Способы уменьшения колебаний комбайна при движении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.01, кандидат физико-математических наук Резаеи Асл Аббас

• Резаеи Асл Аббас
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Резаеи Асл Аббас

Введение

Глава 1. Математическая модель комбайна

1.1. Уравнения движения

1.2. Положение равновесия 13 1.3 Линеаризация уравнений механической модели комбайна 14 1.4. Управляемость и наблюдаемость

Глава 2. Устойчивость

2.1. Устойчивость системы без трения

2.2. Исследование устойчивости в зависимости от управляющих параметров

Глава 3. Расчет эффективности метода подавления колебаний

Хедера

3.1. Статистические характеристики микропрофиля подстилающей поверхности.

3.2. Частотные характеристики передаточных функций и критерий качества работы комбайна при движении по неровной дороге.

3.3. Расчеты оптимальных параметров и оценка эффективности способа подавления колебаний.

3.4. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Способы уменьшения колебаний комбайна при движении»

Увеличение производительности и уменьшение стоимости уборки зерновых культур всегда являлось важной технической задачей. Так, в частности, появилась жатки, молотилки, комбайны и другие сельскохозяйственные устройства. Относительно недавно (около 150 лет назад) возникла одна из разновидностей комбайна - очесывающие. В статье Шабанова ПЛ., Данченко Н.Н.и др. [5,6,7,8,9,12,13,17,24] описан принцип действия очесывающего комбайна. Если в обычных комбайнах солома вместе с колосьями срезается под корень и обрабатывается в молотилке, то в очесывающих комбайнах колосья обрывают и обрабатывают, оставляя солому на корню. Солома при этом скашивается и убирается отдельно. Основное преимущество очесывающих комбайнов состоит в том, что в молотилку попадают колосья без соломы, что улучшает процесс отделения зерна от колоса и существенно уменьшает энергозатраты. Последнее связано с тем, что уменьшается объем сырья, которое попадает в молотилку, не происходит бесполезного смятия соломы и ряд других факторов. Это позволяет уменьшить вес основных агрегатов комбайна, дает возможность увеличить скорость движения комбайна, что, в принципе, уменьшает стоимость уборки зерна.

Ниже приводятся некоторые сведения из литературных источников (см. [24].) По сравнению с традиционной технологией уборки зерновых (прямой и раздельной уборкой) общие потери зерна при обмолоте на корню составляют при прямостоящем стеблестое - 1.0-1.5%, при полеглом - 1.8-3.0% при нормативном показателе не более 2 % и 3 % соответственно; дробление зерна находится в пределах 0.2-0.4 % - агротехнический показатель 2 %. Качественные показатели очесывающего устройства позволяют увеличить рабочую скорость комбайна; увеличивается пропускная способность классической барабанной молотилки, очесывающее устройство не требует постоянной настройки, а следовательно, производительность возрастает в 1.5-2 раза. г".а —

Смшсть

Рис. I. Зависимость уровня потерь зерна при уборке от скорости движения очесывающих комбайнов (из [24]).

1 & с

Рис. 2. Схема пневматического комбайна с очесывающим устройством (из [6]).

1) очесывающие барабаны с гребенками; 2) шнек для подачи очесанного вороха в наклонную камеру; 3) плавающий транспортер наклонной камеры; 4) зерновой элеватор; 5) сепарирующая решетка; 6) вытяжной вентилятор; 7) автономное домолачивающее устройство; 8) вентилятор первичной подачи. а) б)

Рис. 3. Схемы очесывающих устройств (из [24]): а - Украинский вариант; б - Английский вариант; 1-очесываюишй барабан, 2 -битер-отражатель, 3 -неподвижный отражающий кожух, 4 - подвижный отражающий кожух, 5 - шнек, 6 - транспортер.

Работы по конструированию и внедрению очесывающих комбайнов активно велись в последние десятилетия в Австралии, Англии, на Украине, в России, и в некоторых других странах.

Конструктивно очесывающий комбайн отличается от обычных тем, что у него вместо хедера, скашивающего солому вместе с колосьями, расположено очесывающее устройство. Основой его является вращающийся вал с гребенками, которые и производят очес. Кроме того, это устройство содержит транспортеры и шнеки, которые передают очес на механизмы, расположенные на основной платформе. В целом, очесывающее устройство представляет собой достаточно тяжелый агрегат, вынесенный вперед по ходу движения комбайна, соединенный с платформой при помощи шарнира. Положение очесывающего устройства определяет силовой гидроагрегат, который перемещает приемную часть очесывающего устройства на высоту, оптимальную для очеса при заданной высоте стеблестоя.

Одной из проблем очесывающих комбайнов являются вертикальные колебания механизма очесывания при движении. В результате таких колебаний меняется положение очесывающего механизма относительно растения, очес может производиться неэффективно, что приводит к дополнительным потерям зерна.

Можно отметить два основных источника возникновения таких колебаний: внешние - за счет движения комбайна по неровному полю и внутренние - за счет работы различных механизмов комбайна. Последняя проблема рассматривалась, в частности, на кафедре прикладной механики МЕХМАТА МГУ в 1994г. В дипломной работе, A.B. Коновалова (научный руководитель проф. Новожилов И.В.) [1] были подробно рассмотрены автоколебания, возникающие за счет неустойчивости двигателя и механической связи двигателя и продольного движения комбайна. Показано, что при этом могут возникнуть интенсивные колебания всех элементов системы.

Значительные колебания очесывающего устройства возникают при движении комбайна по неровному полю. Связано это с конструктивной особенностью этого типа комбайнов. Дело в том, что очесывающий механизм представляет собой тяжелый агрегат, вынесенный вперед относительно основной части экипажа (см рис. 2). При этом колесная база экипажа не может быть сделана достаточно большой. Собственные частоты колебаний такой конструкции оказываются сравнительно низкими и близкими к частотам возбуждения колебаний за счет неровности дороги.

Как уже отмечалось, в конструкцию комбайна заложены элементы, позволяющие управлять высотой очесывающего устройства по отношению к средней высоте колосьев на данном участке поля. Обычно для этого используется гидропривод, которым управляет комбайнер или специальное автоматическое устройство. Существуют предложения использовать имеющийся в конструкции комбайна гидропривод для улучшения качества работы комбайна. Для этой цели предлагается разместить на элементах конструкции некоторое количество датчиков и использовать их показания для управления гидроприводом. Предполагается, что в результате такого управления можно добиться уменьшения амплитуды колебаний некоторых, наиболее важных, точек конструкции.

Цель диссертационной работы состоит, таким образом, в проверке целесообразности и эффективности предложения использования автоматического управления гидроприводом комбайна для подавления нежелательных колебаний рабочих элементов комбайна. Для этого исследуется механическая модель комбайна с учетом системы управления. Это позволяет теоретически оценить возможности предлагаемого способа.

Рассмотрим более подробно основную идею работы. Комбайн можно рассматривать как механическую систему с N обобщенными координатами Х = {х1,.х„}, находящуюся под воздействием случайных возмущений У = {ух,.ум}, которые возникают при перемещении комбайна по неровной дороге.

В линейном приближении уравнения исследуемой системы можно привести к виду:

Х{()=А-Х{()+В-и{()+0-У{1) (1)

Движение некоторого элемента конструкции (например, движение приемной части очесывающего устройства) можно записать в виде

2) где Я = {г1,.г„} - N - мерный вектор, элементы которого определяются геометрическими параметрами конструкции.

Внешние воздействия У(/), в первом приближении, можно считать стационарным случайным процессом с определенным спектром, среднюю амплитуду которого характеризует дисперсия И. Колебания всех элементов конструкции, в том числе и очесывающего устройства £<(/), поэтому также являются случайными. Дисперсию амплитуды колебаний очесывающего устройства йА = , можно считать, таким образом, критерием качества работы комбайна.

Для подавления колебаний приемного устройства предлагается применить силовой привод (гидроцилиндр), используемый в существующей конструкции для управления высотой очесывающего устройства над уровнем поля. Для этой цели формируется управление £/(/) в виде линейной комбинации обобщенных координат: где Н - матрица коэффициентов управления. Уравнения исследуемой системы в этом случае приобретают вид:

Х(1) = А-Х(})+0-У(}) (3) где 2 = А + ВН - модифицированная за счет управления матрица коэффициентов динамической системы. Частоты колебаний, коэффициенты затухания и другие характеристики модифицированной динамической системы изменяются в зависимости от коэффициентов управления. В соответствии с этим изменяется дисперсия колебаний очесывающего устройства ИА. Предполагается, что это может быть использовано для выбора оптимальных коэффициентов управления, при которых колебания очесывающего устройства будут минимальны.

Отношение Г дисперсии йА колебаний к дисперсии внешних воздействий £> не зависит от средней амплитуды неровностей дороги и может служить критерием оптимальности выбора параметров комбайна. Этот критерий является функцией структуры комбайна, основных параметров системы, скорости движения V и доступных для настройки коэффициентов управления Я. Значение этого критерия может быть определено из исследования решений уравнения (3). Задачей исследования является, таким образом, поиск оптимальных значений параметров системы управления, т.е. сводится к нахождению минимума функционала Г и выбору соответствующих оптимальных значений управляющих параметров для разных значений скорости V. Анализ функционала Г позволяет сделать определенные выводы о возможности подавления колебаний очесывающего устройства комбайна и улучшения эффективности его работы.

4) г=г{у,н)

Заключение диссертации по теме «Теоретическая механика», Резаеи Асл Аббас

3.4. Выводы

Из проведенных расчетов можно сделать ряд выводов. 1. В рамках предложенной, достаточно простой, математической модели комбайна можно получить интересную и важную информацию о колебаниях элементов комбайна при его движении по неровному рельефу поля, а также о зависимости интенсивности таких колебаний от скорости, параметров конструкции комбайна и возможного управления.

Важную роль играет правильный выбор значений "эффективной жесткости" крепления хедера. Слишком высокая жесткость такого крепления увеличивает связь колебаний основной платформы и хедера, что увеличивает размах колебаний последнего. Чрезвычайно важную роль играют амортизаторы подвески основной платформы комбайна (параметр е). Их конструкция и характеристики должны быть предметом специальных исследований. Увеличение скорости движения комбайна невозможно без увеличения собственной частоты колебаний хедера. Применение управления гидроцилиндром для подавления колебаний рабочего органа комбайна целесообразно. Оценка эффективности предложенного способа показывает, что его использование может уменьшить интенсивность колебаний хедера в пять и более раз (размах колебаний в два-три раза).

Предложенная модель комбайна можно быть использована для решения других аналогичных задач оптимизации параметров комбайна.

Заключение

В диссертации рассматривается задача улучшения качества работы комбайнов очесывающего типа. Проблема состоит в том, что в силу свойств конструкции комбайнов этого типа, при движении по неровной поверхности поля возникают нежелательные интенсивные колебания очесывающего устройства (хедера). За счет этого увеличиваются потери зерна, снижается производительность. С ростом скорости движения комбайна ситуация ухудшается.

В диссертации проводится теоретическое исследование и обоснование способа уменьшения колебаний очесывающего устройства. Суть способа состоит в использовании имеющегося на комбайне силового привода, предназначенного для изменения высоты очесывающего устройства.

В диссертации:

1) Сформулирована математическая модель колебаний элементов комбайна и системы управления.

2) Предложена структура системы управления силовым приводом, регулирующим высоту очесывающего устройства. Предложены критерии, по которым можно оценивать качество работы устройства; проведено теоретическое и численное исследование эффективности управления.

3) На основе имеющихся в литературе данных построена модель неровностей поверхности поля.

4) Исследована устойчивость движения комбайна в зависимости от параметров системы управления.

5) Предложен способ вычисления критерия качества работы комбайна и его и минимизации.

6) Проведено численное исследование эффективности работы предложенной системы управления. Все численные расчеты проведены на конкретном примере, близком по параметрам к реальной ситуации. При расчетах:

6.1) Найдены области устойчивости в пространстве параметров.

6.2) Определена топография критерия качества в зависимости от параметров системы управления, скорости движения комбайна и заранее неизвестных параметров элементов комбайна (жесткости рессор, характеристик амортизаторов, положения центра масс).

7) Показано, что при оптимальном выборе коэффициентов управления интенсивность колебаний очесывающего устройства может быть уменьшена в 5 и более раз.

Таким образом, результаты теоретического и численного исследования, проведенного в диссертации, показали эффективность предложенного способа управления вертикальными колебаниями очесывающего устройства и целесообразность применения его на практике.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Резаеи Асл Аббас, 2006 год

1. A.B. Коновалова (научный руководитель проф. Новожилов И.В.) Исследование тангажных колебаний автотранспортных средств. // Дипломная работа студента кафедры прикладной механики. 1994 год, Механико математический факультет МГУ.

2. Афанасьев B.JL, Хачатуров A.A. Статистические характеристики микропрофиля автомобильных дорог и колебаний автомобиля. // Автомобильная промышленность, 1966, № 2, стр 23-27

3. Поляк Б. Т., Щербаков П. С. Робастная устойчивость и управление. // Издательство "Наука", Москва, 2002,.300с.

4. Резаеи Асл Аббас, Орданович А.Е. Отчет по теме "Способы уменьшения колебаний комбайна при движении"//. Отчет института механики МГУ, № 4834,2006 г, 45 е., (рис. 25, библ. 16).

5. Уборка зерновых очёсыванием растений на корню. Шабанов П.А., Данченко H.H., Голубев И.К. и др.// Достижения науки и техники АПК. 1990.-No2.

6. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М Наука. 1971.

7. Александров В.В., Болтянский В.Г., Лемак С.С., Парусников H.A.,

8. Тихомиров В.М. Оптимальное Управление Движени-ем//.Издательская фирма «Физико-математическая литература» МАИК «Наука/Интерпериодика»Москва Физматлит 2005,с.374.

9. Александров В.В., Болтянский В.Г., Лемак С.С., Парусников H.A., Тихомиров В.М. Оптимизация Динамики Управляемых Систем//. Издательство Московского университета.2000.302 с.

10. Стрелков С.П., Введение в теорию колебаний // Издательство «ЛАНЬ» 2005.С.437.

11. Данченко H.H., Шабанов Л.А., Шкиндер В.Н. и др. Результаты испытаний экспериментального рисоуборочного комбайна. Ж.: Ме-ханиз. и электр. с.х.-1987, №12. С.50.

12. Удерман Э.Г. Метод корневого годографа в теории автоматических систем// Издательство«Наука»Москва 1972,446 с.

13. Данченко H.H., Шкиндер В.Ж., Аблогин H.H. и др. Комбайн для уборки зерновых культур на корню. А.С.1766310 СССР, 1992.

14. Зуев Ю.Ю. Динамика и управление гидропневмосистем (гидромеханический привод с дроссельным управлением) // Издательство МЭИ, Москва, 1992,.с.375.

15. Пчелин И.К., Хачатуров A.A. Применение уравнений кинематических связей для исследования устойчивости движения и управляемости автомобиля с помощью аналоговых математических машин // Автомобильная промышленность, 1966, № 5, стр 19-25.

16. Джури Э. Инноры и устойчивость динамических сис-тем//.Издательство «Наука». 1979.С.299.

17. Омутов А.Ф., Пугачев А.Н. О влиянии различных факторов на производительность зерноуборочных комбайнов // Механизация и электрификация соц. Сельского хозяйства, 1982,№9,с. 16-19.

18. Laub A.J., Arnold W.F. Controllabity and observability criteria for multivariable linear second order models // IEEE Trans. Automat.Control. 1994.V.AC - 29.n2.p.l63-165.

19. Римский Г.В. Основы общей теории корневых траекторий систем автоматического управления// Издательство «Наука и техника» Минск 1972,323с.

20. Бендерков Г.А., Теодорчик К.Ф. Анализ многоконтурных линейных систем методом траекторий корней// Издательство «АН СССР» ОТН, «Энергетика и автоматика», 1962, № 5.

21. Бендерков Г.А., Теодорчик К.Ф. Траекторий корней линейных автоматических систем// Издательство «Наука», Москва 1964.