Динамика и нагруженность рабочих органов зерноуборочных комбайнов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ
|
Далальянц, Армэн Ашотович
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Ростов-на-Дону
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1998
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.02.06
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
1 ц ¡р ЯЗВ
Далальянц Армэн Ашотович
Динамика п нагруженность рабочих органов зерноуборочных комбайнов
Специальность 01.02.06 - Дннамика и прочность машин, приборов и аппаратуры
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ростов-на-Дону 1998
Работа выполнена в Донском государственном техническом ■университете
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Жаров В.П.
Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор
Грош ев Л. VI.
кандидат технических наук, долен/ Красноступ С.М
Ведущая организация - ГСКБ по комплексам
зерноуборочных комбайнов ОАО «Ростсельмаш» (г. Ростов - на - Дону)
Защита диссертации состоится & уе-и^аХр-!} )993 гола в /О часов на заседании диссертационного совета _AC063.27.03 при Донском государственном техническом совете (ДГТУ) по адресу: 3440 Ш г. Ростов-на-Дону, ГСП-8, пл. Гагарина, I, ДГТУ, ауд. 252.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ. Автореферат разослан М г
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор
А.А.Андросов
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Для современных машин, в частности сельскохозяйственных (зерноуборочных комбайнов, тракторов, машин д;-: животноводства), характерны такие направления их развития, как автоматизация процессов контроля и управления, повышение эксплуатационных характеристик (скоростей, производительности), снижение материалоемкости и удельных затрате сфере эксплуатации.
В то же время удельные затраты в сфере эксплуатации во многом зависят от надежности машины, особенно это относится к зерноуборочным комбайнам (ЗУК).Простон по причине ненадежности ЗУК влекут за собой убытки, связанные не только с расходами на устранение отказов, но и с потерями урожая из-за увеличения сроков их уборки. Поэтому убытки от одинакового времени простоев ЗУК разной производительности больше у комбайнов большей производительности. Повышение производительности машин достигается в основном за счет увеличения параметров их рабочих органов, следовательно, масс а так же увеличения рабочих скоростей. Следствием этого является возрастание нагрузок на элементы конструкции рабочих органов и их приводов, а также на несущую и ходовую системы машины. В связи с этим обеспечение надежности ЗУК является одной из основных проблем нх создания.
Комплекс конструкторских, исследовательских п экспериментально-аналитических работ по обеспечению надежности ЗУК выполняется на всех этапах его жизненного цикла, но наиболее важными являются работы по обеспечению требуемого уровня надежности на этапе проектирования, т.к. на этом этапе закладываются основные конструкторские и технологические решения, определяющие работы по подготовке его производства.
Для оценки прочности и долговечности элементов конструкции ЗУК аналитическим или экспериментальным методами необходим определенный объем информации по нагруженности и особенностям динамики ею рабочих органов.
Цель работы: создание информационной базы по нагруженности рабочих органов ЗУК и их приводов для оценки надежности конструкции на лапе проектирования.
Задачи исследований: для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
I. Разработать методологию статистического моделкро камня нагруженности рабочих органов ЗУК с учетом динамики технологической; процесса.
2. Обосновать нормирующие параметры и средние значения удельных показателей нагруженности основных рабочих органов ЗУК.
3. Учитывая стохастический характер нагрузок на рабочие органы обосновать законы их распределения как случайных величин.
4. Разработать типовые блоки удельной нагруженности основньг. рабочих органов ЗУК, являющиеся исходной информацией для оценки надежности конструкции аналитическим или экспериментальным методами.
5. Провести анализ особенностей динамики механизмов рабочих органов циклического действия и выработать рекомендации по синтезу их рациональной по динамическим характеристикам схемы.
■б. Разработать методологию и принципиальную схему автоматизированной системы управления стендовыми ресурсными испытаниями.
7. Определить для типовых стендов, применяемых при ресурсных испытаниях деталей и сборочных единиц и агрегатов ЗУК, факторы, влияющие на искажение величины заданной нагрузки, а также параметры, корректирующих ее величину.
Решение отмеченных выше задач обеспечивает сокращение времени и стоимости создания ЗУК заданного уровня надежности.
Объект исследования. Зерноуборочные комбайны классической схемы.
Методы исследования. Работа выполнена с применением аналитических и экспериментальных методов исследования нагруженности и динамики рабочих органов ЗУК.
Аналитические исследования базируются на основных положениях теорий расчета и проектирования рабочих органов ЗУК, машин и механизмов, теоретической механики и прикладной теории колебаний, математической статистики, а также соответствующих ГОСТов, ОСТов и СТП. Экспериментальные исследования выполнены с применением тензометрнрованнй и современных методов обработки результатов тензомегрировання на ЭВМ по специальным программам.
Научная нота на.
I. Разработана методология статистического моделирования типовых блоков удельной нагруженности рабочих органов сельскохозяйственных машин с учетом динамики технологического процесса.
I. На основании анализа энергетики технологических процессов, выполняемых одноименными рабочими органами ЗУК идентичной конструкции, но разной производительности, обоснованы нормирующие параметры нагруженности ' рабочих органов и их средние значения показателей удельной нагруженности.
3. Введено понятие «коэффициент загрузки рабочего органа» К, позволившее представить спектр нагруженности каждого рабочего органа и виде интегральной кривой распределения этого коэффициента кик случа. .'ом величины.
4. Определены функциональные зависимости между параметрами нагруженностн рабочих органов, удельными значениями нагрузок, нормирующим» параметрами и коэффициентами загрузок.
5. На базе результатов тензометрнрования рабочих органов комбайна Дои-1500А в различных условиях эксплуатации построены интегральные кривые распределения коэффициентов загрузки основных рабочих органов ЗУК и типовые блоки структурных распределений их нагруженности.
6. Выполнен синтез механизмов рабочих органов ЗУК с1 возвратно-поступательным движением исполнительного звена «о критерию минимизации приведенного к ведущему звену главного момента н главного вектора сил инерции подвижных звеньев.
7. Выполнен анализ динамики системы стендов для ресурсных испытаний отдельных рабочих органов и элементов конструкции ЗУК, позволивший определить корректирующие параметры для каждого типа стенда, автоматическое управление которыми обеспечит точность и стабильность воспроизведения заданного блока нагрузок на объект испытаний.
8. Предложена рациональная схема системы автоматического управления ресурсными стендовыми испытаниями применительно к системе стендов для ресурсных испытаний элементов конструкции ЗУК.
Практическая ценность. Результаты исследований позволили сочдать типовые блоки нагруженности рабочих органов зерноуборочных комбайнов, необходимых для оценки надежности элементов конструкции на стадии разработки конструкторской документации опытного образна. Это сокращает сроки и стоимости работ по созданию ЗУК заданного уровня надежности и повышает его эффективность в сфере эксплуатации.
Предложенная методология обоснования и построения типовых блоков удельной нагруженности рабочих органов может быть использована для создания информационной базы нагруженности рабочих органон сельскохозяйственных машин другого назначения.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований были использованы ГСКБ ОАО "Ростсельмаш" при создании зерноуборочного комбайна Дон-091 нового класса производительности.
Апробация работы. Основные положения диссертационной рабоп,) доложены на научно-технической конференции во ВНИПТИМЭСХ по и км нм исследований' 1996 года, Пятой Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем (Ростов-на-Дону, ¡997
год), заседании научно-технического Совета ведущей организации - ГСКБ по комплексам зерноуборочных машин «ОАО Ростсельмаш».
Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 6 работ общим объемом 2,2 п.л.
Объем диссертации. Диссертация (общий объем 149 с.) включает введение, ш-'сть глав, заключение с общими выводами по результатам исследований, список использованных источников (94 наименований), содержит 20 таблиц и 62 рисунка.
Содержание работы
Во введении обоснована актуатыюсть темы я приведены основные положения, выносимые на защиту.
В 1-ой главе "Проблема обеспечения надежности на этапе проектирования" рассмотрены основные работы в области оценки и прогнозирования надежности конструкций, в том числе и сельхозмашин: А.А.Андросова, С.А.Алферова, В.В.Болотина, Д.Н.Беленького, В.И.Брауде, И.И.Воровича, А.П.Гусенкоза, В.С.Борисова, Р.И.Бугло, К.Н.Войновича, Р.С.Галаджева, М.Р.Галаджевой, Ю.В.Гринькова, Л.М.Грошева, С.С.Дмитриченко, В.П.Жарова, Н.А.Махутова, В.П. Когаева, А.С.Проникова, В.В.Спиченкова, С.В.Серенсена и др. Анализ работ в области оценки и прогнозирования надежности показывает, что в настоящее время разработаны методы аналитического, и экспериментального способов оценки надежности конструкции при достаточной информации о ее нагруженности.
Показана важность обеспечения надежности ЗУК в эксплуатации как одного из основных факторов, определяющих экономичность использования машины в сфере производства сельхозпродукта. Отмечено, что проблема надежности конструкции ЗУК решается на всех этапах жизненного цикла машины от проектирования до списания, однако основная задача обеспечения надежности должна решаться на этапе ее проектирования. В работах В.С.Борисова и Р.С.Галаджева на ¿сновании анализа условий эксплуатации ЗУК И возможных предельных состояний элементов его конструкции показано, что для прогнозирования надежности конструкции ЗУК должны бьпь применены оба существующих метода: расчетный (аналитический) и экспериментально-исследовательский (испытания).
Учитывая стохастический характер нагрузок, дейстуюших на рабочие органы а несущую систему ЗУК, для оценки надежности элементов его конструкции в каждом из упомянутых методов необходимо иметь информацию о спектре нагруженное! и рабочего органа. При создании ЗУК новых классов по производительности такая информация в основно-
Ь
отсутствует. Кроме этого, при проведении стендовых ресурсных испытании не всегда учитывается динамика системы стендов, что приводит к искажению параметров задаваемых нагрузок, следовательно, снижению достоверн ".тп результатов экспериментальных исследований.
Выполненный обзор позволил определить цель и задачи исследовании, решение которых необходимы для сокращения сроков создания ЗУК с заданным уровнем надежности.
Во 2-ой главе "Статистическое моделирование типовых блоков на1руженностн рабочих органов зерноуборочных комбайнов с учегом динамики технологического процесса" рассмотрена структура работы по статистическому моделированию нагруженности рабочих органов уборочных сельхозмашин. Разработана матрица системы моделирования нагруженности рабочих органов ЗУК (рис.1). Взаимосвязь входных и выходных параметров матрицы сведена к функциональной модели (рис.2).
Анализ физического смысла этой модели позволяет представить управляющие воздействия на объект исследования множества регламентируемых и случайных параметров, приводящие к определенному значению соответствующего выходного параметра (цель исследования). Эта зависимость может быть описана функциями
А - А(Х)
в = в(х,¥,щ С = С(й) О = £>( 7)
1де А - вектор типового режима испытания; В - вектор закона распределения нагрузок на определенный рабочий орган; С - вектор нормирующего параметра нагруженности определенного рабочего органа; О - вектор показателя средней удельной нагруженности рабочего органа; X - вектор режимных параметров работы машины; и - вектор конструкционных и технических параметров рабочего органа; У,\У - векторы регулярных и случайных возмущений, характеризующих внешнюю среду ( V - влияние сборочных единиц и агрегатов друг на друга, XV - среда, окружающая машину); 3 - вектор статистик нагрузок.
1 ! С ганктика |>Г;КПМ071 .ЖСПЛУПТ.ЧПНН 1.1 М(',;оМ) режимов ■эксплуатации 1.2 Схематизация режимов эксплуатации 1.3 Модель режимов нагр ужения 1.4 Оценка режимов погружения 1.5 Обоснование типовых режимов эксплуатации 1.6
Статистика возмущающих факторов 2.1 Модель возмущающих факторов 11 Схематизация возмущающих факторов 2.3 Модель внешних воздействий 2.4 Оценка внешних воздействий 2.5 Обоснование закона распределения нагрузок 2.6
Статистика параметров объекта VI Модель объекта 3.2 Схематизация модели объекта 3.3 Модель взаимодействия объекта с внешней средой 3.4 Опенка параметров объекта 3.5 Обоснование нормирующих параметров нагружения 3.6
Статистика нагрузок (напряженного состояния) 4.1 ■ Модель нагрузок 4.2 Схематизация нагрузок 4.3 Модель нагрузок на объект 4.4 Оценка нагруженностн объекта 4.5 Обоснование показателей средней удельной нагрузки 4.6
"ж. I. Матрица системы "Погруженность рабочих органон .
X
~и
У
ж
Объект исследований -
А
с о
Рис. 2. Функциональная модель статистического моделирования нагруженности объекта
Анализ условий эксплуатации ЗУК, режимов его работы, особенностей выполнения технологического процесса каждым рабочим органом, внешних воздействий (обработка технологического материала, неравномерность его подачи, состояние а1рофона и др.) и обусловленных ими силовых и энергетических параметров рабочих органов в плане приведенной матрицы, позволил установит!, зависимости среднего значения параметра нагруженности 1 - го рабочего органа
1 (момент, мощность, сила) от среднего значения нормирующего параметра (секундная подача Я. ширина и др.), определяющего нагруженность ¡- го рабочего органа и средней удельной нагруженности рабочего органа: = (?/ • V, , при этом
Q¡ =
(2)
где О
Iр и Q¡xx - средние значения нагруженности рабочего органа в
рабочем и холостом режиме работы; Qi -средняя удельная нагруженность.
Однако, для оценки надежности конструкции рабочего органа необходимы не ю.1ЬКО среднее значение параметров нагруженности. но и их распределение. Из очевидно, что распределение О, зависит ог распределения , определяющее загруженность рабочего органа.
Распределение у1 удобно представлять в виде распределения безразмерного коэффициента К' - коэффициента загрузки рабочего органа, определяемого
пз отношения
А"' - £
к - /е,
где <2,
что изменение значения К, следовательно, и будут подобны изменению Q¡ во времени и
его его
текущее значение параметра нагруженности.
Очевидно, распределение, распределению.
Имея интегральную кривую распределения К' .можно говорить о среднем и / - процентном значениях параметров нагруженности рабочих органов:
Так же справедлива зависимость
8 соответствии с (3) и (4) можно записать
(3)
>4)
А/, = Л//' • о,
Я, = Щ .ц
Р,= Р,у ■ о,
■5)
(6)
м1г=мгк'г = Цу
р1г = ргк>г = р,у-ц-к
где М, N, Р - момент, мощность и сила соответственно .
Выражение (6) представляет в аналитической форме статистическую модель нагруженности рабочего органа машины с учетом протекания технологического процесса.
- По интегральной кривой распределения 1С можно построить однопараметрический блок распределения удельной нагрузки на рабочий орган, принципиальный вид которой представлен на рис.3.
Очевидно, что имея такие типовые блоки для каждого рабочего органа, можно используя равенство (3) построить блоки нагруженности рабочих органов разрабатываемой машины по заданным техническими условиями параметрам, которые являются нормирующими для определения нагрузок. Используя интегральные кривые распределения моментов на приводы рабочих органов комбайна Дон-1500А (параметр (2), построенные по данным тензомечрнрования комбайна (тензометрирование выполнено РГТУ совместное ВИСХОМом), смоделированы представленные в работе типовые блоки нагруженности основных рабочих органов зерноуборочного комбайна.
ю
Рис.3. Одпопариметрический блок распределения удельной нагрузки на рабочий
орган
Эти блоки несут информацию по нагруженности, необходимую для выполнения прочностных расчетов и ресурсных стендовых испытаний конерукции на стадии проектирования.
В 3-ей главе "Обоснование нормирующих параметров и значений показателей удельной нагруженности рабочих органов зерноуборочных комбайнов" дан анализ технологических процессов, выполняемых основными рабочими органами ЗУ К, на основании которого определены нормирующие параметры и удельные значения нагрузок по этим параметрам для каждою рабочего органа. Обоснованы связи между средними значениями параметров нагруженности, их удельными значениями и нормирующими пнрамефами.
и
Полученные результаты приведены в табл.1. В табл.2 приведены обозначения, принятые в таблЛ.
Таблица 1
Нормирующие параметры и показатели удельной нагруженносги основных рабочих органов зерноуборочных комбайнов
Наименование ра бочнх органов Нормирующий параметр Показатель средней удельной . нагруженности и его значение Средние значения нагруженност и рабочих органов
1 2 3 4 5
1.МОЛОТИЛКА
1.1 Общий привод молотилки с жатвенной частью и копнителем (без мощности на холостой ход молотилки) Приведенная секундная подача «„[^/с] (при и= 2150.»г') ) ¡У = 10д„[кЯ/и]
1.2 Молотильный барабан Приведенная секундная подача Му =54А-<1г-Н'Укг Л? = 54,4
1.3 Транспортная доска Приведенная секундная подача Я»[к?!с] ' ТО [%/с] Ч"
1.4 Верхнее решето Приведенная секундная подача ш ■р N
1.5 Нижнее решето Приведенная секундная подача Я.[кг/с]
¡г
Продолжение табл. I
1 2 3 4
1.6 Вентилятор очистки Приведенная секундная подача Я = 0Л6-ч,1кЗт\
1.7 Соломотряс Приведенная секундная подача Ч.[«г1с] С -^И
1.8 Соломонаби-ватель Ширина молотилки В„[.и] Г/ = 560 Н/м [Я-»]
2.ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬ
2.1 Барабан измельчающий Приведенная секундная подача Ч.[кг1с] - 40- Л'5 [Н-м]
3 .ЖАТВЕННАЯ ЧАСТЬ
3.1 Режущий аппарат Шг.рина захвата жатки т
3.2 Мотовило Ширина захвата жатки В^[м\
3.3 Транспортер наклонной камеры Приведенная " секундная подача Щ = 0.5-с!,, 'у ы А? ., - 0-5-1/, х 1 с
3.4 Шнек жатки* Приведенная секундная подача Щ, = Ъ,У1кВт/кг;с Л'(/,=азн[*8т]
3.5 Битер проставки* Приведенная секундная подача л;,. =0.2-<7„[к£М
* При влажном густом хлебостое нагрузка может возрасти к (.).■■1.4 раза.
Таблица 2
Обозначения, принятые в табл. 2
Обозначение Наименование
1 2
Л'у ; Л/у -средние значения удельных мощностей и моментов
/V; Л7 -средние значения мощностей и моментов
-обороты в минуту двигателя (или ведущего вала) привода молотилки [.« "']
-диаметр молотильного барабана [.ч]
К, средняя удельная масса вороха на транспортной доске
От* среднее значение массы вороха на транспортной доске
1т. длина транспортерной доски [л/] ^
К, скорость перемещения вороха но транспортерной доске [л//с] (для обычных комбайнов V,. »0,3м/с)
средняя удельная масса вороха на верхнем решете
Glr среднее значение массы вороха на верхнем решете
длина верхнего решета [.и]
скорость перемещения вороха на верхнем решете [.м/с] (для очисток с уклоном 4°,!'„р ^ 0,3.м/с)
G?;GC среднее удельное и среднее значение массы вороха на соломотрясе
h длина соломотряса [л<] ,
\\ скорость перемещения вороха на соломотрясе [л</с] (для обычных СОЛОМОГрЯСОВ \\ а 0,4 .м/с)
F.y удельная тангенциальная сила на радиусе коленвала соломонабивателя
Rc радиус коле: ¡вала соло.монобивателя [.«]
KL, удельная максимальная сила инерции ножа
! m» масса 1 м ножа [\г]
Ю частота двойных ходов ножа [с"']
! s ход ножа M
| максимальная сила инерции ■ i
м
Продолжение таблицы 2
1 г
щ средний удельный момент сопротивления вращению мотопила длиной 1м
А, диаметр мотовила [.к]
Щ средний удельный момент на валу транспортера наклонной камеры
диаметр делительной окружности ведущей звездочки цепи транспортера [.м]
длина нижней ветви транспортера [,и|
скорость цепи транспортера [.и/с]
. лу среднее удельное значение силы резания на ноже из мельчающего барабана
К* радиус барабана измельчителя [.«] (до середины длин измельчающих ножей)
А?** * /V ш»•iV ш среднее удельное и среднее значение мощности на валу шнека жатки
среднее удельное и среднее значение мощности на валу битера проставки
В 4-ой zwee "Особенности динамики нафуженности приводов механизмов циклического действия" рассмотрены особенности динамики приводов этих механизмов и даны рекомендации по синтезу рациональной их схемы.
Анализ сил, действующих на элементы конструкции рабочих органов циклического действия и механизмов их привода показал, что для режущего аппарата и очистки определяющими по нагруженное™ являются силы инерции их исполнительных звеньев (нож режущего аппарата, решетный стан, транспортная доска). Упомянутые рабочие органы вместе с их приводами представляют механизмы, исполнительные звенья которых совершают возвратно-поступательное движение. С ростом производительности комбайнов увеличиваются параметры конструкции исполнительных звеньев этих механизмов, следовательно, и их массы. Силы инерции подвижных звеньев этих механизмов, приведенные к входному звену, вызывают переменные по величине и направлению давление на его опору (главный вектор сил инерции R") и момент на валу (главный момент сил инерции Ми). Переменный момент сил инерции йфывает крутильные колебания вала
15
привода, что отрицательно сказывается на надежность всей трансмиссии. Механизмы режущего аппарата и очистки ЗУ К в общем случае могут быть представлены в виде простейшего кривоишпно-ползунного механизма, у которого входное звено - кривошипный вал. исполнительное звено - ползун (рис. 4, механизм ОАВ).
Из дифференциального уравнения движения этого механизма, составленного в форме уравнения Лагранжа 11-го рода, следует, что момент сил инерции подвижных звеньев, прведенный к входному звену 1, описывается выражением:
2-Д + ЗЛ ..2
---—--т-<р $т2-(р=-а-ът2-(р ,7,
' '
М" =
Рис. 4. Схема крииишиппо-по.путюго механизма с оаумя по.гзупчми
Сила инерции исполнительного звена 4. приведенная к опоре О, ран па
Р*
Г" =
■ (о
г-со$><р = Ь-СОЬф
15)
гдр Г - длина кривошипа ОА.
Анализ схемы рассматриваемого механизма, а также уравнений (7) н (8) позволил синтезировать рациональную с позиции динамическом нагруженности схему механизмов режущего аппарата и очистки с их приводами. Суть предложения заключается в разделении исполнительных звеньев этих рабочих органов (нож режущего аппарата, решетный стан) на две равные но массам части, приводимые от одного и того же входного звена (рис.4, механизм ОАВСД). Для такого механизма
М;' = «-[$т2-$9 + 5т2-(<р + 0)], (9)
р/' =0,5-6-[сс^ + сс^ + 0)]. (10)
Из выражения (9) п (10) следует, что наиболее рациональными бу;гт механизмы рассматриваемых рабочих органов, выполненных по схеме рис.4 (механизм ОЛВСО) с углом О сдвига фаз движения исполнительных звеньев Л и 7, рапным я/~,. В этом случае
М" -¿/•[5т2-р-8т2-р] = 0. пп
/у (<р-у4). (12)
Из (8) и (12) следует, что
_¥п я ' Г"
!,„„ Ру та
В 5-он глаь-е "Экспериментальные исследования энергетики и динамики рабочих органов ЗУК" приведены методика и результаты тензометрнрованпя общего привода молотилки, отдельных рабочих органов жатвенной части, вентилятора очистки. Теизомегрирование выполнялось в лабораторных условиях на стендах (приводы- режущих аппаратов и вентилятора очистки), а также в полевых условиях при выполнении технологического процесса. Результаты этих исследований подтвердили правильность предпосылок, принятых при аналитических'исследованиях,-изложенных в оазделах 2 п ."! настоящей работы, а именно:
- линейная зависимость нагрузок от нормирующих параметров;
- определяющими в механизме режущего аппарата являются силы инерции ножа и силы зрения в прижимах ножа;
- при сдвиге фаз движения исполнительных звеньев режущего шиулрлк. и
очистки ЗУК на угол в ='/2 глаш1Ы" момент их сил инерции,приведенных к
входному звену привода, М>! — 0;
- момент па валу мотовила зависит от ширины мотопила.
Были получены необходимые данные для определения удельных значений нагруженности вентилятора очистки, рабочих органон жат псиной части, а также для построения кривых распределения коэффиииеню:-. загруженности К этих рабочих органов.
В 6-01Гг:к1«с "Основы методологии автоматизации управления режимами стендовых ресурсных испытании элементов конструкции ЗУК озмечаекя, 'п<> повышение эффективности стендовых ресурсных испытаний особенно при большой номенклатуре испытываемых объектов возможна амом.-нипник-й
управления стендовыми ресурсными испытаниями. При эгом необходимо обеспечить связь между системами управления механизмом снловозбуждения и информации о нагруженностн объекта испытания. Для решения этой задачи разработаны основы методологии автоматизации управления режимами стендовых ресурсных испытаний, включающие технические требования к автоматизировпной системе стендовых ресурсных испытаний, обоснование функциональной схемы системы автоматизированного управления стендами, а также структурной схемы системы автоматизированного управления стендами (рис. 5).
Для повышения достоверности результатов стендовых ресурсных испытаний выполнен анализ динамики типовых стендов для испытания элементов конструкции ЗУК, позволивший определить корректирующие параметры, обеспечивающие точность воспроизведения заданных программой режимов нагружения объекта испытаний.
Общие выводы по результатам исследования
1. Впервые разработана методология моделирования типовых блоков удельной нагруженностн рабочих органов уборочных сельхозмашин с учетом динамики технологического процесса.
2. На основании анализа энергетики технологических процессов, выполняемых однотипными « рабочими органами ЗУК идентичной конструкции, но разной производительности обоснованы нормирующие параметры и средние значения удельных показателей нагруженностн рабочих органов (табл. I).
3. Определены функциональные зависимости между средними значениями нагруженностн рабочих органов ЗУК заданной производительности и удельными значениями.
4. Впервые введено понятие коэффициента загруженности рабочего
органа К', позволившее представить спектр нагруженностн каждого рабочего органа в виде интегральной кривой распределения коэффициента загруженности как случайной величины.
5. На базе результатов теизометрирвания рабочих органов комбайна Дон-1500А в различных условиях эксплуатации построены интегральные кривые распределения коэффициентов загруженности основных рабочих органов ЗУК и. структурное распределение (типовые блоки) их нагруженности.
l'uc. 5. Структурная схема антемы автоматы трочашшгп управлении спкчпШми
6. Домшшруюшими по воздействию на усталостную прочность силами, возникающими в элементах механизма режущего аппарата ЗУК, являются силы инерции подвижных звеньев и трения в кинематических парах нож-прижимы. что допускает проведение стендовых ресурсных испытаний механизма привода режущего аппарата без иммнтацни резания технологического продукта.
7. Анализ динамики приводов рабочих органов циклического действия ЗУК (режущего аппарата, транспортной доски, решетного стана) позволил определить рациональную по динамики нагружснности привода кинематическую схему механизма (сдвиг фаз движения масс исполнительных
звеньев' на угол Ол/~,.
8. Выполнен анализ динамики систем типовых стендов для ресурсных испытаний рабочих органов и элементов конструкции ЗУК, позволивший определить корректирующие параметры "для каждого типа стенда, автоматическое управление которыми обеспечивает точность воспроизведения заданного блока нагрузок на объект испытаний.
9. Наиболее рациональной схемой системы автоматического управления ресурсными стендовыми испытаниями отдельных элементов, агрегатов и машин в целом для ЗУК является система управления одновременно несколькими стендами с обратной связью, в которой каждый стенд управляется отдельным устройством (рис.5).
10. Предлагаемая методология статистического моделирования удельно» нагруженности рабочих органов с учетом динамики протекания технологического процесса может быть использована и для создания информационной базы нагруженности рабочих органов сельскохозяйственных машин другого назначения с учетом специфических особенностей их конструкции и работы.
Результаты исследований были использованы при создании нового современного зерноуборочного комбайна Дон-091 в ГСКБ ОАО "Ростсельмаш".
Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:
'. Переходные процессы пуска в приводе рабочих органов уборочных машин. - В журнале "Тракторы и сельскохозяйственные машины". - г. Москва: 1996, N7, с.20-25.
2. Упругая муфта в приводе машино-трахторного агрегата.- В сборнике Динамика, прочность и надежность сельскохозяйственных машин". - г Ропов-на-Дону, ДГТУ: 1996, с. 55 - 75.
3. Тяговая характеристика сцепления типа "леникс" в режиме буксования. - В сборнике "Динамика, прочность и надежность сельскохозяйственных машин". - г. Ростов-на-Дону, ДГТУ: 1996, с.Я0 - 88
4. К вопросу об обеспечении надежности уборочных сельхозмашин на стадии проектирования.- V Международная научно-техническая конференция по динамике технологических систем. Тезисы докладов. Т. I. - г. Ростов-га-Дону: 1997, с.75-78.
5. Уравновешивание главного момента сил инерции звеньев механизма режущего аппарата. - V Международная научно-техническая конференция по динчмике технологических систем. Тезисы докладов. Т. I. - г. Роетов-на-Дг>ну: 1997, с.72-75.
6. Обоснование блоков нагружения вентиляторов очисток по заданном пропускной способности зерноуброчного комбайна. (В печати).
Л Р Лгз 020639 от 26.04.96 г. В набор ¿6.10.9г В печать 20.11 М. Объем /, 4 усл. п.л.,/.2 уч.-нзд.п. Офсет. Формат 60x84/16 Бумага Тип „\'в 3. Заказ Лгн ¡/Рь . Тираж ¿09
Издатель скин центр ДГТ'У
Адрес университета и полиграфического предприятия: 344010, г. Ростоа-чи-Допу, пл. Гагарина, 1.
/ V V* I,
? - /? /
ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи УДК 631.354.1.022:531.3(043.3)
ДАЛАЛЬЯНЦ АРМЭН АШОТОВИЧ
ДИНАМИКА И НАГРУЖЕННОСТЬ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЗЕРНОУБОРОЧНЫХ КОМБАЙНОВ
01.02.06 - Динамика и прочность машин, приборов, аппаратуры.
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель доктор технических наук профессор
В.П.Жаров
Ростов-на-Дону 1998.
Содержание
Введение................................................................................................................. 4
1. Проблема обеспечения надежности зерноуборочных
комбайнов на этапе проектирования............................................................... 7
1.1 Структура работ по обеспечению надежности
при проектировании машин ...................................................................... 7
1.2. Прогнозирование видов отказов элементов
конструкции ЗУК...................................................................................... 11
1.3. Методы оценки и прогнозирования
надежности сельскохозяйственных машин........................................... 13
1.3.1. Расчетный метод прогнозирования значений
показателей надежности................................................................. 14
1.3.2. Экспериментально-исследовательские методы
оценки показателей надежности ................................................... 17
1.3.3. Виды предельных состояний типовых элементов конструкции ЗУК и методы оценки их надежности.................... 19
1.4. Обзор исследований по обеспечению надежности ЗУК ..................... 19
1.5. Точность воспроизведения режимов нагружения
при стендовых ресурсных испытаниях.................................................. 23
1.6. Выводы по главе....................................................................................... 24
1.7. Цель и задачи исследования................................................................... 25
2. Статистическое моделирование типовых блоков нагруженности рабочих органов зерноуборочного комбайна
с учетом динамики технологического процесса.......................................... 26
2.1 Структура работ по статистическому
моделированию нагруженности рабочих органов
уборочных машин..................................................................................... 26
2.2. Анализ параметров модели нагруженности
рабочих органов........................................................................................ 30
2.3. Статистическое моделирование динамики нагруженности
рабочего органа в установившемся режиме работы ............................ 34
2.4. Моделирование типового блока удельной нагруженности
элемента конструкции.............................................................................. 35
2.5. Типовые блоки нагруженности рабочих органов ЗУК......................... 39
2.6. Выводы по главе..............................................................................................................................................................................43
3. Обоснование нормирующих параметров и значений показателей удельной нагруженности рабочих органов зерноуборочных комбайнов......................................................................................................................................................45
3.1. Вводные замечания....................................................................................................................................................................45
3.2. Жатвенная часть..............................................................................................................................................................................45
3.2.1. Режущий аппарат........................................................................................................................................................45
3.2.1.1. Силы полезных сопротивлений............................................................................46
3.2.1.2. Силы инерции....................................................................................................................................51
3.2.1.3. Силы вредных сопротивлений (трения)..................................................52
3.2.1.4. Суммарное действие сил в режущем аппарате............................56
3.2.2. Мотовило......................................................................................................60
3.2.3. Шнек жатки................................................................................................................................................63
3.2.4. Битер проставки............................................................................................................................................................64
3.2.5. Транспортер наклонной камеры.................................................................................65
3.3. Молотильный аппарат............................................................................................................................................................69
3.4. Транспортная доска и решетный стан......................................................................................................74
3.5. Соломотряс..............................................................................................................................................................................................76
3.6. Зерновые шнеки..............................................................................................................................................................................76
3.7. Скребковые транспортеры..........................................................................77
3.8. В ентилятор очистки...........................................................................................................78
3.9. Соломонабиватель......................................................................................................................................................................79
3.10. Измельчитель....................................................................................................................................................................................80
3.11. Выводы по главе..........................................................................................................................................................................84
4. Особенности динамики нагруженности приводов рабочих
органов циклического действия ....................................................................................................................................85
4.1. Вводные замечания....................................................................................................................................................................85
4.2. Динамика механизма привода режущего аппарата ЗУК............................................86
4.3. Определение способов уравновешивания приведенного
момента сил инерций звеньев к входному звену................................... 88
4.4. Давление в шарнирах звеньев от сил инерции................
...........................98
4.5. Выводы по главе................................... ......................................................................................................101
5. Экспериментальные исследования удельной и динамической нагруженности некоторых
рабочих органов зернокомбайна....................................................................................................................................102
5.1. Цель экспериментальных исследований............................................... 102
5.2. Программа экспериментальных исследований.................................... 102
5.3. Предмет и средства экспериментальных исследований..................... 103
5.4. Основные положения методики экспериментальных исследований............................................................................................ 104
5.5. Исследование нагруженности общего привода рабочих
органов зерноуборочного комбайна..................................................... 104
5.6. Исследование нагруженности приводов рабочих
органов жатвенной части комбайна...................................................... 109
5.7. Исследование нагруженности мотовила.............................................. 112
5.8. Определение соотношений сил инерций, трения и
резания в режущем аппарате жатки...................................................... 117
5.9. Исследования динамики момента на входном звене
привода режущего аппарата.................................................................. 122
5.10. Исследование нагруженности привода вентилятора ; очистки ЗУ К в возможных режимах его работы............................... 127
5.11. Выводы по главе................................................................................... 131
6. Основы методологии автоматизации управления режимами
стендовых ресурсных испытаний элементов конструкции ЗУК................133
6.1. Вводные замечания..................................................................................133
6.2. Обобщенная динамическая модель стенда............................................134
6.3. Дифференциальные уравнения малых движений
динамической системы стенда................................................................137
6.4. Основные технические требования к автоматизированной
системе стендовых ресурсных испытаний.............................................151
6.5. Обоснование функциональной схемы системы автоматизированного управления стендами..........................................152
6.6. Выводы по главе.......................................................................................157
Общие выводы................................................................................................... 160
Литература................................................................................................ 161
Приложение 1
Приложение 2
Введение
Надежность является одной из основных проблем машиностроения. Первостепенное значение ее в технике связано с тем, что уровень надежности в значительной степени определяет развитие техники по основным направлениям: автоматизации производства, интенсификации рабочих процессов, экономии материалов и энергии.
Для современных машин, в частности, сельскохозяйственных (зерноуборочных комбайнов, тракторов, машин для животноводства) характерны такие направления их развития, как автоматизация процессов контроля и управления, повышение рабочих параметров (скоростей, производительности) и энергонасыщенности, снижение удельных показателей (материалоемкости, расхода горючего), затраты в сфере эксплуатации. Например, до 1986 года основным зерноуборочным комбайном в стране был комбайн СК-5М "Нива", производительностью 7 т/час зерна и мощностью двигателя 100 л.с. С 1986 года ■ основным зерноуборочным комбайном становится комбайн Дон - 1500 , производительностью 11 т/час и мощностью двигателя 220 л.е., готовится производство роторного комбайна Дон-2600, производительностью 14 т/час и мощностью двигателя 280 л.с. и испытывается комбайн классической схемы Дон-1610 производительностью 14 т/час.
Простои по причине ненадежности зерноуборочных комбайнов влекут за собой убытки, связанные не только с расходами на устранение отказов, но и с потерями урожая из-за увеличения сроков их уборки. Поэтому убытки от одинакового времени простоя по причине ненадежности конструкции комбайна "Дон" существенно выше, чем комбайна "Нива".
Надежность - это свойство объекта сохранять во времени и установленных пределах все параметры, обеспечивающие выполнение требуемых функций в заданных условиях эксплуатации.
Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность.
Сезонность сельскохозяйственных работ приводит к высокой интенсивности эксплуатации сельхозмашин в относительно кратковременный период. Возникает проблема длительного хранения в межсезонные интервалы.
Таким образом, надежность большинства сложных мобильных сельскохозяйственных машин определяется практически всеми перечисленными составляющими этого комплексного свойства.
Уровень технологического процесса производства и контроля деталей и сборочных единиц, качество технического обслуживания и условий хранения техники в сельском хозяйстве в среднем ниже, чем в других отраслях.
Из приведенного очевидно, что решение проблемы надежности сельхозмашин - это огромный резерв повышения производства сельскохозяйственной продукции. Поэтому обеспечение заданного уровня надежности конкретных типов сельхозмашин является одной из актуальных задач сельскохозяйственного машиностроения.
Зерноуборочный комбайн (в дальнейшем ЗУК) является сложным, мобильным сельскохозяйственным агрегатом, включающим в себя ряд уборочных, зерноочистительных машин, а также самоходное энергетическое средство [33; 63; 94], которые в некоторых вариантах их конструкции существуют как самостоятельные машины, либо в компановке с другими рабочими органами и энергосредствами образуют агрегаты новых назначений.
Поэтому выбор ЗУК в качестве объекта исследования позволяет применить полученные результаты, научных исследований и основанные на них рекомендации при выполнении работ по оценке надежности конструкции на стадии проектирования ряда других сельхозмашин, включающих в себя перечисленные составные части ЗУК.
Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами жизненного цикла машины, начиная с момента формирования идеи создания машины, заканчивая принятием решения о ее списании. Однако основные решения по надежности машины закладываются на этапе ее проектирования (стадии разработок технического проекта и рабочей конструкторской документации) и непосредственно сказываются на ее эксплуатационные и экономические показатели. В то же время для выполнения работ по определению надежности элементов любой машины на этапе проектирования необходим определенный объем информации по характеру и величинам нагруженности этих элементов в машинах проектируемого класса.
Изложенное выше послужило основанием для выбора темы настоящей диссертационной работы. Она является развитием одного из направлений общей проблемы надежности сельхозмашин, решаемой коллективом преподавателей и научных сотрудников кафедр "Основы проектирования машин", "Теория машин и механизмов" и "Теоретическая механика" ДГТУ и специалистами ГСКБ ОАО "Ростсельмаш".
В настоящей работе представлены научные основы моделирования типовых блоков нагруженности рабочих органов ЗУК с учетом динамики технологического
процесса, являющихся исходной информацией для оценки надежности конструкции аналитическим или экспериментальным методами на этапе ее проектирования. При этом блок моделируется по одному из параметров нагруженности: силе, моменту, мощности.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Методология статистического моделирования нагруженности рабочих органов зерноуборочных машин с учетом динамики технологического процесса.
2. Обоснование нормирующих параметров и средних значений показателей нагруженности основных рабочих органов ЗУК и их приводов.
3. Обоснование типовых блоков удельных нагруженностей рабочих органов и их приводов.
4. Синтез рациональной схемы механизма рабочего органа ЗУК с циклическим характером движения исполнительного звена.
5. Синтез рациональной структурной схемы автоматизированного управления системой стендов для ресурсных испытаний.
Данная диссертация является научным обобщением совместной работы, проводимой кафедрой "Теоретическая механика" и ГСКБ ОАО "Ростсельмаш" по темам: "Разработка системы сбора и обработки информации, получение экспресс-данных с помощью бортового процессора тензостанции"; "Разработка и монтаж системы управления режимами стендовых испытаний на базе микро-ЭВМ" в период с 1995 по 1997 годы.
1. Проблема обеспечения надежности зерноуборочных комбайнов на этапе проектирования
1.1. Структура работ по обеспечению надежности при проектировании машин
Сельхозмашину, в особенности такой сложности как ЗУК, можно представить как многоуровневую иерархическую структуру, приведенную в табл. 1.1. [13]. Каждый уровень иерархической структуры в общем случае состоит из совокупности оригинальных деталей с проектируемым уровнем надежности, а также ряда заимствованных и стандартных деталей, не подлежащих доработке по повышению их надежности (в случае доработки они входят в разряд оригинальных).
Таблица 1.1
Иерархическая структура
Уровень иерархии Элементы ЗУК
1. Изделие 2. Подсистема 3. Агрегаты 4. Сборочные единицы 5. Детали ЗУК в заданной комплектации Молотилка, жатка, копнитель, измельчитель, подборщик и др. ДВС, гидросистема, мост ведущих колес и др. Рабочие органы (молотильный барабан, соломотряс и др.), передачи, гидроагрегаты, несущая система (рама боковины, балки мостов и др.). Детали рабочих органов, передач несущих систем.
Обеспечение надежности сложной машины является многоэтапным процессом управления надежностью.
Современная теория надежности машин и конструкций различного назначения получила развитие в работах В.В. Болотина [10], В.И. Брауде [15], И.И. Воровича [18], А.П. Гусенкова [23], В.П. Когаева [37], Р.В. Кугеля [46],H.A. Махутова [53], C.B. Серенсена [76] и других отечественных ученых.
По вопросу управления надежностью имеется ряд научных исследований Р.В. Кугеля, A.C. Проникова, А.Н. Кубарева и др. [45;46;66], а также ряд руководящих нормативных материалов: ГОСТ 15467, ГОСТ 17341 [55; 75; 82].
Процесс управления надежностью можно разделить на следующие этапы [46;
1. Выбор номенклатуры и численных значений показателей надежности.
2. Нормирование ресурсов основных элементов конструкции исходя из заданной надежности и долговечности машины.
3. Конструкторское, расчетное, экспериментальное и технологическое обеспечение норм долговечности составляющих машины.
4. Испытания и доводка новых конструктивных решений до требуемого уровня надежности.
5. Разработка инструкций по эксплуатации, ремонту и контролю состояния машины.
6. Аттестация технического уровня машины.
7. Обеспечение стабильности и совершенствование технологии серийного производства машины.
8. Авторский контроль за эксплуатацией машины в типовых условиях.
9. Разработка стандартов по обеспечению надежности машины.
Из приведенного очевидно, что процесс управления надежностью машины касается большого комплекса вопросов в сфере конструирования, испытания, производства эксплуатации и совершается на протяжении всего ее жизненного цикла.
Жизненный цикл машины от начала проектирования до снятия с эксплуатации можно разделить на пять основных этапов: проектирование, доводка, производство, эксплуатация, ремонт.
Работы по обеспечению надежности на каждом этапе жизненного цикла характеризуются своими специфическими особенностями.
На этапе проектирования закладывается заданный уровень надежности машины в целом и оценивается надежность разработанных элементов.
Проводится оценка новых технических
