книги из ГПНТБ / Алферов, С. А. Динамика зерноуборочного комбайна

На основании передаточной матрицы (IV.33) можно вычислить

вычисления показывают, что размахи колебаний переходных про­ цессов для выходных координат х, и, у, г и амплитуды колебаний,

следовательно, величина Jх не влияет на установившийся характер движения, что отмечено и ранее в гл. II при анализе одномассовой

Условия работы. Технологический режим работы комбайна характеризуется многими взаимосвязанными параметрами. Зада­ ние и поддержание режима работы возможно в том случае, когда основные параметры процесса лежат в определенных пределах. Настройка комбайна сводится к заданию сочетания параметров, при котором обеспечивается оптимальный режим его работы.

При анализе всего комплекса процессов уборки зерна в опре­ деленных хозяйственных условиях было выявлено, что оптималь­ ный режим работы комбайна, определяемый подачей q, временем (сроком) уборки t, механическими и биологическими потерями зерна и другими факторами, должен обеспечить экстремальное, например минимальное, значение некоторого критерия оптими­ зации. В качестве такого критерия принимают обычно удельные затраты при эксплуатации, приведенные удельные затраты, про­ изводительность и др. [37].

Определение оптимального режима работы комбайна (подачи q, времени уборки t) в хозяйственных условиях является, таким образом, экстремальной задачей.

Пусть приведенные удельные затраты F (в руб/га) в данных хозяйственных условиях определяются следующим аналитическим выражением, зависящим от нескольких переменных q, t, п:

F = F (q, t, fi),

где q — секундная подача хлебной массы в молотилку в кг, при­ веденная к соотношению зерна к соломе 1 : 1,5;

t — время работы комбайна за сезон;

п — число комбайнов, участвующих в уборке.

Если величины q, t, п являются независимыми переменными, не имеющими каких-либо ограничений, то оптимальные значения

этих переменных qonm, tonm, попт находим из локальных миниму­ мов функции F на основании ее частных производных при совмест­ ном решении следующей системы:

Если некоторые из переменных приняты постоянными, т. е. заданными на основании каких-либо обстоятельств, например t = tо = const, п = п0 = const, то оптимальную подачу qonm определяют из первого выражения системы (IV.34)

Если между переменными q, t, п есть какая-либо аналитиче­ ская взаимосвязь, определяемая соотношением / (q, i, ri) = 0 и при этих переменных функция F имеет экстремальное значение, то экстремальная задача сводится к задаче об отыскании безуслов­ ного экстремума расширенной функции

где X — неопределенный множитель, равный экстремальному зна­ чению приведенных удельных затрат F.

Прямая взаимосвязь между переменными q, t, п может воз­ никнуть из-за многообразия взаимоотношений их в конкретных хозяйственных и почвенно-климатических условиях. Достоин­ ство излагаемого метода заключается в возможности учета таких прямых взаимосвязей.

Для решения задачи о безусловном экстремуме расширенной функции Ф полагаем ее частные производные по^, t, п равными нулю

Подставляя аналитические выражения для производных функ­ ций F и f в систему уравнений (IV.37), получаем при ее решении полином третьей степени относительно X и три значения Я,1( Х2, Х3. Для минимального действительного значения Xh т. е. для мини­ мума удельных приведенных затрат, находят на основании си­ стемы (IV.37) значения переменных qonm, tonm, попт, определяю­ щие оптимальный режим комбайна в процессе уборки.

Для различных почвенно-климатических зон и хозяйственных условий функции F (q, t, п) и f (q, t, n) будут иметь различный вид, что предопределяет и разный оптимальный режим работы комбай­ нов. Полученный оптимальный режим работы комбайна, как пра­ вило, не соответствует какой-либо определенной заранее назначен­ ной величине потерь свободного зерна в соломе, а обеспечивает минимум приведенных затрат. Назначение оптимального режима работы комбайна на основании решения экстремальной задачи относительно минимизируемой функции F требует создания специ­ альных технико-экономических методик для расчета минимальных удельных затрат F применительно к каждой почвенно-климатиче­ ской зоне с учетом размера и всех важнейших особенностей хо­ зяйств. Подобные теоретические работы уже известны [37 ] и позволяют находить аналитический вид функции F.

Автоматический регулятор постоянства подачи хлебной массы в молотилку комбайна должен обеспечить стабильность рассчи­ танной оптимальной подачи qonm независимо от величины функ­ ционально зависящих и учитываемых потерь зерна, а организация труда в данном хозяйстве должна обеспечить полученный по рас­ чету период уборки tonmпри имеющемся количестве комбайнов попт.

В некоторых случаях ограничение может быть наложено и на подачу q. Так, например, в условиях Северо-Запада СССР при подаче хлебной массы q свыше какого-то определенного предела обороты всего привода резко падают из-за перегрузки двигателя •и передач; при этом нарушается процесс обмолота и сепарации продукта. В этих условиях, как правило, время'работы комбайна t является ограниченной величиной, t «£ t0. Таким образом, не­ смотря на выгодность повышенной подачи и достаточно протяжен­ ного срока уборки, величины q я t должны быть ограничены значениями

q q0 = const и t «S t0 = const.

Величина q0может быть в зависимости от физико-механических свойств продукта переменной. Минимальное значение приведен­ ных затрат F при этом следует определять, варьируя числом рабо­ тающих на поле комбайнов п. Автоматический регулятор постоян­ ства подачи хлебной массы в этих условиях должен поддерживать подачу q = q0, а при некоторых условиях, когда привод имеет нормальную угловую скорость, самонастраивающийся регулятор должен увеличивать подачу q0. Самонастройка величины q0 яв­ ляется важнейшим средством увеличения эффективности процесса зерноуборки в этих условиях.

Более общие экстремальные задачи по установлению рацио­ нального режима работы и состава всего парка зерноуборочных комбайнов (самоходных, навесных, прицепных, автоматизирован­ ных и т. д.) для определенных хозяйств в различных почвенно­ климатических зонах страны следует решать на основе методов линейного или нелинейного программирования.

регулятор на них не реагирует. Ошибки регулирования подачи тем меньше, чем меньше зоны нечувствительности датчика. Вели­ чину зоны нечувствительности берут из условия нормальной ра­ боты рабочих органов и устойчивости САР. Для уменьшения не­ чувствительности датчики снабжают воздушными или жидкост­ ными демпферами, которые резко снижают амплитуды высоко­ частотных входных колебаний.

Величина q является регулируемым параметром, a A q — откло­ нением этого параметра, на которое реагирует САР. Устойчивое

шения; оно изменяется в зависимости от урожайности хлебной массы Q.

Таким образом, автоматический регулятор для поддержания Я — Qonm должен быть астатическим. Устойчивому состоянию си­ стемы комбайн—регулятор для случая q = qonm может соответ­ ствовать любая скорость комбайна, достигаемая с помощью вариа­ тора и зависящая только от урожайности хлебной массы. Если бы САР поддерживала непосредственно определенное соотношение между скоростью комбайна и урожайностью хлебной массы ѵ =

= —Q—, то такая система явилась бы статической. Трудность

создания статической САР объясняется пока сложностью разра­ ботки датчика или устройства для определения урожайности на поле. При автоматизации сельскохозяйственных машин необхо­ дима разработка методов качественной оценки процессов по дан­ ным количественных измерений с помощью датчиков.

Датчики технологического процесса. В качестве регулируемого параметра САР подачи хлебной массы в комбайн могут быть взяты различные величины, имеющие функциональную связь с подачей (рис. 48, б). К таким величинам, например, можно отнести кру­ тящий момент М п, т на валу плавающего транспортера и толщину слоя /г„. т хлебной массы на этом транспортере, крутящий момент М б на валу молотильного барабана или перемещение ha подпру­ жиненной деки молотильного аппарата. В качестве регулируемого параметра может быть взята также величина абсолютных или относительных потерь зерна за молотилкой.

Зависимости М б = /у (q), ha = f2 (q), M n:m = fa (q), hn.m =

— fi (q) вычисляют теоретически на основании свойств продукта

или определяют на основе экспериментов. Как показали экспери­ ментальные исследования, зависимости М б = /у (<7) и М п,т = = /з (<7) приближенно можно выразить так:

где b0, bx— постоянные.

Характерно, что минимальная подача q, на которую начинают заметно реагировать величины M„.m, hd, h„_m, равна примерно

1 ,8— 2 кг!сек.

Для определения количества перерабатываемого продукта можно использовать датчик массы, который замеряет усилие удара продукта, выбрасываемого со скоростью ѵп, о поверхность дат­ чика. Форму и кривизну поверхности датчика выбирают таким образом, чтобы удар, отдельных порций происходил под одним углом. Считая солому после обмолота неупругим телом и принимая угол отражения равным 90°, получим при проектировании им­

где Am — масса порции соломы;

ѵп — проекция вектора скорости продукта на нормаль к по­ верхности датчика в момент удара-;

Р — усилие удара; A t — время удара.

Кинематический режим комбайна замеряется с помощью спе­ циальных датчиков угловой скорости. В качестве своеобразных датчиков угловой скорости для мобильных сельскохозяйственных машин можно использовать также-шестеренный гидронасос или генератор постоянного тока, производительность и напряжение которых соответственно пропорциональны угловой скорости вала двигателя.

Основными требованиями при выборе типа датчика регулятора являются:

1 ) стабильность показаний датчика и пропорциональность их величине параметра;

2) удобство расположения и настройки датчика;

3) небольшое транспортное запаздывание продукта при дей­ ствии его на датчик после поступления в комбайн.

Последнее требование является одним из важнейших.

Структурные схемы и звенья САР постоянства подачи хлебной массы. САР можно классифицировать по ряду признаков: по назначению; способу воздействия чувствительного элемента на регулирующий орган; роду энергии, применяемой для приведе­ ния в движение исполнительного механизма, и др. В зависимости от характера математического описания процессов регулирова­ ния системы принято делить на линейные ш нелинейные.

К линейным САР относятся такие системы, динамические про­ цессы в которых можно описать линейными дифференциальными уравнениями. Для упрощения описания процесса всю систему разбивают на отдельные элементы. Элементы или звенья таких систем линейны, их статические характеристики изображаются прямыми линиями. Необходимо отметить, что в действительности почти все звенья САР нелинейны из-за наличия небольших люф­ тов, зон нечувствительности, сухого трения и других причин. Но многие из них достаточно точно могут быть описаны линейными уравнениями, т. е. представлены линейными моделями.

К нелинейным звеньям относятся такие, уравнения которых не могут быть представлены в виде линейных. САР, которые включают в себя наряду с линейными звеньями хотя бы одно не­ линейное, называются нелинейными. Нелинейности могут быть самые разнообразные, в частности релейного типа, сухого тре­ ния и люфта.

САР постоянства подачи хлебной массы представляют собой совокупность регулируемого объекта, воспринимающего и задаю­ щего элементов, регулирующего и исполнительного органов и промежуточных элементов.

Любая САР может быть разбита на отдельные звенья. Под звеном понимают простейшую составную часть системы, отражаю­ щую ее динамические свойства. Подаваемая на вход звена физи­ ческая величина преобразуется в нем в другую величину, кото­ рая находится в определенной зависимости от подаваемой и при­ нимается за выходную. Схема, составленная из звеньев, экви­ валентных элементам регулируемой системы, называется струк­ турной схемой. В структурной схеме отражаются число и вид звеньев, характер связей между звеньями и общие динамические свойства автоматического устройста без учета второстепенных деталей. Примеры схем астатических САР подачи хлебной массы комбайна, реагирующие на отклонение регулируемого параметра, даны на рис. 49, 50, 54.

Основные требования к САР постоянства подачи хлебной массы комбайна будут следующие:

1)надежность работы и устойчивость процесса поддержания подачи при сохранении ручного управления;

2)поддержание определенной подачи с минимальной статиче­ ской и динамической ошибкой;

3)быстрая настройка определенного значения регулируемого параметра с места комбайнера;

4) оперативное реагирование на срабатывания сигнальных датчиков при перегрузке и забивании рабочих органов.

Для исследования САР необходимо прежде всего определить уравнения звеньев, показывающие связь между входной и выход­ ной величинами данного звена, при следующих условиях:

1)отклонения регулируемого параметра от оптимальной ве­ личины малы;

2)сухое трение, люфты и деформации связей в САР не учи­ тываются.

а — линейной и б — нелинейной; 1 — датчики толщины слоя; 2 — пружина для регу­ лировки демпфирования; 3 — тяга; 4 — демпферы; 5 — гидрозолотник; 6 — электро­ магнит; 7 — гидроцилиндры вариатора; 8 — клапан постоянного давления; 9 — сигналь­ ные датчики; 10 — выключатель; 11 — батарея 12 ѳ\ 12 — контактор; 13 — электромаг­ нитный золотник

Рис. 50. Структурная схема линейной САР по­ стоянства подачи хлебной массы для комбайна СК-4

Определение уравнений звеньев линейной САР постоянства подачи хлебной массы (рис. 50). Ж а т в е н н а я ч а с т ь к о м б а й н а . Секундная подача хлебной массы в режущий аппарат зависит в основном от скорости движения комбайна и урожайности: