Способы уменьшения колебаний комбайна при движении тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.01 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В .Ломоносова Механико-математический факультет

0030ВТ322

На правах рукописи УДК 531.36

Резаеи Асл Аббас

Способы уменьшения колебаний комбайна при движении

Специальность 01.02.01 - теоретическая механика

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

/

Москва 2006

Работа выполнена на кафедре прикладной механики и управления механико-математического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Научные руководитель: кандидат физико-математических

наук, доцент Орданович А.Е

Официальные оппоненты: доктор Тб X. ни. 'се с ки.х ; наук

профессор Смыслов В.И

кандидат физико-математических наук, доцент Филиппов В.В

Ведущая организация: Институт машиноведения

им. А.А.Благонравова РАН

Защита состоится «09» февраля 2007 года в 16:00 часов, на заседании диссертационного совета Д 501.001.22 при Московском государственном университете им. М.В .Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские Горы, Главное здание МГУ, сектор А, аудитория 16-10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке механико-математического факультета МГУ.

Автореферат разослан «27» декабря 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

доцент В.А.Прошкин

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Увеличение производительности и уменьшение стоимости уборки зерновых культур всегда являлось важной технической задачей. Так, в частности, появилась жатки, молотилки, комбайны и другие сельскохозяйственные устройства. Относительно недавно (около 150 лет назад) возникла одна из разновидностей комбайна - очесывающие. Если в обычных комбайнах солома вместе с колосьями срезается под корень и обрабатывается в молотилке, то в очесывающих комбайнах колосья обрывают и обрабатывают, оставляя солому на корню. Солома при этом скашивается и убирается отдельно. Основное преимущество очесывающих комбайнов состоит в том, что в молотилку попадают колосья без соломы, что улучшает процесс отделения зерна и существенно уменьшает энергозатраты. Это позволяет уменьшить вес основных агрегатов комбайна, дает возможность увеличить скорость движения комбайна, что, в принципе, уменьшает стоимость уборки зерна.

Конструктивно очесывающий комбайн отличается от обычных тем, что у них вместо хедера, скашивающего солому вместе с колосьями, расположено очесывающее устройство. Положение очесывающего устройства определяет силовой гидроагрегат, который перемещает приемную часть очесывающего устройства на высоту, оптимальную для очеса при заданной высоте стеблестоя.

Одним из существенных конструктивных недостатков очесывающих комбайнов являются вертикальные колебания механизма очесывания при движении. В результате таких колебаний меняется положение очесывающего механизма относительно растения, очес

может производиться неэффективно, что приводит к дополнительным потерям зерна.

Значительные колебания очесывающего устройства могут возникнуть при движении комбайна по неровному полю. Связано это с конструктивной особенностью этого типа комбайнов. Дело в том, очесывающее механизм представляет собой тяжелый агрегат, вынесенный вперед относительно основной части экипажа (см. рис.1). При этом колесная база экипажа не может быть сделана достаточно большой. Собственные частоты колебаний такой конструкции оказываются сравнительно низкими и близкими к частотам возбуждения колебаний за счет неровности дороги.

Для управления высотой очесывающего устройства по отношению к средней высоте колосьев в комбайне обычно используется гидропривод. Для минимизации амплитуды колебаний рабочего органа комбайна можно использовать, для управления силовым приводом, показания датчиков, размещенных на элементах конструкции. Предполагается, что, при оптимальной настройке системы управления, можно добиться уменьшения колебаний и улучшения работы кобайна.

гидроцилиндр

очесывающее устройств

точка А

рис.1

Цель диссертационной работы состоит в проверке эффективности идеи автоматического управления гидроприводом. Для этого исследуется механическая модель колебаний элементов комбайна с учетом системы управления. Это позволяет теоретически оценить возможности предлагаемого метода.

Научная новизна состоит в том, что гидропривод для стабилизации высоты очесывающего устройства ранее не применялся и исследования возможностей системы управления не исследовалась. Апробация работы.

Результаты докладывались и обсуждались на:

1.Семинаре кафедры прикладной механики и управления мехмата МГУ

2.Семинаре кафедры теоретической механики и мехатроники Московского Энергетического института (технического университета)

3.Научном Совете Институте Машиноведения РАН

4.Научно-техническом совете Института Механики МГУ

Публикации. Основные результаты диссертации представлены

в Отчете Института Механики МГУ, №4834, 2006.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. В работе 62 страниц, и 25 рисунков.

Во введении формулируется цель работы и приводится краткий обзор литературы.

В первой главе предложена простейшая механическая модель колебаний комбайна (см. рис 2).

Эта модель состоит из двух основных частей. Первая часть -корпус комбайна на колесах. Вторая часть - хедер, соединенный с первой шарнирно. Взаимное расположение комбайна и хедера определяется гидроприводом, который соединяет корпус комбайна и хедер. В дальнейшем рассматривается движение частей комбайна только в продольно-вертикальной плоскости. Система координат и обозначения показаны на рисунке (2). 2 - высота центра масс корпуса комбайна, Н - высота центра масс хедера, (р-ну - углы корпуса комбайна и хедера по отношению к горизонту. Здесь М и т, 3 и I -массы корпусов и моменты инерции комбайна, а - расстояние между центром масс и шарниром хедера, к] и кг. коэффициенты упругости элементов системы подвески корпуса комбайна, а а и ёг ■ коэффициенты трения этих элементов, соответственно, а^ аг, Ьг геометрические размеры, указанные на рис.2. Управляющее воздействие формируется в виде линейной комбинации доступных измерению фазовых координат:

|Р1 "Я* _¡Ф

-* 3 '!.К)

х

I

рис.2.

и = кта\а,(р + а2у/) + ёта2{агф + а^у>), (1) где а, ,аг ,аъ ,а4- безразмерные коэффициенты управления, а

К- 2 ' а --

маштабы жесткости и трения.

После линеаризации и приведения к безразмерной форме уравнения движения приобретают вид

АХ + 25 В X + а>1СХ = й>02£>Г +25 в? (2)

"(1+//) м дА "2 г 0 " '2 л 0

а = м 0+м) я= у а4 С =

_ М М 0 -а3 -а4 0 -а,-а0 -а2+а0

&/ гг/

/8т /&п.

-£>/ а. &г/ а, •

о о

Здесь: {х,,х2,х3}, где хх =г , х2 - а<р , хг = а ц/ - обобщенные

координаты системы. У(/) = {у,, у2 >°}, где у 2 ) = у, (г - / зал ) -координаты рельефа подстилающей поверхности под первым и вторым колесом. Здесь гт = - время запаздывания движения второго колеса

по отношению к первому, V - скорость движения комбайна, Ь -

колесная база, т.е. расстояние между первым и вторым колесом.

Массовые характеристики элементов системы у. ;'.

_т_ ._ I

М~ М' Маг' ' ~ Ма2'

Расстояние до центра масс хедера:

_ bt cos^Q

P i--•

а

Обобщенные характеристики элементов жесткости конструкции A ,d и а0:

л = 2к2а2~кЛ (Ь+kJa '

d2 __Ла1 + Ка\ (¿,+¿2)a2'

2кп

Обобщенные характеристики элементов трения у и s (gi+g2)a

Обозначим также масштаб частот колебаний 2 К k, + k7

coi =-2- = -3-Í

" М 2М

масштаб затухания колебаний и безразмерный параметр заухания

s= gm _S\+Si C = 2S = (g,+g2) 2m 4m ' ü>0 2-jkm

Глава 2. Устойчивость

Для поиска параметров системы управления, предназначенной для подавления колебаний очесывающего устройства, необходим предварительный поиск областей устойчивости системы в пространстве параметров управления. Это необходимо, в частности, потому, что многие вычисления оптимальных параметров имеют смысл

только в тех случаях, если система устойчива. В полном объеме (в

четырехмерном пространстве) такая задача является весьма сложной,

поэтому рассмотрим задачу в упрощенной постановке, без учета сил

трения. Это можно сделать, положив в уравнении движения системы

(2) параметр затухания е равным кулю. В этом случае уравнение

собственных колебаний приобретает вид:

АХ" + СХ = О

Характеристическая матрица этой системы имеет вид:

'(1 + //)Я + 2 цХ + Л цРхЯ

цХ + Л (/' + + £?2 + а, + а0 + а2-а0

(3)

Р(Я) =

(4)

аМ мМ - «1 - «О ('+м2 У - «г + «о. где обозначено Я = д2. Детерминант матрицы Р(Я)

является характеристическим полиномом шестого порядка относительно q, корни которого определяют собственные частоты системы. Для упрощения исследования и понижения порядка имеет смысл перейти к переменной Я = д2.

Как показано в работе, переход системы в неустойчивое состояние возникает либо при изменения знака одного из корней Я, на положительное, либо при образовании кратного отрицательного корня. Условие наличия кратного корня состоит в том, уравнения

Ф(Я,а1,огг) = 0 (5)

и

= ^ = 0, (6)

имеют один и тот же корень.

Полученными условиями можно воспользоваться для определения границы области устойчивости в пространстве от, и аг. Если подставить в эти два независимых уравнения некоторое отрицательное значения X, то эти уравнения можно использовать для определения параметров (А) и а2(Л), соответствующих корню, лежащему на границе устойчивости. Дополнительно необходима проверка на отсутствие в этой точке положительного корня. Изменяя параметр Я в пределах от 0 до -«>, можно получить кривую в пространстве параметров а, и аг, соответствующую границе устойчивости.

Для примера, на рисунке (3) показана граница устойчивости для характерного ("базового") набора параметров системы : /г = 0.1, Д = 0.5, 3 = 0.5, / = 0.25,г/ = 1.2, Л-0.2, а0=0.а2 =-0.1

о 2 игвйЬе!

ип&1аЬе!

а!

О

-02

-04

-08

-08

-1

-1 -08 -ое -0.4 -02 0 02 04 06 08

Рис.3

Во втором разделе главы 2 рассматривается устойчивость системы с учетом трения. В этом случае уравнение собственных колебаний приобретает вид:

АХ" + еВХ' + СХ = 0 (7)

Как уже указывалось, в полном объеме (в четырехмерном пространстве параметров) такая задача для уравнения шестого порядка является весьма сложной и трудоемкой. Поэтому в дальнейшем будут рассмотрены только некоторые частные задачи. В частности, будут рассмотрены проекции этой области на плоскость а,, а2 и на плоскость

«)> «4-

Для определения зоны устойчивости используется прямой метод. Вся область исследования покрывается сеткой, в узлах которой численно, при помощи ЭВМ, находятся значения корней. Если максимум реальных частей корней уравнения меньше нуля, то эта точка отмечается как устойчивая.

На рис (4) и рис (5) показаны, в качестве примера, для "базового" набора параметров, области устойчивости на плоскости а1; а2 (при «з =-8, а4 = -8, а0 = 0), и на плоскости а3, а4 (при ау =1, а2=-1, а0 = 0)

I 2 3

5 о|-5 •4 •3

.»ЛЙ'рнЛ Й »Ъ« «Рйв 5 А ¿2, 0 Г'.'!М(ШШП!иИНЯ.ППНИ|»П ¡¡4 8 п згошрткия а»! .»«на!«« ¡»«ШС!:®^ »амйймчмлпш* -Л «йиГкы? ь«И1., ¡т V иччтая Ч.Ш-лйМШШ' шшчячш!

рис.4.

рис.5.

Численные эксперименты показывает, что при небольшом изменении параметров задачи общая структура области меняется мало.

Глава 3. Расчет эффективность метода подавления колебаний рабочего органа комбайна

Первые две части третьей главы посвящены формулировке способа вычисления критерия качества работы комбайна.

При математическом моделировании воздействия неровностей подстилающей поверхности считается, что комбайн является динамической системой, входом которой являются воздействия от неровностей дороги, а выходом - колебания элементов. Входное воздействие можно считать стационарным случайным процессом с нормальным распределением. Характеристикой такого случайного процесса является функция спектральной плотности. Как следует из литературы, в большинстве случаев такая функция имеет вид:

(8)

а + в>г

Здесь аш - величина, пропорциональная дисперсии рельефа грунтовой дороги, 0 - циклическая частота.

После обработки экспериментальных данных, приведенных в работе Афанасьева и Хачатурова, 1966, был получен вид функции спектральной плотности, которую можно использовать при проведении вычислительных экспериментах при расчетах колебаний элементов комбайна.

5{а>)=В.У.2,23.10-

а + 0)1

Здесь дисперсия В = -квадрат амплитуды возмущений

неровностей грунта, V- скорость движения комбайна, = ку, а2=к2У. В свою очередь, к2 , где г, и - максимальный и

минимальный размер неровностей дороги. Было принято, в соответствии с указанной выше работой, ¿!=30т , 12 =3т , <? равной от Ютт. до 50тт.

В окончательной записи спектральная плотность возмущений имеет вид:

Д К-2,23-10"3 +4'38'ГР 4 [т>-5ек] (9)

' а> +0,192-10 V J '

Для определения передаточного соотношения, связывающего вход и

выход динамической системы, используется механико-математическая

модель комбайна, построенная в гл.1. Рассматриваемая система

описывается уравнением (2).

Выходом в этой системе является движение рабочего органа с

координатой которое связано с движением остальных элементов

системы соотношением:

<?,=(ДГ-Х), (Ю)

где Л = {г,,.гЛГ} - N - мерный вектор, коэффициенты которого определяются геометрическими параметрами конструкции. В нашем (Ь + ЬЛ

случае г, = г2 =1, а г3 =——^соэ^ .

а

Входом являются возмущения >>,(? ), вызываемые неровностью дороги.

Если воспользоваться операционным исчислением, то можно записать связь вход - выход в виде

(11)

гдер - оператор Лапласа, %а{р) и У\{р) -изображения входа и выхода, а Ж{(р) - соответствующая передаточная функция. Эта функция может быть представлена в виде:

где (1 = 1,2,3) - элементы - матрица-столбец передаточных функций У(р)

Х(р) = Ж(р)у1(р) (12)

Здесь

Ж(р) = [р2А + 28рВ + б)20сУ ■ [¿у02£> + 23рв]-в(р) (13)

&{р)=

1

ехр (/О О

(14)

- матрица-столбец, учитывающая запаздывание.

Зная спектральную плотность входного сигнала, соотношение (11) позволяет определить выходную спектральную плотность движения рабочего органа:

(15)

Здесь ¡Ж,(ю,#)2 - квадрат модуля частотной характеристики передаточной функции \¥4{р).

Как уже указывалось, критерием качества работы комбайна является интенсивность (т.е дисперсия) колебаний рабочего органа

о

Отметим при этом, что дисперсия неровностей дороги Д является заданной, поэтому для поиска оптимального управления критерием

качества работы комбайна служит отношение дисперсий = г.

Таким образом, критерием качества является значение функционала

г(я,к)=]|гДй),я)|25(е>,к>/® (16)

о

В этом функционале скорость движения комбайна "V" задается. Поиск оптимального управления проводится среди множества параметров Я = {а1,а2,а3,а„}.

Поиск оптимальных коэффициентов системы управления а\,аг,аг,аА, при которых колебания рабочего органа комбайна минимальны, соответствует минимизации функционала Г. Для решения этой задачи используется упрощенный подход, при котором минимум ищется только в сечениях а„а2, и а3,а4. Построение областей равных значений критерия Г проводится численно, прямым методом. Вся область исследования покрывается сеткой, в узлах которой численно, при помощи ЭВМ, находятся значения критерия Г. Если это значение меньше заданного числа, то точка маркируется определенным образом. При этом в каждой точке сетки проверяется, принадлежит ли эта точка к области устойчивости.

Рассматривается тот же набор параметров, что и в главе 2. Параметр затухания е = 0Д. На рис(6) на плоскости а, и а2 показаны области значений критерия Г <0.4 и Г<0.5 при значениях а} = -8, ог4 = -8, выбранных ранее. Значений критерия Г меньше, чем 0.3, не находиться.

05 о -05

а .(5

-2 3 5 -3 -15

Рис.6. рис.7.

Из рис.9 видно, что точка а,=1, а2=-1, находиться примерно в центре пятна Г <0.4 и эти значения можно, в качестве первого приближения, принять как оптимальные. Аналогично на рис(7) точка с значениями а} = -8, = -8 также можно, принять за оптимальные. Из анализа рисунков также можно сделать вывод о малой зависимости функционала Г от малых изменений значений параметров а,, а2, «3, а4 от оптимальных.

Подобные построения были сделаны и для других наборов параметров. Общий характер областей равного качества, значений параметров и других характеристик функционала при этих численных экспериментах существенно не изменялся.

Для оценки эффективности системы стабилизации положения рабочего органа комбайна представляет интерес сравнение значений

полученных выше результатов расчета критерия оптимальности гтт с значением этого критерия Г0 при отсутствии управления. Для этого необходимо определить значение функционала Г при том же наборе базовых параметров, но при нулевом значении параметров управления (а, =а2 =а3 = а4 =0). При этом необходимо учесть собственную жесткость к крепления гидроцилиндра (параметр а0).

На рис(8) показана зависимость критерия .Гот параметра затухания е, который определяется подвеской колес комбайна. 1:а3=0,а4=0, 2: а, = -35,а4 =-35 ,

3: а} =-15,а4 =-15 , 4: а3 =-8,а4 =-8

е= а/100 рис.8.

Рассматриваются разные случаи. Случай (а3=а4 = 0) соответствует отсутствию управления. При этом параметр а0 < -1 Наилучшим

управлением является случай (а3 =а4 =-8 ).Отметим, что значение параметра затухания нам известно с очень малой точностью, поэтому оценка критерия Г приводится для широкого диапазона значений параметра е.

Интересным является график значений критерия оптимальности Г при изменении скорости движения комбайна от 0 до V = АтЬ (£ = 0,1). Как следует из рисунка (9), критерий Г при оптимальном управлении (а3=а„=-8), по сравнению с отсутствием управления (а3=аг4=0), уменьшается более чем в четыре раза.

рис.9.

Рисунок показывает очень сильную зависимость критерия качества работы комбайна от скорости. Однако во всех случаях и при всех скоростях введение управления существенно улучшает показатель качества. Лучшие результаты получаются, если в расчетах используется большее значения показателя затухания е.

Выводы:

Из проведенных расчетов и численных экспериментов можно сделать ряд выводов.

1. В рамках предложенной, механико-математической модели комбайна можно получить интересную и важную информацию о колебаниях элементов комбайна при его движении по неровному рельефу поля и о зависимости интенсивности таких колебаний от параметров конструкции комбайна и возможного управления.

2. Численные эксперименты показали, что увеличение скорости движения комбайна ограниченно, прежде всего, наиболее низкой собственной частотой колебаний основной платформы комбайна.

3. Численные эксперименты показали, что применение управления гидроцилиндром для подавления колебаний рабочего органа комбайна целесообразно. Оценка эффективности предложенного способа показывает, что его использование может уменьшить интенсивность колебаний хедера в пять и более раз (размах колебаний в два-три раза).

Заключение

В диссертации рассматривается задача улучшения качества работы комбайнов очесывающего типа. Проблема состоит в том, что в силу свойств конструкции комбайнов этого типа, при движении по неровной поверхности поля, возникают нежелательные интенсивные колебания рабочего органа комбайна. За счет этого увеличиваются потери зерна, снижается производительность и увеличивается стоимость уборки зерна. С ростом скорости движения комбайна ситуация ухудшается.

В диссертации проводится теоретическое исследование и обоснование одного из возможных способов решения этой проблемы. Суть способа состоит в управлении силовом приводом, предназначенным для изменения высоты очесывающего устройства. Предполагается, что это может значительно уменьшить колебания рабочего органа.

В диссертации:

1) Рассмотрена система управления силовым приводом, регулирующим высоту очесывающего устройства. Предложены критерии, по которым можно оценивать качество работы устройства; праведно теоретическое и численное исследование эффективности использования системы управления.

2) Сформулирована механическая и математическая модель колебаний элементов комбайна и системы управления, приспособленная для исследования колебаний комбайна при его движении.

3) На основе имеющихся в литературе данных предложен способ учета неровности поверхности поля, как возбудителя колебаний элементов комбайна.

4) Исследована устойчивость движения комбайна в зависимости от параметров системы управления.

5) Предложен способ вычисления критерия качества работы комбайна и его и минимизации.

6) Проведено численное исследование эффективности работы предложенной системы управления. Все численные расчеты

проведены на конкретном примере, близким по параметрам, к реальной ситуации. При расчетах:

6.1) Найдены зоны устойчивости в пространстве параметров.

6.2) Определена топография критерия качества в зависимости от параметров системы управления, скорости движения комбайна и, заранее неизвестных, параметров элементов комбайна (жесткости рессор, характеристик амортизаторов, положения центра масс).

7) Показано, что при оптимальном выборе коэффициентов управления интенсивность колебаний очесывающего устройства может быть уменьшена в 5 и более раз.

Результаты теоретического и численного исследования, проведенного в диссертации, показали эффективность предложенного способа управления вертикальными колебаниями очесывающего устройства и целесообразность применения его на практике.

Работы автора по теме диссертации . Основные результаты диссертации представлены в Отчете Института Механики МГУ.«Резаей Асл Аббас, Орданович А.Е. Отчет по теме "Способы уменьшения колебаний комбайна при движении"//. Отчет института механики МГУ, № 4834, 11,2006 г., 45 е., 25 рис., библ. 16.»

Резаеи Асл Аббас

Способы уменьшения колебаний комбайна при движении

М., Издательство Центра прикладных исследований при механико-математическом факультете МГУ,.. .стр.

Оригинал макет изготовлен издательской группой механико-математического факультета МГУ

Подписано в печать.........г.

Формат........... Объем 1.5п.л.

Заказ .... Тираж......экз.

Издательство ЦПИ при механико-математическом факультете МГУ

Г .Москва, Воробьевы горы.

Лицензия на издательскую деятельность ИД №04059 от 20.02.2001 г.

Отпечатано на типографском оборудовании механико-математического факультета

Принято к исполнению 25/12/2006 Исполнено 26/12/2006

Заказ № 1083 Тираж: 50 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш , 36 (495) 975-78-56 www.autoreferat.ru

Введение

Глава 1. Математическая модель комбайна

1.1. Уравнения движения

1.2. Положение равновесия 13 1.3 Линеаризация уравнений механической модели комбайна 14 1.4. Управляемость и наблюдаемость

Глава 2. Устойчивость

2.1. Устойчивость системы без трения

2.2. Исследование устойчивости в зависимости от управляющих параметров

Глава 3. Расчет эффективности метода подавления колебаний

Хедера

3.1. Статистические характеристики микропрофиля подстилающей поверхности.

3.2. Частотные характеристики передаточных функций и критерий качества работы комбайна при движении по неровной дороге.

3.3. Расчеты оптимальных параметров и оценка эффективности способа подавления колебаний.

3.4. Выводы

Увеличение производительности и уменьшение стоимости уборки зерновых культур всегда являлось важной технической задачей. Так, в частности, появилась жатки, молотилки, комбайны и другие сельскохозяйственные устройства. Относительно недавно (около 150 лет назад) возникла одна из разновидностей комбайна - очесывающие. В статье Шабанова ПЛ., Данченко Н.Н.и др. [5,6,7,8,9,12,13,17,24] описан принцип действия очесывающего комбайна. Если в обычных комбайнах солома вместе с колосьями срезается под корень и обрабатывается в молотилке, то в очесывающих комбайнах колосья обрывают и обрабатывают, оставляя солому на корню. Солома при этом скашивается и убирается отдельно. Основное преимущество очесывающих комбайнов состоит в том, что в молотилку попадают колосья без соломы, что улучшает процесс отделения зерна от колоса и существенно уменьшает энергозатраты. Последнее связано с тем, что уменьшается объем сырья, которое попадает в молотилку, не происходит бесполезного смятия соломы и ряд других факторов. Это позволяет уменьшить вес основных агрегатов комбайна, дает возможность увеличить скорость движения комбайна, что, в принципе, уменьшает стоимость уборки зерна.

Ниже приводятся некоторые сведения из литературных источников (см. [24].) По сравнению с традиционной технологией уборки зерновых (прямой и раздельной уборкой) общие потери зерна при обмолоте на корню составляют при прямостоящем стеблестое - 1.0-1.5%, при полеглом - 1.8-3.0% при нормативном показателе не более 2 % и 3 % соответственно; дробление зерна находится в пределах 0.2-0.4 % - агротехнический показатель 2 %. Качественные показатели очесывающего устройства позволяют увеличить рабочую скорость комбайна; увеличивается пропускная способность классической барабанной молотилки, очесывающее устройство не требует постоянной настройки, а следовательно, производительность возрастает в 1.5-2 раза. г".а —

Смшсть

Рис. I. Зависимость уровня потерь зерна при уборке от скорости движения очесывающих комбайнов (из [24]).

1 & с

Рис. 2. Схема пневматического комбайна с очесывающим устройством (из [6]).

1) очесывающие барабаны с гребенками; 2) шнек для подачи очесанного вороха в наклонную камеру; 3) плавающий транспортер наклонной камеры; 4) зерновой элеватор; 5) сепарирующая решетка; 6) вытяжной вентилятор; 7) автономное домолачивающее устройство; 8) вентилятор первичной подачи. а) б)

Рис. 3. Схемы очесывающих устройств (из [24]): а - Украинский вариант; б - Английский вариант; 1-очесываюишй барабан, 2 -битер-отражатель, 3 -неподвижный отражающий кожух, 4 - подвижный отражающий кожух, 5 - шнек, 6 - транспортер.

Работы по конструированию и внедрению очесывающих комбайнов активно велись в последние десятилетия в Австралии, Англии, на Украине, в России, и в некоторых других странах.

Конструктивно очесывающий комбайн отличается от обычных тем, что у него вместо хедера, скашивающего солому вместе с колосьями, расположено очесывающее устройство. Основой его является вращающийся вал с гребенками, которые и производят очес. Кроме того, это устройство содержит транспортеры и шнеки, которые передают очес на механизмы, расположенные на основной платформе. В целом, очесывающее устройство представляет собой достаточно тяжелый агрегат, вынесенный вперед по ходу движения комбайна, соединенный с платформой при помощи шарнира. Положение очесывающего устройства определяет силовой гидроагрегат, который перемещает приемную часть очесывающего устройства на высоту, оптимальную для очеса при заданной высоте стеблестоя.

Одной из проблем очесывающих комбайнов являются вертикальные колебания механизма очесывания при движении. В результате таких колебаний меняется положение очесывающего механизма относительно растения, очес может производиться неэффективно, что приводит к дополнительным потерям зерна.

Можно отметить два основных источника возникновения таких колебаний: внешние - за счет движения комбайна по неровному полю и внутренние - за счет работы различных механизмов комбайна. Последняя проблема рассматривалась, в частности, на кафедре прикладной механики МЕХМАТА МГУ в 1994г. В дипломной работе, A.B. Коновалова (научный руководитель проф. Новожилов И.В.) [1] были подробно рассмотрены автоколебания, возникающие за счет неустойчивости двигателя и механической связи двигателя и продольного движения комбайна. Показано, что при этом могут возникнуть интенсивные колебания всех элементов системы.

Значительные колебания очесывающего устройства возникают при движении комбайна по неровному полю. Связано это с конструктивной особенностью этого типа комбайнов. Дело в том, что очесывающий механизм представляет собой тяжелый агрегат, вынесенный вперед относительно основной части экипажа (см рис. 2). При этом колесная база экипажа не может быть сделана достаточно большой. Собственные частоты колебаний такой конструкции оказываются сравнительно низкими и близкими к частотам возбуждения колебаний за счет неровности дороги.

Как уже отмечалось, в конструкцию комбайна заложены элементы, позволяющие управлять высотой очесывающего устройства по отношению к средней высоте колосьев на данном участке поля. Обычно для этого используется гидропривод, которым управляет комбайнер или специальное автоматическое устройство. Существуют предложения использовать имеющийся в конструкции комбайна гидропривод для улучшения качества работы комбайна. Для этой цели предлагается разместить на элементах конструкции некоторое количество датчиков и использовать их показания для управления гидроприводом. Предполагается, что в результате такого управления можно добиться уменьшения амплитуды колебаний некоторых, наиболее важных, точек конструкции.

Цель диссертационной работы состоит, таким образом, в проверке целесообразности и эффективности предложения использования автоматического управления гидроприводом комбайна для подавления нежелательных колебаний рабочих элементов комбайна. Для этого исследуется механическая модель комбайна с учетом системы управления. Это позволяет теоретически оценить возможности предлагаемого способа.

Рассмотрим более подробно основную идею работы. Комбайн можно рассматривать как механическую систему с N обобщенными координатами Х = {х1,.х„}, находящуюся под воздействием случайных возмущений У = {ух,.ум}, которые возникают при перемещении комбайна по неровной дороге.

В линейном приближении уравнения исследуемой системы можно привести к виду:

Х{()=А-Х{()+В-и{()+0-У{1) (1)

Движение некоторого элемента конструкции (например, движение приемной части очесывающего устройства) можно записать в виде

2) где Я = {г1,.г„} - N - мерный вектор, элементы которого определяются геометрическими параметрами конструкции.

Внешние воздействия У(/), в первом приближении, можно считать стационарным случайным процессом с определенным спектром, среднюю амплитуду которого характеризует дисперсия И. Колебания всех элементов конструкции, в том числе и очесывающего устройства £<(/), поэтому также являются случайными. Дисперсию амплитуды колебаний очесывающего устройства йА = , можно считать, таким образом, критерием качества работы комбайна.

Для подавления колебаний приемного устройства предлагается применить силовой привод (гидроцилиндр), используемый в существующей конструкции для управления высотой очесывающего устройства над уровнем поля. Для этой цели формируется управление £/(/) в виде линейной комбинации обобщенных координат: где Н - матрица коэффициентов управления. Уравнения исследуемой системы в этом случае приобретают вид:

Х(1) = А-Х(})+0-У(}) (3) где 2 = А + ВН - модифицированная за счет управления матрица коэффициентов динамической системы. Частоты колебаний, коэффициенты затухания и другие характеристики модифицированной динамической системы изменяются в зависимости от коэффициентов управления. В соответствии с этим изменяется дисперсия колебаний очесывающего устройства ИА. Предполагается, что это может быть использовано для выбора оптимальных коэффициентов управления, при которых колебания очесывающего устройства будут минимальны.

Отношение Г дисперсии йА колебаний к дисперсии внешних воздействий £> не зависит от средней амплитуды неровностей дороги и может служить критерием оптимальности выбора параметров комбайна. Этот критерий является функцией структуры комбайна, основных параметров системы, скорости движения V и доступных для настройки коэффициентов управления Я. Значение этого критерия может быть определено из исследования решений уравнения (3). Задачей исследования является, таким образом, поиск оптимальных значений параметров системы управления, т.е. сводится к нахождению минимума функционала Г и выбору соответствующих оптимальных значений управляющих параметров для разных значений скорости V. Анализ функционала Г позволяет сделать определенные выводы о возможности подавления колебаний очесывающего устройства комбайна и улучшения эффективности его работы.

4) г=г{у,н)

3.4. Выводы

Из проведенных расчетов можно сделать ряд выводов. 1. В рамках предложенной, достаточно простой, математической модели комбайна можно получить интересную и важную информацию о колебаниях элементов комбайна при его движении по неровному рельефу поля, а также о зависимости интенсивности таких колебаний от скорости, параметров конструкции комбайна и возможного управления.

Важную роль играет правильный выбор значений "эффективной жесткости" крепления хедера. Слишком высокая жесткость такого крепления увеличивает связь колебаний основной платформы и хедера, что увеличивает размах колебаний последнего. Чрезвычайно важную роль играют амортизаторы подвески основной платформы комбайна (параметр е). Их конструкция и характеристики должны быть предметом специальных исследований. Увеличение скорости движения комбайна невозможно без увеличения собственной частоты колебаний хедера. Применение управления гидроцилиндром для подавления колебаний рабочего органа комбайна целесообразно. Оценка эффективности предложенного способа показывает, что его использование может уменьшить интенсивность колебаний хедера в пять и более раз (размах колебаний в два-три раза).

Предложенная модель комбайна можно быть использована для решения других аналогичных задач оптимизации параметров комбайна.

Заключение

В диссертации рассматривается задача улучшения качества работы комбайнов очесывающего типа. Проблема состоит в том, что в силу свойств конструкции комбайнов этого типа, при движении по неровной поверхности поля возникают нежелательные интенсивные колебания очесывающего устройства (хедера). За счет этого увеличиваются потери зерна, снижается производительность. С ростом скорости движения комбайна ситуация ухудшается.

В диссертации проводится теоретическое исследование и обоснование способа уменьшения колебаний очесывающего устройства. Суть способа состоит в использовании имеющегося на комбайне силового привода, предназначенного для изменения высоты очесывающего устройства.

В диссертации:

1) Сформулирована математическая модель колебаний элементов комбайна и системы управления.

2) Предложена структура системы управления силовым приводом, регулирующим высоту очесывающего устройства. Предложены критерии, по которым можно оценивать качество работы устройства; проведено теоретическое и численное исследование эффективности управления.

3) На основе имеющихся в литературе данных построена модель неровностей поверхности поля.

4) Исследована устойчивость движения комбайна в зависимости от параметров системы управления.

5) Предложен способ вычисления критерия качества работы комбайна и его и минимизации.

6) Проведено численное исследование эффективности работы предложенной системы управления. Все численные расчеты проведены на конкретном примере, близком по параметрам к реальной ситуации. При расчетах:

6.1) Найдены области устойчивости в пространстве параметров.

6.2) Определена топография критерия качества в зависимости от параметров системы управления, скорости движения комбайна и заранее неизвестных параметров элементов комбайна (жесткости рессор, характеристик амортизаторов, положения центра масс).

7) Показано, что при оптимальном выборе коэффициентов управления интенсивность колебаний очесывающего устройства может быть уменьшена в 5 и более раз.

Таким образом, результаты теоретического и численного исследования, проведенного в диссертации, показали эффективность предложенного способа управления вертикальными колебаниями очесывающего устройства и целесообразность применения его на практике.

1. A.B. Коновалова (научный руководитель проф. Новожилов И.В.) Исследование тангажных колебаний автотранспортных средств. // Дипломная работа студента кафедры прикладной механики. 1994 год, Механико математический факультет МГУ.

2. Афанасьев B.JL, Хачатуров A.A. Статистические характеристики микропрофиля автомобильных дорог и колебаний автомобиля. // Автомобильная промышленность, 1966, № 2, стр 23-27

3. Поляк Б. Т., Щербаков П. С. Робастная устойчивость и управление. // Издательство "Наука", Москва, 2002,.300с.

4. Резаеи Асл Аббас, Орданович А.Е. Отчет по теме "Способы уменьшения колебаний комбайна при движении"//. Отчет института механики МГУ, № 4834,2006 г, 45 е., (рис. 25, библ. 16).

5. Уборка зерновых очёсыванием растений на корню. Шабанов П.А., Данченко H.H., Голубев И.К. и др.// Достижения науки и техники АПК. 1990.-No2.

6. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М Наука. 1971.

7. Александров В.В., Болтянский В.Г., Лемак С.С., Парусников H.A.,

8. Тихомиров В.М. Оптимальное Управление Движени-ем//.Издательская фирма «Физико-математическая литература» МАИК «Наука/Интерпериодика»Москва Физматлит 2005,с.374.

9. Александров В.В., Болтянский В.Г., Лемак С.С., Парусников H.A., Тихомиров В.М. Оптимизация Динамики Управляемых Систем//. Издательство Московского университета.2000.302 с.

10. Стрелков С.П., Введение в теорию колебаний // Издательство «ЛАНЬ» 2005.С.437.

11. Данченко H.H., Шабанов Л.А., Шкиндер В.Н. и др. Результаты испытаний экспериментального рисоуборочного комбайна. Ж.: Ме-ханиз. и электр. с.х.-1987, №12. С.50.

12. Удерман Э.Г. Метод корневого годографа в теории автоматических систем// Издательство«Наука»Москва 1972,446 с.

13. Данченко H.H., Шкиндер В.Ж., Аблогин H.H. и др. Комбайн для уборки зерновых культур на корню. А.С.1766310 СССР, 1992.

14. Зуев Ю.Ю. Динамика и управление гидропневмосистем (гидромеханический привод с дроссельным управлением) // Издательство МЭИ, Москва, 1992,.с.375.

15. Пчелин И.К., Хачатуров A.A. Применение уравнений кинематических связей для исследования устойчивости движения и управляемости автомобиля с помощью аналоговых математических машин // Автомобильная промышленность, 1966, № 5, стр 19-25.

16. Джури Э. Инноры и устойчивость динамических сис-тем//.Издательство «Наука». 1979.С.299.

17. Омутов А.Ф., Пугачев А.Н. О влиянии различных факторов на производительность зерноуборочных комбайнов // Механизация и электрификация соц. Сельского хозяйства, 1982,№9,с. 16-19.

18. Laub A.J., Arnold W.F. Controllabity and observability criteria for multivariable linear second order models // IEEE Trans. Automat.Control. 1994.V.AC - 29.n2.p.l63-165.

19. Римский Г.В. Основы общей теории корневых траекторий систем автоматического управления// Издательство «Наука и техника» Минск 1972,323с.

20. Бендерков Г.А., Теодорчик К.Ф. Анализ многоконтурных линейных систем методом траекторий корней// Издательство «АН СССР» ОТН, «Энергетика и автоматика», 1962, № 5.

21. Бендерков Г.А., Теодорчик К.Ф. Траекторий корней линейных автоматических систем// Издательство «Наука», Москва 1964.