книги из ГПНТБ / Настенко Н.Н. Системы автоматического регулирования зерноуборочных комбайнов

захвата вызывает значительные затруднения управлением ком­ байна, а изменение высоты среза недопустимо по агротехническим требованиям.

Принимая Вр = const и подставляя в уравнение (1) С = 1/0,015р, получаем

мой, из условия обеспечения постоянства оптимальной подачи, вызывает резкое изменение загрузки. Это предъявляет повы­ шенные требования к выбору скорости и необходимой точности

ееизменения.

Из изложенного вытекает, что бесступенчатое изменение ско­ рости комбайна в диапазоне, обеспечивающем компенсацию реальных изменений урожайности, является необходимой пред­ посылкой стабилизации загрузки молотилки хлебной массой. Однако наличие бесступенчатой передачи при ручном управле­ нии скоростью комбайна еще не решает задачи' стабилизации загрузки. Отсутствие у комбайнера объективного показателя загрузки молотилки хлебной массой при неустановившейся на­ грузке на комбайн практически исключает возможность обеспе­ чения стабилизации загрузки с помощью ручного управления ско­ ростью комбайна.

10

Задача стабилизации оптимальной загрузки молотилки хлеб­ ной массой в реальных условиях работы в соответствии с установ­ ленной закономерностью Qv = const может быть решена только путем автоматического управления скоростью комбайна.

Однако для эффективной и высококачественной работы ком­ байна необходимо обеспечить не только стабилизацию оптималь­ ной подачи, но также правильный выбор и регулирование этой подачи при изменении условий уборки. Это можно осуществить либо с помощью обычных систем автоматической стабилизации, настройка которых в зависимости от изменения условий осу­ ществляется непосредственно комбайнером, либо с помощью само­ настраивающихся систем, обеспечивающих автоматическую на­ стройку оптимального режима работы по принятому критерию качества. Очевидно, что наиболее полное решение поставленной задачи может быть достигнуто с помощью самонастраивающихся систем.

Раньше было установлено, что для обеспечения оптимального технологического процесса необходимо, наряду со стабилиза­ цией оптимальной подачи, обеспечить стабилизацию установлен­ ных скоростных режимов рабочих органов молотилки.

При работе комбайна колебания скоростных режимов двига­ теля и органов молотилки возникают вследствие несоответствия энергетических возможностей двигателя потребностям молотилки и ходовой части.

Для выяснения возможности обеспечения оптимального техно­ логического процесса комбайна при работе в различных условиях рассмотрим энергетические показатели комбайна, используя основные положения работы И. И. Наконечного 118].

Эффективная мощность двиг'ателя при установившемся дви­ жении по горизонтальному участку поля затрачивается на пере­ движение комбайна NK и на привод рабочих органов молотилки NM

NU = NP + N:

где А/р — мощность, требуемая для выполнения рабочего (тех­ нологического) процесса при оптимальной подаче хлебной массы; ^х- х — мощность холостого хода рабочих органов.

11

на передвижение комбайна со скоростью, обеспечивающей по­ стоянство" оптимальной подачи, уменьшается (рис. 2) и при Q m a x будет минимальной.

В пределах первого этапа, особенно при Q > Qr p , не исполь­ зуется значительная доля мощности NK. н , и двигатель работает

12

с неполной загрузкой. Это позволяет преодолевать дополнитель­ ные нагрузки, вызванные изменением условий уборки: качествен­ ного состояния хлебной массы, рельефа и физико-механических свойств почвы — без нарушения скоростного режима. Однако работа двигателя с неполной загрузкой сопровождается непро­ изводительным расходом топлива и является неэкономичной.

С уменьшением урожайности мощность, затрачиваемая на передвижение комбайна, растет, и при урожайности Qr p стано­ вится равной NKl, при которой исчерпывается резерв мощности двигателя. Баланс мощности двигателя в этом случае можно за­ писать так:

Из уравнения (8) и рис. 2 следует, что при изменении урожай­ ности в пределах второго этапа обеспечение постоянства опти­ мальной подачи, настроенной по урожайности Qtl первого этапа при постоянных условиях уборки приведет к нарушению баланса мощности двигателя и работе его с перегрузкой, что вызовет на­ рушение скоростного режима двигателя и органов молотилки. Следовательно, в пределах второго этапа изменения урожайности оптимальный технологический процесс обеспечивается стабили­ зацией не подачи, а номинальной загрузки двигателя, скорост­ ного режима его работы. В этом случае подача является не целью регулирования, а средством стабилизации загрузки двигателя.

затрачиваемой на привод молотилки и ходовой части. Определим закономерность, по которой должно выполняться это перераспре­ деление мощности для обеспечения постоянства номинальной за­

13

Отсюда находим, что перераспределение мощности, затрачи­ ваемой на рабочий процесс и передвижение комбайна может быть осуществлено путем изменения его поступательной скорости.

Скорость движения комбайна на первом этапе изменения уро­

этапе изменения урожайности скорость движения определяется условием обеспечения постоянства номинальной загрузки двига­ теля и зависит от урожайности Qt2 и сопротивления перекатыва­ нию. Действительно, решая уравнение (11) относительно v, на­ ходим

Подставляя значения скорости v из уравнения (12) в формулу (9), найдем текущую мощность на перекатывание, получаемую дополнительно за счет уменьшения подачи хлебной массы:

1 + % Qt*

Текущую мощность, которая может быть использована на технологический процесс при уменьшенной подаче, определим по уравнению (10), подставив в него значение скорости v из выра­ жения (12):

на втором этапе изменения урожайности, осуществляемое путем перераспределения мощности двигателя по потребителям, со­ гласно зависимостям (13) и (14), возможно только с помощью автоматического управления поступательной скоростью ком­ байна.

Из рассмотренного следует, что оптимальный технологический

загрузки молотилки хлебной массой, а в пределах второго этапа Qt2 ^ Qrp — стабилизацией номинальной загрузки двигателя.

Стабилизация скоростных режимов в пределах первого этапа обеспечивается работой двигателя с неполной загрузкой. Небла­ гоприятное влияние изменения условий уборки в-этом случае компенсируется резервом мощности двигателя. В пределах второго этапа компенсация неблагоприятного влияния условий уборки возможна лишь за счет дополнительного изменения скорости дви­ жения комбайна.

14

В пределах первого этапа изменения урожайности работа двигателя с неполной загрузкой является неэкономичной. Оче­ видно, что в пределах второго этапа при поддержании постоянной номинальной загрузки двигателя обеспечивается оптимальная по экономичности (расходу топлива) его работа.

Таким образом, при уборке высокоурожайных хлебов (в преде­ лах первого этапа), наряду с обеспечением оптимального техноло­ гического процесса, возникает задача обеспечения экономичной работы двигателя. Для экономичной работы двигателя необхо­ димо соответствие развиваемой им мощности текущему значению мощности, потребляемой молотилкой и ходовой частью комбайна. Это можно достигнуть, обеспечивая с помощью всережимного ре­ гулятора работу двигателя на безрегуляторной ветви его харак­ теристики, т. е. на переменном скоростном режиме. В этом случае для стабилизации скоростного режима органов молотилки и ре­ гулирования скорости комбайна для поддержания оптимальной подачи необходима бесступенчатая передача в приводе молотилки, соответствующим изменением передаточного отношения которой компенсируется изменение скоростного режима двигателя.

Постановка и обоснование решения задачи обеспечения эко­ номичной работы комбайнового двигателя СМД путем всережим­ ного регулирования приведены в работе В. П. Гребнева [9]. Использование этого способа связано с существенным усложне­ нием конструкции привода молотилки из-за введения бесступен­ чатой передачи, работа которой должна быть автоматически син­ хронизирована с работой всережимного регулятора. Недостатком этого способа является также увеличение степени неравномер­ ности всережимного регулятора комбайнового двигателя при работе на пониженных скоростных режимах.

Экономичная работа двигателя при раздельной уборке может быть достигнута более простым, по сравнению с рассмотренным, способом формирования валка оптимальной мощности, эквива­ лентной граничной урожайности Qr p [18].

Выполнение установленных условий оптимизации технологи­ ческого процесса и экономичности работы двигателя в реальных условиях работы комбайна возможно лишь с помощью автомати­ ческого регулирования загрузки молотилки и двигателя путем изменения скорости движения комбайна и всережимного регули­ рования двигателя.

При работе комбайна на склонах для обеспечения оптималь­ ного технологического процесса, наряду с указанными требова­ ниями стабилизации оптимальной загрузки молотилки и номи­ нальной загрузки двигателя, необходимо обеспечить стабилиза­ цию молотилки в горизонтальном положении, что практически может быть выполнено также только с помощью автоматического регулирования.

15

ние точности вождения комбайна по заданной траектории (кромке валка) с целью повышения производительности агрегата на уборке. Последнее условие выполняется с помощью автоматизации управ­ ления вождением комбайна.

Системы автоматической стабилизации оптимальной загрузки молотилки, номинальной загрузки двигателя и горизонтального положения молотилки, а также автовождения являются автоном­ ными, функционирующими независимо одна от другой. Поэтому комбайн как объект автоматического регулирования целесообразно рассматривать отдельно для каждой из указанных систем.

§ 4. ПАРАМЕТРЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

В соответствии с условиями обеспечения оптимального тех­ нологического процесса комбайна при уборке зерновых куль­ тур урожайностью, большей граничной, в качестве параметра регулирования целесообразно принять потери зерна, которые полностью характеризуют оптимальный режим загрузки моло­ тилки. Однако технические трудности создания такого датчика определили необходимость выбора других параметров для оценки загрузки молотилки хлебной массой.

При уборке зерновых культур урожайностью, меньшей гра­ ничной, и тяжелых почвенных условиях параметром регулиро­ вания должна являться характеристика степени загрузки двига­ теля. В качестве такого параметра регулирования предлагается принять задросселированное давление двигателя, имеющее ли­

средств для непосредственного измерения подачи и качественного состояния хлебной массы. Известные средства определения веса продукта в потоке не вписываются в конструкцию транспорти­ рующих органов комбайна. Для этой цели требуются поиски новых принципов определения веса соломистых продуктов в по­ токе, позволяющие построить надежные малогабаритные датчики веса [28].

( В связи с отсутствием технических средств для непосредствен­ ного измерения подачи хлебной массы в комбайн в качестве косвен­ ных параметров регулирования могут быть использованы: кру­ тящий момент на валу молотильного барабана, толщина слоя хлебной массы на плавающем транспортере, толщина слоя хлеб­ ной массы на соломотрясе, угловая скорость молотильного ба­ рабана, момент на валу привода плавающеготранспортера [2, 5, 11].

16

лирование только по толщине слоя хлебной массы в наклонной камере при уборке зерновых культур переменной влажности и повышенной засоренности не обеспечивает выполнения требо­ ваний, предъявляемых к качеству работы комбайна.

Перспективными для регуляторов загрузки являются исполь­ зуемые в народном хозяйстве надежные и простые датчики мо­ ментов с высокой собственной частотой колебаний, что очень важно для качества измерения параметров низкочастотных ра­ бочих процессов комбайна. Это малогабаритные электродинами­ ческие датчики, устанавливаемые соосно рабочему валу без меха­ нического контакта с ним.

Для решения вопроса о целесообразности выбора того или иного параметра регулирования недостаточно знать только его статическую характеристику, выражающую зависимость этого

процесса регулирования автоматической системы. Наконец, прак­ тически важно для полевых условий работы комбайна наличие надежных технических средств измерения параметра регулиро­ вания.

лирования загрузки, как было выяснено, можно осуществить изменением скорости комбайна. Скорость изменяют с помощью вариатора ходовой части, который вместе с ходовой частью ком­ байна можно рассматривать как регулирующий орган объекта. При рассмотрении комбайна как объекта в системе автоматического регулирования загрузки регулирующий орган целесообразно отнести к объекту, хотя обычно принято регулирующее воздей­ ствие считать входным для объекта. С учетом этого условия вход­ ным для объекта будет управляющее воздействие в виде переме­ щения поршня гидроцилиндра вариатора ходовой части, которое преобразуется в регулирующее с помощью бесступенчатого ва­ риатора. Функциональная схема комбайна как объекта в системе регулирования загрузки представлена на рис. 4. На этом рисунке приняты следующие обозначения: Н — перемещение поршня гидроцилиндра вариатора ходовой части; i — передаточное число вариатора; g, gT , gx^, gx^ — подача хлебной массы соответственно на входе в комбайн, под плавающим транспортером, в молотиль­

18

вала двигателя, привода плавающего транспортера, молотильного барабана, вариатора ходовой части; М1р, Мб, Мх — крутящий момент соответственно на валу плавающего транспортера, моло­ тильного барабана, вала привода ходовой части; R — сопротив­ ление передвижению комбайна в зависимости от рельефа и обра­ ботки почвы; Ф — возмущение на рабочие органы от изменения физико-механических свойств почвы и хлебной массы.

Зерноуборочный комбайн представляет собой сложную дина­ мическую систему, процессы в которой подчинены действию раз-

I Регулятор

— к о н т у р р е г у л я т о р о в з а г р у з к и по р а з л и ч н ы м п а р а м е т р а м р е г у л и р о в а н и я

личных физических законов. Полностью учесть эти законы при математическом описании объекта пока невозможно.

Математическую модель объекта можно построить теорети­ ческим или расчетно-экспериментальным путем. Первым путем

и материального балансов получены в работах С. А. Алферова и В. Д. Шеповалова [1, 26]. Основное значение результатов, по­ лученных в работе В. Д. Шеповалова, заключается в установле­

и вида передаточных функций звеньев объекта. Использование же этих уравнений движения объекта для расчетов систем автомати­ ческого регулирования загрузки не представляется возможным главным образом потому, что нельзя рассчитать коэффициенты уравнений через параметры объекта й среды.