НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Тимошок Ігор Васильович

УДК 631.358.634.1

РОЗРОБЛЕННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ РУХОМ ПРИЧІПНОЇ ПЛОДОЗБИРАЛЬНОЇ МАШИНИ

05.20.01 - Механізація сільськогосподарського виробництва

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 1999 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті садівництва Української академії аграрних наук.

Науковий керівник - доктор технічних наук професор Демидко Михайло Омелянович, Національний аграрний університет, професор кафедри експлуатації машинно-тракторного парку.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук професор Беренштейн Ісаак Борисович, Кримський державний аграрний університет, завідувач кафедри сільськогосподарських машин;

доктор сільськогосподарських наук професор Глуховський Владислав Станіславович, Луцький державний технічний університет, професор кафедри сільськогосподарського машинобудування.

Провідна установа: Інститут механізації та електрифікації сільського господарства, відділ механізованого виробництва овочів та коренебульбоплодів, УААН, смт. Глеваха Васильківського району Київської обл.

Захист відбудеться «28» жовтня 1999 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 266.004.06 у Національному аграрному університеті за адресою: 252041, м. Київ, вул. Героїв оборони ,15, навчальний корпус 3, аудиторія 65.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: м. Київ - 41, вул. Героїв оборони, 11, навчальний корпус 10.

Автореферат розіслано «27» вересня 1999 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ___________________ Войтюк Д.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Садівництво належить до найбільш трудомістких та найменш механізованих галузей сільського господарства. Розрахунки з використанням типових технологічних карт показують, що навіть при максимальному використанні сучасної системи машин питома вага механізованих робіт у загальних затратах праці на виробництво зерняткових плодів не перевищує 30%.

Найбільш трудомісткою операцією в плодовому садівництві є збирання врожаю. На неї припадає 40-60% усіх трудовитрат, а тому нестача спеціальних високопродуктивних машин для збору плодів і ягід є одним із стримуючих факторів подальшого росту виробництва.

Істотним недоліком наявної плодозбиральної техніки є недосконалі системи орієнтації та керування їх рухом відносно стовбурів дерев ряду. В результаті витрачається надміру часу на проведення додаткових маневрувань для установлення машини відносно стовбура дерева у визначеному положенні (необхідна умова для виконання наступної технологічної операції - висунення вловлюючої поверхні та захоплення струшувачем стовбура дерева), що істотно знижує її продуктивність, а недостатня точність руху призводить до ушкоджень як рослин, так і самої машини. Відтак розроблення відповідної системи керування є актуальною науково-технічною проблемою.

Зв’язок роботи з науковими темами і відповідність паспорту спеціальності. Результати дослідження за темою дисертації виконано відповідно до плану науково-дослідних робіт Інституту садівництва Української академії аграрних наук в 1987-1998 роках згідно з науково-технічною програмою ДКНТ (завдання 01 за № держреєстрації 81050100) колишнього СРСР, державною програмою «Продовольство-95» (проекти «Плоди і ягоди» та «Система машин»), державною науково-технічною програмою «Фундаментальні дослідження» та науково-технічною програмою УААН «Садівництво».

Робота відповідає вимогам паспорту спеціальності 05.20.01.- «Механізація сільськогосподарського виробництва» (пункти 1, 2, 3, 6), затвердженого Президією ВАК України від 14.10.1998 року №18-08/7.

Метою досліджень є підвищення продуктивності та якості роботи причіпної плодозбиральної машини (ППМ) за рахунок забезпечення точнішого руху та установлення машини в необхідному положенні відносно чергового стовбура дерева за допомогою розроблення систем керування рухом та контролю положення відносно стовбурів розташованих в ряду дерев.

Завдання досліджень:

1) вивчити основні параметри саду як об’єкта механізації збирання врожаю;

2) провести аналіз та обгрунтувати вимоги, яким повинні відповідати системи керування рухом;

3) розробити математичні моделі ППМ як об’єкта керування та дослідити основні закономірності її руху;

4) теоретично та експериментально дослідити закономірності функціонування системи автоматизованого керування рухом, обгрунтувати її оптимальні параметри та режими роботи;

5) визначити техніко-економічну ефективність застосування систем керування рухом ППМ. Виготовити лабораторні зразки та провести необхідні експериментальні дослідження.

Методи досліджень. Теоретичні розробки проведено з використанням методів механіко-математичного моделювання та статистичної динаміки лінійних систем автоматизованого керування. Експериментальні дослідження виконано в лабораторно-польових та польових умовах з використанням методів фізичного моделювання. Досліджувані параметри реєструвались як візуально, так і з використанням електромеханічних давачів перемісту, при цьому використовувалися стандартні та спеціально виготовлені пристрої. Отримані дані оброблялись методами математичної статистики з використанням ЕОМ.

Наукова новизна. Розроблено математичні моделі, та проаналізовано основні закономірності руху ППМ при керуванні її положенням шляхом повороту дишла, а також повороту дишла та коліс (при наявності системи кутової стабілізації руху).

Розроблено методику визначення величини необхідного виносу копіюючого пристрою для керування рухом ППМ відносно стовбурів дерев ряду в поперечному напрямку та довжини чутливих елементів пристрою для контролю за положенням ППМ відносно стовбурів дерев у повздовжньому напрямку.

Розроблено методику оптимізації параметрів ППМ та системи керування рухом з урахуванням її динамічних якостей.

Розроблено конструктивні схеми системи кутової стабілізації руху ППМ та чутливих пристроїв для керування рухом та контролю за положенням ППМ відносно стовбура дерева в поперечному та повздовжньому напрямках. Новизна технічних рішень підтверджена авторськими свідоцтвами на винахід №1570668 та 1699363.

Практичне значення отриманих результатів. Впровадження розроблених систем керування рухом ППМ дозволяє підвищити ефективність її використання завдяки збільшенню продуктивності (в 1,2 рази) та зменшенню кількості випадків механічних пошкоджень стовбурів дерев (на 10%).

Результати досліджень можуть використовуватись при розробці причіпних плодозбиральних та інших сільськогосподарських машин, конструкції яких передбачають наявність системи керування їх рухом.

Особистий внесок здобувача. В опублікованих працях, які відповідають темі дисертації, доля здобувача складає від 60 до 70%.

Апробація результатів досліджень. Повний зміст дисертаційної роботи було викладено, обговорено і схвалено на розширеному засіданні лабораторії механізації та інженерного центру Інституту садівництва УААН (1999 р.), кафедральному семінарі факультету механізації сільського господарства Національного аграрного університету (1999 р.). Основні положення дисертаційної роботи доповідались на засіданнях науково-методичної комісії та вченої ради Інституту садівництва УААН, а також на 4 науково-практичних конференціях (Інститут садівництва, с. Новосілки - 1988, 1989, 1993 та 1997р.), Всесоюзній науково-технічній конференції ( Інститут механізації, м. Мелітополь - 1989 р.), чотирьох наукових конференціях професорсько-викладацького складу та аспірантів (УСГА, м. Київ - 1991 р., НАУ, м. Київ - 1993, 1994 та 1998 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 9 наукових праць. Новизна розробок захищена двома авторськими свідоцтвами на винахід. Основні з них наведено в переліку опублікованих праць.

Структура та обсяг роботи. Основний зміст дисертації викладено на 160 сторінках машинописного тексту, містить 2 таблиці та 52 рисунки. Загальний об’єм роботи складає 200 сторінок, включає вступ, 5 розділів, висновки, список 87 використаних джерел, з них 12 іноземною мовою, та 16 додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи і викладено основні результати досліджень, що винесено на захист.

У першому розділі («Стан питання та завдання досліджень») проаналізовано конструктивні особливості плодозбиральних машин, способи та засоби керування. Останні забезпечують виконання технологічної операції пересування машини від поточного дерева до чергового в межах певної відстані від їх стовбурів та зупинку в необхідному положенні з метою наведення і захоплення стовбура струшувачем. При цьому виділено їх конструктивні особливості, позитивні та негативні сторони. Розглянуто і проаналізовано характерні особливості саду як об’єкта механізації збирання врожаю.

В результаті було встановлено, що одним із істотних недоліків наявної плодозбиральної техніки є недосконалі системи орієнтації та керування рухом відносно стовбурів дерев ряду. Це призводить до надмірних втрат часу на проведення додаткових маневрувань, що значно знижує продуктивність, а недостатня точність руху призводить до пошкоджень як рослин, так і самої машини. Крім того, виявлено існування деяких протиріч між агротехнічними рекомендаціями щодо догляду за садом та агровимогами до нього при застосуванні механізованих засобів збирання врожаю. В результаті через невідповідність існуючих насаджень агровимогам ефективність використання наявної плодозбиральної техніки, не обладнаної спеціальними системами керування рухом, знижується в декілька разів.

Виходячи з цього, постає необхідність створення спеціальних систем керування рухом плодозбиральних машин, які б сприяли їх ефективному використанню.

На основі аналітичного огляду в заключній частині розділу сформульовано мету і завдання досліджень.

У другому розділі («Дослідження саду як об’єкта механізації збирання врожаю») проаналізовано умови роботи причіпної плодозбиральної машини. При цьому визначались параметри саду як об’єкта механізованого збирання врожаю, а саме: відхилення стовбурів дерев ряду відносно його осьової лінії в поперечному напрямку та розподіл кутів бачення оператором ділянки стовбура висотою 0,40 м, а також характерні особливості руху трактора по міжряддю саду.

В результаті було з’ясовано, що переважна кількість стовбурів дерев ряду з імовірністю 0,90 знаходиться в межах смуги шириною 0,15 м відносно його осьової лінії, а максимальні відхилення (імовірність 0,99) можуть досягати величини 0,18 м.

Кореляційна залежність того, що два сусідніх стовбури мають однакові значення відхилень відносно осьової лінії ряду складає 0,54, а кількість стовбурів дерев, положення яких знаходиться в достатній кореляційній залежності, не перевищує п’яти, що свідчить про низьку кореляційну залежність.

Отримана функція спектральної щільності свідчить про наявність у вірогіднісному процесі розташування стовбурів дерев широкого спектру коливань.

Більшість значень взаємних відхилень у поперечному напрямку стовбурів суміжних дерев з імовірністю 0,90 лежить у проміжку від 0 до 0,18 м, а максимальні відхилення (імовірність 0,99) можуть досягати 0,25 м.

Аналіз результатів досліджень по з’ясуванню можливості візуального способу контролю за положенням ППМ свідчить про те, що кут бачення ділянки стовбура висотою 0,40 м над поверхнею грунту з імовірністю 0,68 знаходиться в межах сектора від 6 до 200 до горизонту, а при імовірності 0,16 гілки розташовані нижче і з тією ж імовірністю вище вказаного сектора. Оператор, стоячи на поверхні грунту, бачить вказану ділянку стовбура під кутом 18-200. В таких умовах стовбур буде частково або повністю закритим, а, значить, і керування рухом звичайним способом буде значно ускладнено.

Дослідженням характеру руху трактора при його переїзді на відстань, яка за розміром дорівнює середньому значенню відстані між суміжними деревами (4,00 м), з’ясовано, що величина можливого максимального поперечного відхилення осі причіпної скоби відносно осьової лінії ряду дерев з імовірністю 0,99 може досягати 0,26 м, а кутові відхилення його осьової лінії лежать у проміжку від 0 до 1,4 градуса. Кутова сталість руху трактора стала підставою для припущення про можливість використати його раму як базовий елемент для кутової стабілізації руху ППМ.

В третьому розділі («Теоретичне обгрунтування схеми та оптимальних параметрів системи керування рухом ППМ») на основі проведеного аналізу результатів попередніх досліджень сформульовано вимоги до систем керування рухом ППМ. Теоретичні дослідження впливу конструктивних параметрів машини та системи керування рухом на характер руху ППМ з керованим дишлом, а також з керованим дишлом та колесами. Розроблено методику визначення величини виносу копіюючого пристрою, методику оптимізації параметрів ППМ та системи керування нею з врахуванням її динамічних якостей.

Для отримання вихідного рівняння руху ППМ з керованим дишлом було розглянуто спрощену схему машини у вигляді одновісного візка. Враховуючи малу швидкість руху агрегату і незначні кутові відхилення машини від напрямку руху, вважали, що вектори швидкості центрів коліс перпендикулярні осі обертання. Розглянувши плоскопаралельний рух візка, сформулювали вираз (1), який дозволяє визначати положення візка в будь-який момент руху, знаючи його початкове положення (0) та шлях (S), пройдений точкою причепу.

= 2 arctg [ tg (0 / 2 ) e -S/l ], (1)

де - кут між осьовою лінією візка та напрямком руху його точки причепу; l - відстань від точки причепу до осі коліс.

Щоб виключити можливість наїзду машини на стовбур дерева, було визначено необхідне значення виносу копіюючого пристрою щ, яке визначається довжиною відрізку перпендикуляра, опущеного з полозкового чутливого елемента 1 копіюючого пристрою на вертикальну площину, що проходить через боковий обрис вловлюючої поверхні машини 5 (рис. 1) в залежності від її конструктивних особливостей та характеристик саду. З цією метою рух ППМ було розділено на декілька етапів (рис.2). Починається він з вихідного положення (рис.2а) і триває поки передня частина машини (точка А) не порівняється з умовним стовбуром чергового дерева (точка G2) (рис.2б). Другий етап починається після зміщення системою керування передньої частини машини до збігу точки А з умовним стовбуром дерева (рис. 2в). |

Рис. 1. Схема копію- ючого пристрою: 1,2 - відповідно полозковий та штанговий чутливі елементи; 3 - механізм фіксування чутливих елементів у вихідному положенні; 4 - давач положення полозкового чутливого елемента; 5 - вловлююча поверхня; 6 - стовбур

а - зона можливого розміщення стовбурів дерев

Необхідну величину виносу копіюючого пристрою знайдено з виразів:

щ = - ymin (2)

де - лінійна величина, необхідна для забезпечення необхідної захисної зони між машиною та стовбуром дерева ( = 0,05...0,10 м);

ymin - значення можливої мінімальної відстані від умовного стовбура дерева до обрису вловлюючої поверхні машини в процесі її руху на відрізку шляху 0 S 2b.

ymin = yB + (d - S) Sin , (3)

де yB = l tg + Sin 0 (S + a - b - c - d) - c - Sin ( - 2) + g,

де = 2 arctg (tg 2/2 e-S/ l2)

Рис. 2. Схема зміни положення ППМ на різних етапах її руху

З наведених графіків видно, що величина виносу копіюючого пристрою істотно залежить від відстані між осями шарніра повороту дишла (точка А) та коліс і в меншій мірі - від інших параметрів (рис. 3).

Для вибраних базових параметрів (d = 4,00 м, b = 3,00 м, a = 5,00 м, g = -0,20 м, а 0 = -3,40 ) значення виносу копіюючого пристрою повинно бути в межах від 0,18 до 0,20 м.

Виходячи з прийнятої робочої гіпотези про можливість використання системою кутової стабілізації рами трактора як базовий елемент, рух ППМ досліджували у випадку, коли поворот опорних коліс відбувається синхронно з поворотом дишла на кут . Останній завжди пропорційний куту між осьовою лінією машини та напрямком руху трактора ( = n).

В результаті було сформульовано вираз:

S cos n d

- = , (4)

l sin [( n + 1) ]

який у загальному вигляді елементарними функціями не виражається. Було розглянуто окремі випадки при n = 0, 0,5, 1 і 2.

В результаті з’ясовано, що з підвищенням передаткового коефіцієнта n інтенсивність зменшення значень кута зростає. Отриманий матеріал дає уявлення про динаміку зміни положення ППМ в кожному конкретному випадку.

Рис.3. Залежність значення виносу копіюючого пристрою (щ) від відстаней між шарніром повороту дишла та віссю коліс - d (1), між шарніром повороту дишла та серединою захвата струшувача - b (2), між суміжними деревами - а (3)

Методику оптимізації параметрів ППМ та її системи керування рухом розробляли з використанням методів статистичної динаміки лінійних систем автоматизованого керування. При цьому досліджували дисперсію вихідного параметра Dy, яка характеризує розсіювання або відхилення вихідного параметра відносно математичного очікування траєкторії орієнтації, а, отже, дає оцінку похибки копіювання ряду плодових дерев.

Відомо, що

Dy = 2 Sy() d, (5)

де Sy() = Ф(i)2 Sx() - спектральна щільність вихідного параметра,

де Ф(i) = W(i) / [1 + W(i)] - частотна характеристика системи,

де W(i) - передаткова функція системи,

Sх() - спектральна щільність вхідного параметра.

З наведених виразів видно, що похибка копіювання траєкторії орієнтації залежить від двох величин: щільності вхідного параметра та модуля частотної характеристики. Першу з них визначають швидкість руху та умови роботи, а друга залежить від принципової схеми та передаткових функцій окремих ланок, а, отже, від параметрів та режимів роботи агрегату.

Розглянуто два способи керування рухом: за допомогою повороту дишла або повороту дишла з одночасним поворотом опорних коліс. Для визначення передаткових функцій систем керування було побудовано їх структурні схеми та визначено передаткові функції їх окремих ланок.

Структурні схеми систем керування рухом машини представлено на рис. 4, а їх передаткові функції розімкнутих систем (W(S)) мають вигляд:

W(S)1 = W1(S) W2(S) W31(S) W41(S) W5(S) W6(S) ; (6)

W(S)2 = W1(S) W2(S) [W31(S) W41(S) W5(S) W6(S) + (7)

+ W32(S) W42(S) W7(S) W8(S)] .

Рис. 4. Структурні схеми систем керування рухом ППМ: а - за допомогою повороту дишла; б - за допомогою повороту дишла з одночасним поворотом коліс: 1- умовна вхідна ланка; 2 - чутливий елемент; 3 - електрогідроперетворювач; 4, 5 - гідроциліндри повороту відповідно дишла та коліс; 6 - дишло; 7 - колеса; 8, 9 - об’єкти керування (кут повороту осі ППМ відносно осьової лінії ряду дерев та відстань між заданою на машині точкою і траєкторією орієнтації)

Підставивши в (5) необхідні значення та виконавши математичні перетворення з елементами операційного обчислення, отримали вирази дисперсій вихідних параметрів. При керуванні рухом машини за допомогою повороту дишла :

2Dx k2(k-T1T22)2 + k2T122 (1- T222)2 d

Dy = . (10)

[(k - T1T32)2 + T122 (1 - T222)2]2 (2 + 2)

де Dx - значення дисперсії вхідного параметра; k - передатковий коефіцієнт; T1, Т2, Т3, - сталі часу; - стала.

Отримані вирази досліджувались методами числового інтегрування. За оптимальні параметри приймали ті, що забезпечують мінімальні значення дисперсії величини відхилення машини від траєкторії орієнтації. В зв’язку з тим, що ряд параметрів приймали наближене значення, визначалось відносне значення дисперсії.

В результаті аналізу з’ясувалось, що істотний вплив на динамічні якості машини, а, отже, і на точність траєкторії орієнтації справляють такі параметри, як зона нечутливості чутливого елемента копіюючого пристрою h0 (зона, в межах якої чутливий елемент знаходиться в нейтральному положенні) (див. рис. 1), швидкість зміни положення в поперечному напрямку передньої частини машини (точки А, рис. 2) Vм в результаті спрацювання виконавчої системи (узагальнений параметр) та передаткове відношення механізму повороту коліс (n).

Всі залежності мають чітко виражену мінімальну зону (рис.5). Після переходу через границю початку автоколивань (при h0 < 0,020 м та при Vм > 0,25 м/с ), що означає втрату динамічної стійкості, значення дисперсії різко зростає. В свою чергу збільшення параметра h0 (h0 > 0,40 м) та зменшення Vм (Vм < 0,10 м/с ) призводить до зниження точності роботи системи керування - значення дисперсії також зростають.

Рис. 5. Залежність характеристики точності копіювання точкою С (середина захвату струшувача) траєкторії орієнтації від зони нечутливості чутливого елемента - h0 і швидкості зміни положення передньої частини машини - Vм при різних значеннях передаткового коефіцієнта механізму повороту коліс - n

При збільшенні передаткового відношення механізму від 0 до 2 точність копіювання траєкторії орієнтації зростає, але темп зростання вповільнюється.

В результаті проведеного аналізу встановлено, що для розглянутих параметрів оптимальними є такі діапазони їх значень: h0 = 0,025...0,035 м, Vм = 0,10...0,20 м/с, n = 1,5...2,0.

В четвертому розділі («Експериментальні дослідження») наведено програму, методику та результати експериментальних досліджень.

Вони виконані з метою визначення оптимальних параметрів систем керування, уточнення ряду положень, отриманих в результаті теоретичних досліджень, та встановлення адекватності розроблених математичних моделей руху.

Програма досліджень включала:

- визначення оптимального значення відстані можливого контролю положення машини відносно стовбура дерева в повздовжньому напрямку (відстань, яку проходить машина в цьому напрямку від початку до закінчення взаємодії чутливого пристрою зі стовбуром дерева), яка є основним параметром відповідного чутливого пристрою;

- встановлення оптимальних значень швидкості зміни положення передньої частини машини в поперечному напрямку (Vм) , та величини зони нечутливості копіюючого пристрою (h0);

- визначення кінематичних характеристик ППМ, обладнаної різними системами керування рухом.

Критерієм оцінки точності зупинки була мінімальна величина імовірного відхилення певної точки машини (умовного центру струшувача) відносно осьової лінії стовбура дерева в повздовжньому напрямку.

Змінними параметрами були: спосіб керування, швидкість руху та відстань можливого контролю положення машини - б (рис. 6). |

Рис. 6. Схема експериментального зразка чутливого пристрою: 1 - штанговий щуп; 2 - електромеханічний давач пере- міщення; 3 - затискачі струшувача; 4 - рама; 5 - стовбур;

б - відстань можливого контролю положення машини

В результаті з’ясувалось, що найменша точність зупинки спостерігається при візуальному способі керування (рис.7). При використанні чутливого пристрою точність зупинки зростає із збільшенням відстані можливого контролю положення машини, однак темп росту даного показника зменшується і, починаючи з величини 0,7 м, точність зупинки істотно не поліпшується. Виходячи з точки зору конструктивної, технологічної та функціональної доцільності, слід визнати за достатню довжину відрізку шляху можливого контролю положення машини в 0,7 м.

Дослідження процесу керування рухом ППМ відносно стовбура дерева в поперечному напрямку дозволило встановити, що при швидкості зміни положення передньої частини машини до 0,20 м/с процес протікає стабільно, автоколивання не спостерігаються. З ростом швидкості спрацювання виконавчого механізму та із зменшенням зони нечутливості зростає і схильність системи до автоколивань (табл.1). Виходячи з отриманих результатів, оптимальними слід вважати значення h0 = 0,025...0,035 м, Vм = 0,15...0,20 м/с. |

Рис. 7. Вплив швидкості руху (V) на ймовірні ( Р = 0,99) відхилення (L) місця зупинки ППМ відносно стовбура дерева в повздовжньому напрямку при різних способах керування: 1 - візуально; 2, 3 та 4 - при використанні пристрою контролю положення машини відносно стовбура дерева на відрізку шляху відповідно 0,4, 0,7 та 1,0 м.

Таблиця 1. Вплив параметрів системи керування рухом машини на відсутність (+) та наявність (-) ознак коливного процесу

Величина зони нечутливості (h0), м | Напрямок зміщення | Швидкість зміщення передньої частини машини (Vм), м/с

0,10 | 0,20 | 0,30 | 0,40

0,02 | від дерева | + | + | - | -

до дерева | + | - | - | -

0,03 | від дерева | + | + | + | -

до дерева | + | + | - | -

0,04 | від дерева | + | + | + | +

до дерева | + | + | + | -

Дослідження кінематики руху ППМ при різних способах керування проводилось з використанням експериментального устатковання, яке було моделлю ППМ в натуральну величину (рис. 8).

Адекватність математичних моделей руху ППМ визначалась за допомогою порівняння абсолютних значень різниць між теоретичними та експериментальними даними з середнім значенням початкового положення машини відносно базової прямої після спрацювання виконавчого механізму. Середнє значення такого порівняння становить 4,5% (в абсолютному вираженні 0,017 м), максимальне - 12,7% (в абсолютному вираженні 0,047 м). Таким чином, отримані математичні моделі руху ППМ з різними способами керування можна вважати адекватними і прийнятними для використання в необхідних розрахунках.

Рис. 8. Схема експериментального устатковання: 1,2,3 - чутливі елементи пристрою для визначення положення устатковини відносно базової прямої; 4 - чутливий пристрій системи контролю положення устатковини відносно стовбура дерева в повздовжньому напрямку; 5 - копіюючий пристрій системи керування рухом устатковини в поперечному напрямку; 6 - дишло; 7 - шарнір-пристрій (регулювач передаткового відношення механізму повороту коліс); 8 - компенсуючий (запобіжний) пружний елемент; 9 - злучник (регулювач вихідного положення коліс); 10 - гідророзподільник; 11 - пульт керування; 12 - причіпний пристрій; 13 - реєструюче обладнання.

У п’ятому розділі («Апробація результатів досліджень у виробництві, їх техніко-економічна ефективність») наведено результати виробничої перевірки та оцінки техніко-економічної ефективності використання розробленої системи керування рухом ППМ.

Дослідження проводились з використанням макетного зразка плодозбирального комбайну ППК-2 в господарствах Київської та Харківської областей.

Випробування показали, що системи керування рухом працюють стабільно в діапазоні швидкостей від 0 до 0,7 м/с.

Аналіз отриманих результатів показав, що системи керування рухом у порівнянні зі звичайним візуальним методом керування дозволяють підвищити точність руху та установлення машини в необхідному положенні відносно кожного з стовбурів дерев ряду в повздовжньому та поперечному напрямках відповідно в 3,0 та в 2,2, а показник непаралельності (кут між осьовими лініями машини та ряду дерев) при цьому зменшується в 1,2 рази. В абсолютному вираженні значення можливого відхилення положення машини від заданого з імовірністю 0,95 не повинні перевищувати значень відповідно 7,410-2 м, 6,010-2 м та 1,70 при застосуванні систем керування рухом. При звичайному способі керування ті ж показники мають значення 22,0 10-2 м, 13,010-2 м та 2,10.

Розроблені системи за рахунок підвищення точності керування дозволяють скоротити витрати часу на виконання операції під’їзду та встановлення ППМ в заданому положенні відносно чергового стовбура дерева в 1,7 рази, що обумовлює підвищення загальної продуктивності машини в 1,2 рази. Використання розроблених систем керування дозволяє скоротити випадки пошкодження стовбурів дерев на 90 і зменшити втрати плодів через недостатню щільність стикування двох секцій на 0,3%. Розрахунковий річний економічний ефект на одну машину складає 2200 грн. (стосовно цін 1998 р.)

ВИСНОВКИ

1. Однією з причин повільного розвитку плодового садівництва є велика трудомісткість процесу збирання плодів. Створені плодозбиральні машини не знайшли широкого розповсюдження у виробництві через недостатньо високу їх продуктивність та якість роботи. Такий стан пояснюється, зокрема, відсутністю в плодозбиральних машинах ефективної системи керування, яка б забезпечувала їм необхідну точність руху.

2. В результаті вивчення умов роботи плодозбиральної машини встановлено:

- в період збирання плодів гілки закривають стовбур дерева, що обумовлює неможливість візуального керування її рухом;

- відхилення стовбурів дерев відносно осьової лінії ряду досягають 0.18, а взаємне відхилення стовбурів суміжних дерев у поперечному напрямку сягає 0,25 м;

- при переїзді трактора (машини) на відстань, яка за величиною дорівнює відстані між суміжними деревами (4 м), лінійні відхилення його точки причепу в поперечному напрямку досягають 0,26 м, а кутове відхилення осі трактора відносно осі ряду при цьому не перевищує 1,40;

На підставі аналізу отриманих даних встановлено, що виконання технологічного процесу можливе при керуванні положенням ППМ відносно стовбурів дерев ряду в поперечному напрямку в автоматизованому режимі за допомогою повороту дишла або поворотом дишла з одночасним поворотом коліс (при використанні системи кутової стабілізації руху). Керування положенням машини в повздовжньому напрямку виконується трактористом при забезпеченні можливості контролю положення останньої відносно стовбура дерева на певній ділянці шляху її руху.

3. В результаті теоретичних досліджень сформульовано математичні моделі руху машини при керуванні її положенням відносно стовбурів дерев ряду як за допомогою повороту дишла, так і комбіновано - поворотом дишла з одночасним поворотом коліс. Їх аналіз показав, що основний параметр, який забезпечує безпечний рух машини - величина виносу копіюючого пристрою (щ), залежить від конструктивних характеристик машини (відстаней від осі шарніра дишла до осі коліс та від осі шарніра дишла до середини струшувача) і характеристик саду (відстані між стовбурами суміжних дерев та їх максимального взаємного відхилення в поперечному напрямку). Для середніх значень характеристик машини та саду даний параметр повинен знаходитись у межах від 0,18 до 0,20 м.

4. Теоретичний аналіз роботи системи автоматизованого керування рухом машини відносно стовбурів дерев ряду показав, що її необхідна якість (точність копіювання траєкторії орієнтації) забезпечується при таких значеннях основних параметрів:

- зона нечутливості копіюючого пристрою (зона, в межах якої чутливий елемент пристрою знаходиться в нейтральному положенні) - h0 = 0,025...0,035 м;

- швидкість зміни положення передньої частини машини в поперечному напрямку в результаті спрацювання виконавчого механізму - Vм = 0,10...0,20 м/с;

- коефіцієнт передачі механізму повороту коліс (при використанні системи кутової стабілізації) - n = 1,5...2,0.

5. Експериментальними дослідженнями встановлено:

- на якість роботи пристрою контролю положення машини відносно стовбурів дерев у повздовжньому напрямку істотно впливає на такий параметр, як довжина відрізка шляху можливого контролю положення машини. Його оптимальне значення становить 0,70 м;

- оптимальні значення параметрів системи керування рухом: зони нечутливості копіюючого пристрою (h0 = 0,025...0,035 м), швидкості зміни положення передньої частини машини (Vм = 0,15...0,20 м/с) збігаються і дещо уточнюють аналогічні значення параметрів, знайдених аналітично;

- підтверджено адекватність математичних моделей руху ППМ.

6. За результатами досліджень розроблено системи керування рухом ППМ а також необхідні для їх роботи чутливі пристрої. Виготовлено та випробувано у виробничих умовах макетні зразки систем керування працюють стабільно в діапазоні швидкостей від 0 до 0,7 м/с. В порівнянні зі звичайним методом керування точність руху та установлення машини в необхідному положенні відносно кожного з стовбурів дерев ряду зростає в повздовжньому напрямку в 3,0, а в поперечному в 2.2 рази. Водночас непаралельність (кут між осьовими лініями машини та ряду дерев) зменшується в 1,2 рази.

7. Застосування розроблених систем керування рухом забезпечує збільшення продуктивності машини в 1,2 рази та підвищення якості її роботи за рахунок скорочення випадків механічних пошкоджень стовбурів дерев на 10%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

Статті в наукових виданнях

1. Фришев С.Г., Тимошок І.В., Бабій В.П., Павленко В.А. Шляхи підвищення якісних показників роботи і продуктивності машини для збирання яблук // Садівництво. Міжвідомчий тематичний науковий збірник. К.: Аграрна наука. 1998.- Вип. 46.- С. 207- 209. (Особистий внесок - розроблення системи керування рухом).

2. Демидко М.О., Тимошок І.В. Копіюючий пристрій автоматизованої системи керування рухом причіпної плодозбиральної машини відносно стовбурів дерев ряду в поперечному напрямку // Збірник наукових праць Національного аграрного університету. «Механізація сільськогосподарського виробництва». Том 4.- Київ: НАУ.- 1988.- С. 100- 102. (Особистий внесок - розроблення конструкції).

3. Тимошок І.В. Обгрунтування місця встановлення копіюючого пристрою автоматизованої системи керування причіпною плодозбиральною машиною // Збірник наукових праць Національного аграрного університету. «Механізація сільськогосподарського виробництва». Том 4.- Київ: НАУ.- 1988.- С. 322- 325.

4. Демидко М.О., Тимошок І.В. Теоретичне дослідження руху причіпної плодозбиральної машини з керованим дишлом та колесами // Науковий вісник Національного аграрного університету. Вип.- 4.- Київ: НАУ.- 1998.- С.- 165- 169. (Особистий внесок - розроблення методики досліджень).

Авторські свідоцтва

5. А.С. 1570668 СССР, МКИ А 01 D 46/24. Устройство для автоматического управления прицепной плодоуборочной машиной / Демидко М.Е., Тимошок И.В., Мартышко В.Н., Бабий В.П., Меняйло В.И. (СССР).- № 4399031/30-15; Заявлено 29.03.1988; Опубл. 15.02.1990.- 4 с.

6. А.С. 1699363 СССР, МКИ А01 В69/04. Копирующее устройство для работы в междурядьях растений/ Тимошок И.В., Демидко М.Е., Бабий В.П., Мартышко В.Н., Меняйло В.И. (СССР).- №4683762/15; Заявлено 25.04.1989; Опубл. 22.08.1991.- 3 с.

Тези доповідей

7. Тимошок И.В. Управление плодоуборочными машинами // Тез. докл. республ. научн.-произв. конф.« Проблемы современного садоводства», ч. 1.- УНИИС.- Киев.- 1989.- с.29.

8. Тимошок І.В., Бабій В.П. Автоматизована система керування причіпною плодозбиральною машиною // Тези доп. наук.-практ. конф... - Київ: НВПО «Сад-еліта». - 1993.- С. 144- 145. (Особистий внесок - розроблення конструкції).

9. Демидко М.О., Тимошок І.В. Керування положенням причіпної плодозбиральної машини відносно штамба дерева в повздовжньому напрямку // Матеріали доп. наук. конф ... «Проблеми агропромислового комплексу: пошук, досягнення» .- Київ: НАУ.- 1994.- С. 10. (Особистий внесок - розроблення конструкції).

Тимошок І.В. Розроблення та дослідження системи керування рухом причіпної плодозбиральної машини. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.20.01 - механізація сільськогосподарського виробництва. Національний аграрний університет, Київ, 1999.

Дисертація присвячена питанням наукового обгрунтування та розроблення системи керування рухом причіпної плодозбиральної машини. На основі теоретичних і експериментальних досліджень обгрунтовано та розроблено системи контролю положення та керування рухом причіпної плодозбиральної машини відносно стовбурів дерев ряду в повздовжньому та поперечному напрямках. Розроблені системи дозволяють підвищити загальну продуктивність машини в 1,2 рази та істотно зменшують випадки пошкоджень дерев у порівнянні зі звичайним візуальним способом керування. Результати досліджень використано при розробленні та виготовленні макетного зразка причіпного плодозбирального комбайна.

Ключові слова: сад, стовбури дерев, відхилення, причіпна плодозбиральна машина, керування рухом, точність.

Тимошок И.В. Разработка и исследование системы управления движением прицепной плодоуборочной машины. Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.20.01- механизация сельскохозяйственного производства. Национальный аграрный университет, Киев, 1999.

Садоводство относится к наиболее трудоёмким и наименее механизированным отраслям сельского хозяйства. Отсутствие в достаточном количестве специальных высокопроизводительных машин для уборки урожая является одним из сдерживающих факторов развития производства.

Один из основных недостатков существующей плодоуборочной техники- несовершенные системы ориентации и управления движением. В результате теряется время на проведение дополнительных маневрирований с целью установления машины относительно штамба дерева в заданном положении, что существенно снижает её производительность. Кроме того, недостаточная точность движения приводит к повреждениям как растений, так и самой машины.

Цель исследований - повышение производительности и качества работы прицепной плодоуборочной машины (ППМ) за счёт обеспечения более точного движения и установления её в необходимом положении относительно штамба дерева путём разработки системы управления движением и контроля положения относительно штамбов деревьев, расположенных в ряду.

В диссертации исследованы вопросы, возникающие при разработке систем управления ППМ, с помощью которых обеспечивается её движение в пределах заданных границ расстояния от штамбов расположенных в ряду деревьев а также необходимая точность остановки в заданном положении относительно очередного штамба дерева.

Изучены основные характеристики сада как объекта механизации уборки урожая и обоснованы требования, которым должны удовлетворять системы управления движением плодоуборочной машины.

Разработаны математические модели движения ППМ при различных способах изменения её положения (поворотом дышла, а также поворотом последнего с одновременным поворотом опорных колёс при наличии системы угловой стабилизации движения). В результате разработана методика определения значения величины необходимого выноса копирующего устройства для управления движением машины в поперечном направлении, а также необходимой длины чувствительных элементов устройства для контроля за положением машины относительно штамба дерева в продольном направлении в зависимости от её конструктивных параметров и характеристик сада. Также исследовано влияние некоторых конструктивных параметров машины на интенсивность изменения её положения относительно базовой прямой.

Используя известные наработки в области механизации, автоматизации и теории вероятности, разработана методика оптимизации параметров ППМ и системы управления ею с учётом динамических характеристик машины. В качестве критерия оптимизации при этом было взято минимальное значение относительной дисперсии отклонения машины от траектории ориентации. В результате были определены наиболее значимые параметры и их оптимальные значения.

Экспериментальными исследованиями определено оптимальное значение длины отрезка пути возможного контроля за положением машины относительно штамба дерева в продольном направлении, что является основным параметром соответствующего устройства, а также подтверждена адекватность результатов теоретических исследований.

На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны системы контроля за положением и управления движением ППМ относительно штамбов расположенных в ряду деревьев.

Разработанные системы позволяют увеличить общую производительность машины в 1,2 раза и существенно сокращают случаи повреждения деревьев в сравнении с обычным, визуальным способом управления.

Результаты исследований могут быть использованы как при проектировании прицепных плодоуборочных машин и их систем управления, так и другой прицепной сельскохозяйственной техники, к точности движения которой предъявляются повышенные требования.

Ключевые слова: сад, стволы деревьев, отклонения, прицепная плодоуборочная машина, управление движением, точность.

Timoshok I.V. Elaboration and investigation of the tractor-hook apple harvester steering system.

The thesis for the scientific degree of Candidate of technical sciences on speciality 05.20.01- Mechanization of farming; National Agrarian University, Kiev, 1999.

The thesis presents the scientific elaboration and investigation of the steering system for hooking fruit-gathering machine (HFGM). The systems for position control and moving management of HFGM with regard to tree trunks in longitudinal and cross directions have been substantiated and elaborated on the basis of theoretical and experimental researches. Elaborated systems permit to increase the total machine productivity at 1, 2 times and essentially decrease trees damage cases as compared to ordinary management method.

Research results have been used when the model of HFGM was elaborated and produced.

Key words: orchard, tree trunks, deviation, hooking fruit-gathering machine, moving management, precision.