НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР

“ІНСТИТУТ МЕХАНІЗАЦІЇ ТА ЕЛЕКТРИФІКАЦІЇ

СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА”

Горбовий Артур Юліанович

УДК 631.35:633.501

НАУКОВІ ОСНОВИ ВДОСКОНАЛЕННЯ АДАПТИВНОЇ

МЕХАНІЗОВАНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ЗБИРАННЯ
ЛЬОНУ–ДОВГУНЦЯ

05.05.11 – машини і засоби механізації

сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Глеваха – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор, заслужений винахідник України, член-кореспондент УААН Булгаков Володимир Михайлович, Національний аграрний університет, завідувач кафедри механіки та теорії механізмів і машин.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Сидорчук Олександр Васильович, Національний науковий центр “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства”, заступник директора з наукової роботи;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Фришев Сергій Георгійович, Національний аграрний університет, завідувач кафедри транспортних технологій;

доктор технічних наук, професор, заслужений винахідник України Гевко Роман Богданович, Тернопільський національний економічний університет, декан факультету аграрної економіки і менеджменту.

Захист відбудеться “ 24 ” жовтня 2007 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .358.01 у Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за адресою: 08631, Київська обл., Васильківський р-н, с.м.т. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кім. 613.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за адресою: 08631, Київська обл., Васильківський р-н, с.м.т. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кім. 205.

Автореферат розісланий “ 21 ” вересня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради С.П. Москаленко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В Україні льонарство повинно стати стратегічною галуззю господарства, як єдине джерело натуральної сировини у зв’язку з відсутністю бавовни. Тому необхідно нарощувати випуск товарів з льону. Запорукою успіху такого напряму є відродження галузі як такої, оновлення техніки для комплексів машин, удосконалення існуючих технологій для вирощування та збирання цієї технічної культури.

В Україні, як і загалом у світі, існують різні технології для збирання льону–довгунця. Це технології, які роками, десятиліттями відпрацьовувались. Але вони є ще далекими від ідеальних. Насамперед це пов’язано з комплексом машин, який повинен забезпечувати їх виконання. У переважній більшості машини, які використовуються, є не зовсім досконалими, тому вони у багатьох випадках не забезпечують потрібної якості виконання технологічного процесу збирання, що призводить до незадовільної якості волокна.

Одним із чинників неякісної роботи машин є те, що при русі льонозбирального аґрегата по нерівних польових фонах він здійснює коливальні рухи у вертикальній площині, при чому машини, які є складовими кожного аґрегата, коливаються в різних фазах. Нехтування такими закономірностями призводить до збільшення розтягнутості стрічок, перекручення у них стебел, до нерівності розстелювання стрічок, внаслідок чого наступні технологічні операції також не виконуються згідно з агровимогами до процесу збирання льону.

У різних технологіях збирання льону важливою операцією є плющення стебел, яке найбільше впливає на кінцеву якість волокна. Процеси, що відбуваються у стеблах під час плющення, і ступінь їх впливу на якість волокна, ефективність цього плющення для різних технологій збирання льону недостатньо досліджені, а також немає сучасної методики, яка б давала змогу господарствам обирати оптимальну технологію збирання льону.

З викладеного можна зробити висновок, що впродовж усіх фаз достигання льону–довгунця його механізоване збирання здійснюється за адаптивною технологією, яка передбачає отримання як льоноволокна, так і насіння. Однак досі не вирішена науково-прикладна проблема щодо структури технологічного комплексу льонозбиральних машин, яка б уможливила своєчасне та якісне збирання, не обґрунтовані ефективні варіанти конструктивних рішень щодо будови льонокомбайнів, не з’ясовані оптимальні швидкісні режими їх руху, є нагальна необхідність дослідження законів, що описують рух льонозбирального аґрегата по нерівних польових фонах, а для вдосконалення технології збирання слід глибше вивчити процес плющення стебел льону. Комплексне розв’язання цих проблем призведе до покращення роботи льонозбиральних аґрегатів та комплексів машин для збирання льону в цілому.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у рамках держбюджетних та господарських договірних тематик науково–дослідних робіт Луцького державного технічного університету: відповідно до цільової комплексної програми “Національна програма розробки і виробництва технологічних комплексів машин і обладнання сільського господарства, харчової та переробної промисловості”, затвердженої Кабінетом Міністрів України 7 березня 1985 р., Постанови Кабінету Міністрів України від 22 квітня 1986 р. № 377 “Про заходи щодо стабілізації та збільшення обсягів виробництва льону та коноплі, продукції з них”, “Удосконалення роботи льонозбирального комбайна”, номер державної реєстрації 03.07.03/057–96; міжнародної, спільної науково–дослідної програми щодо розвитку льонарства Національного аграрного університету з Боннським університетом імені Фрідріха Вільгельма (Угода про співпрацю на 2000–2003 рр.) та держбюджетної тематики Національного аграрного університету: “Оптимізація параметрів аґрегатів та базових вузлів для модульного льонозбирального комбайна”, номер державної реєстрації 0106U005240.

Мета і задачі дослідження.

Мета дослідження – підвищити ефективність адаптивної механізованої технології збирання льону–довгунця на основі системного обґрунтування: напрямів технологічно–структурного розвитку комплексів льонозбиральних машин, адаптованих до природно–польових умов режимів руху причіпного льонозбирального аґрегата та самохідного льонозбирального комбайна, раціональних конструктивних параметрів плющильного апарата та оперативного вибору способу збирання.

Завдання дослідження:–

проаналізувати існуючі способи збирання льону, комплекси машин, які застосовують для цього, існуючі конструкції льонозбиральних машин та аґрегатів;–

проаналізувати конструкції та роботу плющильних апаратів для льонозбиральних машин, фізико–механічні властивості льону під час його плющення;–

розробити системні підстави дослідження адаптивної механізованої технології збирання льону–довгунця та концептуальну модель комплексу льонозбиральних машин;–

розробити математичну модель і виконати теоретичні дослідження плоско–паралельного руху причіпного льонозбирального аґрегата у горизонтальній площині;–

розробити математичну модель і виконати теоретичні дослідження плоско–паралельного руху самохідного льонозбирального аґрегата у горизонтальній площині;–

визначити вплив нерівностей поверхні ґрунту на поздовжні коливання самохідного комбайна;–

дослідити коливальний рух причіпного льонокомбайна;–

визначити допустимі кути повороту льонозбирального аґрегата в процесі розстелювання стеблової стрічки;–

теоретично дослідити умови захвату стебла плющильними вальцями й визначити необхідний діаметра вальця;–

розробити план досліджень та експериментально порівняти різні технології збирання льону; –

розробити нову сучасну методику для визначення потрібного способу збирання льону на основі порівняльних експериментальних досліджень різних технологій збирання;–

визначити техніко–економічну ефективність дослідження плющильних апаратів;–

впровадити результати досліджень у виробництво.

Об'єкт дослідження – льонозбиральні аґрегати існуючих конструкцій, а також нові збиральні машини, механізовані процеси та технології збирання льону–довгунця.

Предмет дослідження – залежність якості льонопродукції від організаційно–технічних заходів удосконалення адаптивної механізованої технології збирання льону–довгунця, а також вплив конструктивних і кінематичних параметрів льонозбиральних аґрегатів на якість виконання процесу.

Методи дослідження – Розробка та аналіз математичних моделей здійснювались з використанням сучасних методів механіко–математичного моделювання та комп'ютерних програм. Використані також положення системного аналізу, вищої математики, теоретичної механіки, теорії машин і механізмів. Лабораторно–польові дослідження виконувались із застосуванням стандартних та спеціально розроблених методик.

Наукова новизна одержаних результатів:

– вперше визначено можливі напрями вдосконалення адаптивної механізованої технології збирання льону–довгунця та обґрунтовано найбільш ефективний серед них;

– вперше розроблено теоретичні основи та обґрунтовано математичні моделі плоско–паралельного руху причіпного й самохідного льонозбирального аґрегатів по полю;

– вперше визначено раціональні кінематичні режими (швидкість руху та допустимий кут повороту) аґрегатів, що максимально забезпечують агротехнічні вимоги до розтягнутості і прямолінійності стеблової стрічки льону–довгунця;

– розвинуті теоретичні основи та обґрунтовано математичні моделі коливального руху причіпного і самохідного льонозбиральних комбайнів по нерівностях поверхні ґрунту;

– отримали подальший розвиток теоретичні основи процесу плющення льону та вперше обґрунтовано раціональний діаметр плющильних вальців;

– вперше розроблено методику визначення ефективного способу збирання льону–довгунця відповідно до адаптивної механізованої технології на основі узгодження його з характеристиками стеблостою та погодними умовами.

Практичне значення одержаних результатів. Означені можливі напрями вдосконалення адаптивної механізованої технології збирання льону–довгунця є основою для розроблення відповідної системи машин, яка дасть змогу підвищити ефективність збирання. Визначені ефективні режими руху льонозбиральних машин по полю є основою для забезпечення якісного розстелювання стрічки. Обґрунтовані параметри плющильного апарата дозволять скоротити тривалість вилежування стрічки і таким чином підвищити ефективність процесу. Використання раціонального методу визначення способу збирання льону уможливить підвищення ефективності його вирощування. Результати наукових досліджень використовуються конструкторським бюро ВАТ “Львівагромашпроект” при проектуванні нових машин. Розроблену методику для визначення раціонального способу збирання льону прийнято за базову для використання на Львівській зональній машиновипробувальній станції.

Особистий внесок здобувача. Автор проаналізував та узагальнив сучасний рівень вітчизняних і зарубіжних наукових досягнень за темою дисертації, особисто висунув наукову концепцію, яку покладено в основу дисертаційної роботи, обрав напрям, сформулював мету й основні етапи досліджень; особисто побудував математичні моделі руху причіпного та самохідного льонозбиральних комбайнів, визначив вплив нерівностей поверхні ґрунту на поперечні коливання комбайна, теоретично дослідив коливальний рух причіпного льонокомбайна, визначив допустимі кути повороту льонозбирального аґрегата при розстелюванні стеблової стрічки, виконав теоретичні дослідження умов захвату стебла плющильними вальцями й визначив необхідний діаметр вальця, розробив та удосконалив методику для визначення раціонального способу збирання льону, проаналізував сучасний економічний стан льонарства в Україні та за кордоном.

Автор організував і забезпечив виконання й проведення експериментальних досліджень у польових умовах, виконав особисто лабораторні та спільно з допоміжним персоналом лабораторно–польові дослідження, здійснив математичну обробку результатів експериментів та провів їх аналіз.

Апробація результатів дисертації. Результати теоретичних та експериментальних досліджень, викладені у дисертації, доповідались, обговорювались і були схвалені на: науково–технічних конференціях професорсько–викладацького складу Луцького державного технічного університету (м. Луцьк, 1996, 1997, 2002 рр.); “4 Bonner Flachstag” (Friedrich – Wilhelhelms – Universitat, Bonn, 2000); науковому семінарі “Перспективи впровадження технологій точного землеробства в сільськогосподарське виробництво” (НАУ, м. Київ, 2000 р.); науково–практичній нараді (розширене виїзне засідання) УААН та Укрльоноконоплепрому “Відродженню льонарства в Україні” (м. Львів–Магерів, 2000 р.); Motorization and energetic in Agriculture. ІІІ International Research And Technical Conference “MOTROL 2001”, (Agricultural University of Lublin, 2001); Загальнодержавній міжвідомчій науково–технічній конференції "Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин" (КДТУ, м. Кіровоград, 2001 р.); ІІ Міжнародній науково–практичній конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (ЛДТУ, м.  Луцьк, 2001 р.); І Міжнародній науково–практичній конференції “Проблеми застосування технологій точного землеробства в АПК” (НАУ, м. Київ, 2002 р.); ІІ Всеукраїнській конференції "Механизация производственных процессов рыбного хозяйства, промышленных и аграрных предприятий" (Міністерство аграрної політики України, Державний департамент рибного господарства, КМТІ, м. Керч, 2002 р.); ІV Міжнародній науково–практичній конференції “Механізація і енергетика сільського господарства. МOTROL’03” (Люблін – Київ, 2003 р.); Міжнародній науково–практичній конференції “Науково–практичні аспекти кормовиробництва та ефективного використання кормів” (ЛДАУ, м. Львів, 2003 р.); Міжнародній науково–практичній конференції “Агромех – 2004” (ЛДАУ, м. Львів, 2004 р.); VI Міжнародній науковій конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (НАУ, м. Київ, 2005 р.); науково–методичному семінарі Технічного ННІ Національного аграрного університету (НАУ, 2005 р.); ІI Міжнародній науково–практичній конференції "Перспективи застосування технологій точного землеробства" (НАУ, м. Київ, 2006 р.); розширеному засіданні кафедри механіки та теорії машин і механізмів Національного аграрного університету (НАУ, 2006 р.); Міжнародній науково–практичній конференції "Льонарство та коноплярство: здобутки та перспективи" (Інститут луб’яних культур УААН, м. Глухів, 2006 р.); науково–методичному семінарі Національного наукового центру “ІМЕСГ” (с.м.т. Глеваха 2007 р.).

Публікації. Основні результати теоретичних та експериментальних досліджень викладені в 35 друкованих працях, з них 15 без співавторів, у тому числі 2 монографії та 2 патенти на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел з 296 найменувань. Обсяг дисертації складає 301 сторінку основного тексту, 95 рисунків, 28 таблиць і 91 сторінку додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Стан проблеми та завдання досліджень. У першому розділі проведено аналіз існуючих у світі видів льонозбиральної техніки, зокрема бральних та плющильних апаратів льонозбиральних машин та аґрегатів. Розглянуто і проаналізовано різні технології збирання льону–довгунця, та фізико механічні властивості льону, які впливають на процес його збирання.

Фундаментальні основи розробки та дослідження сільськогосподарських машин і машинних аґрегатів, технологічних процесів та конструкцій машин, у тому числі льонозбиральних викладені у працях відомих вчених В.П. Горячкіна, П.М. Василенка, Г.А. Хайліса, В.М. Булгакова, М.Н. Лєтошнєва, М.М. Ковальова, М.І. Шликова, М.М. Бикова, А.С. Маята, А.Б. Лур’є, І.В. Крагельського, В.І. Сізова та ін.

Суттєвий внесок у створення і дослідження нових конструкцій льонозбиральних машин зробили В.П. Голдович, В.П. Козлов, А.И. Вайнруб, Б.С. Петухов, П.А. Сторц, В.М. Луценко, В.Б. Ковальов, В.П. Можаров, В.С. Брик.

Фізико–механічні властивості рослинних матеріалів вивчали Г.А. Хайліс, М.Ф. Бурмістрова, С.А. Каспарова, Е.А. Гуцалюк, М.А. Пустигін, М.В. Клемм, І.С. Єгоров, О.Є. Фрей, А.А. Чапкевич, Ч. Канафойський, В.І. Особов, І.А. Долгов, Г.К. Васильєва, Є.М. Гутьяр, Є.І. Храпач, П.А. Сторц, С.Г. Фришев, Г.А. Авер’янова, Д.С. Гришин, Р.І. Моторіна, М.М. Боярченкова, Г.М. Кукін, А.М. Соловйов, Б.Ф. Соколов, Л.А. Тугаринов, В.А. Гаубе, K.–Г.ромер, Дж.Л. Батлер, Х.М. Мак–Коллі, Скатвейт.

Аналіз робіт цих авторів показав, що конструювання льонозбиральної техніки та створення нових технологій збирання льону–довгунця необхідно проводити з урахуванням ґрунтовних механіко–технологічних принципів, на яких базуються процеси збирання, із застосуванням новітніх шляхів конструювання, тобто математичних моделей роботи льонозбиральних аґрегатів, та врахуванням фізико–механічних властивостей рослинних матеріалів.

Тому було проаналізовано дослідження, які проводились для вивчення динаміки руху машин і сільськогосподарських аґрегатів.

Проблема динаміки руху машин і машинних аґрегатів є однією з найважливіших, вперше вона виникла наприкінці ХІХ століття у зв’язку з широким запровадженням у використання машин. Відразу ж нею стали займатись такі вчені, як Нав’є, Коріоліс, Понсєло, Морен, Ляпунов. Згодом динаміку руху сільськогосподарської техніки досліджувало низка вчених: В.П. Горячкін, М.Е. Жуковський, І.І. Артоболевський, П.М. Василенко, Л.В. Погорілий, В.М. Булгаков, М.Г. Четаєв, М.І. Мерцалов, М.І. Колчин, А.Б. Лур’є, а також А.І. Тимофєєв, Г.І. Левітський, В.Г. Кузьмінський, Р.Б. Гевко та інші.

Подано ґрунтовний аналіз стану та перспективи розвитку галузі льонарства в Україні й провідних льоносійних державах світу. Оцінка економічної ситуації льонарства в Україні показала, що, незважаючи на прибутковість галузі, зараз вона є у стані майже повного занепаду.

З проведеного літературного огляду та аналізу встановлено, що у відомих теоретичних дослідженнях приділено недостатньо уваги питанням плоско–паралельного руху льонозбиральних аґрегатів, впливу нерівностей поверхні ґрунту на поперечні коливання льонозбирального комбайна, дослідженню коливальних рухів причіпного й самохідного льонокомбайнів, не досліджено питання про припустимі повороти льонозбирального аґрегата, у процесі розстелення стеблової стрічки. Також не повністю розглянуте питання плющення стебел льону плющильними вальцями. Не до кінця вивчене питання визначення технології збирання льону.

Вирішення окреслених проблем можливе на основі системного підходу. Для цього нами було вивчено низку праць відомих у цій галузі вчених: О.І. Авена, М.М. Гурина, Я.А. Когана, Т.І. Пунша, І.Г. Железнова, В.І. Ніколаєва, О.В. Сидорчука та інших,_в яких доведено, що ефективне розв’язання складних технічних проблем може бути вирішене завдяки застосування системного підходу, який для проблем розробки адаптивної механізованої технології збирання льону застосований уперше.

Встановлено, що дослідження адаптивних механізованих технологій збирання льону-довгунця вимагає розробки принципово нових положень, які можна отримати завдяки застосуванню нових науково–методичних засад дослідження, що системно поєднують знання з предметної галузі, системотехніки та моделювання процесів. Вони є основою інженерії агропромислового виробництва – такого виду наукової та практичної діяльності, який зумовлює науково–технічного прогрес та ефективне використання його результатів в аграрній сфері, зокрема, питань механізації льонарства.

Отже, у дисертаційній роботі на основі теоретично–експериментальних досліджень вирішується комплекс питань з визначення руху льонозбиральних аґрегатів по полю та створення їх математичних моделей. Вивчено питання процесу плющення стебел льону плющильними вальцями під час їх збирання. Визначено питання про вибір технології збирання льону–довгунця за допомогою розробленої методики, для умов конкретного господарства.

Розділ 2. Концептуальна модель комплексу льонозбиральних машин у адаптивній механізованій технології збирання льону–довгунця. Застосовуючи системотехнічні принципи, розроблено системні основи ефективності механізованої технології збирання льону–довгунця, проаналізовано чинники ефективності адаптивної механізованої технології збирання льону, а також визначено послідовність вирішення проблем механізації льону–довгунця (рис. 1).

Рис. . Послідовність вирішення проблеми механізації збирання льону: Т – технології збирання; РО – робочі органи; М – машини; ТК – технологічні комплекси машин; ПЗЛ _ процес збирання льону

З метою орієнтування моделі комплексу машин для збирання льону–довгунця за адаптивною технологією насамперед розкриваються головні явища, які мають бути враховані в моделі. До них належать: 1) зміни у часі властивостей предмета праці (льону–довгунця); 2) потреби вилежування льону на льонищі; 3) неодночасність достигання до кондиційного стану стебел та насіння льону; 4) можливості достигання насіння льону у вкладеній стрічці; 5) проростання насіння льону у стрічці за несприятливих погодних (дощових) днів.

Потреба реалізації адаптивної механізованої технології збирання зумовлена об’єктивною закономірністю вегетативного розвитку льону–довгунця в часі й залежністю економічної ефективності отримання льонопродукції від узгодженості способу збирання зі станом стеблостою і погодними умовами.

Способи механізованого збирання льону відрізняються змістом і послідовністю виконання окремих операцій, що зумовлює особливість структури комплексів льонозбиральних машин.

Концептуальна модель комплексу льонозбиральних машин визначається відповідністю між технологічними операціями збирання та робочими органами, механізмами машин, а також потребою адаптування способів збирання до стану стеблостою льону.

Розглянуті варіанти множин причинних операцій до операції „вилежування” дали змогу для різних технологій обґрунтувати варіанти базового комплексу машин для збирання льону–довгунця за адаптивного технологією. Механізми синтезуються у машини таким чином (табл. ).

Таблиця 1

Варіанти базового комплексу машин для збирання льону–довгунця за адаптивного технологією

* Позначення механізмів: Б – бральний; Пл – плющильний; Р – розстелювальний, П – підбиральний; Оч – очісувальний; Нв – навантажувальний; Об – обертальний; Пр – підрівнювальний.

На основі аналізу варіантів базового комплексу машин для реалізації цієї технології окреслені напрями вирішення головних завдань вдосконалення механізованої адаптивної технології збирання льону–довгунця _вилучення зі структури льонозбиральних машин підрівнювача стрічок льону та застосування натомість адаптивного до природно–кліматичних умов режиму (швидкості) руху комбайна, а також потреби розроблення плющильного апарата, який би уможливив плющення стебел стрічки льону і таким чином забезпечив прискорення процесу вилежування.

Розділ 3. Аналітичне дослідження руху льонозбирального аґрегата. Проведено аналіз роботи та побудовано математичні моделі руху льонозбирального аґрегата в горизонтальній площині. Теоретичні дослідження проведені для двох типів льонозбиральних аґрегатів причіпного та самохідного, а також досліджено й проаналізовано вплив нерівностей поля на поперечні коливання льонозбирального комбайна, встановлено коливальні рухи причіпного льонокомбайна теоретично обґрунтовано припустимі повороти аґрегата при розстелюванні стеблової стрічки.

Для складання диференціальних рівнянь, які описують характер руху машинно–тракторного аґрегата вздовж поверхні поля складено еквівалентну схему руху льонозбирального аґрегата. На рис. показано еквівалентну схему, в якій аґрегат складається з трактора, льонозбиральної машини і причепа. Математична модель цього машинно–тракторного аґрегата – це модель механічної системи, яка має шість ступенів вільності. Щоб скласти диференціальні рівняння руху одержаної механічної системи, її розглянуто у додатному біжучому положенні і її положення описано шістьма незалежними узагальненими координатами: , де – координати центра мас трактора,– відповідно кути. утворені поперечними осями ланок механічної системи з віссю (рис. ). Зроблене припущення, що – маси ланок механічної системи; – центри мас ланок системи; – відстані від центра мас ланки до її переднього шарніра; – відстані між двома сусідніми осями шарнірів. У початковий момент часу механічна система була орієнтована уздовж осі і починала рухатись зі стану спокою.

Рис. . Еквівалентна схема причіпного льонозбирального аґрегата:

1 – трактор, 2 – льонокомбайн, 3 – причіпний пристрій, 4 – причіп

Рух одержаної голономної механічної системи описано рівняннями Лагранжа 2 _ го роду:

(1)

де – кінетична енергія механічної системи у біжучому положенні; – узагальнена координата; – номер координати; – узагальнена сила, що відповідає узагальненій координаті .

Кінетичну енергію механічної системи було обчислено як суму кінетичних енергій кожної ланки системи, тобто

(2)

де – момент інерції і–тої ланки відносно вертикальної осі, що проходить через її центр мас; – кутова швидкість повороту і–тої ланки; – складові вектора швидкості центра мас і–тої ланки системи.

Координати центра мас і–тої ланки були виражені через та кути поворотів попередніх ланок. Після цього було взято похідні за часом і визначено таким чином швидкості центра мас ланок досліджуваної системи, за допомогою яких визначено її кінетичну енергію:

(3)

Для обчислення узагальнених сил, які відповідають узагальненим координатам, сили, що діють на колеса машинно–тракторного аґрегата приведено до передніх та задніх мостів. Аґрегатований трактор має колісну формулу 4К2 з привідним заднім мостом, і його поворот можна здійснити зміною положення передніх коліс на кут .

При цьому були враховані такі сили, що діють на причіпний льонозбиральний аґрегат в процесі його роботи: – тягове зусилля заднього моста трактора; – сила опору і–тої ланки аґрегата; – бокова сила, яка діє на цю ланку; – момент опору поворотові цієї ланки; – сила опору рухові льонозбирального аґрегата від брання льону; сили опору коченню коліс і приведемо до заднього моста і віднесемо їх у склад сили і моменту . Усі ці силові фактори були визначені залежно від типу ґрунту, параметрів коліс та типу аґрегатованого трактора.

Узагальнені сили визначені згідно з прийнятими означеннями, таким виразом:

(4)

де – сума проекцій усіх сил, що діють на і–ту ланку механічної системи відповідно на осі та ; тут враховано, що

Для визначення узагальнених сил, що відповідають кутам поворотів були визначені координати шарнірів та їхні варіації за допомогою таких виразів:

(5)

Остаточно отримано: (6)

де – сума алгебраїчних моментів усіх сил, що діють на першу ланку відносно точки .

Аналогічно обчислено

(7)

де – сума моментів усіх сил, що діють на і–ту ланку відносно точки

Отримані вирази (3–7) після підстановки у вихідне рівняння (1) і проведення необхідних перетворень дали змогу отримати систему диференціальних рівнянь, (8–14), яка описує рух досліджуваного причіпного льонозбирального аґрегата, при наявності у нього шести ступенів вільності. Розв’язання цих рівнянь уможливило визначення закономірності руху кожної складової частини аґрегата в горизонтальній площині.

(8)

(9)

(10)

Слід зазначити, що останні три рівняння цієї системи описують поворот льонозбирального аґрегата навколо центра мас, відповідно перше рівняння описує поворот льонозбирального комбайна, друге – зчіпки, третє – причепа. Їх можна записати одним рівнянням з індексом ( ), де змінюється від 2 до 4:

(11)

Для аналітичного розв’язання системи диференціальних рівнянь (8 – ), визначено силові фактори машинно-тракторного льонозбирального аґрегата, рівнянь руху машинно–тракторного аґрегата. Встановлено значення сил опору насамперед у випадку, якщо колеса котяться без ковзання, аналітично описано рух обох коліс і–ї ланки аґрегата, окремо побудовано силові схеми (рис. , 4) і складено системи диференціальних рівнянь плоско-паралельного руху коліс у такій формі:

(12)

(13)

(14)

де – маса колеса і–ї ланки аґрегата; – момент інерції колеса і–ї ланки аґрегата відносно осі обертання; – сума всіх зовнішніх сил, що діють на колеса і–ої ланки аґрегата; _сума моментів зовнішніх сил, що діють на колеса і–ї ланки аґрегата.

Рис. 3. Сили, що діють на ведучі колеса

Рис. 4. Сили що діють на ведені колеса

Далі були визначені прискорення центра мас лівого й правого коліс. Тоді

(15)

(16)

Кочення коліс без ковзання визначено такими умовами:

;

(17)

де – радіус колеса і–ї ланки аґрегата.

Сили опору на колесах визначені таким чином:

(18)

Після підстановки (15) і (16) у (18) визначено сили опору правого та лівого коліс агрегату у розгорнутому вигляді:

(19)

(20)

Загальний опір коліс визначено таким чином:

(21)

Також було обчислено моменти сил опору повороту коліс аґрегата:

(22)

Для задніх ведучих коліс трактора залежності (20) і (21) при умові, що набудуть вигляду:

(23)

а (22) відповідно:

(24)

де ; – крутний момент на валі двигуна аґрегатованого трактора; – коефіцієнт, що враховує тип трансмісії.

Визначено і для ведених передніх коліс трактора (див. рис. ). Використовуючи основні положення кінематики плоско–паралельного руху твердого тіла, визначено прискорення центра мас лівого і правого коліс.

Остаточно сили опору лівого і правого коліс визначені за допомогою таких виразів:

(25)

(26)

де – радіус передніх коліс трактора; – момент інерції переднього колеса трактора відносно осі обертання.

Загальний опір ведених коліс визначений таким чином:

(27)

Момент сил опору ведених коліс отримано у вигляді:

(28)

Загальний момент опору ведених коліс льонозбирального аґрегата визначається за формулою:

(29)

Якщо деякі колеса аґрегата будуть котитися з ковзанням, то для них сили опору тертя матимуть максимальне значення, що дорівнюють де – сила тиску і–го колеса на ґрунт, – коефіцієнт тертя ковзання між колесом та ґрунтом.

Сила тиску на ґрунт коліс льонозбирального аґрегата визначені за допомогою таких виразів:

(30)

де – сила тиску на ґрунт передніх коліс.

Аналітично визначені бокові сили, що діють на мости льонозбирального аґрегата:

(31)

де – коефіцієнт опору боковому відведенню, який визначається експериментально; – кут відведення мостів, кути відведення коліс і-ї ланки аґрегата,

(32)

Аналітично визначено також силу опору рухові льонозбирального аґрегата від брання льону:

(33)

де – ширина захвату брального апарата; – швидкість руху;  стеб./м2 – густота стебел льону; – середнє значення сили опору вириванню одного стебла.

Після врахування отриманих аналітичних виразів і підстановки їх у систему диференціальних рівнянь (8  ) проведено чисельний аналіз задачі з використанням пакета прикладних програм Maple . Результати наведено на рис. 5, , де показані залежності, які є раціональними для стабільної та якісної роботи льонозбирального аґрегата. При роботі з такими показниками льонозбиральний аґрегат забезпечить виконання агротехнічних вимог для збирання льону.

Визначені залежності від часу параметрів задачі при і при .

Визначено, що при кути поворотів і , а швидкість руху причіпного льонозбирального аґрегата через 2,5 с виходить на сталу швидкість 1,4 м/с. При малих кутах кути поворотів змінюються також на малі величини з часом більш плавно. Швидкість руху причіпного льонозбирального аґрегата також виходить на сталу величину.

Рис. . Траєкторія руху центра мас аґрегатованого трактора

Рис. 6. Залежність кутів поворотів льонозбирального аґрегата ( ) від часу, при

Самохідний льонозбиральний аґрегат, як і будь який машинний аґрегат, складається з енергетичної частини, сільськогосподарської льонозбиральної машини та передаточних пристроїв. Як енергетичну частину використовують трактор або самохідне шасі з двигуном, передатні пристрої здійснюють передачу руху до виконавчої частини, а виконавча частина містить у собі, як правило, бральний апарат, транспортери, очісувальний апарат, пристрій для розстелювання стебел і ємність для збирання льоновороху. Усі ці механізми переважно встановлюються на самохідному шасі або тракторі, але часто ємність для збирання вороху представляє собою тракторний причіп, який приєднується до рами самохідного шасі (трактора) і рухається разом з ним на своєму колісному ходу.

При такій будові якість і надійність роботи залежить від взаємодії ланок аґрегата і їх повороту одна відносно одної. Для аналітичного дослідження руху самохідного льонозбирального аґрегата насамперед побудована еквівалентна схема (рис. 7).

Рис. . Еквівалентна схема самохідного льонокомбайна із причепом: 1–льонокомбайн; 2 – причіпний пристрій; 3 – причіп

Самохідний льонозбиральний комбайн з боковим причепом є механічною системою, яка складається з трактора або самохідного шасі і причепа з передком, який приєднується до поперечини, зв’язаний з рамою трактора і має п’ять ступенів вільності. Віднесемо механічну систему до декартової системи координат , яка незмінно пов’язана з поверхнею ґрунту. Дана механічна система здійснює плоско–паралельний рух у площині .

Для складання системи диференціальних рівнянь руху самохідного льонозбирального комбайна також використані вихідні рівняння Лагранжа 2–го роду.

Плоско-паралельний рух даної механічної системи описаний п’ятьма диференціальними рівняннями другого порядку відносно узагальнених координат: . Тут – координати центра мас льонокомбайна; – відповідно кути, утворені поперечними осями ланок системи з віссю . На еквівалентній схемі (рис. ) через і позначені точки приєднання зчіпки до причепа. При цьому – центри мас ланок, – відстань від центра мас і–тої ланки до переднього шарніра, – відстань між двома сусідніми осями шарнірів.

Кінетичну енергію механічної системи обчислено як суму кінетичних енергій усіх її ланок, аналогічно за виразом (2).

Було також обчислено узагальнені сили, що діють на самохідний льонозбиральний комбайн і відповідають прийнятим узагальненим координатам.

Для цього сили, які діють на колеса льонокомбайна з причепом, приведено до передніх та задніх мостів. Самохідний льонокомбайн має колісну формулу 4К2 із привідним заднім мостом і його поворот здійснюють за допомогою зміни положення передніх коліс на кут (див. рис. ).

На самохідний льонозбиральний комбайн діють: – тягове зусилля заднього моста льонокомбайна; – сила опору і–тої ланки системи; – бокова сила, яка діє на цю ланку; – бокова сила, яка діє на передню вісь трактора; – момент опору поворотові цієї ланки; – кут повороту осі передніх коліс.

Сили опору рухові льонокомбайна від брання льону приведено до переднього моста і позначено через . Усі ці силові фактори визначені відповідно до проведених експериментальних досліджень залежно від фізико–механічних характеристик ґрунту, відповідних коліс та інших параметрів льонозбирального комбайна.

У прикінцевому вигляді узагальнені сили самохідного льонозбирального комбайна визначаються за допомогою таких виразів:

(34)

(35)

(36)

де – сума алгебраїчних моментів усіх сил, що діють на першу ланку відносно точки ; – алгебраїчна сума моментів усіх сил, що діють на другу і третю ланки відносно точок і відповідно.

Після підстановки всіх величин у вихідні рівняння Лагранжа 2-го роду і виконання необхідних перетворень отримана система диференціальних рівнянь плоско–паралельного руху самохідного льонозбирального комбайна:

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

Диференціальні рівняння (37, 38) описують рух самохідного льонозбирального комбайна вздовж осей ; рівняння (39)  поворот комбайна навколо його центра мас; рівняння (40)  повороту зчіпки; рівняння (41) - поворот причепа.

Для даної системи диференціальних рівнянь визначені силові фактори, при цьому з урахуванням того, що колеса самохідного льонозбирального комбайна котяться без ковзання, сили їх опору і моменти опору їх поворотів визначені такими виразами:

(42)

(43)

(44)

де – бази передніх і задніх коліс самохідного льонозбирального комбайна.

Бокові сили, що діють на мости передніх і задніх коліс, а також сили опору рухові аґрегата визначаються аналогічно, як при дослідженні плоско-паралельного руху причіпного льонозбирального комбайна.

Для системи диференціальних рівнянь (37 _ ) проведено чисельний аналіз з використанням пакета прикладних програм Maple і отримано аналогічні залежності, як і для причіпного льонозбирального аґрегата. Результати розрахунків на ПЕОМ подано на рис. , . Графічні залежності якісно такі самі, як і для причіпного льонозбирального аґрегата. Вони також є раціональними для стабільної та якісної роботи самохідного льонозбирального комбайна. При роботі з такими конструктивними та кінематичними параметрами самохідний льонозбиральний комбайн забезпечить виконання агротехнічних вимог для якісного збирання льону.

Рис. . Залежність координат центра мас самохідного льонозбирального комбайна ( ) від часу, при

Рис. . Залежність кутів поворотів самохідного льонозбирального комбайна від часу, при : 1- ; 2- ; 3- .

Було також проведено теоретичне дослідження коливань льонозбирального комбайна при русі по нерівностях поверхні ґрунту. При дослідженні коливання під час руху аґрегата найважливішими є коливання робочої машини, тобто льонозбирального комбайна в причіпному аґрегаті і самохідного шасі (трактора) з робочими органами в навісному аґрегаті. З урахуванням цього побудовано розрахункову математичну модель коливань льонозбиральної машини з робочими органами на рамі з чотирьохколісним ходом, але ця схема справедлива і для причіпного комбайна на двох колесах, якщо вважати, що в чотириколісному варіанті два колеса (наприклад, задні) не впливають на рух аґрегата. Еквівалентна схема механічної системи з двома ступенями вільності представлена на рис. . Льонозбиральний комбайн віднесено до нерухомої відносно поверхні ґрунту системи координат . При цьому площина є вертикальною площиною до поверхні поля.

Для спрощення виведення рівнянь та аналізу коливальних рухів льонокомбайна зробимо низку припущень: льонокомбайн рухається рівномірно і прямолінійно вздовж осі ; профіль опорної поверхні під обома колесами однаковий; опорні колеса зберігають точковий і сталий контакт із поверхнею руху; профіль шляху це стаціонарна випадкова функція відстані; опір машин, що агрегатуються. є випадковою функцією часу і приводиться до сили і моменту , які прикладені у центрі мас льонокомбайна; характеристики пружних елементів підвіски лінійні; сили опору у підвісках і шинах пропорційні до швидкості коливань.

Льонокомбайн у загальному випадку може здійснювати шість типів незалежних коливальних рухів. Виходячи з його конструкції, враховано найбільш суттєві коливальні рухи: вертикальні поступальні (підстрибування) та поперечні кутові (галопування).

З урахуванням цих припущень льонокомбайн із підресореною масою замінимо еквівалентною динамічною моделлю, тобто коливальною механічною системою з двома ступенями вільності.

Для складання диференціальних рівнянь, які описують коливальні рухи одержаної механічної системи у вертикальній площині, використано рівняння Лагранжа 2–го роду. За узагальнені координати прийнято вертикальні переміщення і підресореної маси над передніми та задніми колесами льонокомбайна.

Узагальнені координати будемо відраховувати від положення статичної рівноваги системи.

Обчислено кінетичну енергію цієї коливальної системи у біжучому положенні таким виразом:

(45)

де  – маса льонокомбайна;  – його момент інерції відносно осі, яка проходить через центр мас паралельно до осі ;  – вертикальне зміщення центра мас льонокомбайна;  – його кутове зміщення у вертикальній площині.

Врахувавши, що змінні і пов’язані з узагальненими координатами і , вираз (45) набуде такого вигляду:

(46)

де ; – відстань від передньої точки підвісу до центра мас системи; – відстань від задньої точки підвісу до центра мас системи;  _ відстань від передньої до задньої точки підвісу системи.

Для визначення узагальнених сил обчислено потенціальну енергію П коливальної системи. Потенціальна енергія П льонокомбайна у його біжучому положенні дорівнює роботі пружних сил підресорювання і шин ходових коліс:

(47)

де і – приведені жорсткості відповідно передніх і задніх підвісок і шин льонокомбайна; і – висоти нерівностей опорної поверхні ґрунту відповідно під передніми та задніми колесами.

Також було визначено дисипативну функцію розсіювання енергії за таким виразом:

(48)

де і – приведені коефіцієнти опору відповідно передніх і задніх підвісок та шин.

Обчислено узагальнені сили:

(49)

де  – узагальнені сили для потенціальних сил механічної системи, які обчислюються за формулою;  – узагальнені сили для сил лінійного опору середовища;  – узагальнені сили для вимушувальних сил.

В остаточному вигляді формули для обчислення узагальнених сил мають такий вигляд:

(50)

Після підстановки у вихідні рівняння і виконання необхідних перетворень отримано систему диференціальних рівнянь у розгорненому вигляді, що описує коливальні рухи самохідного льонозбирального комбайна у вертикальній площині:

(51)

За допомогою пакета прикладних програм Maple 7 встановлено характер коливань льонозбирального комбайна залежно від профілю шляху.

Було також досліджено коливання причіпного льонозбирального комбайна при русі по нерівностях поверхні ґрунту. Для цього причіпний льонозбиральний комбайн представлено у вигляді еквівалентної схеми (рис. ), віднесеної до нерухомої відносно поверхні ґрунту системи координат XOYZ. При цьому площина XOZ є вертикальною площиною.

Для спрощення виведення рівнянь руху причіпного льонозбирального комбайна та його аналізу зроблено також низку припущень, аналогічних, як у випадку із самохідним льонозбиральним комбайном.

Виходячи з конструкції причіпного льонозбирального комбайна, досліджено його вертикальні поступальні (підстрибування) коливальні рухи.

З урахуванням цих припущень причіпний льонозбиральний комбайн представлено коливальною механічною системою з одним ступенем вільності. Для встановлення коливальних рухів причіпного льонозбирального комбайна у вертикальній площині використовуємо рівняння Лагранжа 2-го роду. За узагальнену координату було прийнято вертикальне переміщення підресореної маси z над ходовими колесами.

Узагальнену координату z також відраховано від положення статичної рівноваги коливальної системи.

Після вираження необхідних величин і виконання відповідних перетвореннь одержано диференціальне рівняння. яке описує коливальні рухи причіпного льонозбирального комбайна у вертикальній площині:

(52)

Коливальні рухи причіпного льонозбирального комбайна досліджено за умов, коли нерівності поверхні ґрунту мають такий аналітичний вираз:

(53)

де – стала швидкість причіпного льонозбирального комбайна, і   геометричні параметри нерівностей поверхні ґрунту.

Вираз (53) з урахуванням нерівностей поверхні ґрунту подано у вигляді

(54)

а похідна від нього

(55)

Зробивши відповідні перетворення, отримаємо рівняння, за допомогою якого досліджено характер коливань брального апарата причіпного льонозбирального комбайна залежно від профілю шляху:

(56)

Чисельний аналіз поставленої задачі проведено з використанням пакета прикладних програм Maple і представлено у графічному вигляді (рис. , 13).

Рис. . Відхилення бральних апаратів самохідного та причіпного льонозбиральних комбайнів від положення статистичної рівноваги: 1 – самохідного, 2 – причіпного

Рис. . Максимальне відхилення бральних апаратів самохідного та причіпного льонозбиральних комбайнів у випадку резонансу: 1 – самохідного, 2 – причіпного

На рис. , 13 показано залежності амплітуди й частоти вимушених коливань льонозбирального комбайна та його брального апарата від профілю поверхні ґрунту, яка в даному випадку виконує роль вимушувальної сили: при L=1 м відбуваються вимушені коливання з деякою амплітудою, а при L=0,7853 м відбувається резонанс передніх коліс і відповідно брального апарата, тобто амплітуда вимушених коливань приблизно у три рази більша, ніж при звичайних вимушених коливаннях.

Тобто, якщо бральний апарат попадає у резонанс, то необхідно змінити його швидкість (збільшити або зменшити) і умовна його амплітуда коливань таким чином зменшиться.

Проведено аналітичне дослідження розстилання льонозбиральними машинами стрічок льону на поле. Тут була врахована та обставина, що стебла, які виходять з машини, стеляться на ґрунт, як правило, перпендикулярно до напряму швидкості руху аґрегата. Це означає, що при повороті аґрегата стебла, що стеляться на ґрунт, розташовуються по радіусах кривизни нижніх точок розстелювального пристрою машини, які повертаються разом з аґрегатом.

На рис. показано утворення стеблових стрічок при прямолінійному, (а) і криволінійному, (б) русі льонозбирального аґрегата. Стебла зображено відокремленими одне від одного, однак в умовах реального