НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БОЙКО МИКОЛА ФЕДОРОВИЧ

УДК 631.31-187

ПІДВИЩЕННЯ ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ СТАБІЛЬНОСТІ
ОРНОГО АГРЕГАТУ З РЕГУЛЯТОРОМ
НАЧІПНОГО МЕХАНІЗМУ ТРАКТОРА

05.05.11 – машини та засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002 р.

Дисертацією є рукопис.

Дисертація виконана в Харківському державному технічному університеті сільського господарства

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки України Лебедєв Анатолій Тихонович – Харківський державний технічний університет сільського господарства, завідувач кафедри “Трактори і автомобілі

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Дубровін Валерій Олександрович, Національний аграрний університет, директор Науково-дослідного інституту техніки та технологій;

кандидат технічних наук, доцент Пастушенко Сергій Іванович, Миколаївська державна аграрна академія, декан факультету механізації сільського господарства.

Провідна організація: Кіровоградський державний технічний університет, кафедра сільськогосподарського машинобудування, Міністерство освіти і науки України, м. Кіровоград.

Захист дисертації відбудеться "12" листопада 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.06 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. київ-41, вул. Героїв оборони, 15, навчальний корпус 3, аудиторія 65.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, м. Київ-41, вул. Героїв оборони, 13, навчальний корпус 4, к. 41

Автореферат розісланий "10" жовтня 2002 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д.Г.Войтюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності сільськогосподар-ського виробництва України нерозривно пов'язане з поліпшенням використання машинно-тракторних агрегатів (МТА) під час виконання різних технологічних процесів. Зокрема, для найбільш трудомісткої технологічної операції – оранки, яка займає 35–40% загального обсягу робіт у рослинництві, необхідність покращення якості обробітку грунту обумовлена потребою у досягненні сучасного рівня задоволення вимог вирощуваних сільськогосподарських культур щодо повноти загортання пожнивних залишків і добрив, вирівняності поверхні поля, рівномірності глибини обробітку тощо. Численними дослідженнями встановлено, що існуючі орні МТА працюють, як правило, з відхиленням фактичної глибини оранки від заданої у межах ±2,0...3,5 см, що спричинює недобір врожаю, наприклад, зернових культур на 7–8%, збільшення витрат палива на 3 – 5% та зменшення продуктивності агрегатів.

Враховуючи світовий досвід тракторного та сільськогосподарського машинобудування, з метою підвищення експлуатаційної ефективності агрегатів, постає необхідність застосування на тракторах, особливо під час виконання ними орних робіт, спеціальних систем регулювання начіпного механізму трактора, які забезпечують стабілізацію режимів руху МТА за тяговим зусиллям або за глибиною обробітку ґрунту.

Потребують відповідної наукової розробки питання експрес-оцінки функціональної стабільності агрегату при виконанні оранки у разі змін умов експлуатації і технічного стану систем трактора та регулятора начіпного механізму. Подібні задачі недостатньо опрацьовані вітчизняними і закордонними дослідниками. У наукових та конструкторських організаціях відсутні сучасні алгоритми і методики проектування регуляторів начіпних механізмів тракторів сільськогосподарського призначення. Тому дослідження, що спрямовані на підвищення якості обробітку грунту шляхом покращення рівномірності руху робочих органів, функціональної стабільності орного агрегату, обладнаного регулятором начіпного механізму трактора, є актуальними. Вони обумовлюють реальні можливості створення конкурентноздатних вітчизняних тракторів, обладнаних регуляторами начіпних систем, та орних агрегатів, адаптованих до систем “точного землеробства”.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Ця робота є складовою частиною тематики досліджень Харківського державного технічного університету сільського господарства з питань підвищення технічного рівня, технологічної та експлуатаційної ефективності вітчизняних МТА у процесі виконання орних робіт у рамках Державної програми "Виробництво технологічних комплексів машин і обладнання для агропромислового комплексу в 1998-2005 роках" (розділ 3), розробленої згідно з постановою Кабінету Міністрів України від 1 грудня 1997 року № 1341 "Про розвиток сільськогосподарського машинобудування та забезпечення агропромислового комплексу конкурентоспроможною технікою".

Мета дослідження - підвищення ефективності роботи орного агрегату шляхом обладнання начіпного механізму трактора системою автоматичного регулювання (САР).

Завдання дослідження:

- проаналізувати способи та технічні рішення з підвищення рівномірності руху орних агрегатів на основі колісних тракторів та начіпних плугів;

- дослідити процес руху орного агрегату у робочому положенні при оснащенні начіпного механізму трактора САР;

- визначити вплив параметрів орного МТА і гідроприводу начіпного механізму на динамічну точність роботи САР;

- обґрунтувати алгоритм ефективного функціонування електрогідравлічної САР орних агрегатів на базі вітчизняної техніки в умовах сільськогосподарського виробництва України;

- експериментально оцінити показники рівномірності глибини обробітку грунту орним агрегатом при копіювальному, позиційному, копіювально-силовому та позиційно-силовому режимах роботи САР начіпної системи трактора;

- визначити техніко-економічну ефективність роботи орного агрегату, обладнаного електрогідравлічною САР начіпного механізму трактора.

Об'єкт дослідження – процеси оранки машинно-тракторним агрегатом та функціонування електрогідравлічної САР начіпного механізму трактора в орному агрегаті.

Предмет дослідження – залежності впливу параметрів та режимів роботи орного агрегату, обладнаного електрогідравлічною САР начіпного механізму трактора, на ефективність оранки.

Методи дослідження – в основу досліджень покладено сучасні методи землеробської механіки; математичний аналіз конструктивно-технологічних схем орного агрегату, обладнаного САР, динаміки МТА при зміні його параметрів, гідроприводу начіпного механізму трактора в процесі експлуатації; математичне моделювання режимів роботи САР, методи фізичного моделювання, лабораторних і лабораторно-польових випробувань електрогідравлічної САР начіпного механізму трактора в складі орного агрегату.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в:

– математичному моделюванні руху орного агрегату та визначенні впливу параметрів електрогідравлічної САР на динамічну точність системи регулювання начіпного механізму трактора в процесі виконання оранки;

– визначенні зони стійкості функціонування гідроприводу САР в орному агрегаті, що дозволяє обґрунтувати граничні значення параметрів начіпного механізму трактора;

– опрацюванні методики оцінки та алгоритму функціонування електрогідравлічної САР, що забезпечує необхідну рівномірність руху орного агрегату у разі зміни ґрунтових умов роботи;

– оцінці показників рівномірності глибини обробітку грунту орним агрегатом при копіювальному, позиційному, копіювально-силовому та позиційно-силовому режимах роботи САР.

Практичне значення отриманих результатів у:

– реалізації наукових результатів роботи при створенні Харківським тракторним заводом електрогідравлічної САР начіпної системи колісного трактора для орних агрегатів;

– розробці методики визначення параметрів САР начіпного механізму трактора в МТА, яку реалізовано Українським НДІ сільгоспмашинобудування при створенні ґрунтообробних машин;

– обґрунтуванні науково-практичних рекомендацій з підвищення функціональної стабільності орного агрегату з електрогідравлічною САР начіпного механізму трактора.

Особистий внесок здобувача у:

– розробці наукових положень та методичного забезпечення щодо оцінки функціональної стабільності роботи орного агрегату з електрогідравлічною САР начіпного механізму колісного трактора;

– обґрунтуванні зони стійкого функціонування САР начіпного механізму трактора в процесі виконання оранки при зміні умов роботи;

– розробці методики вибору раціонального режиму роботи електрогідравлічної САР начіпного механізму трактора під час оранки ґрунтів різної щільності;

– визначенні алгоритму функціонування електрогідравлічної САР начіпного механізму трактора при виконанні оранки, адаптованого до умов сільськогосподарського виробництва України

– розрахунку техніко-економічної ефективності роботи орного агрегату, обладнаного САР.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на Республіканській науково-технічній конференції "Розвиток тракторобудування України в 1999-2005 рр." (Харків, 1998 р.), на Науково-технічній конференції "Теорія і практика розробки колісних і гусеничних машин спеціального призначення (Алушта, 2000 р.), на Міжнародній науково-практичній конференції “Технічний прогрес у рослинництві” (Харків, 2001 р.), на науково-технічних радах Харківського тракторного заводу (1999-2000 рр.) та Мелітопольського заводу тракторних гідроагрегатів (1999 р.), а також на наукових конференціях професорсько-викладацького складу, науковців і аспірантів Харківського державного технічного університету сільського господарства (1999-2000 рр.).

Публікації. Основні положення дисертації викладено в 7-ми наукових працях на сторінках фахових видань, у тому числі 4-и роботи опубліковано одноосібно.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, основних висновків, списку використаних джерел з 111 найменувань. Загальний обсяг роботи – 166 сторінок, у тому числі 144 сторінки основного тексту, 65 рисунків, 28 таблиць і 9 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, її наукову новизну і практичну цінність, сформульовано мету досліджень.

У першому розділі виконано аналіз публікацій у літературі з питань оцінки функціональної стабільності орних агрегатів з регуляторами начіпних механізмів тракторів. Проведений огляд способів та технічних рішень, що сприяють підвищенню рівномірності руху орних агрегатів у роботі, засвідчив, що тема досліджень є актуальною для розвитку сільськогосподарського та тракторного машинобудування і агропромислового виробництва України. Для підвищення точності виконання заданої глибини оранки визнано за необхідне забезпечувати функціональну стабільність системи регулювання начіпного механізму трактора незалежно від агрофона оброблюваного поля чи структури ґрунту.

Проблемами підвищення ефективності роботи МТА при виконанні оранки в різний час плідно займались Болтінський В.М., Гуськов В.В., Дубровін В.О., Думай Л.В., Євтенко В.Г., Кальбус Г.Л., Ксеневич І.П., Лебедєв А.Т., Панов І.М., Панченко А.М., Пастушенко С.І., Погорілий Л.В., Юшин О.О. та інші дослідники. Характеристики основних способів регулювання начіпного механізму трактора в складі орного агрегату, аналіз стійкості роботи САР відображено у роботах Гребнєва В.П., Іллігорського С.О., Крижачківського М.Л., Лаурітена П., Лур’є А.Б., Соковикова В.К., Чудакова Д.А. та інших науковців. Велике різноманіття способів регулювання начіпних механізмів трактора пояснюється прагненням задовольнити водночас ряд вимог: забезпечити стабільність руху робочих органів і оптимальне завантаження двигуна, простоту і надійність конструкції, зручність керування. Визначено, що найбільш досконалою і перспективною системою регулювання начіпного механізму трактора при виконанні оранки є електрогідравлічна САР.

Результати досліджень з агрегатування тракторів, обладнаних регулятором начіпного механізму, які опубліковані в літературі, належать переважно до аналізу і синтезу структури та параметрів САР без оцінки стійкості руху орного агрегату в разі зміни параметрів регулятора. Водночас, у ряді досліджень за тематикою автоматичного регулювання показано, що для підвищення ефективності об'єктів регулювання необхідно враховувати вплив зміни параметрів системи регулювання на функціональну стабільність об'єкта регулювання. Подібне завдання для тракторних агрегатів дослідниками не ставилося.

В результаті здійсненого огляду і аналізу стану проблеми визначені завдання досліджень з підвищення функціональної стабільності орного агрегату з регулятором начіпного механізму трактора. Їх вирішення є актуальним та новим для сільськогосподарського виробництва України.

У другому розділі досліджено динаміку руху орного агрегату, обладнаного регулятором начіпного механізму трактора. Рух орного агрегату описано рівняннями Лагранжа другого роду. При цьому орний агрегат представлено двомасовою системою зі стаціонарними голономними зв'язками за умови прямолінійного руху з постійною швидкістю. Для такого випадку глибина оранки визначається як функція чотирьох узагальнених координат (рис. 1): – вертикального переміщення центра мас трактора; – кута повороту остова трактора навколо поперечної осі, що проходить через центр мас; – вертикальної і горизонтальної координат точки 3, що визначають глибину оранки. Глибина оранки визначається виразом (рис. 1):

Рис. 1. Схема для розрахунку глибини оранки

(1)

де, – амплітуди синусоїдальних нерівностей; – довжина нерівностей; – середня швидкість руху агрегату; – відстань від центра мас трактора до переднього моста; ; ; – кут, що визначає положення точки 3 щодо вертикалі. З урахуванням вхідного (тягового опору ) і вихідного (положення нижніх тяг начіпного механізму трактора) сигналів, що надходять на орний агрегат, диференціальне рівняння його руху записується у вигляді:

, (2)

де – постійні часу; – коефіцієнти. Розв’язання рівняння (2) на ПЕОМ числовим методом Рунге-Кутта, за умов руху орного агрегату із силовим регулятором начіпного механізму трактора з середньою швидкістю =1,67 м/с, показує, що за 3 секунди роботи регулятора амплітуди вертикальних і поздовжньо-кутових коливань практично збігаються. При цьому похибка розрахунку порівняно з експериментальними значеннями даних параметрів знаходиться у межах 2,5–3,5%. Встановлено, що в робочому режимі оранки при запізненні торсійного датчика силового регулятора відбувається затримка корекції САР начіпного механізму трактора, яка для колісних тракторів з номінальною силою тяги 30 кН призводить до збільшення тягового опору на 3,5...4,0%. Аналіз кінематики начіпного механізму трактора в орному агрегаті дозволив обґрунтувати параметри, що забезпечують мінімальне перерегулювання сигналу тягового опору плуга. У разі спрацьовування регулятора на підйом начіпного механізму трактора у шарнірі розташування силового датчика з'являється реакція , що розкладається на горизонтальну і вертикальну складові. А сила , збігаючись з , спотворює сигнал від регулятора на керування положенням начіпного механізму трактора. Якщо забезпечити кут між напрямками і рівним нулю, то перерегулювання сигналу цілком виключається.

Важливим елементом у забезпеченні необхідної якості роботи орного агрегату є гідравлічна система автоматичного регулювання положення начіпного механізму трактора. Вона потребує окремого аналізу з відповідним обґрунтуванням основних параметрів та режимів роботи. Дослідженнями обумовлено інформативну ознаку функціональної стабільності гідроприводу з електрогідравлічною САР начіпного механізму трактора в складі орного агрегату. Доведено взаємозв'язок між глибиною обробітку ґрунту і функціональною стабільністю гідроприводу начіпної системи з САР. В основу оцінки функціональної стабільності гідроприводу покладено аналіз перехідних процесів у разі зміни технічного стану гідроагрегатів. У запропонованому електрогідравлічному регуляторі передавальна функція об'ємного насоса може бути представлена у вигляді:

, (3)

де – постійна часу; – робочий об‘єм насоса; – модуль пружності робочої рідини; – коефіцієнт витоків у насосі; – витоки рідини в насосі за робочого тиску ; – в'язкість рідини за температури і =50С.

Динамічний процес зміни тиску в гідроциліндрі описано передавальною функцією аперіодичної ланки:

, (4)

де – постійна часу гідроциліндра; – робочий об’єм гідроциліндра; – коефіцієнт витоків у гідроциліндрі; – витоки рідини в гідроциліндрі за робочого тиску. Трубопровід високого тиску має характеристику коливальної ланки з передавальною функцією:

, (5)

де – постійна часу трубопроводу; – довжина трубопроводу; – щільність робочої рідини; – коефіцієнт демпфірування трубопроводу; – діаметр трубопроводу. Робота автоматичного пристрою гідророзподільника моделюється за допомогою передавальної функції інерційного релейного елемента:

, (6)

де – теоретична подача об'ємного насоса; – постійна часу автоматичного пристрою; – тиск спрацьовування клапана автомата розподільника. Встановлено, що динамічні параметри гідроагрегатів, які впливають на стійкість роботи САР в орному агрегаті, зі збільшенням наробітку трактора, змінюються: коефіцієнти підсилення зростають, постійні часу зменшуються (табл.1).

Таблиця 1

Параметри гідроагрегатів начіпного механізму залежно від наробітку трактора Т-150К-05

Гідроагрегати | Параметри | Наробіток, мотогодин

500 | 1000 | 1500 | 2000

Об'ємний насос

НШ-50-Л -2 | Постійна часу , с | 1,652 | 1,222 | 0,817 | 0,575

Коефіцієнт витоків , м3/сМПа | 1,8 | 2,97 | 4,08 | 5,8

Гідроциліндр

Ц-125 | Постійна часу , с | 422,0 | 165,3 | 90,65 | 37,31

Коефіцієнт витоків , м3/сМПа | 4,85 | 12,38 | 25,46 | 54,92

Аналіз чутливості перехідного процесу гідроприводу під час надходження сигналу від САР на підйом плуга до зміни параметрів гідроагрегатів свідчить про те, що найбільш інформативною ознакою оцінки функціональної стабільності гідроприводу начіпної системи є крутість характеристики, яка оцінюється кутом . Цей кут у разі зниження об'ємного ККД гідроприводу зменшується від номінального значення до граничного , за якого порушується функціональна стабільність орного агрегату.

У третьому розділі наведено програму і методику експериментальних досліджень. Програма робіт передбачала виконання лабораторних досліджень з метою оцінки статичних і динамічних характеристик електрогідравлічної САР трактора за різного технічного стану гідроагрегатів начіпної системи, а також лабораторно-польових випробувань орного агрегату для визначення рівномірності руху по глибині при оранці за різних режимів роботи САР. Лабораторні дослідження САР трактора проведені на оригінальному стенді, виготовленому з вузлів і агрегатів начіпної системи тракторів типу Т-150К-05 і ХТЗ-170. Згідно блок-схеми (рис.2), вхід САР обумовлений режимом роботи орного агрегату, вихід – тиском рідини в гідроциліндрі і переміщенням штока гідроциліндра.

Оцінку функціональної стабільності гідроприводу начіпної системи трактора в складі орного агрегату виконано за зміною параметрів перехідного процесу: часу першого відгуку, часу перехідного процесу, максимального і сталого тиску рідини, перерегулювання, швидкості наростання тиску рідини. Лабораторно-польові дослідження проведені з використанням тракторів Т-150К-05 і ХТЗ-16131, обладнаних запропонованим регулятором начіпної системи трактора, в агрегаті з плугом ПЛН-5-35 на ділянці поля з однорідним агрофоном стерні пшениці, ухилом не більш 1% і довжиною гонів не менше 500 м. Рух агрегату здійснено на II-й і I-й робочих передачах.

У четвертому розділі наведені результати експериментальних лабораторних і лабораторно-польових досліджень та випробувань з оцінки функціональної стабільності роботи орного агрегату на різних режимах роботи САР начіпного механізму трактора з метою порівняння отриманих результатів. Для обґрунтування алгоритму ефективного функціонування досліджуваного регулятора експериментально визначені: перехідні процеси підйому й опускання начіпної системи трактора у разі ступінчатої зміни керуючого сигналу, що задається, і положення позиційного датчика; зона нечутливості за каналом позиційного регулювання у разі різних коефіцієнтів передачі цього каналу; швидкість підйому і опускання начіпного механізму трактора у разі зміни сигналу датчика положення в розімкнутій системі.

Аналіз параметрів перехідного процесу регулятора начіпного механізму за переміщенням штока гідроциліндра в режимі силового регулювання показує, як зі зміною технічного стану гідроагрегатів, наприклад, у разі підвищення витоків рідини, що характеризується об'ємним ККД ( ), підвищується час регулювання () з одночасним зменшенням перерегулювання () (рис. 3).

Рис. 3. Графіки перехідних процесів при силовому режимі регулювання, де 1 – 0 = 0,75; 2 – 0 = 0,85; 3 – 0 = 0,95

За = 0,95 маємо перерегулювання = 12,4% і час регулювання = 1,7 с; за = 0,85 відповідно – = 9,5% і = 1,5 с; за = 0,75 – = 0 і = 1,7 с. У разі подальшого зменшення до значень = 0,65 час перехідного процесу збільшується до = 2,5 с за = 0. Під час силового і позиційно-силового (комбінованого) режимів регулювання САР з номінальними параметрами час перехідного процесу для режиму силового регулювання менше = 1,7 с проти = 2,5 с для комбінованого. Для силового режиму регулювання перерегулювання = 9,5%, для комбінованого = 0.

Якість регулювання начіпного механізму трактора в складі орного агрегату під час силового регулювання оцінюється головним чином коефіцієнтом передачі сигналу від плуга до електронного блока керування. Аналіз перехідних характеристик силового регулятора показує, що величина істотно впливає на його роботу. Так, за = 0,98 показники якості перехідного процесу мають значення = 2,05 с, = 29,9%; = 1,645 – = 3,25 с, = 56,5%. Для забезпечення функціональної стабільності орного агрегату з урахуванням компонувальних можливостей САР начіпної системи тракторів Т-150К-05 і ХТЗ-170 рекомендовано = 1,234.

Функціонування досліджуваної САР начіпної системи трактора здійснюється за відповідно розробленим алгоритмом, представленим на рис. 4. Сигнал від позиційного датчика 1, який залежно від величини переміщення начі-пного механізму S перетворюється у напругу Uдп з коефіцієнтом передачі Кдп = 0,246 В/мм, і сигнал від силового датчика 2, що перетворює зусилля F у напругу Uдс з коефіцієнтом передачі Кдс= 0,042 В/кН, надходять до суматора 11, де во-ни порівнюються з узагальненим сигналом заданого значення UЗЗ. Суматор формує сигнал неузгодженості Uрс, який залежно від його полярності потім подається на відповідний виконавчий механізм: механізм підйому 13 формує витрату рідини для піднімання начіп-ного механізму 3, а механізм опускання 4 для його заглиблення. Елемент настроювання 8 визначає режим роботи регулятора: сило-вий, позиційний чи комбінований. Коефіцієнт його передачі каналом позиційного датчика має вираз: Kn = 0,1 N,

де N положення ручки керування, а каналом силового датчика: Кс = 1 – Кn.

Елементи настроювання 7 і 6 визначають величину заданого значення у відносних одиницях щодо: заглиблення для позиційного регулювання; зусилля стискання для силового регулювання; величини умовного сигналу за комбінованого регулювання, значення якого визначається за формулою (допускаючи, що відстеження закінчене, тобто Uрс = 0):

UЗЗ = Uдп + Uдс = S · Кдп · Кп + F · Кдс · Кс

Елемент настроювання 9 задає межу спрацьовування реле 10, керує роботою схеми обмеження 12, встановленої на вході виконавчого механізму підйому 13. Оскільки керуючим сигналом реле 10 є сигнал позиційного датчика 1, то зміною положення елемента настроювання 9 можна одержати максимальну величину підйому начіпного механізму. Елемент настроювання 5 впливає на виконавчий механізм 4 і визначає максимальну величину витрати робочої рідини у разі опускання начіпного механізму.

Зміна технічного стану гідроагрегатів начіпної системи впливає на параметри перехідного процесу гідроприводу начіпної системи із САР. Так, у разі зменшення об'ємного ККД () гідронасоса від 0,92 (номінальний технічний стан) до 0,6 (граничний технічний стан) швидкість наростання тиску робочої рідини у перехідному процесі зменшується в 1,3 рази у разі збільшення часу перехідного процесу в 1,24 рази (рис. 5). Перерегулювання , максимальний тиск і тиск рідини , що встановився, зі зменшенням також зменшується, але дані показники меншою мірою залежать від технічного стану гідроагрегатів, ніж .

Рис. 4. Алгоритм функціонування запропонованого регулятора начіпної системи трактора в складі орного агрегату, де: 1 – позиційний датчик; 2 – силовий датчик; 3 – гідроциліндр; 4 – виконавчий механізм опускання; 5, 6, 7, 8, 9 – елементи настроювання; 10 – реле; 11 – суматор; 12 – обмежувач; 13 – виконавчий механізм піднімання

Найбільший вплив на функціонування гідроприводу начіпної системи із САР має збільшення витоків рідини в гідроциліндрі під час підйому начіпного знаряддя. Так, збільшення витоків рідини від 100 до 250 см3/с призводить до зміни швидкості падіння тиску рідини , що обумовлює запізнювання САР у 2 рази. Час перехідного процесу за витоків рідини в гідроциліндрі в кілька разів більший, ніж за витоків в інших гідроагрегатах.

В результаті лабораторно-польових досліджень впливу режимів регулювання дослідної САР начіпної системи трактора на показники якості роботи орного агрегату Т-150К-05 + ПЛН-5-35 визначено основні характеристики порівнюваних агрегатів при застосуванні копіювального, силового, позиційного та позиційно-силового регулювань (табл. 2).

Встановлено, що при виконанні оранки на агрофоні після багаторічних трав практично усі варіанти відповідають сучасним агротехнічним вимогам щодо якості оранки, хоча можна віддати певну перевагу копіювальному режиму регулювання за показниками рівномірності руху робочих органів плуга по глибині обробітку (середнє квадратичне відхилення склало 0,8...0,9см). Стосовно якості роботи орних агрегатів по стерньовому фону (що займає в Україні щорічно площу в 10...12 млн. га), то, оцінюючи в комплексі рівномірність руху плуга по глибині обробітку та ширині захвату, найкращі результати досягнуто при позиційно-силовому режимі регулювання.

За результатами експлуатаційно-технологічних випробувань тракторів Т-150К-05 і ХТЗ-160 із електрогідравлічною САР начіпного механізму встановлено, що середнє квадратичне відхилення глибини оранки плугом ПЛН-5-35 складає 0,9...2,0 см, тоді як у разі відключення САР – 0,9...3,4 см (за агротехнічними вимогами даний параметр повинен бути не більше 2,0 см). Продуктивність такого орного агрегату становить відповідно 1,81 га/год і 1,69 га/год, витрата палива – 13,9 кг/га і 15,0 кг/га.

Таблиця 2

Агротехнічні показники якості роботи орного агрегату

Т-150К-05+ПЛН-5-35 при різних режимах роботи САР

Найменування

показників,

одиниці виміру | Значення показників при регулюванні:

позиційно-силовому | позиційному | силовому | копіюваль

ному

1. Швидкість руху робоча, м/с | 2,3 | 2,4 | 2,4 | 2,4

2. Глибина обробітку грунту, см:

· за першим корпусом:

середня

середнє квадрат. відхилення

· за останнім корпусом:

середня

середнє квадрат. відхилення |

26,7

1,5

26,2

1,1 |

26,3

2,0

26,0

1,0 |

25,3

1,8

26,1

2,0 |

25,0

1,0

25,4

1,1

3. Ширина захвату плуга, см:

середня

середнє квадрат. відхилення |

178,6

3,4 |

180,4

10,6 |

177,5

8,4 |

182,3

6,3

4. Вирівняність поля, см:

середнє квадрат. відхилення:

до проходу агрегату

після проходу |

2,4

4,0 |

4,1

5,0 |

3,5

5,7 |

1,5

5,3

Агрофон | Стерня озимої пшениці

У п’ятому розділі наведено техніко-економічну оцінку застосування САР на орному агрегаті на базі колісного трактора класу 3. Використання системи автоматичного регулювання начіпного механізму тракторів ХТЗ-160, Т-150К-05 і ХТЗ-170 тільки на оранці з урахуванням підвищення врожайності сільськогосподарських культур забезпечує річний економічний ефект, який складає 7,3 тис. гривень на один агрегат. Строк окупності електрогідравлічної САР знаходиться в межах одного року.

Впровадження електрогідравлічної САР начіпної системи трактора, як показала науково-виробнича перевірка, проведена 3-5.10.2001 року в господарстві ім. 1-го Травня Харківського району, призводить до підвищення якості копіювання поверхні поля плугом, зменшення пікових навантажень на трактор та істотно підвищує продуктивність роботи орного агрегату. Ці висновки передано ВАТ “Харківський тракторний завод” для впровадження запропонованої САР на нових моделях колісних тракторів та Українському НДІ сільгоспмашинобудування для створення нових ґрунтообробних машин.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Проведеними дослідженнями доведено, що обладнання начіпного механізму колісного трактора (типу ХТЗ-160, Т-150К-05 і ХТЗ-170) системою автоматичного регулювання (САР) підвищує експлуатаційно-технологічну ефективність МТА, зокрема, продуктивність роботи орного агрегату з начіпним плугом ПЛН-5-35 зростає на 7,1%, рівномірність руху робочих органів за глибиною обробітку - в 1,55 рази, а питома витрата палива зменшується на 7,3% у порівнянні з серійними аналогами.

2. Розроблено математичну модель руху орного агрегату, що складається з колісного трактора, обладнаного регулятором системи навіски, та начіпного плуга, та виявлено залежності впливу параметрів і режимів роботи складових елементів системи регулювання на динамічні показники тягового опору плуга.

3. Аналізом динаміки руху орного агрегату на базі колісного трактора, обладнаного регулятором начіпного механізму, визначено, що:

- спектральна щільність розподілу нерівностей поверхні поля (агрофон - стерня пшениці) при швидкості руху Vт = 1,67 м/с характеризується двома вираженими резонансними частотами р1 = 0,08 с та р2 = 0,52 с;

- амплітуди вертикальних q1 і поздовжньо-кутових q2 коливань трактора за 3 с роботи орного агрегату з начіпним плугом практично співпадають;

- в режимі силового регулювання стабілізація тягового опору начіпного плуга відбувається ефективніше на 3...5% , ніж при позиційно-силовому, що істотно поліпшує динамічну завантаженість орного агрегату;

- при застосуванні торсійного чутливого елементу через затримки корекції начіпного механізму трактора амплітуда тягового опору плуга зростає на 4,0...4,5% при жорсткій центральній тязі та на 5,0...5,5% - при застосуванні в ній пружного елементу;

- при сумарному запізненні чутливого елементу та навісного механізму трактора амплітуда коливань тягового опору плуга збільшується до 9,0...10,0%.

3. Встановлено, що для ефективної стабілізації тягового опору плуга при спрацюванні силового регулятора і підйомі начіпного механізму колісного трактора, горизонтальна реакція в шарнірі приєднання регулятора повинна бути мінімальною, в межах 0...1,5 кН.

4. Обґрунтовано, що для гідроприводу начіпного механізму трактора з регулятором режимів роботи орного агрегату основними інформативними ознаками його функціональної стабільності є динамічне наростання тиску рідини в напірній магістралі і зміна тиску в замкнутому контурі системи під час підйому плуга.

5. Визначено вплив параметрів орного агрегату та гідроприводу начіпного механізму на динамічну точність роботи САР, а саме:

- за номінального технічного стану гідроагрегатів система регулювання начіпного механізму забезпечує функціональну стабільність орного агрегату у зонах чутливості регулятора в межах 35% тягового опору;

- час перехідного процесу у разі підйому плуга за номінального технічного стану регулятора і начіпного механізму в силовому режимі =1,7с, у позиційно-силовому – = 2,5с, при перерегулюванні відповідно = 9,51% і = 0;

- із зміною технічного стану гідроагрегатів гідроприводу начіпної системи з електрогідравлічним регулятором (у разі збільшення витоків рідини), який характеризуємо об'ємним ККД (), збільшується час підйому плуга () з одночасним зменшенням перерегулювання (). За = 0,95 маємо =1,7 с, = 12,4%; за = 0,85 – = 1,5 с, = 9,51%; за = 0,75 – = 1,7 с, = 0;

- у разі збільшення витоків рідини через ущільнення гідроциліндра від 100 до 200 см3/с швидкість падіння тиску рідини збільшується в 2 рази, що призводить до збільшення часу підйому плуга на 2530%. Витоки рідини в гідророзподільнику не перевищують 2,54,0 см3/с і практично не впливають на функціонування гідроприводу.

6. Обґрунтовано алгоритм ефективного функціонування електрогідравлічної САР для тракторів класу 3 (типу Т-150К-05, ХТЗ-160, ХТЗ-170) в орних агрегатах для роботи в грунтово-кліматичних умовах України.

7. Експериментально на двох агрофонах (по стерні пшениці та пласту багаторічних трав) визначено показники якості роботи орного агрегату Т-150К-05 + ПЛН-5-35, обладнаного дослідною САР, на основних режимах регулювання, зокрема:

- за найменшим середнім квадратичним відхиленням глибини оранки перевагу мають копіювальний (0,8...1,1см) та позиційно-силовий (1,1...1,6см) режими регулювання;

- за найменшим середнім квадратичним відхиленням ширини захвату плуга (стійкістю руху в площині поля) найкращого результату здобуто при позиційно-силовому (3,4...10,1см) регулюванні навіски трактора;

- за найменшою гребнистістю поверхні поля кращі показники якості виконання оранки досягнуто при копіювальному (4,8...6,8см) та силовому(4,5...7,4см) режимах регулювання;

- за комплексною оцінкою для орних робіт доцільно використовувати позиційно-силовий режим регулювання роботи начіпної системи трактора.

8. Експлуатаційно-технологічною оцінкою доведено переваги нового орного агрегату Т-150К-05 + ПЛН-5-35, обладнаного САР, перед серійним за робочою швидкістю руху, продуктивністю та питомою витратою палива, що обумовило річний економічний ефект даної розробки в обсязі 7,3 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ

1. Бойко М.Ф. Тенденції вдосконалення конструкцій трансмісій сільськогосподарських тракторів зарубіжних фірм // Тракторна енергетика в рослинництві. Сб. научн. тр. ХГТУСХ. – Харків, 1998. – С.19-23.

2. Бойко М.Ф. Динамічна точність систем автоматичного регулювання начіпного механізму трактора // Тракторна енергетика в рослинництві. Сб. научн. тр. ХГТУСХ. – Харків, 1999. – С. 256-259.

3. Лебедєв А.Т., Бойко М.Ф. Оцінка стійкості системи автоматичного регулювання начіпного механізму трактора //Механіка та машинобудування. Науково-технічний журнал Харків. держ. політех. у-ту. – Харків, 2000. – С. 72-75.

4. Бойко М.Ф., Білошенко С. К. Динаміка гідроприводу начіпної системи трактора //Механізація сільськогосподарського виробництва. Вісник ХДТУСГ. – Харків, 2000. – С. 80-87.

5. Бойко М.Ф. Оцінка функціональної стабільності системи автоматичного регулювання плуга //Науковий вісник НАУ. – К., 2000. – вип. 29. – С. 216-220.

6. Бойко М.Ф. Алгоритм функціонування регулятора начіпного механізму трактора //Науковий вісник НАУ. – К., 2001. – вип. 41. – С. 172-175.

7. Бойко М.Ф., Макаренко М.Г. Вплив силового (позиційного) способу регулювання глибини обробки ґрунту на тягові якості блочно-модульного агрегату // Тракторна енергетика в рослинництві. Сб. наук. праць ХДТУСГ. – Харків, 2001. – С.21-29.

Бойко М.Ф. Підвищення функціональної стабільності орного агрегату з регулятором начіпного механізму трактора. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.05.11 – Машини та засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Національний аграрний університет, Київ, 2002.

Дисертацію присвячено вирішенню завдання щодо підвищення ефективності функціонування орних агрегатів на базі тракторів кл. 30 кН з регулятором начіпного механізму. Обґрунтовано математичну модель орного агрегату, що дозволяє оцінити вплив параметрів і технічного стану регулятора начіпного механізму на функціональну стабільність орного агрегату, запропоновано методику вибору раціонального режиму роботи регулятора начіпного механізму трактора під час оранки грунтів різної щільності, розроблено алгоритм функціонування регулятора, адаптованого для умов тракторного і сільськогосподарського виробництва України.

Використання регуляторів начіпної системи орного агрегату з тракторами класу 30 кН забезпечує підвищення продуктивності на 7-8%, зниження витрати палива на 5-7% за підтримки глибини оранки в межах агротехнічних вимог.

Ключові слова: орний агрегат, начіпний механізм, режими регулювання, відхилення параметрів, функціональна стабільність.

Бойко Н.Ф. Повышение функциональной стабильности пахотного агрегата с регулятором навесного механизма трактора. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. – Национальный аграрный университет, Киев, 2002.

Диссертация посвящена решению задачи повышения эффективности функционирования пахотных агрегатов на базе тракторов класса 30 кН с регулятором навесного механизма. На основе анализа систем автоматического регулирования (САР) навесных механизмов тракторов сделан вывод об актуальности данной тематики для сельскохозяйственного производства Украины.

Разработана математическая модель пахотного агрегата с САР навесного механизма, по которой оценены амплитуда и частота колебаний тягового сопротивления при силовом и позиционно-силовом режимах работы САР. Установлено, что стабилизация тягового сопротивления при силовом регулировании пахотного агрегата на 3-5% лучше, чем при позиционно-силовом. Запаздывание чувствительного элемента и гидропривода навесного механизма приводит к повышению амплитуды колебаний тягового сопротивления на 9-10%, снижая функциональную стабильность пахотного агрегата.

Теоретически и экспериментально доказано, что для гидропривода навесного механизма трактора наиболее информативным признаком функциональной стабильности является динамическое нарастание давления жидкости в напорной магистрали при подъеме плуга. Изменение технического состояния гидроагрегатов навесной системы влияет на параметры переходного процесса гидропривода навесной системы с САР. Например, при уменьшении объемного КПД () гидронасоса от 0,92 (номинальное техническое состояние) до 0,6 (предельное техническое состояние) скорость нарастания давления жидкости в переходном процессе уменьшается в 1,3 раза при увеличении времени переходного процесса в 1,24 раза. Наибольшее влияние на стабильность функционирования гидропривода навесной системы с САР оказывает увеличение утечек жидкости в гидроцилиндре подъема навесного оборудования. Так, увеличение утечек жидкости в гидроцилиндре от 100 до 250 см3/с приводит к запаздыванию срабатывания САР в 2 раза.

Модернизован алгоритм функционирования САР для тракторов класса 30 кН путем введения копировального режима работы регулятора. Применение САР навесного механизма на тракторах класса 30 кН обеспечивает повышение производительности на пахотных работах на 7-8%, снижение расхода топлива на 5-7% при поддержании глубины пахоты в пределах агротехнических норм.

Ключевые слова: пахотный агрегат, навесной механизм, режимы регулирования, отклонение параметров, функциональная стабильность.

Boyko N.F. Increase of functional stability of the arable aggregate with the regulator catch of the gear of a tractor. – Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.05.11 – machine and means of mechanization of an agricultural production. – National agrarian university, Kiev, 2002.

The thesis is dedicated to the solution of a problem of increase of efficiency of operation of arable aggregates on the basis of tractors of the class 30 kN with the regulator catch of the gear. The mathematical model of the arable aggregate is designed, that allows to evaluate influencing parameters and availability index of products of the regulator catch of the gear on functional stability of the arable aggregate, the technique of selection of rational operational mode of the regulator catch of the gear of a tractor is offered at ploughing soils of miscellaneous density, the operation algorithm of the regulator adapted for conditions tractor and an agricultural production of Ukraine is designed.

Usage of regulators catch of a system of the arable aggregate with tractors of the class 30 kN provides increase of productivity on 7-8 %, decrease of costs combustible on 5-7 % at maintenance of depth of ploughing in limits agrotechnical of the norms.

Keywords: the arable aggregate, catch the gear, modes of regulation, deviation of parameters, functional stability.