется на скалывание, в то время как на более рыхлых почвах возможно сгруживание.

Под действием деформации сжатия возможно образование крупных, плотных фракций почвы, что увеличивает энергозатраты на обработку, в связи с

необходимостью их разрушения. Для борьбы с данным явлением были оптимизированы геометрические характеристики РО, обеспечивающие переменную деформацию обрабатываемого пласта [11]. Другим методом борьбы с глыбисто-стью является предложение по использованию комбинированных МТА с дисковыми ножами и рыхлящими органами. Еще один вариант предложен Ю.Н. Кади-ровым [38], в его конструкции используются РО с ярусно расположенными клиньями. В результате обработки в почвенном пласте возникает сеть периодических трещин, вызывающая его разделение на отдельные мелкие комки.

При упругом креплении секции культиватора процесс воздействия РО на почву происходит следующим образом. После заглубления вибрирующей лапы культиватора происходит передача колебательных движений от нее по всей площади соприкосновения к почве. В работе О.А. Денисовой говорится, что «возникающее усилие приводит к разрыву связей между частицами почвенного пласта, что служит причиной зарождения микротрещин. Эти трещины развиваются и формируют плоскости скалывания. Лезвие рабочего органа (РО) создает основную плоскость скалывания, которая распространяется на всю глубину обрабатываемого слоя. Впоследствии отделенный пласт почвы, двигаясь вдоль лезвия, подвергается разрушению в продольном и поперечном направлениях вследствие возникающих вибраций. Как показано на рисунке 1.1, когда сопротивление грунта ^ достигает максимума, он переходит в объемно-напряженное состояние. В этом состоянии для разрушения пласта достаточно даже незначительного нарушения связей между частицами. Этот процесс разрушения вызван возникновением в данном объеме знакопеременных напряжений» [26].

В своей работе Д.С. Гапич доказал, что «предел прочности почвенного пласта при воздействии колеблющимся РО значительно ниже, чем предел прочности при обработке жестко закрепленной к раме МТА секции» [19]. Это продемон-стрированно на графике, рисунок 1.2, и по мнению Д.С. Галича и О.А. Денисовой «связано со снижением угла внутреннего трения tgф почвы и увеличением виброускорений деформатора.

ф, °/о

О 0.2 0.4 0,6 0.8 1 1.2

Рисунок 1.2 - Экспериментальная зависимость коэффициента внутреннего трения почвы от виброускорения деформатора

Приведенную зависимость можно считать общим свойством снижения тангенциальной несущей способности почвы при изменении режимов ее деформации. Поскольку изменение коэффициента сцепления Со в выражении (1.2) в основном происходит за счет разрушения цементирующих веществ, а их сопротивление разрушению, как материалов, тоже определяется виброускорением де-форматора» [19, 26].

Резюмируем вышеприведенную информацию, возможно оптимизировать процесс культивации путем создания условий, при которых скорость вибрации РО будет превышать скорость поступательного движения машинно-тракторного агрегата, это приведет к исключению образования переуплотнений в почвенном пласте. Такой же вывод сделал Зоненберг Р.М.: «РО закрепленный на жесткой подвеске, до наступления фазы скалывания сильнее сжимает почву, чем на упругой. Также перед вибрирующим рабочим органом отсутствует уплотнение почвы, что влечет к снижению энергозатрат» [36].

Изучение упругого крепления секций культиватора происходит с 30-х годов 20 века. Среди иностранных ученых следует выделить А. СоШе [93], изучавшего влияние конструктивных параметров упругих стоек (в основном формы), а также способа их крепления на тяговое сопротивление культиваторного МТА.

Им установлено, что возможно снижение тягового сопротивления на 40 -42% при реализации колебательного режима работы секции с упругим креплением к раме. Приведенные результаты получены при частоте колебаний 10-15 Гц. Аналогичные исследования проводили А. Е§§епти11ег [94], А. Gasela.

Одним из первых ученых изучавших упругое крепление секций культиватора в нашей стране был А.Г. Рябцев [73]. Его исследования выявили следующие закономерности: обеспечение снижения тягового усилия на 25-32%; значительная эффективность от применения на твёрдых, спрессованных почвах (глинистых и суглинистых); снижение залипания лап почвой на 60-70% и значительное снижение обволакивания лап подрезанными сорными травами; зависимость виброэффекта от глубины; наличие зависимости между скоростью поступательного движения и тяговым сопротивлением. Другие ученые, проводившие исследования в этом направлении [18, 46, 79 и др.] также отмечали улучшение качества культивации и снижение забиваемости растительными остатками. Главным выводом большинства исследователей является способность данного способа крепления вызывать интенсивные колебания РО оказывающие воздействие на энергетику процесса обработки.

Также известны результаты исследований влияния влажности почвы на тяговое сопротивление МТА при динамическом воздействии вибрирующих рабочих органов. Так Н.В. Бугайченко утверждает, что «увлажненная почва при динамическом характере нагружения может переходить из вязкопластичного состояния в жидкотекучее. Происходит это за счет перехода влаги в почве из связанного в свободное состояние, при этом нарушаются структурные связи между агрегатами почвы, что сопровождается резким снижением ее прочностных характеристик» [9, 26].

Зоненберг Р.М. также исследовал снижение тягового сопротивления на почвах различной влажности и пришел к заключению, что от степени увлажнения почвы меняется характер изменения данного сопротивления. Для суглинков и супесей он выделил 3 основных диапазона: до 18-21% - диапазон интенсивного снижения сопротивления; 21-25% - диапазон плавного снижения сопротивления,

в следствии налипания почвы на РО; свыше 25% вновь наступает диапазон интенсивного снижения сопротивления. Также в своей работе он пришел к заключению, что использование вибрирующих рабочих органов приводит к снижению тягового сопротивления: для связанных почв с влажностью 28,2% до 37-42%; для песчаных с влажностью 18,5% до 17-18% [36].

Анализируя рассмотренные способы снижения энергозатрат процесса предпосевной почвообработки, можно сделать вывод, о том, что наиболее перспективным из них является способ с использованием динамических нагрузок от применения упругих стоек. Так как другие способы находятся в более исследованном состоянии, и их оптимизация или затруднительна или давала не такие значительные приросты эффективности, как от применения динамического воздействия. Известно, что оптимизация геометрии лезвия РО позволяет добить снижения тягового сопротивления в пределах 5... 15% [11]. В тоже время для динамического способа воздействия имеющего достаточно большую историю изучения до сих пор не разработана единая математическая модель, которой пользовались бы все исследователи. Также стоит отметить, что данный способ обладает лучшими энергетическими и агротехническими показателями. Что свидетельствует о необходимости проведения дальнейших исследований в данном направлении, с целью получения большего энергоэффекта за счет совершенствования конструкции и оптимизации теоретических моделей.

1.2 Анализ исследований режимов функционирования рабочих органов культиватора с упругим креплением

Исследования режимов работы РО упруго закреплённых культиваторов в основном проводилось по следующим направлениям: изучение вида и природы возникновения колебаний РО; интенсивность и частота колебаний РО; разработка математических моделей движения; определение энергоэффективности процесса обработки, устойчивость движения РО в процессе почвообработки. Исследования, проводимые в этом направлении, приведены в работах [8, 14, 19, 25, 27, 29, 30, 32, 33, 37, 42, 43, 44, 46, 49, 51, 54, 57, 70, 77, 81, 84, 85, 91, 93].

Первые исследователи процесса вибрации РО (Г.А. Рябцев, Г.Э. Свирский, П.Х. Хараев и др.) определяли природу их возникновения как вынужденную. Возбуждение колебаний объясняется наличием периодических скалываний в почве, поэтому сила сопротивления имеет детерминированную переменную составляющую пилообразной формы. Недостатком математических моделей, построенных на данной гипотезе - отсутствие учета влияния упругих смещений на силу сопротивления.

Современная трактовка возбуждения колебаний, определяет их как автоколебания. При этом необходимо учитывать зависимости силы сопротивления от упругих смещений, которая она сама вызывает. Так В.Е. Моргачев [53] считал силу сопротивления зависящей от виброскорости. В его работе учитывается, что силы смещения РО вызваны силой сопротивления почвы и оказывают на нее воздействие. Также в исследовании получалась неоднозначность силы сопротивления при врезании она меньше, а при отталкивании больше.

Все дальнейшие исследования в этом направлении в основном связаны с поиском источника автоколебаний. А.С. Кушнарев в своей работе предполагал, что источником автоколебаний является зависимость реакции почвы от деформации [49]. А. А. Завражнов также утверждал, что «причиной возникновения автоколебаний является взаимодействие с почвой, и они являются сложнозависи-мыми от конструктивных параметров системы и внешних возмущений. При этом применение режима автоколебаний позволит снизить силу сопротивления, получить информацию о режимах резания и с помощью этого выявить динамические особенности данного процесса» [33].

В качестве развития теории о генерирующих возможностях почвы учеными Волгоградского ГАУ проводились исследования с целью выявления указанных способностей различных почвенных фонов [58, 60, 72]. Оценку проводили на основании анализа частотного спектра изменения тягового (крюкового) усилия трактора. Пример получаемых зависимостей представлен на рисунке 1.3. Анализируя график спектральной плотности, можно определить виброускорения РО генерируемые крюковым усилием трактора, согласно выражению: «

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Черноусов Павел Сергеевич, 2025 год

// // //

// Инициализация ТРТ-экрана // Вход АЦП // Выход ШИП

// Выходы на мультиплексоры

// // //

// всё в Э И всё в 0 // всё в 0 // всё в 0

// Начальная скважность ШИМ 10% // Используем последовательный порт (БР1) // Инициализация ТРТ-экрана // Установка ориентации(поворот) экрана // Очистка зкрана (залавка одним цветом)

// Флаг

tft.fillRect(240, 170j 240,

tft.fillRect(240, 190, 240,

tft.fillRect(240, 210, 240,

20, TFT WHITE);

20, TFT_BLUE); 20, TFT RED);

Рисунок 3.24 - Часть программного кода на языке С++

3.6 Измерительная и регистрирующая аппаратура

Проведение экспериментальных исследований возможно только при использовании соответствующего измерительного и регистрирующего оборудования.

Регистрация опытных данных в ходе проведения полевых испытаний осуществлялась при помощи ПК и установленного на нем программного комплекса PowerGraph версии 3.3.9 позволяющего получать и обрабатывать опытные данные в виде осциллограмм. Все использованные в опытах датчики генерируют

аналоговые сигналы, поэтому для их преобразования в цифровые сигналы был использован аналого-цифровой преобразователь (АЦП) Е14-140 серийный номер №°Ш157546 производства ООО «Л Кард» (рисунок 3.25, а). Мощность сигналов установленных на оборудование датчиков - низкая, поэтому в работе был использован усилитель сигналов ТОПАЗ-3-01 (рисунок 3.25, б) серийный номер

№4895.

а) б)

Рисунок 3.25 - Общий вид измерительно-регистрирующей аппаратуры

а) ЦАП Е14-140; б) Топаз-3-01

Установка имеющегося измерительного и регистрирующего оборудования была выполнена под сидением водителя трактора. В том же пространстве были установлены две аккумуляторные батареи 12 В для раздельного питания двух групп оборудования. К первой группе относятся измерительно-регистрирующее оборудование совместно с группой тензо- и индуктивных датчиков. К второй -система автоматического управления совместно с тремя ЭГВ.

Для обеспечения возможности отключения части датчиков и для изменения контрольной оси акселерометра разработан блок переключателей (рисунок 3.26-2). Данный блок смонтирован на специально подготовленный кронштейн, приваренный к каркасу сиденья трактора.

Рисунок 3.26 - Размещение измерительно-регистрирующей аппаратуры в кабине 1 - усилитель сигналов; 2 - блок коммутации; 3 - АКБ; 4 - АЦП;

5 - сиденье водителя

Подключение датчиков к измерительному и регистрирующему оборудования выполнено при помощи кабелей, разделенных на две группы (силовую и контрольную). Кабельные трассы были проложены по кабине и выведены через задний оконный проем с последующим креплением к неподвижным частям конструкций трактора и рамы культиватора.

3.7 Тарирование датчиков

Тарирование датчиков проводилось на базе кафедры «Технические системы в АПК» Волгоградского ГАУ. Цель тарирования выполнение перевода получаемых в ходе проведения опытов сигналов датчиков из вольт (В) в другие физические не электрические величины, а именно в кН, м/с и градусы. Для тарирования тензодатчиков регистрирующих крюковое усилие была выполнена установка рамы - крепления культиватора к тягам гидронавески. Трактор разместили напротив заанкеренного к полу кронштейна предназначенного для создания

оттягивающего усилия и зафиксировали с помощью противооткатных колодок (рисунок 3.27). Далее с помощью винтовой стяжки и стального троса выполнили крепление рамы с кронштейном через динамометр. Для тарирования был использован динамометр с пределом измерения в 1кН. С помощью винтовой стяжки убрали провес натяжной системы и убедились в том, что стрелка динамометра установлена на нуле, далее выполнили регистрацию показаний в системе PowerGraph для нулевого усилия с предварительной точной настройкой сигнала на усилителе ТОПАЗ-3-01. Следующие этапы тарирования производились ступенчатым изменением нагрузки начиная с 300Н до 900Н с последующим шагом 200Н. И на последнем этапе нагрузку установили в нулевое положение, для того чтобы убедиться в отсутствии искажений в работе датчиков. Снимок экрана с тарирование датчиков, регистрирующих крюковое усилие приведен на рисунке 3.28. Регистрирующая

Рисунок 3.27 - Устройство тарирования датчиков крюкового усилия

Тарирование тензодатчиков датчиков, установленных на секциях культиватора, производилось по аналогичной методике, на специальном стенде. Стенд

Стальной трос

Динамометр

Рама

для тарировки представлял из себя сварную стальную раму, на которой с одной стороны размещалась одна секция культиватора, а с другой стороны крепилось устройство натяжения. Устройство натяжения также было снабжено винтовой стяжкой и динамометром с помощью которых менялись и измерялись прилагаемые усилия.

VI' : У •• ч <5 ■ II .-''--

си-] .] - ...•

706050403020-

1 | СИ11 | 0,01 * | 100% | 3:8 082 V: 15.7 КБ | 118.11.2023

Рисунок 3.28 - Снимок экрана с данными тарирования датчика крюкового усилия

Тарирования акселерометра выполнялось согласно документации производителя чипа ADXL335. Для этого необходимо на датчик подать напряжение в диапазоне 1,8-3,6В и произвести его ротацию по 3 осям. В результате правильного позиционирования на плоскость датчика будет воздействовать сила тяжести с ускорением равным 1 § и на выходе датчика установится напряжение равное половине опорного на тарируемой оси. Инструкция по тарированию датчика из документации изготовителя [104] приведен на рисунке 3.29.

gravity

a, Tour = Og

Рисунок 3.29 - Инструкция по тарированию акселерометра ADXL335

В качестве источника питания выбран блок с двумя элементами питания типа АА с суммарным ЭДС источника равным 3,3 В. Тарировку производили путем вращения одной секции культиватора в двух плоскостях продольной и поперечной. Результаты тарировки приведены на рисунке 3.30.

Файл Правка Вид Сервис Канал 13 Блок 20 Обработка Анализ Помощь

ув iQi i 1 ш 0 е ш in | т т # д в ^ он н \ т Q

S «о- Ш\\тт xrn.\mmmm\mi

2.22.01.81.6- Л ■ /

1.21.00.80.6- ......Л : \ 1 к /

■••;+!••;••;• V \ 1 ! J

¡Q ► ( 1,6734 V \ г V

1 / У

|

S

\

In

-1,2- 1

\

-1,6- X

\л

y\Ni

X: 0,7 s 13 2 4 6 8 10 19 2 4 6 8 HI

и а ►► и ©I 10:1 | ©И |

1 | Chi 3 | 0.2 X | 7.672%

Рисунок 3.30 - Результаты тарировки акселерометра

3.8 Методика проведения эксперимента

Эксперимент проводился на опытных полях Советского района г. Волгограда, расположенных в непосредственной близости от п. Горный. Климатические условия во время проведения эксперимента:

• Температура окружающей среды 22 - 24 0С;

• Атмосферное давление 755-760 мм рт. ст.;

• Влажность воздуха 30-35%

• Ветер северо-западный 4 -4,5 м/с.

Для проведения эксперимента выбирались прямолинейные участки поля с незначительным уклоном, составляющим не более 50. Для исключения влияния рельефа на опытные данные выбирались ровные участки, а влияние микрорельефа исключалось за счет неоднородности настроек каждой из трех секций культиватора. Для определения характеристик почвы на выбранных участках производился забор почвы на глубине 10-12 см, последующий лабораторный анализ показал, что влажность исследуемой светло-каштановой почвы составляла 1113%, твердость 2,35 МПа на глубине забора. Агрофон поля - стерня с величиной пожнивных остатков 0,16-0,22 м.

Эффективность работы культиватора с автоматической системой контроля режимов генерации вибрации секции опытным путем сравнивается с жестко закрепленной секцией, а также с секциями, настроенными на режим автоколебаний и работающими в режиме принудительной вибрации постоянной частоты. Принцип организации и настройки конструкций для режимов автоколебаний и принудительных колебаний постоянной частоты изложен в работах [26, 46]. Настройка жесткости упругого элемента предлагаемого культиватора оборудованного автоматической системой контроля режимов генерации, также выполнена по аналогичной методике.

Не посредственно перед проведением испытаний выполнялась настройка глубины обработки почвы каждого культиватора. Регулирование выполнялось до достижения глубины обработки - 150 мм, контроль настройки выполнялся на

тестовых проходах с последующим измерением при помощи линейки и трапециевидного правила.

Эксперимент производился в четыре этапа. На первом этапе исследовали жесткозакреплённую секцию культиватора. Второй этап — это исследование работы культиватора без использования дополнительного источника вибраций в режиме автоколебаний, с настройкой жесткости упругого элемента на резонансный режим. Третий - с использованием ЭГВ, настроенного на режим генерации с постоянной частотой, не зависящей от других внешних факторов. На четвертом выполнялись исследования предлагаемой конструкции с ЭГВ и автоматической системой контроля режимов генерации вибраций, выполняющую адаптацию системы под условия изменяющихся свойств почвы. В качестве переменных значений в исследовании выступали в первую очередь длина обрабатываемого участка, скорость обработки и изменение шага измерений ускорения лапы. При этом к основным исследуемым показателям отнесены тяговое сопротивление на крюке МТА, виброускорение лапы и угол поворота секции относительно оси вращения. Запись осциллограмм производили от момента трогания МТА до его выхода на рабочую скорость.

Основной целью проведения эксперимента была необходимость получить подтверждение теоретической гипотезы о возможности поддержания устойчивого движения (виброускорения) лапы культиватора при естественном изменении сопротивления деформации почвы.

3.9 Обработка экспериментальных данных

Полученные экспериментальные данные представляют собой достаточно большой массив информации качественная обработка которого возможна только с применением программных средств. Поэтому дальнейшая работа с данными производилась в трех программных продуктах PowerGraph 3.3.9, MathCad 15 и MS Excel. С помощью PowerGraph и данных полученных при тарировке датчиков, а также с учетом информации об относительной погрешности приборов выполнили калибровку осциллограмм с последующей выгрузкой данных. Далее

выгруженные данные обрабатывались с помощью разработанной теоретической моделью в программной среде MathCad 15. Результаты обработки показывают, что применение дополнительных ЭГВ с автоматической системой контроля режимов генерации хоть и усложняет конструкцию и увеличивает стоимость культи-ваторного агрегата, однако позволяет добиться устойчивого снижения тягового сопротивления при естественном изменении характеристики сопротивления почвы. Добиться постоянства стало возможно с применением автоматической системы контроля режимов генерации позволяющей постоянно сообщать недостающий уровень возмущающего воздействия при единоразовой настройке упругого элемента перед началом работ.

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕМУ РАЗДЕЛУ

1. Разработана автоматическая система контроля режимов генерации вибрации, установленной на секции культиватора.

2. Разработан алгоритм и программа для работы системы контроля режимов генерации вибрации, позволяющие поддерживать устойчивые колебания секций в широком диапазоне изменения сопротивления почвенного пласта.

3. Подготовлен измерительно-регистрирующий комплекс, для регистрации опытных данных, на базе ПК с программным обеспечением PowerGraph 3.3.9, АЦП Е14-140, усилителем сигналов ТОПАЗ-3-01, а также акселерометра, тензо- и индуктивных датчиков.

4. Проведены сравнительные испытания культиваторного МТА без дополнительных источников возмущающего воздействия и снабжённого ими. В результате доказано теоретическое предположение возможности сохранения устойчивого движения рабочего органа при изменении характеристик сопротивления почвы.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ КУЛЬТИВАТОРА С АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ ГЕНЕРАЦИИ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ

Представленная во втором разделе математическая модель требует практического подтверждения. В связи свыше сказанным был проведен ряд экспериментальных исследований, которые можно разделить на две основные группы:

1. Лабораторные эксперименты;

2. Полевые эксперименты.

В рамках лабораторных экспериментов произведена оценка генерирующих способностей ЭГВ, а также выполнены наладка и испытание разработанной автоматической системы контроля режимов генерации вибрации. Одной из основных задач в рамках наладочных работ являлось получение математической функции по расчету величины коэффициента скважности (основной управляющей величины, регулирующей количество оборотов двигателя ЭГВ) с целью генерации необходимого дополнительного возмущающего воздействия с требуемой величиной линейного ускорения a/g. Дополнительная задача - определение энергетических затрат разработанной системы (ЭГВ и схемы управления).

В рамках полевых экспериментов требовалось оценить генерирующие способности почвенного фона на секции культиватора и тягового сопротивления исследуемого агрегата. Выполнить это возможно путем проведения спектрального анализа зарегистрированных опытных данных. Дополнительно определена неравномерность распределения тягового сопротивления на длине одного гона. Качественные показатели работы культиваторного агрегата оценены с помощью существующих агротехнических норм, соблюдение которых является важной составляющей процесса почвообработки. На последнем этапе выполнена оценка производительности культиватора с разработанной автоматической системой.

4.1 Лабораторные исследования генерации вынужденных колебаний секции культиватора

С целью определения генерирующих возможностей электромеханического возбудителя вынужденных колебаний проведен лабораторный опыт на свобод-ностоящей секции, методика которого описана в п.3.3 главы 3. В результате проведения испытаний, с пятикратным повторением, получены зависимости ускорения носка лапы (рисунок 4.1) и генерируемой частоты вынужденных колебаний секции (рисунок 4.2) в зависимости от коэффициента скважности управляющего ШИМ сигнала. Коэффициент скважности пропорционален напряжению подаваемому на обмотки двигателя и имеет практическую значимость при написании программы микроконтроллера формирующего управляющий сигнал ШИМ в таком формате.

a/g

2,5

0,0 -1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Рисунок 4.1 - Ускорение носка лапы рабочего органа в зависимости от коэффициента скважности управляющего сигнала

Рисунок 4.2 - Частота вынужденных колебаний секции в зависимости от коэффициента скважности управляющего сигнала

Полученные результаты показывают способность ЭГВ устойчиво генерировать возмущающее воздействие в широком диапазоне ускорений, от 0,11 до 1,45 о.е, для коэффициента скважности 5-100%. Стоит отметить, при коэффициенте менее 4 % напряжение на обмотках двигателя недостаточно для развития минимально необходимого пускового момента для проворачивания эксцентриситетов. Диапазон частот вынужденных колебаний находится в пределах 6,7562,5 Гц.

Анализируя полученные результаты, делаем вывод о необходимости сужения регулируемого диапазона коэффициента скважности ввиду отсутствия необходимости генерации колебаний с частотой более 25 Гц и ускорением a/g более 0,8. Объясняется это тем, что рассматриваемая система почва-рабочий орган низкочастотная, а оптимальное значение ускорения носка лапы, для снижения угла внутреннего трения, составляет 0,4g.

Таким образом для системы с заданными настройками жесткости следует ограничить диапазон регулирования коэффициента скважности 5-40%. Обозначенный диапазон выбран из соображений устойчивости работы двигателя с

представленными маховыми массами, в резонирующей системе и обладающим неустойчивостью работы при 40%^<42% (800<п<1000 мин-1), что можно наблюдать на рисунке 4.3 с резким переходом на скорости свыше 1000 мин-1. Однако требуемые значения ускорения достигаются при меньших величинах D, на п= 630-670 мин-1, что свидетельствует о достаточности заявленного диапазона регулирования. Стоит отметить, что изменение жесткости системы (исключением рабочих витков упругого элемента) приведет к необходимости коррекции диапазона регулирования D, и требует проведения дополнительных исследований, которые в рамках данной работы не проводились.

Рисунок 4.3 - Зависимость количества оборотов двигателя от коэффициента

скважности

Анализируя рисунок 4.3 с учетом выбранного диапазона регулирования, стоит отметить линейный характер зависимости пф), чего нельзя сказать об ускорении a/g(D). В связи с нелинейностью зависимости, встает необходимость по определению значения коэффициента D на выходе автоматического

устройства управления системы контроля режимов генерации вибраций, по данным получаемым от датчика ускорения. Для получения расчетной формулы по формированию управляющего сигнала микроконтроллером произведем перестроение зависимости в вид D=f(a/g) и аппроксимируем полученную зависимость полиномом 4 степени (рисунок 4.4). В результате получено выражение с достоверностью аппроксимации 0,955, используемое в программном коде устройства:

В = -43,983а4 + 184,12а3 - 275,49а2 + 181,42а - 7 (4.1)

Б, %

---- _ — ~

х-.

У? яг л О = -43 ,983а4 + 184,12а3 - 275,49а2 + 181,42а - 7 К2 = 0,9553

уГ / ' / /_

/ / // А /

7/ /I

т

ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

Рисунок 4.4 - Зависимость коэффициента скважности от ускорения рабочего

органа секции

4.2 Анализ энергетических затрат электромеханического генератора вибраций

На основании полученной зависимости представленной на рисунке 4.5 можно определить потребляемую мощность двигателя ЭГВ. Для всего диапазона D потребляемая мощность изменяется от 1,2 Вт до 30 Вт, тогда для выбранного диапазона регулирования 1,2-4,2 Вт на один двигатель. На работу

опытного культиватора, состоящего из трех секций, с учетом устройства управления затрачивается 4,6-12,6 Вт.

i, а

о -1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Рисунок 4.5 - Зависимость силы тока двигателя от коэффициента скважности

4.3 Анализ спектральных характеристик возмущающего воздействия почвенного фона на секцию культиватора

Как отмечалось в предыдущих главах данной работы оценка реакции почвенного фона является одной из важнейших характеристик необходимых для правильной настройки пружинных элементов по методике [26], а также для выбора постоянной частоты вращения генератора по методике [46] и предлагаемого культиватора оснащенного автоматической системой контроля режимов генерации вибрации секций. Все вышеприведенные конструкции должны быть настроены на господствующие частоты возмущающего воздействия, генерируемые почвенным фоном подвергаемого обработке, с целью достижения резонансного режима системы. Оценку возмущающего воздействия принято проводить на

основании анализа спектральных плотностей получаемых при обработке опытных осциллограмм тягового сопротивления рабочей секции.

На рисунках 4.6 и 4.7 представлены результаты обработки опытных данных для почвенного фона стерня, полученных на 4 отрезках в рамках одного гона по опытному полю. еда

12 ■

10 ■

6 -

4 -

2 -

0

шах 2 | ^тахЗ • ^"тах ^шах4 1 1 \ |

2Л 1 / 1 _ / 1 / 1 / 1 / 1 1 \ > \

Ж 1 \ N. ' V у -1

13,4

X, Гц

0 5 10 пд 13,9 15 16,4 20 25

Рисунок 4.6 - Спектральные плотность реакции почвенного фона стерня на секцию культиватора на различной дистанции в рамках одного гона

1 - интервал 0-200м; 2 - интервал 200-400м; 3 - интервал 400-600м; 4 - интервал

600-800м.

14 Ю 6

2

Рисунок 4.7 - Спектральные плотность реакции почвенного фона стерня на секцию культиватора на различной дистанции в рамках одного гона

1 - интервал 0-200м; 2 - интервал 200-400м; 3 - интервал 400-600м; 4 - интервал

600-800м.

На основании полученных результатов следует отметить, что рассматриваемый процесс является узкополосным, а господствующая частота для одного гона опытного поля может меняться достаточно значительно, принимая значения выходящие за пределы погрешности и способна оказать значительное воздействие на настройки адаптивной секции почвообрабатывающего орудия. При этом ширина спектра господствующих частот также варьируется, но не так значительно (таблица 4.1). Все выше проанализированное свидетельствует об изменении свойств почвы в пределах одного гона и необходимости постоянной адаптации почвообрабатывающего агрегата в процессе культивации на господствующую частоту с целью поддержания резонансного режима и эффективного использования энергии, сгенерированной от взаимодействия с почвенным фоном.

Расчет ширины спектра произведен на основании выражения:

(4.2)

I ^

АЕ = ^-,

15(К)

Таблица 4.1 - Результаты анализа спектральных плотностей реакции почвенного фона стерня на секцию культиватора на различной дистанции

Параметр Обрабатываемый интервал, м

0-200 200-400 400-600 600-800

Полоса господствующих частот при Б(Я) = 2кН, Гц 10-18,88 8,85-16,87 10,43-17,84 10,72-20,1

Ширина спектра АХ, Гц 8,88 8,02 7,41 9,38

Господствующая частота Хтах, Гц 13,9 11,2 13,4 16,4

Отношение площадей сигнала АЕ при спектральной плотности более 2 кН 0,41 0,385 0,378 0,43

4.4 Спектральный анализ тягового сопротивления культиватора с различными устройствами активации колебательного режима работы

Оценка динамической нагруженности трактора во время процесса почво-обработки является одним из критериев для определения эффективности применяемых разработок, так как позволяет выявить положительное и отрицательное влияние на сопротивление перекатывания и коэффициент буксования трактора [17]. Количественная оценка нагруженности производится при помощи спектрального анализа тягового сопротивления культиватора, а именно с помощью определения динамичности процесса, которая в свою очередь коррелируется с площадью ограниченной кривой 8(Ркр). С учетом выше сказанного расчетная формула для оценки динамичности будет иметь вид:

W = £22 8(КкР) (4.4)

8 (V

А к

( 1

& \ 1 4 \

) Л

1 З-ч У

V 1 , М\1 Л г2 у;

щ

О 5 10 15 20 л, Гц

Рисунок 4.8 - Спектральные плотности тягового сопротивления культиватора 1 - жесткое крепление секции; 2 - секция, настроенная на режим автоколебаний; 3 - секция с принудительной вибрацией постоянной частоты; 4 - секция с автоматической системой контроля режимов генерации вибрации.

Анализ динамичности процесса произведем путем сравнения площадей процессов, соответствующих четырем режимам работы. На рисунке 4.8 представлены спектральные плотности тягового сопротивления культиватора с секциями работавшими в следующих режимах: 1 - режим работы с жестким креплением к раме и отсутствием колебательного процесса (базовый режим); 2 - упругое креплением к раме, настроенное при помощи пружинного ввертыша на режим автоколебаний; 3 - режим с упругим креплением к раме и ЭГВ, настроенным на генерацию постоянной частоты 16 Гц; 4 - режим с упругим креплением к раме и автоматической системой контроля режимов генерации на базе ЭГВ. Исследуемый почвенный фон стерня. Спектральная плотность 1 имеет узкий спектр дисперсии (диапазон 0-5 Гц), с четырьмя характерными всплесками на частотах 0,5 Гц, 1,18 Гц, 2,37Гц, 3,32 Гц. Что касается диапазона 5-20Гц, то ярко

выраженные всплески, обладающие значительной энергетической составляющей, способной оказать значительное влияние на количественную оценку- отсутствуют. Анализ режимов работы упруго закрепленного рабочего органа с различными видами колебательного процесса также показал наличие четырех характерных низкочастотных всплесков (диапазон 0-5Гц), но с меньшими амплитудами и наличием высокочастотных всплесков с различным диапазоном в зависимости от применяемого способа получения колебаний рабочего органа. Так для режима автоколебаний 2 диапазон составил 14,1-15,29 Гц с максимальным значением Я^.™^ = 28,54 кН, для режима вынужденных колебаний с ЭГВ настроенного на постоянную частоту 3 - 13,86-15,46 Гц с Якр.™^ = 172,1 кН, а для режима с системой автоматического контроля режимов генерации вибрации секций 4 - 12,93-16,48 Гц с Rкр.max4 194,2 кН. На больших частотах колебательный процесс практически не наблюдается, причиной этому может служить демпфирование, вызванное диссипативными свойствами почвы. Господствующей частотой для режима: 2 - является 14,78 Гц; 3 - 14,87 Гц; 4 - 14,82 Гц. Расчет проведенный по выражению (4.4) позволяет сделать заключение, что благодаря использованию виброэффекта динамическая нагруженность трактора не значительно снизилась. Снижение динамичности произошло благодаря большему снижению амплитуд гармонических составляющих в диапазоне 0-5 Гц по сравнению с их ростом на диапазоне 13-16,5 Гц. По результатам расчетов построена гистограмма (рисунок 4.9).

Результаты проведенного спектрального анализа тягового сопротивления культиватора представлены в таблице 4.2.

100% 98% 96% 94% 92% 90%

Жесткое крепление Секция с режимом Секция с Секция с

автоколебаний принудительной автоматической

вибрацией системой контроля

постоянной частоты режимов генерации

вибрации

Рисунок 4.9 - Оценка динамичности процесса по результатам анализа спектральных плотностей тягового сопротивления

Таблица 4.2 - Аналитические данные спектральных плотностей тягового

сопротивления культиватора

Параметр Жесткое крепление Режим автоколебаний Режим вынужденных колебаний Автоматическая система контроля

Номер позиции 1 2 3 4

Полоса господствующих частот, Гц 0-5 14,1-15,29 (0-5) 13,86-15,46 (0-5) 12,93-16,48 (0-5)

Ширина спектра АХ, Гц 5 1,19 1,6 3,87

Господствующая частота Хтах, Гц 0,5 14,78 14,87 14,82

Площадь фигур Б(Якр) 115810 27160 23671 19524

Динамичность процесса, % 100 98,7 97,3 96,5

4.5 Влияние изменения характеристик почвенного фона на значение тягового сопротивления культиватора и отдельной секции

По результатам проведенных исследований реакции почвенного фона на секцию культиватора и сравнения тяговых сопротивлений с различными способами активации колебательного режима были проведены опыты для определения влияния изменения характеристик почвенного фона на тяговые сопротивления культиватора. В исследовании проводились испытания культиватора с

100,0%

98,7% 97,3%

96,5%

жестко закрепленной секций и с секцией, имеющей упругое крепление, но работавшей в 3 режимах: автоколебаний; с ЭГВ, работающим на постоянной частоте; с автоматической системой контроля режимов генерации вибрации. Для этого упругий элемент секции в режиме автоколебаний был настроен на господствующую частоту для фона стерня - 14,1 Гц, постоянная частота вращения ЭГВ составляла 14 Гц, разработанная система автоматического контроля режимов генерации вибрации с ЭГВ настроена на 14,1 Гц. Результаты проведенного исследования для одной секции (средней) культиватора, приведены в виде графических зависимостей на рисунке 4.10.

1*с, кН

О 100 200 300 400 500 600 700 800

Рисунок 4.10 - Изменение тяговых сопротивлений секции культиватора на дистанции одного гона поля

1 - жесткое крепление секции; 2 - секция, настроенная на режим автоколебаний; 3 - секция с принудительной вибрацией постоянной частоты; 4 - секция с автоматической системой контроля режимов генерации вибрации

Анализ полученных результатов подтверждает гипотезу, о том, что изменение характеристик почвенного фона приведет к смещению генерируемых им господствующих частот и системы активации, работающие без обратной связи и возможности автоматической подстройки под вновь генерируемые частоты будут работать нестабильно или совсем не эффективно. Так система в режиме автоколебаний на первых 420 метрах работала эффективно и наблюдалось снижение тягового сопротивления относительно эталонного в данном случае жесткого крепления, для которого стандартное отклонение составило 0,106 кН, а после 420 м произошло наложение графиков, свидетельствующее о неэффективности работы системы. Стандартное отклонение для режима автоколебаний составило 0,193 кН. Режим с ЭГВ, работающим с постоянной генерируемой частотой, проявил себя гораздо стабильнее, наблюдается снижение тягового сопротивления на всей длине обрабатываемого гона, однако присутствуют зоны с ярко выраженными точками экстремумов, указывающие на значительное отклонение генерируемых почвенным фоном частот и не способностью в должной мере устройства произвести активацию. Стандартное отклонение для данного режима составило 0,111 кН. Разрабатываемое устройство благодаря наличию обратной связи и возможности адаптации показывает самый стабильный результат. С минимальным отклонением тягового сопротивления на протяжении всей обрабатываемой длины поля, стандартное отклонение равно 0,086 кН. Усредненные данные тягового сопротивления на всей длине обработки приведены на рисунке 4.12. Они показывают, что предлагаемое устройство позволяет снизить тяговое сопротивление на 15,2 % относительно жесткого крепления, а также на 4,7% относительно секции с принудительной вибрацией постоянной частоты и 11,5% относительно устройства с режимом автоколебаний.

100,0% Кс.ср, кН

4,0 3'96 96,3%

3,81

89,5% 3,55

3,5 2,0

Жесткое крепление Автоколебания С постоянной генерацией С адаптивной генерацией

возбуждающего возбуждающего

воздействия воздействия

Рисунок 4.12 - Средние значения тяговых сопротивлений секции культиватора

на дистанции одного гона поля (800м)

Более полную картину дает анализ работы культиватора, состоящего из трех секций так как при этом учитываются сопротивления всех узлов, оказывающих воздействие на систему. Так культиватор с режимом автоколебаний обладает самым большим стандартным отклонением на длине 800 м - 0,77 кН и он эффективнее жесткого крепления на 4,1%. Данный способ активации является самым не стабильным и на дистанции 400м эффект от применения конструкции нивелируется и не отличим от режима с жестким креплением. Культиватор с ЭГВ в режиме генерации постоянной частоты эффективнее на 9,6 % и обладает стандартным отклонением - 0,511 кН. Культиватор с автоматической системой контроля режимов генерации колебаний секций эффективнее на 14,5 %, стандартное отклонение составило 0,276 кН. Полученные зависимости и их усреднение представлены на рисунках 4.13 и 4.14.

Аналитические данные тягового сопротивления трехсекционного культиватора и одной секции сведены в таблицу 4.3.

84,8% 3,36

Рисунок 4.13 - Изменение тяговых сопротивлений культиватора на дистанции

одного гона поля

1 - жесткое крепление секций; 2 - секции, настроенные на режим автоколебаний; 3 - секции с принудительной вибрацией постоянной частоты; 4 - секции с автоматической системой контроля режимов генерации вибрации

Ик.ср, кН

100,0% 14,14

95,9% 13,56 90,4%

12,78 85,5% 12,09

Жесткое крепление Автоколебания С постоянной генерацией С адаптивной генерацией

возбуждающего возбуждающего

воздействия воздействия

Рисунок 4.14 - Средние значения тяговых сопротивлений культиватора на дистанции одного гона поля (800м)

Таблица 4.3 - Аналитические данные изменения тягового сопротивления

на дистанции 800м

Параметр Жесткое крепление Режим автоколебаний Режим принудительных вибраций постоянной частоты Автоматическая система контроля режимов генерации вибраций

для одной секции

Среднее значение тягового сопротивления Rс.ср., кН 3,96 3,81 3,54 3,36

Стандартное отклонение, кН 0,106 0,193 0,111 0,086

Снижение тягового сопротивления, % 0 3,7 10,5 15,2

для культиватора

Среднее значение тягового сопротивления Як.ср., кН 14,14 13,56 12,78 12,09

Стандартное отклонение, кН 0,380 0,770 0,511 0,276

Снижение тягового сопротивления, % 0 4,1 9,6 14,5

Таким образом наличие обратной связи с постоянной подстройкой частоты генерируемых колебаний под господствующую частоту почвенного фона

обеспечивает стабильное снижение тягового сопротивления как на крюке трактора, так и на отдельно взятой секции на всей обрабатываемой площади поля.

4.6 Влияние работы автоматической системы контроля режимов генерации вибрации секций на угол поворота стойки и глубину обработки

Как упоминалось ранее, согласно ГОСТ 26244-84 [21] отклонение глубины обработки при культивации почвы не должно выходить за пределы диапазона ±10мм. Данное требование является достаточно жестким, но необходимым для правильного развития засеваемых культур. Вопрос отклонения от нормируемой глубины обработки достаточно актуален, по причине постоянного перемещения носка лапы рабочего органа. Возможно предположить, что в резонансном режиме перемещения могут достигнуть значительных величин и в следствии этого качество обработки не будет соответствовать агротехническим требованиям и тем самым будет наложено ограничение на использование устройства. Поэтому данный вопрос требует анализа.

Согласно приведенному стандарту, глубина обработки — это среднеарифметическое значение пятнадцати измерений, выполняемых при помощи линейки с точностью 0,5мм и поперечной рейки, укладываемой на образовавшиеся гребни, на обрабатываемой площади. Для измерений использовалась линейка, соответствующая ГОСТ 427-75, а в качестве рейки - трапециевидное правило. Точки для измерения намечались на равных интервалах длины исследуемой дистанции. Как указано в п.3.8 настройка глубины культивации выполнена на 150 мм. Результаты измерений глубины обработки и ее отклонения представлены в таблице 4.4 и рисунке 4.15.

Таблица 4.4 - Сводная таблица измерения глубины обработки согласно

ГОСТ26244-84

Порядковый номер измерения Дистанция L, м Глубина обработки Н, мм Отклонение глубины от нормы Д^ мм

1 50 145 5

2 100 143 7

3 150 143 7

4 200 144 6

5 250 146 4

6 300 145 5

7 350 146 4

8 400 143 7

9 450 143 7

10 500 142 8

11 550 143 7

12 600 144 6

13 650 143 7

14 700 143 7

15 750 142 8

Среднее арифметическое значение, мм 143,7 6,3

Стандартное отклонение, мм 1,291 1,291

Среднее значение глубины обработки составило 143,7 мм, отклонение глубины от установленного значения 150мм составило - 6,3мм. Выход за пределы допустимого отклонения 10 мм не наблюдается.

ДЬ, мм

(ГОСТ26244-84)

Граница агротехнических требований

О 100 200 300 400 500 600 700 800

Рисунок 4.15 - Отклонение от заданной глубины обработки, определённое по

методике ГОСТ26244-84

Угол поворота секции относительно оси вращения можно считать альтернативной величиной контроля отклонения глубины обработки. Данный параметр регистрировался с помощью осциллограммы, приведенной на рисунке 4.16. Согласно чертежу, приведенному на рисунке 4.17 был произведен вывод формулы отклонения глубины обработки. Стоит отметить, что измерять отклонение таким способом возможно только после точного определения установленной на культиваторе глубины обработки.

Л11 = R(cos а-^(ф + а)), (4.5)

где Я- радиус поворота; а - начальный угол положения носка лапы относительно перпендикуляра проведенного через ось вращения; ф - угол поворота секции.

Рисунок 4.16 - Осциллограмма угла поворота секции

Рисунок 4.17

После проведение расчета ДИ, по представленной формуле (4.5) получен график зависимости отклонения глубины обработки от длины обрабатываемого участка, приведенный на рисунке 4.18.

ДЬ, мм

Граница агротехнических требований

Ал л

Л* Л/^ 1» к Л г мл

7 И VГ

У л и П

У К I1 1

У V

_ _ _ _

О 100 200 300 400 500 600 700 800

Рисунок 4.18 - Отклонение от заданной глубины обработки, полученное рас-

четным путем

Из полученного графика хорошо прослеживается корреляция между углом поворота и отклонением глубины обработки ДИ. Также на график нанесено предельное значение отклонения глубины обработки (граница агротехнических требований), за которое параметры не выходят, что свидетельствует об устойчивости движения лапы рабочего органа. Согласно данным полученным пересчетом угла поворота лапы отклонение глубины обработки в среднем составляет 6,6 мм, при средней глубине обработки 143,5 мм со стандартным отклонением 1,4 мм.

Измерения, выполненные по методике ГОСТ26244-84 сопоставимы с результатами пересчета угла поворота лапы. На этом основании можно сделать

заключение о возможности интеграции данных измерений в устройство автоматического управления с выводом предупреждающих сигналов в случае нарушения агротехнических требований в процессе обработки почвы. Предлагаемое решение найдено в результате проведения исследований и в работе не рассматривалось.

В связи с тем, что лапа рабочего органа в режимах колебаний стремиться выглубиться можно сделать предположение о предварительной настройке глубины обработки Н, ее необходимо делать с учетом полученного среднего значения ДИ. Так для рассмотренного случая с почвенным фоном стерня следует выполнять предварительную настройку глубины обработки на 155-156 мм, что позволит достичь требуемого значения глубины обработки в 150мм. Данное предложение требует проведение ряда дополнительных исследований на различных почвенных фонах.

4.7 Производительность культиваторного агрегата с автоматической системой контроля режимов генерации вибрации

Как видно из результатов опытов, приведенных в п.4.5. применение разрабатываемой автоматической системы адаптации приводит к снижению тягового сопротивления, что должно положительно сказаться на скорости обработки и как следствие производительности культиваторного МТА в целом. Обработка опытных данных, полученных с «пятого колеса», показывает прирост средней скорости движения МТА (таблица 4.5), на дистанции 800 м, от применения культиватора с разработанной автоматической системой, по сравнению другими рассматриваемыми. Стоит отметить, что увеличение скорости произошло с сохранением качественных показателей, а именно глубины обработки (согласно п.4.6). На основании полученных значений средних скоростей произведен расчет производительности МТА по выражению:

= 0,1 • ВУт, (4.6)

где V - скорость движения, км/ч; В - ширина захвата, м; т - коэффициент использования времени, принимается т = 0,84.

Результаты расчета сведем в таблицу 4.5

Таблица 4.5 - Сводная таблица производительности агрегата

Параметр Жесткое крепление Режим автоколебаний Режим принудительных вибраций постоянной частоты Автоматическая система контроля режимов генерации вибрации

Средняя скорость движения МТА на дистанции 800м V, км/ч 8,1 8,4 8,7 9,1

Ширина захвата В, м 1,65

Коэффициент использования времени, т 0,84

Производительность Wo, га/ч 1,12 1,17 1,21 1,26

Прирост производительности, % 0% 4,2% 7,4% 12,3%

Прирост производительности опытного агрегата (3 секции) с автоматической системой контроля режимов генерации вибрации стоек в сравнении с культиватором, оснащенным жесткозакрепленными стойками, составила 12,3 %, что дополнительно проиллюстрировано на рисунке 4.19.

Рисунок 4.19 - Производительность культиватора с различными режимами работы рабочего органа

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОМУ РАЗДЕЛУ

1. Для обеспечения резонансного режима работы системы определен диапазон эффективного количества оборотов электромеханического возбудителя n= 276-700 мин-1, при котором ускорение секции культиватора a/g будет лежать в пределах 0,11-1,2. Частота вынужденных колебаний секции при этом составит 6,8-16,6 Гц.

2. Для выбранного кинематического режима электромеханического возбудителя определен диапазон управляющего коэффициента скважности D =5-40%, в рамках которого система управления осуществляет регулирование ЭГВ. Значение коэффициента скважности определено эмпирической зависимостью:

D = -43,983a4 + 184,12a3 - 275,49a2 + 181,42a - 7

3. Потребляемая электрическая мощность предложенной системы, в рассматриваемых условиях, не значительна и составляет 4,6-12,6 Вт, в зависимости от режима работы.

4. Анализ спектральных характеристик возмущающего воздействия почвенного фона выявил изменчивость господствующей частоты на дистанции одного гона. На дистанции 800 м зафиксировано изменение от 11,2-16,4 Гц для почвенного фона стерня. Данный факт подтверждает необходимость использования автоматической системы контроля режимов генерации вибрации, подстраивающей под текущие условия частоту колебаний секции.

5. При рассмотрении спектральных плотностей тягового сопротивления выявлено снижение амплитуд колебаний в диапазоне частот 0-5 Гц, при упругом креплении секции, в сравнении с жестким, с характерным смещением колебаний в область высоких частот 12,9-16,5 Гц, с максимумом 14,82 Гц.

6. Сравнительный анализ крюкового сопротивления различных способов активации секций культиватора, на дистанции 800 м подтвердил преимущество автоматической системы контроля режимов генерации вибрации. Достигнуто снижение тягового сопротивления на 14,5% относительно жесткого крепления.

7. Применение культиватора с автоматической системой контроля режимов генерации вибрации секций не приводит к нарушению агротехнической нормы согласно ГОСТ26244-84. Отклонение глубины обработки составило 6,6 мм

8. Использование автоматической системы контроля режимов генерации вибрации увеличивает производительность культиваторного агрегата за счет увеличения скорости движения МТА. Увеличение производительности составило 12,3%.

5. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КУЛЬТИВАТОРА С АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ ГЕНЕРАЦИИ ВИБРАЦИИ СЕКЦИЙ

Основными данными для расчета являются результаты, полученные в ходе проведения испытаний, а также данные открытых источников (нормативных, торговых площадок, статистических). Методика экономической оценки производственных затрат приведена в [22], расчет срока окупаемости проводился по методике [90]. Для расчета принят культиватор Вош^ашИ 8810 с шириной захвата 16,5м, секции которого доукомплектованы предлагаемой автоматической системой.

Таблица 5.1 - Сводная таблица экономической эффективности

Наименование показателя Значение показателя по

аналогу новой технике

Состав МТА Трактор RSM-2400 с культиватором Вош^ашИ 8810, V=8,1 км/ч Трактор RSM-2400 с культиватором Вош^ашИ 8810 (автоматическая си-

стема), V=9,1 км/ч

Производительность МТА за 1 ч сменного времени, га/ч 11,23 12,61

Удельный расход моторного топлива, кг/га 6,34 5,65

Часовая оплата труда обслуживающего персонала, руб/ч 308,77 308,77

Коэффициент, учитывающий уровень социальных отчислений 1,43 1,43

Затраты на оплату труда, руб/га 39,3 35,0

Цена моторного топлива, руб/кг 60,25 60,25

Коэффициент учета цены смазочных материалов 1,10 1,10

Затраты денежных средств на оплату ГСМ, руб/га 420,3 374,1

Цена энергосредства, руб 17190000 17190000

Цена сельхозмашины, руб 2600000 2927795

Коэффициент использования времени 0,84 0,84

Затраты на ремонт и техническое обслуживание, руб/га 446,14 426,76

Значение амортизационного ресурса трактора, ч 11132 11132

Значение амортизационного ресурса культиватор, ч 1190 1190

Амортизационные отчисления, руб/га 402,71 384,93

Суммарные эксплуатационные затраты, руб/га 1308,50 1220,84

Годовая экономия совокупных затрат денежных средств, руб на 300 га 26299,08

Срок окупаемости капиталовложений, лет 2,1

Представленный расчет дает сравнительную оценку двух культиваторов. Первый вариант рассматривает работу культиватора в штатном заводском исполнении, второй - культиватор с предлагаемой автоматической системой контроля режимов генерации вибраций секций.

Расчет суммарных эксплуатационных затрат выполнен согласно выражению:

З^= Зот + Зтсм + Зр + А + И^ (5 Л)

где Зот - затраты денежных средств на оплату труда обслуживающего персонала, руб/га; Ззп - затраты денежных средств на оплату горюче-смазочных материалов, руб/га; Зр - затраты денежных средств на ремонт и техническое обслуживание, руб/га; А - амортизационные отчисления, руб/га; Ив.м - издержки денежных средств на вспомогательные технологические материалы, Ив.м =0 руб/га. Затраты денежных средств на оплату труда обслуживающего персонала 30 т вычисляют по формуле

Ззп = , (5.2)

зп W

см

где - количество обслуживающего персонала, чел; тк - часовая оплата труда обслуживающего персонала, руб/чел-ч; кз - коэффициент, учитывающий уровень социальных отчислений от зарплаты; W - производительность МТА, определенная в разделе 4, га/ч.

Затраты денежных средств на оплату ГСМ

З = £ Ц к , (5.3)

^т От^к см ' V /

где £т - удельный расход моторного топлива, кг/га; Цк - цена моторного топлива, руб/кг; ксм - коэффициент учета цены смазочных материалов.

Затраты денежных средств на ремонт и техническое обслуживание техники вычисляют по формуле:

11

X Бмк р

Зр = —-, (5.4)

р W

э

где п - число техники в составе МТА, шт; Бм - цена рассчитываемого вида техники, руб; кр - значение отчислений на ремонт и техническое обслуживание от

цены техники на 100 ч ее работы; Wэ - производительность техники на культивацию за 1 ч эксплуатационного времени.

Производительность техники на культивацию за 1 ч эксплуатационного времени определяется по выражению

Ш = Ш

1+± - Г

Vх к г J

(5.5)

где кг -коэффициент готовности техники по оперативному времени.

Амортизационные отчисления вычисляют по формуле

1 п Б

А = (5.6)

Wэ1=í Я MJ