Влияние автоколебаний и релаксационных колебаний на эффективность применения упругих стоек при культивации почвы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат технических наук Донченко, Михаил Александрович

• Донченко, Михаил Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Донченко, Михаил Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Общая характеристика объекта исследования.

1.2 Классификация и схемно - конструкторский анализ упругих стоек культиваторов.

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

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

1.5 Тяговые характеристики трактора МТЗ - 82.

1.6 Выводы.

1.7 Фрикционные колебания.

1.8 Цели исследований.

1.9 Выбор программного обеспечения.

2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМЕ

ТРАКТОР - КУЛЬТИВАТОР С УПРУГИМИ СТОЙКАМИ ПРИ НЕЛИНЕЙНОМ СОПРОТИВЛЕНИИ ПОЧВЫ.

2.1 Механическое сопротивление почвы.

2.2 Информационная модель.

2.3 Уравнения движения системы.

2.4 Гармоническая аппроксимация движения.

Получение системы уравнений гармонического баланса.

2.5 Неустойчивость движения на скорости режима с жесткими стойками.

2.6 Решение системы уравнений гармонического баланса.

2.7 Анализ приближенного решения.

2.8 Автоколебания при симметричной упругой стойке.

2.9 Алгоритм расчета системы уравнений методом гармонического баланса.

2.10 Выводы.

3. РЕЛАКСАЦИОННЫЕ КОЛЕБАНИЯ В СИСТЕМЕ

ТРАКТОР - КУЛЬТИВАТОР С УПРУГИМИ СТОЙКАМИ.

3.1 Природа релаксационных колебаний.

3.2 Релаксационная математическая модель.

3.3 Описание алгоритма расчета релаксаций.

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

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

3.6 Выводы.

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

4. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Задачи и программа экспериментальных исследований.

4.2 Методика проверки основной гипотезы.

4.3 Методика проведения лабораторно - полевых опытов.

4.4 Измерительная аппаратура.

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

4.6 Выбор технологической скорости.

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние автоколебаний и релаксационных колебаний на эффективность применения упругих стоек при культивации почвы»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», Донченко, Михаил Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

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

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Донченко, Михаил Александрович, 2004 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

67. К := V -> а0 + а1 у + а2 у + аЗ у

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

84. Расчет параметров Автоколебаний;1. PROG. 4

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

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

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

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

89. Зав научно исследовательскойлабораторией1. В.И. Гасилинwoaj