БЭМЗ полищук доки / 2020 / Оборудование / ДИССЕРТАЦИЯ ВАК для нац библиотеки Савчук

Государственное научное учреждение «ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ»

На правах рукописи УДК 62-523.3: 681.527.3

САВЧУК

Сергей Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА РАБОЧИХ ОРГАНОВ МОБИЛЬНЫХ МАШИН ПРИ БЕСКОНТАКТНОМ КОПИРОВАНИИ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

по специальности 05.02.02 – Машиноведение, системы приводов и детали машин

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Строк Евгений Яковлевич

Минск, 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………..……………..3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ…………………………………….......7

ГЛАВА 1. ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ….................11

1.1.Анализ научных публикаций и технических решений

приводов систем копирования рельефа поверхности…..………………………….11

1.2.Выводы по главе…………………………………………………………….....30

2.1Обоснование принципа высотного регулирования….…………………………32

2.2Составление схемы динамической системы……………………........................34

2.3Выводы по главе………………………………………………………….............43

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ …………………………....44

3.1Разработка математического описания процесса функционирования электрогидравлического привода …………..………………………..…………….. 44

3.2Определение переходных характеристик……….. .…………………………….49

3.3Выводы по главе…………………………………………………………………..71

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ…………………....73

4.1Разработка стенда с имитацией возмущающих воздействий……......................73

4.2Методика и результаты лабораторных исследований ..……….……………….76

4.3Оценка качества функционирования электрогидравлического привода

в полевых условиях…………………….………………..………….………..……… 81

4.4Проверка работоспособности привода высевающих аппаратов в лабораторных условиях ………….……………………………………………….....83

4.5Выводы по главе……………………………………………….…………….........85

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………...........................87

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………................89

ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………….......97

2

ВВЕДЕНИЕ

Развитие мобильной техники для выполнения функций позиционирования рабочих органов технологического оборудования происходит с применением средств электрогидравлики и автоматики. Распространение указанных устройств в различных областях техники объясняется мехатронным принципом их построения на базе программно-аппаратных средств, обеспечивающих расширение функциональных возможностей, снижение металлоемкости, удобство обслуживания и управления. Весьма актуальным является точное позиционирование рабочих органов мобильной машины, или машины, для поддержание глубины обработки почвы, что обеспечивает соблюдение агротехнических требований при реализации современных сельскохозяйственных технологий и повышение их эффективности.

Силовое регулирование предполагает автоматическое поддержание глубины пахоты посредством стабилизации тягового сопротивления. Как показал опыт, силовое регулирование применяется при агрегатировании трактора с навесными и полунавесными плугами и работе по выровненным полям с однородными свойствами почвы по плотности. Позиционное регулирование предназначено для фиксирования положения орудия по отношению к остову трактора. Обычно позиционное регулирование применяется при отсутствии продольных колебаний пахотного агрегата. Высотное регулирование контактным способом осуществляется за счет установки на орудии регулируемого по высоте опорного колеса. обеспечивающего заданное положение соединительного звена между тяговым средством и машиной над рельефом поверхности. При этом ручная настройка обеспечивает регулировку вертикального положения указанного колеса и установку необходимой глубины обработки почвы. При движении по полю орудие копирует рельеф поверхности при постояной величине заглубления рабочих органов. В данном случае гидравлический привод работает в режиме «плавающее положение» для обеспечения процесса контактного копирования. Достоинством высотного регулирования является точность соблюдения агротехнических требования.

Для улучшения качества контактного копирования существуют технические решения, которые снижают реакцию со стороны рельефа поверхности на опорное колесо и поддерживают ее на заданном уровне. Это обеспечивается за счет создания давления рабочей жидкости в силовом гидроцилиндре, сообщенном с гидроаккумулятором, недостаточного по величине для подъема машины, что сохраняет копирование рельефа почвы опорными колесами. При этом с машины снимается часть ее собственного веса и передается через навесное устройство на остов трактора и соответственно на задние ведущие колеса. Системы указанного назначения могут быть активного исполнения с датчиком давления в цепи обратной связи и подпиткой от насоса гидросистемы.

3

Системы управления приводами навесных устройств мобильных машин предполагают измерение тягового усилия и положения навесного устройства относительно остова датчиками, а также управление посредством микропроцессорного контроллера и регулятора потоком рабочей жидкости, поступающим от насоса, для перемещения исполнительного механизма. При этом в кабине устанавливается пульт управления, посредством которого оператор переводит навесное устройство из рабочего положения в транспортное и обратно, задаѐт глубину обработки и вид регулирования, причѐм при комбинированном регулировании возможно изменение соотношения между силовым и позиционным факторами. Датчики усилия обычно выполняют в виде пальцев, или соединительных шарниров, внутри которых помещены чувствительные элементы для восприятия поперечных усилий и вторичные преобразователи формирования выходных сигналов. Датчики положения навесного устройства кинематически связаны с кулачком, размещенным на поворотном валу механизма задней навески. Для более точного соблюдения агротехнических требований необходимо наблюдать за изменением глубины пахоты путем измерения высоты рамы орудия над почвой вблизи соединительного устройства механизма задней навески [1].

Для длиннобазовых мобильных машин введение металлоемкого опорного колеса для обеспечения агротехнических требований исключает догрузку задних ведущих колес тягового средства, усложняет конструкцию и увеличивает их стоимость. Это обстоятельство препятствует реализации изделий на рынке из-за увеличения цены. Например, себестоимость изготовления отечественными производителями комплекта опорных колес из расчета на одну мобильную машину достигает 17…41 млн. белорусских рублей (в ценах 2015г., без учета деноминации) или в зависимости от модели 3…8% ее стоимости.

Согласно требованиям к известным посевным агрегатам функционирование приводов их рабочих органов должно обеспечить следующие агротехнические параметры: глубина заделки семян 2…6 см; глубина внесения удобрений – 2…7 см. При этом допустимое отклонение указанной глубины от заданной величины составляет ±1 см.

С целью оптимального использования потенциальных возможностей культивируемых растений и обеспечения существенного снижения затрат труда и средств на единицу производимой продукции необходима разработка принципиально новых технологических процессов и средств для их реализации. Для повышения качества указанных процессов и наиболее эффективного использования и разработки средств автоматического управления и контроля за процессом высева.

Ктехнологии высева семян предъявляются следующие требования [2]:

–высев заданного количества семян на единицу площади поля;

–равномерное размещение их по площади поля;

–заделка их на определенно заданную глубину.

4

Значительный эффект при выполнении агротехнических операций достигается при применении высокопроизводительных комбинированных почвообрабатывающих посевные агрегатов, которые позволяют за один проход по полю выполнить все операции предпосевной обработки почвы и посева, что обеспечивает повышение производительности труда до 60% и снижение расхода топлива на 1,5…2 кг/га по сравнению с применением агрегатов, выполняющих только одну операцию.

Урожайность зерновых культур при наименьших затратах тесно связана с тяговым сопротивлением посевного агрегата и точным распределением семян по глубине и площади рассева. Известны теоретические и экспериментальные исследования посева семян зерновых культур комбинированным сошником сеялки – культиватора [3]. При широком применении ресурсосберегающих технологий предпочтение следует отдавать посевным агрегатам, отвечающим местным агротехническим требованиям. По мнению авторов, применение комбинированных сошников является актуальным.

Процесс функционирования электрогидравлического привода рабочих органов сельскохозяйственной машины определен как объект исследования. Повышение качества указанного процесса достигается путем обоснования структуры

ипараметров электрогидравлического привода, который в данном случае является предметом исследования. При выполнении исследования использованы общенаучные методы: абстрагирование, эксперимент, анализ, синтез и эмпирикотеоретический метод.

Известны направления работ [4, 5], связанные со стабилизацией глубины обработки почвы путем упругой подвески сошников. Это обеспечивает компенсацию изменения тягового сопротивления при изменении рабочей скорости агрегата

иудельного сопротивления почвы за счет деформации пружины или рессоры (фирма «Kverneland»). В Республике Беларусь освоено производство комбинированного агрегата, построение структуры привода рабочих органов которого выполнено на основе позиционного способа регулирования навесного устройства. При этом остов указанной машины не оборудован опорными колесами для копирования рельефа поля. Поэтому в условиях значительных продольно-угловых колебаний агрегата на неподготовленных под посев почвах соблюдение агротехнических требований представляется затруднительным.

Электрогидравлический привод рабочих органов многофункционального полунавесного агрегата в отличие от рассмотренного выше использует режим «плавающего» положения навесного устройства, кинематически связанного посредством соединительного звена с машиной, а ее остов оборудован опорными колесами. Использование для копирования рельефа поля указанных колес приводит к усложнению и удорожанию конструкции агрегата.

5

В результате проведенных научно-исследовательских работ обоснованы структура и параметры электрогидравлического привода рабочих органов машины в составе активной системы высотного регулирования глубины обработки почвы при бесконтактном копировании рельефа поверхности. Их теоретическая значимость состоит в выявлении путей решения проблемы построения электрогидравлических приводов рабочих органов, обеспечивающих повышение точности позиционирования навесного устройства и эффективности использования агрегатов. При этом практическая значимость данной работы заключается в выявлении новых методологических решений указанной проблемы и разработке рекомендаций для проектирования перспективных приводов рабочих органов технологического оборудования мобильных машин.

6

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Связь работы с крупными научными программами (проектами), темами

Диссертационная работа выполнена в лаборатории электрогидравлических систем управления Государственного научного учреждения «Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси», тема диссертационной работы соответствует приоритетному направлению научных исследований Республики Беларусь на 2016 - 2020 годы, утвержденному Постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 12.03.2015 г. №190: 7. Системы и комплексы машин, так как в ней рассматриваются вопросы разработки электрогидравлических приводов для использования в тракторах, а также другой мобильной технике, что является предпосылкой для создания и производства конкурентоспособной продукции.

Результаты работы использовались при выполнении НИР и НИОКР ГПНИ «Механика, техническая диагностика, металлургия», 2014 - 2015 г.г., задание 1.22 «Развитие принципов построения комплекса современных бортовых систем управления и диагностики транспортных средств и разработка рекомендаций по их промышленному применению», этап 1.22.4 «Исследование закономерностей функционирования и обоснование параметров электрогидравлической системы управления скоростью исполнительных механизмов энергосберегающих приводов с использованием пьезоэлектрических компонентов» (госрегистрация № 20141970), а также ГНТП «Машиностроение и машиностроительные технологии», подпрограмма «Машиностроение», задание АТ - 06.34 «Разработать и освоить производство импортозамещающего электрогидравлического регулятора фланцевого исполнения для гидроблока управления с секционным распределителем РП-70» (госрегистрация № 20130494).

Цель и задачи исследования

Цель настоящего исследования – повышение качества процесса функционирования электрогидравлического привода рабочих органов мобильных машин.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-выполнить анализ схем и параметров известных гидроприводов мобильных машин, а также результатов проведенных исследований;

-определить структуру и конструкционные параметры электрогидравлического привода при бесконтактном копировании рельефа поверхности;

-разработать расчетную схему динамической системы электрогидравлического привода;

-составить математическое описание процесса функционирования указанного привода с целью его компьютерного моделирования;

7

-разработать методику экспериментальных исследований электрогидравлического привода в лабораторных условиях с имитацией рабочих процессов при кинематических и силовых воздействиях;

-определить характеристики рабочих процессов, установить взаимосвязь структурных и конструкционных параметров указанного привода с точностью позиционирования навесного устройства;

-разработать комплексный критерий оценки качества процесса функционирования электрогидравлического привода;

-провести экспериментально-статистическое исследование процесса функционирования электрогидравлического привода для построения регрессионной зависимости коэффициента вариации высоты расположения ультразвукового датчика от параметров возмущающих воздействий и обобщенной жесткости;

-провести проверку работоспособности привода высевающих аппаратов в лабораторных условиях;

-выполнить проверку качества процесса функционирования электрогидравлического привода в полевых условиях.

Научная новизна:

-предложен комплексный критерий оценки качества процесса функционирования электрогидравлического привода рабочих органов мобильных машин, характеризующий их кинематическое и силовое взаимодействие с почвой, что позволило повысить ее достоверность;

-разработана методика натурных исследований указанного привода в лабораторных условиях с имитацией рабочих процессов;

-выявлена взаимосвязь структурных и конструкционных параметров динамической системы с точностью позиционирования навесного устройства при бесконтактном копировании рельефа поверхности.

Положения, выносимые на защиту:

-способ высотного позиционирования рабочих органов мобильных машин, основанный на бесконтактном копировании рельефа поверхности с использованием акустических средств измерения расстояния, что позволяет повысить точность позиционирования рабочих органов и упростить конструкцию агрегата;

-математическое описание процесса функционирования электрогидравлического привода рабочих органов, составленное с учетом параметров силовой проводки, индуктивности обмоток электромагнитов регулятора, а также сжимаемости рабочей жидкости в узлах гидросистемы и податливости трубопроводов, что позволяет адекватно отразить динамические процессы;

8

-метод оценки качества процесса функционирования электрогидравлического привода рабочих органов мобильных машин, учитывающий посредством весового коэффициента кинематические и силовые возмущения, что позволяет определить агротехнические и энергетические характеристики;

-имитация кинематических возмущений со стороны рельефа поверхности на остов мобильной машины, основанная на использовании переменного силового электромагнитного поля, взаимодействующего с ферромагнитным плоским якорем, кинематически связанным с подпружиненной виброплощадкой, что позволяет обеспечить формирование возмущающих воздействий по заданному закону.

Личный вклад соискателя

Соискателем самостоятельно изучены конструкционные и эксплуатационные параметры посевных агрегатов, выпускаемых зарубежными производителями. Совместно с научным руководителем кандидатом техн. наук, доцентом Е.Я. Строком сформулированы цели и задачи выполненного исследования, а также обсуждены его результаты. Автором лично разработаны математическое описание функционирования электрогидравлического привода, а также методические положения и средства для проведения лабораторных испытаний с имитацией рабочих процессов. Кроме того, соискателем выполнено научное сопровождение натурных исследований электрогидравлического привода рабочих органов мобильной машины в составе посевного агрегата и проведена статистическая обработка результатов лабораторно-полевых испытаний. Часть работ была выполнена совместно с Н.Д. Лепешкиным, Л.Д. Бельчиком и другими соавторами, которые принимали участие в научно-техническом сопровождении исследований и занимались изучением вопросов, не вошедших в настоящую диссертацию.

Апробация результатов диссертации

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях: «Инновационное развитие АПК России на базе интеллектуальных машинных технологий» ФГУБНУ ВИМ (Москва, 17 - 18 сентября 2014 г.); «Технический прогресс в сельскохозяйственном производстве» ННЦ «Институт механизации и электрификации сельского хозяйства» - 9 всеукраинская конференция-семинар аспирантов, докторов и слушателей в отраслевой аграрной инженерии (Глеваха, 21 - 23 мая 2014 г.); «Инновации в машиностроении - 2015» (г. Минск, 1 - 2 октября 2015 г.).

9

Опубликованность результатов диссертации

По материалам выполненных исследований опубликовано 19 научных работ, в том числе: 8 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РБ для опубликования результатов исследований, 2 статьи в инженерных журналах, 2 статьи по материалам конференций, получено 4 патента Республики Беларусь, 3 патента Евразийского союза.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Полный объем работы составляет 105 страниц. Машинописного текста – 96 страниц, в том числе 7 таблиц и 69 рисунков на 49 страницах, 8 страниц библиографического списка из 100 источников и 8 страниц приложений, включающих документы об апробации и внедрении полученных результатов.

10