Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛЬВІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

Обгрунтування параметрів механізмів автомата водіння коренезбиральної машини

Білик Степанія Григорівна

ЛЬВІВ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Бережанському агротехнічному інституті Національного аграрного університету, Кабінет Міністрів України.

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

Провідна установа:

Заслужений винахідник України, доктор технічних наук, професор

Гевко Богдан Матвійович, Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя,

завідувач кафедри технології машинобудування.

доктор технічних наук, професорХайліс Гедаль Абрамович,

Луцький державний технічний університет, професор кафедри сільськогосподарського машинобудування;

кандидат технічних наук, доцент Пришляк Віктор Миколайович,

Вінницький державний аграрний університет, доцент кафедри сільськогосподарських машин

Національний науковий центр “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук, відділ механізації збирання овочів і коренебульбоплодів, смт. Глеваха Васильківського району Київської області.

Захист відбудеться “15” червня 2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 36.814.03 у Львівському державному аграрному університеті за адресою: 80381, Львівська обл., Жовківський р-н.,

м. Дубляни, вул. Володимира Великого 1, корпус факультету механізації сільського господарства, аудиторія 34 М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дослідження. Збільшення обсягів виробництва цукрових буряків та зниження їх собівартості є актуальною науково-технічною та народногосподарською проблемою. Це пояснюється великим попитом на цукор як в Україні, так і за її межами, а також необхідністю додаткового забезпечення кормової бази тваринництва. Одним з шляхів її вирішення є впровадження ресурсоощадних механізованих технологій вирощування і збирання цукрових буряків. Ці технології повинні передбачати використання високопродуктивних коренезбиральних машин, які би забезпечували високу якість збирання.

В конструкціях коренезбиральних машин важливу функцію виконують автомати водіння (АВ), які призначені для забезпечення високих робочих швидкостей руху при одночасному підвищенні точності відслідковування рядків. Завдяки АВ підвищується продуктивність машини, зменшуються втрати коренів, полегшуються умови праці механізаторів.

Серійний автомат водіння коренезбиральної машини КС-6Б має складну конструкцію, значну масу, велику кількість шарнірних з'єднань і, відповідно, регульованих параметрів, що знижує його ефективність під час експлуатації.

У зв'язку з цим дослідження та удосконалення механізмів АВ коренезбиральної машини є актуальними і мають важливе наукове та практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до державної науково-технічної програми Бережанського агротехнічного інституту (БАТІ) та СКБ ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” “Механіко-технологічні основи проектування транспортно-технологічних систем коренезбиральних машин” (номер державної реєстрації 0102U002302, ДІ-97-00), яка реалізовувалася в рамках Постанови Кабінету Міністрів України № 1341 від 1 грудня 1997 року “Про розвиток сільськогосподарського машинобудування і забезпечення агропромислового комплексу конкурентноспроможною технікою”.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи - покращити якість викопування коренеплодів цукрових буряків на основі підвищення точності водіння коренезбиральної машини завдяки удосконаленню конструкції її автомата водіння та системного обґрунтування параметрів його механізмів.

Відповідно до поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

здійснити аналіз конструкцій автоматів водіння та їх механізмів, виявити недоліки і запропонувати нові технічні рішення щодо їх удосконалення;

обгрунтувати механізми АВ та їх головні параметри;

теоретично дослідити кінематичні параметри руху коренезбиральної машини з автоматом водіння та вивести залежності характеристик траєкторії руху від коефіцієнта чутливості АВ, а також величини зони нечутливості;

- на основі теоретичного дослідження руху коренезбиральної машини, обладнаної АВ, обґрунтувати її динамічну модель і визначити раціональне значення коефіцієнта чутливості та зусилля контакту копіра з коренеплодом;

- виготовити дослідний зразок АВ, встановити його на машину, провести експериментальні дослідження та польові випробування і перевірити адекватність теоретичних моделей;

- розробити план, виконати експериментальні дослідження та з'ясувати системний вплив параметрів редуктора-прискорювача та важільного механізму АВ на технологічні показники роботи коренезбиральної машини КС-6Б, обладнаної АВ нової конструкції;

- розробити інженерну методику визначення параметрів та проектування головних механізмів АВ, розрахувати очікуваний економічний ефект від впровадження конструкції.

Об'єкт досліджень - процес функціонування автомата водіння коренезбиральної машини та його механізми.

Предмет досліджень - залежність точності водіння та показників якості технологічного процесу викопування коренеплодів від конструктивно-технологічних параметрів механізмів розробленого автомата водіння коренезбиральної машини.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися з використанням основних положень теоретичної механіки, математичної статистики та теорії ймовірності. Поставлені задачі розв'язувались з використанням ПЕОМ. Експериментальні дослідження проводились на основі системного підходу, статистичного опрацювання матеріалу, планування багатофакторного експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів. З використанням методів системного підходу розв'язана задача синтезу механізмів АВ коренезбиральних машин з покращеними техніко-економічними показниками і вперше отримано наступні наукові результати: значення коефіцієнта чутливості та величину зони нечутливості обґрунтовано на основі математичної моделі кінематики комбайна з автоматом водіння, що здійснює керування його рухом за допомогою копіра; умову стійкості руху коренезбиральної машини теоретично визначено на підставі розробленої її динамічної моделі, обладнаної автоматом водіння, з врахуванням маси машини та жорсткості підвіски в поперечному напрямі; зусилля контакту копіра з коренеплодом встановлено на основі виведених диференціальних рівнянь руху копіра; передатні відношення редуктора-прискорювача та важільного механізму автомата водіння коренезбиральної машини визначено на основі виведених аналітичних залежностей.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено нову конструкцію АВ коренезбиральної машини КС-6Б. Зменшено його масу з 202 до 87 кг і покращено техніко-економічні показники. На основі реалізації повнофакторного експерименту розроблено методику для оцінки величини втрат та пошкоджень коренеплодів, встановлено необхідні параметри налагодження механізмів АВ на якісне виконання технологічного процесу. Технічна новизна запропонованих конструкцій механізмів АВ захищена чотирма патентами України на винаходи. Розроблену конструкцію АВ коренезбиральної машини КС - 6Б (патент України №53989 А) впроваджено на ВАТ „Тернопільський комбайновий завод”.

Особистий внесок здобувача. Основні дослідження за темою дисертаційної роботи виконані автором самостійно [1-5]. В наукових працях, опублікованих у співавторстві, ним обґрунтовано умови стійкості руху агрегату з копіром з виведенням диференціальних рівнянь, які враховують залежність сумісних переміщень АВ, рами, повороту коліс від їх відносного зміщення та поперечних коливань машини. [9]. Досліджено взаємодію копірів з коренеплодами, описано рівняння руху, яке дозволяє визначити кутові і лінійні параметри рами машини і копіра [8]. Розроблено інженерну методику проектування механізмів АВ, проведено оптимізацію конструктивних параметрів на основі задач нелінійного програмування [10, 11, 12]. Обґрунтовано методи підвищення якості процесу відслідковування рядків коренеплодів [6, 7, 13, 14].

У технічних рішеннях, захищених патентами України, частка кожного співавтора одинакова. конструкція водіння рух корнеплід

Апробація результатів дисертації. Основні положення теоретичних та експериментальних досліджень, виконаних за темою дисертації, доповідались і отримали позитивну оцінку на: Міжнародних науково-практичних конференціях пам'яті П.М. Василенка “Проблеми землеробської механіки” (Луцького державного технічного університету, м Луцьк, 2001 р.), Миколаївського аграрного університету (м. Миколаїв, 2002 р.), Харківського державного технічного університету сільського господарства (м. Харків, 2003 р.); науково-практичних конференціях професорсько-викладацького складу БАТІ (м. Бережани, 2002 - 2003 рр.), Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (м. Тернопіль, 2002 - 2003 рр.); на засіданні науково-технічної ради СКБ ВАТ “ТеКЗ” (м. Тернопіль, 2003 р.); міжкафедральному науково-методичному семінарі факультету механізації сільського господарства Львівського державного аграрного університету (м. Дубляни, 2003 р.)

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладено у 14 наукових публікаціях, з них 10 - у фахових збірниках наукових праць, п'ять з яких є самостійними, 4 патентах України на винаходи. Загальний обсяг опублікованих матеріалів становить 3,41 друк. арк., з яких 2,26 є особистим доробком автора.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 123 найменувань та 8 додатків. Повний обсяг роботи становить 168 сторінок, в т. ч. 62 рисунки і 14 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, визначено об'єкт, предмет, методи досліджень, окреслено наукову новизну й практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі „Стан питання в теорії й практиці” проведено огляд систем водіння сільськогосподарськими машинами і збиральними комбайнами з використанням гідроприводів.

Питанням керування мобільними сільськогосподарськими машинами присвячені праці А.Б. Свирщевського, Ю.Є. Гельфенбейна, А.Б. Лурьє, Я.Л. Бронштейна, С.А. Ковчина, І.І. Настенка, Л.І. Михальчука, Г.С. Іоффе, В.М. Міхліна, В.Н. Прокоф'єва, В.М. Яснова, В.А. Дідура, Ю.С. Малого, Г.А. Гуллява, О.О. Дубровського, Т.М. Башти, Л.А. Борошка, С.А. Літинського, В.Д. Шаповалова, І.П. Іофінова, А.Т. Лебедєва, М.Л. Крижачківського, М.Ф. Бойка, Г.А. Хайліса, Б.М. Гевка, В.М. Пришляка та інших.

Встановлено, що для якісного виконання технологічного процесу викопування коренеплодів система керування коренезбиральною машиною повинна забезпечувати: належну точність водіння її вздовж рядків, стійкість і відсутність автоколивань, пріоритет ручного керування над автоматичним, використання серійної елементної бази тощо.

В результаті проведеного аналізу літературних джерел і патентної інформації окреслено питання, які вивчені недостатньо. Насамперед, це стосується взаємодії копіра АВ з коренеплодами, кінематики і динаміки руху коренезбиральної машини з напрямним копіром, умови забезпечення стійкості руху агрегату. Разом з цим, важливим питанням є розробка нової конструкції АВ, яка б забезпечувала зменшення його маси і покращення техніко-економічних показників процесу водіння.

Наведені аргументи зумовили вибір теми дисертації, визначили її мету та завдання.

У другому розділі “Теоретичні дослідження механізмів автомата водіння коренезбиральної машини” визначено основні параметри механізмів АВ, проведено аналіз автоматичної взаємодії відслідковуючого копіра з коренеплодами та розглянуто особливості роботи автомата під час збирання цукрових буряків.

Розрахункову схему комбайна із копіром, який спрямовує його рух згідно з розміщенням коренеплодів буряків на полі, представлено на рис. 1. У першому наближенні вважаємо, що кут повороту коліс передньої осі лінійно залежить від зміщення копіра z і описується виразом:

, (1)

де К - коефіцієнт чутливості, рад/м.

Елементарне зміщення копіра dx за рахунок руху комбайна по дузі кола за час dt визначено із геометричних співвідношень для центра обертання тіла (рис.1):

; (2)

де - робоча швидкість руху коренезбиральної машини, м/с; R1 - змінний радіус дуги кола, яку описала машина за певний час t, м; R3 - радіус повороту нульової точки копіра за рахунок руху машини по дузі кола, м; - кут повороту корпуса машини разом із копіром по дузі кола, рад; 3 - кут, що визначається із залежності sin3 = , рад.

Кут визначається із співвідношення:

. (3)

Рівняння (2, 3) описують траєкто-рію руху комбайна по міжряддях без врахування керування за допомогою копіра. Цей випадок має місце, коли він не торкається коренеплоду. За цієї умови всі змінні радіуси приймають постійне значення (R1 = const, R3 = const), комбайн рухається по дузі кола. Тоді система диференціальних рівнянь (2, 3) спрощується і набуває вигляду:

, (4)

де - початкове значення кута повороту комбайна, рад.

Інтегруванням рівняння (4) за сталих значень коефіцієнтів отримано:

,(5)

де - початкове зміщення середньої точки копіра, м.

Із врахуванням зміни координат копіра записано систему нелінійних диференціальних рівнянь, що описують рух комбайна під час контакту копіра з коренеплодом:

, (6)

де і - відстані між осями машини та від задньої осі машини до копіра, відповідно, м; - величина зазору між копіром та коренеплодом, м.

Розв'язок системи (6) здійснено чисельним методом в інтервалі часу, коли копір контактує з коренеплодом. Після його виходу із контакту рух описується рівнянням (5) із початковими параметрами, рівними кінцевим їх значенням при чисельному розв'язку цієї системи.

Траєкторія руху передніх коліс, що описується координатою на етапі вільного руху, та траєкторія копача х2 визначаються за залежністю (5) при відповідних радіусах повороту R2 і R4 та кутах ₂ та 4.

Під час контакту копіра з коренеплодом визначались координати і , а далі обчислювались координати:

(7)

де - відстань від задньої осі машини до осі копача, м.

Розрахунок кінематичних параметрів за наведеною вище методикою проведено для реальних конструктивних параметрів коренезбиральної машини КС-6Б: L1 = 4 м, L3 = 4,6 м, v= 2 м/с, К = 1 рад/м, = 0,01 м. Застосування програми і графічної інтерпретації отриманих результатів дає можливість проаналізувати рух комбайна із системою автоматичного водіння. Встановлено, що копір здійснює коливальні рухи з амплітудою, яка незначно перевищує величину зазору, період коливань при цьому дорівнює 10 с. Підвищення швидкості руху коренезбиральної машини суттєво збільшує частоту коливань, що є небажаним. Величини зміщень х1 і х2 є меншими, ніж x, тобто машина під час роботи не вийде із міжряддя.

Досліджено вплив зони нечутливості керування за допомогою копіра на рух коренезбиральної машини, обладнаної АВ. Зона нечутливості z0 визначається конструктивними параметрами АВ (в межах 5...10 мм). За допомогою вказаної вище програми проведені розрахунки кінематичних параметрів для випадків відсутності зони нечутливості та при її наявності. Запропонована математична модель показала, що наявність цієї зони призводить до збільшення кутових коливань машини і зсуву копіра від траєкторії руху на її величину. Оскільки створити систему керування, яка не має зони нечутливості неможливо, то необхідно, щоб вона не перевищувала 5 мм, а зазор між копіром і коренеплодом був не більшим 10 мм.

Для визначення зусилля, що діють на копір, складено рівняння його руху, яке записано через кут повороту відносно точки кріплення на рамі коренезбиральної машини (рис. 2):

,(8)

де F1 - сила опору грунту на копір, що діє проти напрямку руху машини, Н;

а - проекція довжини важеля, який несе контактний елемент копіра, м;

F2 - сумарна сила опору грунту та сила опору в системі кріплення копіра до рами в напрямку, перпендикулярному до напрямку руху машини, Н; - зведений коефіцієнт демпфування коливань копіра, Нс/м; m - маса копіра, кг; F3 - сила взаємодії копіра з коренеплодом, Н.

У формулі (8) перший член характеризує вплив сили опору ґрунту на копір у поздовжньому напрямку руху комбайна. Вона є рівною сумі сил тертя по ґрунту (для культиваторного копіра) та різання ґрунту. Це зусилля призводить до стабілізації копіра біля нульового положення. На його величину впливають як параметри ґрунту, так і конструктивні параметри копіра.

Другий та третій члени рівняння (8) описують, відповідно, суху та в'язку складові бокового опору ґрунту і тертя в місці кріплення копіра до рами. Четвертий член залежить від контакту копіра з коренеплодом і описується наступною залежністю:

(9)

де сk - зведена жорсткість пера копіра в місці контакту з коренеплодом, Н/м.

Остання складова - сила інерції, яка зміщує копір від нейтрального положення під час криволінійного руху комбайна.

Розв'язок рівняння (8) значно спрощується, коли врахувати, що кутове відхилення в реальній системі є незначним і ним можна нехтувати. Тоді .

. (10)

Коли корені характеристичного рівняння даного диференціального рівняння (10) комплексно спряжені і дійсна їх частина від'ємна, то маємо випадок згасаючих коливань. У випадку великого значення коефіцієнта демпфування коливань копіра здійснюється аперіодичний рух.

Підставивши розрахункове значення кута відхилення , обчислене за формулою (10) у залежність (1) та врахувавши, що за малих кутів відхилення , отримаємо:

. (11)

Цей розв'язок не враховує повороту корпуса комбайна, спричиненого його рухом по дузі кола. У зв'язку з цим складено додаткове рівняння, яке зв'язує кутове відхилення копіра із відповідним поворотом корпуса комбайна:

, (12)

де _і та _і+1 відповідно кути повороту копіра без та з врахуванням повороту корпуса машини, рад.

Розв'язок рівняння (12) проведено чисельним методом, який дає можливість на кожному кроці інтегрування визначити знак сили F2 і величину сили F3.

На рис. 3 відображено результати розрахунку відносних зміщень копіра і рами машини, повороту її корпуса під час руху з відслідковуванням за траєкторією посадки коренеплодів, яка описується синусоїдальною залежністю.

Встановлено, що комбайн відслідковує нерівномірності траєкторії посадки коренеплодів з необхідною точністю. За такої умови швидкість руху комбайна та сила тиску на буряк не виходять за межі допустимих значень. Графічні залежності (рис. 3) отримано при значеннях параметрів, величини яких встановлено попередніми експериментальними дослідженнями: К = 1 рад/м; F1 = 80 Н; F 2 = 200 Н; m=25 кг;v=2 м/с; сk =10000 H/м; а=0,4 м; J= ma²= 4 кг м²; =0,01 м.

Провівши теоретичні досліди з визначення можливих втрат коренеплодів внаслідок похибок водіння, а також варіації їх розмірів відносно осьової лініїрядка, встановлено, що за урожайності цукрових буряків 60,4 т/га і ідеальної точності ведення вони не перевищують 0,9 %.

Крім цього, досліджено стійкість руху машини у поперечному до руху копіра напрямку. Встановлено умову її стійкості залежно від коефіцієнта демпфування поперечних коливань _п, жорсткості підвіски сп (з урахуванням податливості коліс та грунту), та коефіцієнта чутливості К:

, (13)

де М - маса машини, кг.

Для забезпечення стійкості руху в певних межах необхідно змінювати ці показники. Для оцінки діапазону їх можливих значень проведено числові дослідження, за результатами яких побудовано графічні залежності (рис. 4, 5).

Графічні залежності побудовано за К = 2 рад/м, що відповідає максимально-допустимому його значенню. За К < 2 рад/м зона стійкої роботи буде розширюватися.

Аналогічно досліджено стійкість системи з урахуванням кутових коливань за критерієм Рауса-Гурвіца:

, (14)

де J - момент інерції машини відносно вертикальної осі, що проходить через його центр мас, кг м²; к - зведений коефіцієнт демпфування кутових коливань, Нс/м; L - відстань від центра мас машини до точки приєднання копіра до рами, м.

Аналіз залежності (14) показує, що для забезпечення стійкості необхідно вибирати малий коефіцієнт чутливості та збільшувати довжину важеля а.

Одержані в роботі результати свідчать, що стійкість руху коренезбиральної машини під час збирання коренеплодів досягається за умови наявності високої жорсткості підвіски (сп > 50000 Н/м) та достатньо великого коефіцієнта демпфування (_п, > 200 Нс/м). Коефіцієнт чутливості системи водіння K необхідно вибирати з умови слідкування за траєкторією висадки коренеплодів (в межах 0,5...2 рад/м), що забезпечить достатній запас стійкості в різноманітних умовах роботи та мінімальний коефіцієнт коливальності перехідного процесу.

У третьому розділі „Програма і методика експериментальних досліджень” викладено програму експериментальних досліджень, описано обладнання, прилади, дослідну установку і методики проведення досліджень.

Програмою досліджень передбачалось визначення залежності кута повороту керованих коліс від кута повороту копіра, а також зусилля, необхідного для його переміщення. Для виявлення впливу параметрів важільного механізму на показники роботи АВ було виготовлено спеціальні важелі, які встановлювались на осі обертання копіра і вхідного вала редуктора-прискорювача. З метою дослідження впливу на них передатного відношення редуктора-прискорювача встановлювались змінні пари шестерень що мали однакову міжосьову відстань. У дослідах з визначення зусилля, необхідного для переміщення копіра, застосовувався динамометр. В якості експериментальної установки (рис. 6) використано коренезбиральну машину, обладнану розробленим АВ, міст керованих коліс якої був розміщений на спеціальних підпорах. Їх висота дозволяла вільно повертатися копірам і керованим колесам при опущеному викопуючому пристрої.

Досліди проводили з підвішеними керованими колесами з метою імітації зусилля їх провертання при русі машини, оскільки під час руху вони практично не ковзають по грунту.

З метою визначення впливу параметрів механізмів АВ (передатного відношення редуктора-прискорювача, відношення довжини ланок важільного механізму) на ступінь порізів коренеплодів проведено багатофакторний експеримент. Значення факторів в натуральних величинах, а також інтервали їх зміни наведено в табл. 1.

Було вибрано поле із врожайністю 380 ц/га. Це дозволило встановити, наскільки точно АВ працює при викопуванні великих коренеплодів, ймовірність пошкодження яких є більшою.

Таблиця 1

План повнофакторного експерименту

Кодове значення факторів	Робоча швидкість коренезбиральної машини v, м/с	Передатне відношення редуктора- прискорювача і	Передатне відношення важільного механізму kп
Основний рівень	1,97	5,509	3
Інтервал варіювання	0,53	3,505	1
Верхній рівень	2,5	9,41	4
Нижній рівень	1,44	2,4	2

Кінематичну схему АВ зображено на рис. 7. Копіюючий пристрій складається з копіра 2, обладнаного перами 1, встановлений на паралелограмній підвісці 4, яка за допомогою поворотного кронштейна 6 з'єднана з рамою 5.

Паралелограмна підвіска забезпечує паралельний рух копіра при змінній висоті копіювання, а поворотний кронштейн дозволяє йому відхилятися в поперечному напрямку під час відслідковування траєкторії рядків.

Розроблено методику дослідження маси сегмента коренеплоду від його товщини.

Державні випробування проводилися у Львівській державній зональній машиновипробувальній станції на коренезбиральній машині КС-6Б, укомплектованій АВ нової конструкції, гичкорізом турбінним, дообрізувачем головок коренеплодів і механізмом навіски.

У четвертому розділі „Результати експериментальних досліджень” представлено результати експериментальних досліджень параметрів механізмів АВ і державних випробувань обладнаного ним комбайна КС-6Б, а також показники ефективності його роботи.

Проведені лабораторні дослідження дали можливість встановити залежність кута повороту керованих коліс від кута повороту копіра та зони нечутливості системи, а також зусилля переміщення копіра при передатних відношеннях довжин ланок важільного механізму k_п =2, 3, 4 і передатному відношенні редуктора-прискорювача і при його відповідних значеннях 2,4; 5,81; 9,41. Величина повороту першого знаходилась в межах 5...15, а другого - 2...17,5, що підтверджує теоретично обгрунтоване значення коефіцієнта чутливості системи К (0,5…2 рад/м).

На основі аналізу залежностей (рис. 8, 9) встановлено, що найбільш ефективним процес відслідковування коренеплодів АВ буде при значеннях kп=4, і = 9,41. За таких умов значення зусилля, яке необхідне для переміщення копірів, знаходилось в межах від 60 до 70 Н.

За результатами планового багатофакторного експерименту отримано регресійну залежність для визначення втрат коренеплодів:

Y=0,905+0,258 v - 0,073і - 0,056k_п. (15)

Також представлено поверхні відгуків та їх двомірні перерізи залежності втрат коренеплодів від швидкості руху коренезбиральної машини, передатних відношень редуктора - прискорювача та важільного механізму (рис.10-12).

Із підвищенням швидкості руху коренезбиральної машини втрати коренеплодів значно зростають - від 0,65 % (v = 1,44 м/с) до 1,3% (v=2,5м/с) і суттєво зменшуються під час збільшення передатного відношення редуктора-прискорювача - від 1,14 % ( = 2,4) до 0,38 % (і = 9,41).

На основі аналізу отриманих експериментальних даних встановлено, що раціональними параметрами механізмів розробленого АВ коренезбиральної

машини є: передатне відношення редуктора-прискорювача і = 9,41; передатне відношення важільного механізму k_п = 4. Робоча швидкість машини не повинна перевищувати 2,5 м/с.

За значеннями результатів зважування сегментів коренеплодів побудовано емпіричну залежність маси сегмента коренеплоду від його товщини, користуючись якою можна оцінювати втрати без використання ваг.

За результатами державних випробувань коренезбиральної машини КС-6Б, обладнаної розробленим АВ, встановлено, що втрати коренеплодів складають 1,35-1,4 %, а сильно пошкоджуються - 4,5-4,9 % при допустимих згідно Державного стандарту України 1,5 % та 5 %.

У п'ятому розділі „Інженерна методика проектування механізмів автомата водіння коренезбиральної машини та економічна ефективність розробки” приведено методику, яка дає можливість провести інженерні розрахунки конструктивно - технологічних параметрів механізмів АВ коренезбиральної машини КС-6Б, а також обгрунтування параметрів копірів.

Отримано аналітичні вирази для визначення передатного числа редуктора-прискорювача залежно від характеристики помпи-дозатора та конструктивних особливостей виконання моста керованих коліс, а також параметрів важільного механізму АВ.

Розрахунок економічної ефективності свідчить, що розроблена конструкція автомата водіння коренезбиральної машини дозволяє якісно виконувати технологічний процес. Прогнозований річний економічний ефект розробки складає 5962,8 грн. на одну машину.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розроблено конструкцію гідромеханічного автомата водіння і на основі теоретичних та експериментальних досліджень обгрунтувано раціональні параметри головних його механізмів.

1. На підставі аналізу конструкцій наявних автоматів водіння коренезбиральних машин та їх механізмів виявлено наступні недоліки: значна маса, велика кількість кінематичних зв'язків, складність регулювання, необхідність забезпечення зворотнього зв'язку. З огляду на це запропоновано конструкцію гідромеханічного автомата водіння, яка дає змогу забезпечити покращення його експлуатаційних характеристик та якісних показників роботи машини.

2. Обгрунтовано, що до головних механізмів нового автомата водіння слід віднести: чотири копіри, важільний механізм та редуктор-прискорювач. Системна взаємодія цих механізмів забезпечує точність водіння коренезбиральної машини, а відтак - зменшує втрати та пошкодження коренеплодів через їх порізи. Доведено, що головними параметрами цих механізмів є: коефіцієнт чутливості, зона нечутливості, зусилля взаємодії копіра з коренеплодом, передатне відношення важільного механізму та передатне відношення редуктора-прискорювача.

3. Вперше на підставі кінематики руху коренезбиральної машини, обладнаної АВ, обгрунтовано систему нелінійних диференціальних рівнянь, що описують її рух під час контакту копіра з коренеплодом. Використання чисельного методу дало змогу розв'язати цю систему та з'ясувати характер зміни головних показників кінематики руху копіра та рами машини в часі, а також обгрунтувати раціональні значення коефіцієнта чутливості (К = 0,5...2 рад/м) і величину зони нечутливості (z0 5 мм). Розроблений розрахунковий метод визначення втрат коренеплодів через порізи враховує відхилення розміщення коренеплодів відносно теоретичної лінії рядка і точності ведення коренезбиральної машини. Встановлено, що за урожайності цукрових буряків 60,4 т/га і теоретичної точності ведення, їх втрати не перевищують 0,9 %.

4. Динамічний аналіз взаємодії копіра з коренеплодом уможливив побудову динамічної моделі його руху (8), розв'язання якої чисельним методом дало змогу встановити значення зусилля взаємодії копіра з коренеплодом (F3 200Н), що не перевищує допустимого значення.

5. Вперше на основі аналізу стійкості системи виведено диференціальні рівняння поперечних та кутових коливань корпуса машини та умови стійкості руху. Розв'язок даних рівнянь на основі критерію стійкості Рауса-Гурвіца підтвердив, що стійкість руху коренезбиральної машини під час збирання коренеплодів забезпечується за умови жорсткості підвіски сп > 50000 Н/м, та коефіцієнта демпфування _п, > 200 Нс/м.

6. На основі експериментальних досліджень за допомогою запроектованої та виготовленої лабораторної установки встановлено, що процес відслідковування забезпечується за умови наступних параметрів механізмів автомата водіння: передатного відношення важільного механізму kп = 4; передатного відношення редуктора-прискорювача і = 9,41; зусилля переміщення копірів F = 60…70 Н. Результати експериментальних досліджень роботи коренезбиральної машини, обладнаної АВ, із параметрами, визначеними на основі лабораторних досліджень, підтвердили їх близькість із розрахунковими даними втрат коренеплодів (відносна похибка не перевищує 25 %).

7. На основі повнофакторного експерименту (2³) отримано регресійну залежність (15) втрат коренеплодів і представлено поверхні відгуків та їх двомірні перерізи в залежності від передатного відношення редуктора-прискорювача (і = 2,4; 5,81; 9,41) і передатного відношення важільного механізму (kп = 2; 3; 4). При цьому пошкодження коренеплодів знаходились в межах 4,5…4,9 %, а втрати до 1,27 %. Робоча швидкість машини становила 1,44...2,5 м/c.

8. В результаті державних випробувань коренезбиральної машини КС-6Б, обладнаної розробленим АВ, встановлено, що втрати складають 1,35…1,4 %, а пошкоджуються 4,6…4,9 % при 1,5 та 5 % допустимих згідно Державного стандарту України (заключення Львівської державної зональної машиновипробувальної станції, протокол випробувань №2-55-2000 (1071400) від 22 грудня 2000 року).

9. Розроблена інженерна методика проектування механізмів АВ коренезбиральної машини є підставою для визначення конструктивно-технологічних параметрів механізмів АВ для різних типів коренезбиральних машин.

Очікуваний річний економічний ефект від впровадження розробки складає 5962,8 грн. на одну машину.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Білик С.Г. Кінематичний аналіз руху комбайна з напрямним копіром // Науковий вісник Національного аграрного університету. - Вип. 60. - Київ: Вид-во НАУ. - 2003. - С.37-44.

Білик С.Г. Про вибір параметрів при налагоджуванні автомата водіння коренезбиральної машини // Сільськогосподарські машини. Зб. наук. ст. ЛДТУ.

- Вип. 10. - Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ. - 2002. - С. 15-21.

Білик С.Г. Про надійність роботи автомата водіння бурякозбирального комбайна // Сільськогосподарські машини. Зб. наук. ст. ЛДТУ. - Вип. 10. - Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ. - 2002. - С.21-28.

Білик С.Г. Системи автоматизованого водіння мобільних сільськогосподарських машин // Вісник аграрної науки Причорномор'я. Миколаївський аграрний університет. Спецвипуск 4(18). - Том 2. - Миколаїв:

- 2002. - С. 181- 188.

Білик С.Г. Результати експериментальних досліджень систем керування коренезбиральної машини. // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. - Вип. 21. - Харків: - 2003. - С.199-202.

Гевко Б.М., Білик С.Г. Механізація процесів водіння сільськогоспо-дарськими комплексами // Вісник аграрної науки Причорномор'я. Миколаївський аграрний університет. Спецвипуск 4(18). - Том 2. - Миколаїв: - 2002. - С. 80-84 (автором проведено аналіз застосування систем гідроавтоматики в мобільних сільськогосподарських машинах).

Гевко Б.М., Білик С.Г. До питання керування бурякозбиральним комбайном // Науковий вісник Національного аграрного університету. - Вип. 49.

- Київ: Вид-во НАУ. - 2003. - С.74-77 (автором розроблено гідравлічну схему АВ коренезбиральної машини).

Гевко Б.М., Білик С.Г. До питання взаємодії копірів автомата водіння з коренеплодами // Вісник ТДТУ. - Том 8, №1. - Тернопіль: -2003. - С.66-73 (автором виведено диференціальні рівняння руху копіра і встановлено аналітичні залежності контакту копіра з коренеплодом).

Гевко Б.М., Білик С.Г. Дослідження стійкості руху бурякозбирального комбайна обладнаного автоматом керування // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. - Вип. 15. - Харків: - 2003.

- С.106-109 (автором запропоновано методику для визначення стійкості системи керування коренезбиральної машини).

Гевко Б.М., Білик С.Г. Обґрунтування конструктивних параметрів автомата водіння бурякозбирального комбайна // Машинознавство. - 2003. - №4. - С.40-43 (автором запропоновано метод оптимізації конструктивних параметрів автомата водіння).

Пат. 53989 А, України, МКИ А01В69/04. Пристрій для автоматичного керування самохідною машиною по рядках рослин. І.Б. Гевко, С.Г.Білик,

В.М. Осуховський (Україна). - №2002043028; Заяв. 15.04. 2002; Опубл.17. 02. 2003. Бюл. №2 ( автором запропоновано застосувати помпу-дозатор у конструкції АВ).

Пат. 56641А, України, МКИ А01В 69/ 04. Пристрій для автоматичного керування і регулювання руху самохідної машини по рядках рослин. І.Б. Гевко,

С.Г. Білик (Україна).- №2002086529; Заяв. 06.08.2002; Опубл. 15.05 2003. Бюл. №5 (автором запропоновано спосіб регулювання руху самохідної машини).

Пат.58945 А, України, МКИ А01В69/04. Копір-розпушувач автомата водіння коренезбиральної машини. Б.М. Гевко, С.Г. Білик (Україна). - №2002119493; Заяв. 28.11. 2002; Опубл. 15.08. 2003. Бюл. №8 (автором запропоновано конструктивне виконання копіра).

Пат. 58946А, України, МКИ А01 В69/04. Спосіб копіювання міжрядь коренеплодів копірами автомата водіння коренезбиральної шестирядної машини і копір для його здійснення. Б. М. Гевко, С.Г. Білик (Україна).- №2002119494; Заяв. 28.11.2002; Опубл. 15.08.2003. Бюл. №8 (автором запропопоновано спосіб копіювання рядків коренеплодів трьома копірами, два крайніх з яких виконано у вигляді одного пера).

АНОТАЦІЇ

Білик С.Г. Обґрунтування параметрів механізмів автомата водіння коренезбиральної машини. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 05. 11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Львівський державний аграрний університет, Львів, 2004.

У дисертаційній роботі проведено комплексну оцінку відслідковування рядків коренеплодів автоматом водіння коренезбиральної машини, що дозволяє на більш високому науково-практичному рівні здійснювати вибір його раціональних параметрів. Для вирішення поставлених завдань проведено комплекс теоретичних і експериментальних досліджень та розроблено нову систему автоматизованого водіння, яка дозволила зменшити масу АВ з 202 до 87 кг, підвищити швидкість руху машини при одночасному підвищенні точності відслідковування рядків рослин, спростити конструкцію, підвищити його чутливість і надійність в роботі. Теоретично обґрунтовано кінематичні параметри руху комбайна з напрямним копіром і встановлено залежності величини відхилення копіра від радіуса повороту агрегата, стійкості системи, а також умови взаємодії копіра з коренеплодом. Проведено експериментальні дослідження і державні випробування на Львівській державній випробувальній станції з позитивним заключенням на впровадження у виробництво. Розроблено інженерну методику проектування механізмів АВ.

Ключові слова: автомат водіння, система автоматичного керування, копір полозкового типу, копір-розпушувач, редуктор-прискорювач, коефіцієнт чутливості, коренеплоди.

Билык С.Г. Обоснование параметров механизмов автомата вождения корнеуборочной машины. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11. - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Львовский государственный аграрный университет, Львов, 2004.

В диссертации приведена комплексная оценка отслеживания рядов корнеплодов механизмами автомата вождения корнеуборочной машины, что позволит на более высоком научном уровне осуществлять выбор их рациональных параметров.

Для решения поставленных задач проведены теоретические и экспериментальные исследования, разработана новая система автоматизированного управления, которая позволила уменьшить массу автомата вождения с 202 до 87 кг, увеличить скорость движения машины при одновременном повышении точности отслеживания рядов растений, упростить конструкцию, увеличить надежность работы АВ.

Теоретически обоснованы кинематические параметры движения комбайна с направляющим копиром и установлены зависимости величины отклонения копира от радиуса поворота агрегата, а также условия взаимодействия копира с корнеплодом. Обоснованы рациональные значения коэфициента чувствительности АВ, величины зазора между копиром и корнеплодом, зоны нечувствительности системы, а также их системное взаимодействие на качество выполнения технологического процесса. Применение программы для графической интерпретации полученных результатов дает возможность проанализировать движение машины с автоматом вождения. Установлено, что копир осуществляет колебательные движения с амплитудой, которая незначительно превышает величину зазора. Увеличение скорости движения корнеуборочной машины увеличивает частоту колебаний. Математическая модель показала, что в случае наличия зоны нечувствительности увеличиваются угловые колебания машины и смещение копира от траектории движения на ее величину. Для определения усилий, которые действуют на копир, выведено уравнение его движения. Решение этого уравнения дает возможность определить знак силы на каждом шагу интегрирования, которая направлена в сторону противоположную скорости перемещения копира, а также величину силы взаимодействия копира с корнеплодом.

Проведены теоретические исследования для определения возможных потерь в результате погрешностей вождения, вариации размеров, а также размещения относительно осевой линии рядка.

Обоснованы условия стойкости движения корнеуборочной машины, оснащенной автоматом вождения. В результате определено, что стойкость движения корнеуборочной машины обеспечивается при условии высокой жесткости подвески и достаточно большого коэффициента демпфирования. Также необходимо учитывать коэффициент чувствительности, который обеспечивает достаточный запас стойкости в различных условиях работы.

Изложена программа и методика проведения экспериментальных исследований, описано оборудование, приборы, экспериментальная установка.

Разработана и изготовлена экспериментальная установка, с помощью которой проведены исследования зависимости угла поворота управляемых колес комбайна от угла поворота копира, а также определено усилие, необходимое для его перемещения.

Проведён комплекс экспериментальных исследований с определением показателей эффективности работы новой конструкции автомата вождения, а также величины потерь и повреждений корнеплодов. Это позволило провести сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей. Лабораторно-полевые испытания проводились с использованием математического метода планирования эксперимента. Используя результаты проведенных экспериментов получены уравнения регрессии, позволяющие определить степень потерь корнеплодов и установить оптимальные параметры механизмов автомата вождения.

Проведены государственные испытания корнеуборочной машины, оснащённой разработанным АВ на Львовской государственной зональной испытательной станции с положительными выводами и рекомендацией внедрения в производство. Разработана инженерная методика проектирования механизмов АВ, а также рекомендации по выбору параметров регулированных устройств.