Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Богданович Виталий Петрович

Механико-технологическое

обоснование  ресурсосберегающего

функционирования мобильных

сельскохозяйственных агрегатов

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства  механизации

  сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Зерноград

2007

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства (ВНИПТИМЭСХ).

Официальные оппоненты:  доктор технических наук

профессор

ГРОШЕВ Леонид Матвеевич

доктор технических наук

профессор

ПЛЕШАКОВ Вадим Николаевич

доктор технических наук

профессор

ШАБАНОВ Николай Иванович

Ведущая организация - ФГНУ Российский научно-исследо-

вательский институт по испытанию

технологий и машин (РосНИИТиМ),

г.Новокубанск

Защита состоится ___ ________ в ___ час. на заседании диссертационного совета Д 006.005.01 при Государственном научном учреждении Всероссийский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства (ВНИПТИМЭСХ) по адресу: 347740, г. Зерноград Ростовской области, ул. Ленина, 14, в зале заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИПТИМЭСХ.

Автореферат разослан л_____  __________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук

старший научный сотрудник В.Ф.Хлыстунов

общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Устойчивое ведение производства продукции растениеводства зависит от применяемых технологий и мобильных сельскохозяйственных агрегатов (МСА) Ц основных средств производства. Взаимодействие МСА с производственной средой должно быть ресурсосберегающим и характеризуется режимами функционирования по следующим показателям: производительность, работоспособность, расход топлива, качество продукции. Оснащение МСА, предназначенных для возделывания и уборки сельскохозяйственных культур, ступенчатыми механическими трансмиссиями, ременными передачами и вариаторами не способствует эффективному выполнению технологических процессов из-за низкой надежности и недостаточной точности управления режимами функционирования МСА. Поэтому приоритетным  направлением  обеспечения  ресурсо-сбережения является оснащение МСА бесступенчатыми трансмиссиями и приводами рабочих органов на базе объемного гидропривода, повышение точности управления ресурсосбережением. 

Процессы формирования прогрессивных технологий и потребления материально-технических ресурсов требуют выполнения комплекса системных исследований, способствующих эффективному применению объемного гидропривода в МСА, недостаток исследований приводит к нерациональной интенсификации производства продукции растениеводства и необоснованному росту затрат ресурсов.

Поэтому научно-техническая проблема обеспечения ресурсосберегающего функционирования мобильных сельскохозяйственных агрегатов в многообразии условий ведения производства продукции растениеводства является актуальной.

Исследования и разработки, составившие основу диссертационной работы, выполнены во ВНИПТИМЭСХ по теме О - 048.01.07 в 1981-1990 гг. и в соответствии с планом НИР института на 2001-2005 гг., утвержденным Россельхозакадемией, по теме 02.03.01 (ГР № 1.20.02.15648), предусмотренной заданием 02.03 проблемы 12 Государственной научно-технической программы.

Цель исследований Ц обеспечение ресурсосберегающего функционирования мобильных сельскохозяйственных агрегатов путем оснащения их рабочих органов бесступенчатыми приводами и трансмиссиями.

Объекты исследований - режимы функционирования почвообрабатывающих и уборочных мобильных сельскохозяйственных агрегатов.

Предмет исследований - параметры и показатели режимов функционирования рабочих органов мобильных сельскохозяйственных агрегатов.

Методы исследований - системные исследования и теория систем, теория вероятностей и математическая статистика, теоретическая механика, натурный эксперимент.

Научная гипотеза Ц ресурсосберегающее функционирование почвообрабатывающих и уборочных МСА обеспечивается путем оснащения их рабочих органов бесступенчатыми трансмиссиями и приводами на базе объемного гидропривода, режимы функционирования которых устанавливают в соответствии с многообразием условий производства продукции растениеводства.

Научная новизна включает:

- методику согласования режимов функционирования двигателя и объемного гидропривода трансмиссии мобильного энергетического средства (МЭС);

- методику построения потенциальной тяговой характеристики МЭС с бесступенчатой трансмиссией;

- обоснование конструктивно-технологической схемы МСА, в состав которого входит МЭС с бесступенчатой трансмиссией;

- обоснование структуры МСА, режимы функционирования которого являются объектами адаптивного управления;

- закономерности и значения параметров функциональных связей между рабочими органами зерноуборочного комбайна, оснащенных механическими и гидравлическими приводами.

Практическая значимость работы:

• получены массивы значений параметров и показателей режимов функционирования рабочих органов почвообрабатывающих и уборочных МСА с механическими и гидравлическими приводами в трансмиссиях, используемые при разработке принципов управления функционированием МСА;
• обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность замены клиноременного вариатора молотильного барабана зерноуборочного комбайна объемным гидроприводом, способствующая снижению потерь и дробления зерна;
• для МЭС разработана схема бесступенчатой трансмиссии на базе объемного гидропривода;
• обоснованы рабочие объемы гидромашин с наклонным блоком (насосов и гидромоторов) для трансмиссий МЭС классов 3 и 5;
• разработана методика определения влияния параметров и режимов функционирования объемного гидропривода на суммарный расход топлива МСА.

На защиту выносятся:

• методика согласования режимов функционирования двигателя и объемного гидропривода трансмиссии МЭС;
• методика построения потенциальной тяговой характеристики МЭС с бесступенчатой трансмиссией;
• обоснование конструктивно-технологической схемы МСА, в состав которого входит МЭС с бесступенчатой трансмиссией;
• закономерности и значения параметров функциональных связей между рабочими органами с механическими и гидравлическими приводами зерноуборочного комбайна;
• показатели и параметры режимов функционирования почвообрабатывающего и уборочного МСА, рабочие органы которых оснащены механическими и гидравлическими приводами.

Реализация результатов исследований.

Результаты выполненных исследований приняты к использованию Департаментом СХ и ПП Краснодарского края при разработке и реализации программы технико-технологической модернизации производства продукции растениеводства в крае; ОАО Ростсельмаш для повышения работоспособности и надежности зерноуборочных комбайнов Дон; ЗАО Красный Аксай при совершенствовании гидросистем культиваторов широкозахватных и для обработки почвы в рядах многолетних насаждений; ОГК ОАО Шахтинский завод Гидропривод при создании насосов и гидромоторов для тракторов, сельскохозяйственных и дорожно-строительных машин.

Результаты исследований использованы в рекомендациях Технологии возделывания зерновых культур в Ставропольском крае.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены в ГСКБ по комплексам зерноуборочных машин (ПО Ростсельмаш) и ГСКБ по машинам для уборки зерновых культур и самоходных машин (г. Таганрог) в 1983-1989 гг., в Винницком ПКТИ Гидроагрегат в 1982-1987 гг., в ОГК аксиально-плунжерных гидромашин ОАО Гидросила (г. Кировоград) в 1986-1990 гг., в ГСКБ по жаткам (г. Бердянск) в 1987-1988 гг., на Всесоюзной научно-техничес-кой конференции Вопросы создания систем и агрегатов гидроавтоматики сельскохозяйственных машин в НПО ВИСХОМ в 1984 г., в РКУП ГСКБ по зерноуборочной и кормоуборочной технике (г.Гомель, Белоруссия) в 2005 г., в ОГК ОАО Шахтинский завод Гидропривод (г.Шахты) в 1999-2006 гг., на ежегодных научно-практических конференциях СПбГАУ в 1984-1989 гг., АЧГАА в 1998-2006 гг., и ВНИПТИМЭСХ в 1982-2006 гг.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 38 печатных работах общим объемом 21,29 п.л., из них 15 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка используемых литературных источников, приложений. Работа изложена на 346 страницах, содержит 109 иллюстраций, 65 таблиц и 20 приложений. Список литературных источников включает 274 наименования, из которых 14 на иностранных языках.

Автор выражает благодарность доктору технических наук Рыкову Виктору Борисовичу за помощь и консультации при проведении совместных исследований. 

Содержание работы

Во введении изложена актуальность проблемы, сформулированы научная проблема, цель и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе Современное состояние проблемы и задачи исследований рассмотрены значимость и необходимая достаточность основных ресурсов: почва, труд, фонды, управление для эффективного производства продукции растениеводства. Переход от натурального  сельскохозяйственного производства к индустриальному, использующему энергию полезных ископаемых, обеспечил повышение урожайности зерновых культур в четыре и более раз. Но такое производство требует значительных затрат энергии, большую часть которых потребляет МСА. От технического совершенства МСА, характеризуемого режимами функционирования, зависят расход ресурсов и последующее их воспроизводство, качество продукции. Ресурсосбережение в сельскохозяйственном производстве представляет комплекс взаимосвязанных организационно-технологи-ческих, агрономических и инженерно-технологических мероприятий.

Большой вклад в обоснование технико-эксплуатационных параметров и состава МСА, повышение эффективности их функционирования внесли Н.М.Антышев,  Н.В.Краснощеков, И.П.Ксеневич, Н.С. Ждановский, В.Н.Болтинский, В.Г.Антипин, В.В.Кацыгин,  В.М.Кряжков, В.А.Кубышев, М.С.Рунчев, В.И.Черноиванов, В.В. Бледных, Ю.Ф. Лачуга, В.Д.Попов, Г.Е.Чепурин, М.А.Пустыгин, Л.Е.Агеев, Ю.И.Бершицкий, Н.М.Беспамятнова, А.И.Бурьянов, Э.В.Жалнин, С.А.Иофинов, Э.И. Липкович, В.П.Димитров, Н.К. Мазитов, Г.Г.Маслов, О.А.Пенязев, В.Н. Пле-шаков, В.Б.Рыков, А.И.Русанов, А.Т.Табашников, В.С.Шкрабак, Н.И.Шабанов, Л.М.Пилюгин, Н.А.Щельцин и др.

В работах Л.И.Гром-Мазничевского, В.И.Фрумкиса, В.А. Петрова, В.И.Мининзона, В.Н.Прокофьева, Л.А.Борошка, К.И.Городецкого, В.М.Марквартде, В.А. Васильченко и других рассмотрены вопросы применения объемного гидропривода в трансмиссиях тракторов и сельскохозяйственных машин.

Анализ современного состояния проблемы показал, что в нашей стране и за рубежом выполнены системные исследования по оценке значимости каждого из основных ресурсов в производстве продукции растениеводства. Однако создавать и внедрять номенклатуру МСА, которая бы обеспечивала по прогрессивным технологиям производство продукции растениеводства с заданными затратами ресурсов, на имеющихся предприятиях сельхозмашиностроения начали недавно.

Задачи исследований:

- обосновать приоритетные направления в обеспечении ресурсосберегающего функционирования МСА;

- разработать методику построения потенциальной тяговой характеристики МЭС с бесступенчатой трансмиссией на базе объемного гидропривода;

- разработать методику и приборы для определения параметров и показателей режимов функционирования объемных гидроприводов трансмиссий МСА;

- провести оценку агротехнических и технико-эксплуатационных параметров и показателей МСА, оснащенных бесступенчатыми трансмиссиями и приводами рабочих органов;

- обосновать конструктивно-технологическую схему МСА, в состав которого входит МЭС с бесступенчатой трансмиссией;

- определить технико-экономические показатели ресурсосберегающего функционирования МСА, оснащенных бесступенчатыми трансмиссиями и приводами рабочих органов.

Во второй главе Обеспечение ресурсосберегающих режимов функционирования мобильных сельскохозяйственных агрегатов определены структуры мобильного сельскохозяйственного агрегата и ресурсов производства продукции растениеводства, подлежащие системным исследованиям (рисунок 1), методология которых основана на сравнении равнокачественных альтернатив ресурсосбережения, являющихся системами. В результате взаимодействия МСА и производственной среды устанавливаются режимы функционирования агрегата.

Дополнено и расширено понятие Ц адаптация МСА, категория проявления которой - состояние, совокупность свойств с изменяемыми характеристиками в процессе функционирования МЭС. Поэтому предполагается, что адаптивное управление наилучшим образом обеспечивает ресурсосбережение при оснащении бесступенчатыми трансмиссиями и приводами рабочих органов МСА на базе объемного гидропривода.

Управление режимами функционирования двигателей МЭС осуществляют с помощью коробки передач в трансмиссии, которая должна согласовывать соотношение между внешней нагрузкой и крутящим моментом на валу двигателя так, чтобы оно всегда было наивыгоднейшим. В условиях переменных нагрузок знаменатель геометрической прогрессии передач можно представить как 

  ,  (1)

где К - среднее квадратическое отклонение крутящего момента на ведущих колесах МЭС; С - среднее квадратическое отклонение приведенного момента сопротивления; 1 и 2 - индексы пониженной и повышенной передач соответственно.

Наименьшее значение знаменателя геометрической прогрессии равно

(2)

где kПМ - коэффициент приспособляемости двигателя по крутящему моменту.

Согласно зависимости (2)

(3)

где N  - коэффициент использования мощности двигателя.

Выполнить сравнительную оценку влияния коэффициента kПМ на знаменатель qП и коэффициент N позволяет зависимость

  (4)

где - отношение частот вращения вала двигателя холостого хода и номинальной; ' и Ц специальные коэффициенты скоростной характеристики двигателя.

На рисунке 2 показаны графики зависимости N =f(qП) при разных значениях коэффициента  kПМ. Двигатели с kПМ (1,15-1,20) при qП>1 всегда функционируют с N <1 на режимах, соответствующих обеим ветвям характеристики двигателя, независимо от количества передач в трансмиссии.

Рисунок 2 - Влияние знаменателя прогрессии ряда передач

на  коэффициент  использования  мощности  двигателя.

Значения kПМ: 1 - 1,15; 2 - 1,16; 3 - 1,34; 4 - 1,25; 5 - 1,30

Степень зависимости коэффициента N от kПМ оказывает влияние на энергоемкость технологических процессов, выполняемых МСА. Применение двигателей постоянной мощности снизит степень зависимости.

Эффективность и совершенство режимов функционирования МСА зависят также от типа трансмиссий МЭС и их пригодности к использованию как исполнительных устройств в системах управления. Применение объемного гидропривода позволяет регулировать передаточное число трансмиссии без разрыва потока мощности, организовывать и изменять связи между приводами в трансмиссии Ц дифференциальные и бездифференциальные или индивидуальные приводы. Схема трансмиссии МЭС с индивидуальными приводами показана на рисунке 3.

Закон изменения передаточного числа в трансмиссии с гидроприводом задают и реализуют с помощью системы управления. Трогание и разгон МСА с малыми значениями приведенных моментов инерции к валу двигателя МЭС сокращает время и энергозатраты на достижение ресурсосберегающих режимов функционирования МСА.

Рисунок 3 - Схема трансмиссии МЭС:

1 - двигатель; 2 - редуктор; 3 - насос; 4 - гидромотор;

5 - дифференциал; 6 - бортовой редуктор; 7 - колесо

Адаптивное управление основано на совмещении двух типов информации: один характеризует мобильный агрегат, другой - среду функционирования.

На эффективность использования адаптивного управления влияет выбор информационных параметров и показателей агрегата и среды. Необходимы датчики для получения требуемой информации в достаточном количестве за малое время и методы обработки собранной информации, которая должна выполняться в высоком темпе с минимальными затратами ресурсов ЭВМ. Также требуется, чтобы темпы получения и обработки информации не ограничивали допустимую скорость перемещения рабочих органов или обрабатываемого материала между ними, т. е. обработка информации должна осуществляться в реальном времени.

В третьей главе Ресурсосберегающее функционирование мобильных энергетических средств в составе сельскохозяйственных агрегатов приведены разработанные методики построения и определения тяговой характеристики МЭС с бесступенчатой трансмиссией.

Эксплуатационную массу и мощность двигателя МЭС определяют по известным методикам. Далее согласовывают крутящий момент на валу насоса с номинальным крутящим моментом Мн на валу двигателя, т. е. определяют суммарный рабочий объем насосов, предусмотренных в схеме трансмиссии,

(5)

где рн - номинальное давление в гидроприводе (МПа), которое устанавливает производитель гидромашин; мн - механический КПД насоса.

Силу тяги колес и теоретическую скорость движения МЭС определяют на основе части мощности двигателя Nок, подводимой через трансмиссию к колесам. Скорость движения МЭС изменяют, вначале увеличивая рабочий объем насосов, а затем уменьшая рабочий объем гидромоторов, и наоборот. Сила тяги не изменяется при регулировании рабочего объема насосов и уменьшается пропорционально уменьшению рабочего объема гидромоторов. Давление в гидроприводе постоянное - рН.

В диссертации для примера построена потенциальная тяговая характеристика МЭС массой 7800 кг с двигателем мощностью 132 кВт при nн=1900 об/мин (рисунок 4). Каждый мост оснащен гидроприводом, включающим  аксиально-поршневые  насос  с наклонным диском (qгн= 89 см3/об) и гидромотор с наклонным блоком (qгм=112 см3/об). Радиус качения колес rк=0,78 м. Схема трансмиссии показана на рисунке 3. Скорость движения МЭС при максимальных значениях qгн и qгм  равна

  VT=0,12nгм rк/iтр,  (6)

где iтр - передаточное число механических передач трансмиссии для каждого диапазона; nгм - частота вращения вала гидромотора.

Рисунок 4 - Тяговая характеристика МЭС с бесступенчатой трансмиссией. Мощность на осях колес: 1 - I диапазон; 2 - II диапазон. Тяговая мощность: 3 - II диапазон; 4 - I диапазон. Тяговый КПД: 5 - II диапазон; 6 - I диапазон; 7 - удельный расход топлива; 8 Ц буксование

При определении значений тяговой мощности Nкр приняты значения коэффициентов сопротивления качению  fс = 0,1-0,07 для I диапазона и  fс =0,05-0,04 для II диапазона. Буксование определяли по зависимости =f(кр), полученной во время испытаний трактора  лBima-300 на поле, подготовленном под посев. Удельный расход  топлива - г/кВт⋅ч определяют на единицу тяговой мощности.

Реализация тяговой характеристики с помощью системы управления происходит в пять этапов (рисунок 5), на котором показано соотношение скорости движения и тягового усилия МЭС.

Рисунок 5 - Соотношение скорости движения и силы тяги МЭС

на основе мощности на осях колес: 1 - I диапазон; 2 - II диапазон;

на основе тяговой мощности: 3 - I диапазон; 4 - II диапазон

Первый этап - трогание (точка А и Е). Включают I или II диапазон, в зависимости от вида работ. Рабочие объемы насоса qгм=0 и гидромотора qгм=qгмmax. Наклоняют диск насоса на угол д10, МЭС начинает двигаться с VТ 0,05 км/ч.

Второй этап.  Продолжают увеличивать рабочий объем насоса до qгнmax, скорость  . Режим функционирования МЭС: VТ var, pconst, Nдvar и РТ = const (точки В и Д).

Третий этап. Продолжают увеличивать скорость движения, рабочий объем  qгмqгмmin, . .  Режим функционирования МЭС: VТ var,  pconst, Nд = const и РТ  var  (точки С и К).

Четвертый этап Ц  движение с VТmax. Режим функционирования МЭС: VТ max, р min, Nд min,  РТ Рf.

Пятый этап - остановка. Конечный режим функционирования МЭС:  VТ=0, p=0, Nд=0,  и РК=0, qгм=0 и qгм= qгмmax.

Совокупность этапов представляет замкнутый цикл режимов функционирования МЭС, выполнение каждого этапа которого можно автоматизировать.

Определение тяговой характеристики МЭС с бесступенчатой трансмиссией необходимо проводить на режимах функционирования, соответствующих второму и третьему этапам управления, имеющих разные интервалы изменения скорости VТ и тягового усилия Ркр. Если на втором этапе будет достаточно 4-5 значений передаточных чисел, то на третьем необходимо 8-10 значений, давление рН.

На втором этапе цикла управления - VТvar и Ркр=const, на третьем VТvar и Ркрvar. Измеряют значения VТ и Ркр на каждом этапе для всех диапазонов, чтобы обеспечить целостность тяговой характеристики.

Требуется учитывать количество ведущих мостов и наличие автоматической системы управления МЭС. Одним ведущим мостом можно управлять вручную или автоматически.

Для МЭС с одним ведущим мостом необходимо определять тяговую характеристику с ручным управлением и отдельно - с автоматическим.

Для МЭС с двумя ведущими мостами определяют тяговые показатели каждого моста с ручным и автоматическим управлением. Затем включают оба моста и определяют тяговую характеристику МЭС, управление только автоматическое. Такая методика позволяет сравнить тяговые показатели МЭС и тяговые характеристики, полученные при двух типах управления, и оценить функциональное совершенство трансмиссии.

Режим функционирования МЭС, соответствующий линиям ВС и ДК на рисунке 5, получается при мощности двигателя Nн и давлении в гидроприводе трансмиссии рн, часовой расход топлива  Gт=const.

Давление в гидроприводе на втором этапе управления для каждого диапазона устанавливается в зависимости от Ркр и сохраняется р=const, пока скорость VТ не достигнет значения, соответствующего точке В или Д. Рабочий объем насоса становится qгнmax и дальнейшее увеличение скорости движения происходит за счет уменьшения рабочего объема гидромотора, давление в гидроприводе достигает значения рн. Поэтому в процессе определения тяговых показателей необходимо контролировать не только частоту вращения вала двигателя, но и давление в гидроприводах трансмиссии. Значение мощности Nкрmax  определяют на третьем этапе управления, а значение Ркрmax определяют на втором этапе при давлении рmax - давлении срабатывания предохранительного клапана.

Построение тяговой характеристики МЭС класса 3, каждый мост которого оснащен полнопоточным объемным гидроприводом, подтверждает целесообразность и эффективность использования гидропривода в МСА.

Согласно зависимости  (5),  крутящий  момент на  валу  двигателя Мд=f(qгн) и  при достаточно большом qгн режим функционирования двигателя будет соответствовать любой точке корректорной ветви скоростной характеристики моторно-трансмиссионной установки (МТУ). МТУ приобретает свойство непрозрачности. Удельный расход топлива на корректорном участке характеристики у двигателей постоянной мощности ниже. Для рассмотренной ранее МТУ функционирование на корректорном участке вызовет повышение давления в гидроприводе на 19%, уменьшение подачи насоса на 3,5%, Ркр≈const и Vт ≈ const.

Непрозрачность МТУ, позволяющая задавать и поддерживать режим двигателя Nд=const, является результатом одновременного использования свойств двигателя и гидропривода, т.е. состоянием МТУ.

Энергонасыщенность ЭТ определяет применимость МЭС в конкретной природно-климатической зоне, поэтому ее следует оценивать коэффициентом энергонасыщенности

Э= ЭТ / ЭО,  (7)

где ЭО =9,81 кВт/т.

После анализа размерности коэффициент Э приобретает физическую интерпретацию

Э=j/g,  (8)

где j - ускорение.

Выражение (8) устанавливает взаимосвязь между энергонасыщенностью и интенсивностью разгона МСА Ц процессом восстановления технологической скорости движения.

Во время движения МЭС ведущий мост совершает вертикальные колебания, изменяются реакции почвы, действующие на колеса и тяговые усилия, происходит смена режимов качения, которую поясняют следующие предпосылки.

Так как крутящий момент МК на оси колеса и тяговое усилие РКР зависят от конструкции МЭС и условий функционирования агрегата, то они являются вероятностными величинами Р(РКР) и Р(Мк).

В процессе разгона режимы качения сменяются в следующем порядке: тормозной, ведомый, нейтральный, свободный и ведущий.

Свободный режим качения колеса является частным случаем и отличается от ведущего тем, что для него отношение действительной и теоретической угловых скоростей колеса к / т имеет только одно значение, которое зависит от параметров колеса и физико-механических свойств почвы.

Нейтральный режим качения - переходной режим, при котором происходит замена одного фактора МК, обеспечивающего качение колеса, на другой РВ - толкающую силу. Колеса катятся от совместного действия обоих факторов, но между ними устанавливается вероятностное соотношение

  Р{МК U РВ} = 1 - Р(МК; РВ = 0) - Р(МК = 0; РВ). (9)

В интервале варьирования отношения к/т для нейтрального режима вероятности Р(Мк; Рв=0) и Р(Мк =0; Рв) соответствуют свободному и ведомому режимам, поэтому Р{Мк U Рв} < 1.

Режимы качения колеса МЭС, как события с вероятностью Р(1) или с Р(0), образуют статистический ансамбль. Наиболее желаемая совокупность режимов состоит из ведущего и свободного режимов качения колеса.

Режимы качения колеса и тяговые свойства МЭС в значительной степени зависят от распределения эксплуатационной массы между мостами и влияния на него инерционных сил, действующих вдоль оси МСА из-за неравномерного движения. Результативность действия инерционных сил зависит от конструкционных параметров сцепных устройств МЭС. Поэтому анализировали варианты агрегатирования МЭС (масса 7800 кг) с культиватором КП (масса 696 кг) на переднем навесном устройстве и комбинированной почвообрабатывающей машиной КПМ (масса 4200 кг) на заднем навесном устройстве (рисунок 6).

Для всех вариантов агрегатов направление действия сил инерции соответствует режиму торможения. Агрегатирование культиватора на переднем навесном устройстве способствует более интенсивному изменению нагрузки на мостах МЭС и равномерное распределение достигается при наименьшем значении продольного ускорения. Совместное действие сил инерции эквивалентно динамическому балластированию. Увеличение энергонасыщенности МЭС может быть  более целесообразно, чем догрузка переднего моста. Улучшению динамических показателей МСА способствует применение автоматических систем регулирования глубины обработки почвы.        

Y, кН

Рисунок 6 - Распределение нагрузки по мостам МЭС: 1, 2 и 3 - нагрузка на переднем мосту; 4, 5 и 6 - нагрузка на заднем мосту;

1 и 6 - МЭС с КП; 2 и 5 - МЭС с КП и КПМ; 3 и 4 - МЭС с КПМ

В четвертой главе Ресурсосберегающее функционирование уборочных сельскохозяйственных агрегатов предложен обобщенный показатель удельных энергозатрат молотильным устройством, который обоснован путем сравнения соотношений конструктивных параметров зерноуборочных комбайнов, производимых в СССР и за рубежом в период освоения производства комбайнов Дон-1500. Соотношения одного с другим конструктивных параметров зерноуборочных комбайнов (ширина молотилки, диаметр барабана, угол обхвата деки, мощность двигателя и т.д.) образуют массивы, которые необходимо анализировать с использованием метода выделения ядра статистического массива. Этот метод позволяет выявить структуру исследуемого массива и избежать субъективных ошибок, метод разработан во ВНИПТИМЭСХ.

Значения соотношения между мощностью на технологический процесс и пропускной способностью на единицу площади деки NТ q/F позволяет сократить многочисленные характеристики комбайнов до нескольких объективных и сопоставимых: NТ Ц мощность, затрачиваемая на технологический процесс (скашивание, обмолот, сепарация, транспортирование хлебной массы и продуктов обмолота) и q/F - удельная пропускная способность единицы площади деки.

Тенденция соотношения NТ q/F  такова, что с ростом интенсивности процесса обмолота (с увеличением q/F) мощность на этот процесс снижается. Среднее значение q/F - 6,97 кг/м2с, средняя мощность - 94,84 кВт.

Отношение NТ F/q, которое имеет размерность кВт⋅м2с/кг, характеризует удельную энергоемкость процесса обмолота и соответствует затратам мощности при подаче 1 кг/с растительной массы  на деке площадью в 1 м2.

У разных марок комбайнов это отношение колеблется от 5,64 до 67,93 кВт⋅м2с/кг. Для 81,8% комбайнов это отношение составляет от 5,64 до 17,13 кВт⋅м2с/кг и для 18,2% - от 17,13 до 67,9 кВт⋅м2с/кг. В эту немногочисленную группировку входят комбайны Дон-1500 со значением 20,52 кВт⋅м2с/кг и СК-10 со значением 38,79 кВт⋅м2с/кг. Поскольку анализ проведен в сопоставимых единицах, то процесс обмолота у комбайнов Дон-1500 и СК-10 имеет завышенную энергоемкость. Для сравнения: СК-5А - 11,85 кВт⋅м2с/кг и Dominator 116 CS - 11,15 кВт⋅м2с/кг.

Анализ соотношения NТ q/F показывает, что процесс обмолота наиболее энергоемок у комбайнов СК-10 и Дон-1500, и их аналогов.

Общепринято потери зерна за жаткой или подборщиком ставить в зависимость от показателя кинематического режима М мотовила или транспортера подборщика. Анализ процесса воздействия мотовила и режущего аппарата жатки на одиночный стебель позволил получить зависимость для определения мощности, затрачиваемой на привод мотовила

NМ = AММVЖ / RМ,  (8)

где AМ - работа, совершаемая планкой мотовила при подводе порций растительной массы к режущему аппарату; VЖ  Ц скорость движения жатки; RМ  Ц  радиус мотовила.

Мощность, подводимая к валу мотовила, зависит от урожайности и силового взаимодействия рабочих органов жатки с растительным массивом убираемой культуры. Следовательно, можно утверждать, что коэффициент

  М = f(NМ) 

и при NМ    min будет М опт.

Снижению потерь зерна за подборщиком способствует уменьшение воздействия передней части транспортера на валок, которое также оценивается показателем кинематического режима П:

  П - 1 = ф + ф , (9)

где ф - относительная продольная деформация валка; ф Ц относительное проскальзывание пружинных пальцев.

Рабочие органы зерноуборочных комбайнов рассчитаны на обработку в единицу времени заданного количества растительной массы с определенными физико-механическими свойствами.

Крутящий момент на валу молотильного барабана в зависимости от условий уборки можно определить согласно выражению

Мб = Мбх + [АЗ/mЗ + (Vб - Vвм) Vб / ф (1 Ц fпс)] Ум Bж Vкм /б, (10)

где Мбх - крутящий момент, затраченный на преодоление сил трения и сопротивления воздуха; АЗ  - работа, затраченная на выделение одного зерна из колоса; mЗ - масса одного зерна; Vб Ц окружная скорость молотильного барабана; Vвм - скорость хлебной массы перед молотильным барабаном; ф - соотношение зерна и соломы; Ум - урожайность убираемой культуры; Bж - ширина захвата жатки; fпс - коэффициент, учитывающий перетирание стеблей и сопротивление их движению по деке; Vкм - скорость движения комбайна; б - угловая скорость молотильного барабана.

Величины АЗ, mЗ, ф, fпс и Ум, определяющие значение крутящего момента Мб, являются случайными величинами, следовательно, крутящий момент Мб также является случайной величиной Р(Мб). Поэтому молотильный барабан оснащают клиноременным вариатором Ц бесступенчатой передачей с диапазоном регулирования

  Д = iв max / iв min ,

где iв max и iв min - предельные передаточные числа вариатора.

Силовая характеристика вариатора зерноуборочного комбайна Дон-1500 показана на рисунке 7, диапазон регулирования  Д =1,862.

  M,

  N  М2

  М1

  N

0 0,833  1 1,200 1,551  i 

Альтернативным приводом клиноременному вариатору может быть объемный гидропривод, использование которого будет способствовать внедрению адаптивных систем управления.

В зерноуборочных комбайнах энергия от двигателя разделяется на два потока: один предназначен для выполнения технологического процесса, другой - для движения по полю. Доля энергии в потоке зависит от подачи хлебной массы и ее состояния, режимов функционирования рабочих органов. Для каждого потока предназначена отдельная трансмиссия, соединенная с одним из концов коленчатого вала двигателя. Такое соединение трансмиссий образует систему, в которой крутящий момент двигателя должен распределяться между трансмиссиями рабочих органов в пропорции, обеспечивающей наилучшие агрономические и энергетические показатели функционирования зерноуборочного комбайна.

Между трансмиссиями, состоящими из разнотипных передач, возникает дифференциальная (нестационарная) связь аналогичная, как в трехзвенном дифференциале с передаточным числом

iдиф = Мгк / Мрс, (11)

где Мгк Ц приведенный крутящий момент от вала двигателя к трансмиссии ведущих колес; Мрс Ц приведенный крутящий момент от вала двигателя к трансмиссии молотильного устройства.

Так как крутящий момент Мб является Р(Мб), то допустимо предположить:

iдиф = Jк D (Мгк) / Jр D (Мрс),  (12)

где Jк Ц приведенный момент инерции комбайна; Jр - приведенный момент инерции рабочих органов; D (М) - дисперсия крутящего момента, которая D(М) → ε;  ε - угловое ускорение.

Ведущие колеса комбайна являются дозатором подачи хлебной массы, а молотильный барабан - основным обрабатывающим рабочим органом. Поэтому дифференциальную связь следует анализировать только между двумя этими рабочими органами комбайна и передаточное число дифференциала равно

iдиф = (mкм r 2к / i 2тр) [qн Vi / (2 Vкмд)]2 D(рк) / (Jб / i 2пр) D(Мб),  (13)

где mкм - масса комбайна; rк Ц радиус качения ведущего колеса комбайна; iтр Ц передаточное число трансмиссии на конкретном диапазоне; Vi  - средняя скорость движения комбайна; Jб  - момент инерции молотильного барабана; iпр  - полное передаточное число привода рабочего органа; qн Ц рабочий объем насоса; D(рк) - дисперсия давления в гидроприводе ведущих колес; D(Мб ) Ц  дисперсия крутящего момента барабана; Vкмд Ц максимальная скорость движения комбайна на конкретном диапазоне.

Если молотильный барабан комбайна оснастить объемным гидроприводом, то

iдиф = (mкм rк2 / iтр2) [qгн Vi / (2 Vкмд)]2 D(рк) /

/ (Jб / iпрг2)[qгн nрi /(2 nнр)]2 D(рб), (14)

где nрi - средняя частота вращения вала рабочего органа; nнр - частота вращения вала насоса гидропривода рабочего органа; D(рб) Ц дисперсия давления в гидроприводе рабочего органа; iпрг Ц передаточное число редуктора насоса гидропривода молотильного барабана.

Из выражений (13) и (14) следует, что iдиф является вероятностной величиной Р(iдиф), характеризующей совершенство конструкции комбайна. Увеличение значений дисперсий  D(Мб) и D(рб) является следствием роста непроизводительных затрат энергии в трансмиссиях комбайна, т.е. признаком низкого динамического КПД трансмиссий. Уменьшение количества клиноременных передач в трансмиссиях рабочих органов и оснащение молотильного устройства индивидуальными приводами, например, объемным гидроприводом, будет способствовать улучшению режимов функционирования уборочного МСА.

В пятой главе Исследование режимов функционирования мобильных сельскохозяйственных агрегатов приведены результаты исследований функционирования МЭС с бесступенчатой трансмиссией в составе почвообрабатывающих агрегатов и зерноуборочного комбайна, часть механических приводов которого заменены гидравлическими.

МЭС выполнена по схеме, приведенной на рис. 3. Каждый мост оснащен серийным гидроприводом ГСТ-90, насосы которых через редуктор приводятся от двигателя мощностью 117 кВт (160 л.с.) при частоте вращения вала 2000 об/мин. Скорость движения МЭС регулируют, изменяя рабочие объемы насосов и переключая диапазоны, которых 4 шт. Из-за отсутствия регулируемых гидромоторов агрегаты функционировали только в режиме переменной мощности.

Во время исследований МЭС агрегатировали с комбинированным орудием КАО-2 (рисунок 8) и многоцелевым культиватором КУМ-4.

Комбинированное орудие КАО-2 предназначено для безотвального рыхления, крошения глыб, основной рабочий орган - рыхлитель двухъярусный безотвального типа с плоскорежущей лапой.

Многоцелевой культиватор КУМ-4 - универсальное орудие для подготовки почвы под озимые культуры. Сменные рабочие органы: диски, лапы, катки и выравниватели.

Рисунок 8 - МЭС с орудием КАО-2

Значение твердости почвы на первом поле, на котором работал агрегат  с КАО-2, 1,6 МПа и влажности 18%, на втором Ц твердость 0,5 МПа и влажность 24%. Данные таблиц 1 и 2 не столько характеризуют тягово-сцепные свойства МЭС, сколько стабильность значений расхода топлива и глубины обработки почвы независимо от условий функционирования агрегата.

Таблица 1 - Параметры и показатели функционирования

МЭС с КАО-2

Скорость, км/ч	Тяговое усилие, кН	Расход топлива, л/ч	Буксование, %	Глубина, см	Коэффициент вариации глубины, %
3,2	29,7	22,0	13,8	27,1	11,7
3,7	34,1	23,4	12,3	29,1	11,5
4,4	33,7	24,4	10,8	30,5	9,5
4,6	33,5	24,9	12,9	30,6	8,5
6,4	37,0	21,8	9,5	27,9	8,3
6,7	31,1	25,5	11,7	29,4	9,7

Далее исследовали влияние орудия или машины, навешанных на переднем навесном устройстве МЭС, на продольную устойчивость агрегата.

Продольная устойчивость агрегата включает стабильность глубины обработки почвы, вертикальных нагрузок на мосты, скорости движения агрегата и крутящего момента на осях колес МЭС.

Таблица 2 - Параметры и показатели функционирования МЭС

с КУМ-4

Скорость (диапазон), км/ч	Тяговое усилие, кН	Расход топлива, л/ч	Буксо-вание, %	Глубина, см	Коэффициент вариации глубины, %
2,3 (1)	20,8	13,0	13,1	11,1	9,3
2,9 (1)	21,3	13,9	13,5	11,3	8,8
3,3 (I)	24,8	16,1	14,1	11,1	9,9
4,3 (I)	26,5	19,1	11,9	10,9	9,8
6,3 (I)	20,1	28,0	14,4	11,6	8,7
4,3 (II)	20,7	17,6	14,2	11,6	8,4
6,4 (II)	21,7	21,0	15,1	10,8	10,2

Значения ускорения как мера стабильности приняты на основании взаимодействия МЭС и орудий (рисунок 6). Измеряли значения вертикальных ускорений, действующих на культиватор, навешенный на переднем навесном устройстве, а также на балки мостов и продольное ускорение агрегата.

Конструкция МЭС позволяла исследовать движение агрегата при включении одного из мостов и при включении обоих мостов.

Глубина обработки почвы культиватором показана в таблице 3, закон распределения значений глубины Ц нормальный. Сопоставление  значений математического ожидания и медианы позволяет сделать вывод о том, что наиболее стабильна глубина обработки почвы в случае двух ведущих мостов и менее при переднем ведущем мосте. Стабильность глубины обработки почвы при заднем ведущем мосте является промежуточной. Это необходимо учитывать при составлении уборочных агрегатов на базе подобных МЭС.

Также это заключение подтверждают результаты спектрального анализа значений ускорений и давления в гидроприводах мостов, которые приведены в диссертации.

Стабилизация глубины обработки, снижение расхода топлива и повышение производительности  пахотных агрегатов возможно за счет применения системы автоматического регулирования глубины обработки почвы (САРГ).

САРГ служит для стабилизации тягового усилия МЭС при допустимом отклонении глубины обработки почвы от заданной и осуществляет несколько режимов регулирования. Силовой режим регулирования выполняется по усилию в нижних тягах навесного устройства МЭС, позиционный Ц по положению рамы орудия или машины относительно остова МЭС, комбинированный режим регулирования  - результат смешения сигналов силового и позиционного датчиков САРГ.

Обозначение  режимов регулирования:  силовой - С; 75% силового и 25% позиционного - К1; 50% силового и 50% позиционного - К2; 25% силового и 75% позиционного - К3; позиционный - П; высотный - В. За эталонный режим регулирования принят высотный.

Таблица 3 - Глубина обработки почвы КУМ-4

Ведущие мосты	Математическое ожидание, см	Коэффициент вариации, %	Медиана, См
Передний	9,23	14,4	9,5
	9,40	7,7	10,0
	9,03	19,1	9,0
	9,73	15,2	10,0
Задний	9,10	22,0	10,0
	9,16	16,3	9,0
	9,00	10,1	9,0
	9,20	19,6	10,0
Оба моста	9,27	10,9	9,5
	9,20	13,8	9,5
	9,67	17,8	10,0
	9,23	18,8	9,0
	9,50	14,1	10,0

Показатели пахотных агрегатов Т-150К +ПЛН-5-35 и Т-150К+  ПЛН-6-35, полученные на поле с влажностью почвы 24% и твердостью 1,7 МПа, приведены в таблицах 4 и 5 соответственно.

Среднее повышение производительности агрегата с навесным плугом - 9,2% и с полунавесным плугом - 7,7%.  Влияние САРГ на эффективность функционирования агрегата с увеличением твердости почвы возрастает в 1,26-1,64 раза.

Таким образом, САРГ необходимо вводить как подсистему в адаптивное управление почвообрабатывающих агрегатов. По изменению значений усилий в нижних тягах можно оценивать физико-механические свойства почвы, а по расходу топлива - экономичность режима функционирования МЭС.

Таблица 4 - Агротехнические показатели агрегата

Т-150К + ПЛН-5-35

Режим регулиро-вания	Скорость, км/ч	Коэффициент вариации глубины пахоты, %	Буксование, %	Расход топлива, кг/га	Производительность, га/ч	Повышение производительности, %
С	7,09	12,0	16,05	24,05	1,31	0
	6,82	17,0	17,7	24,49	1,26	-3,0
	6,84	12,2	17,7	22,70	1,27	-3,8
К1	8,00	12,9	8,3	18,92	1,48	13,0
	7,83	13,2	10,4	19,15	1,45	10,7
	7,89	12,7	9,4	20,04	1,46	11,5
К2	7,73	11,1	11,8	21,60	1,43	9,2
	7,81	13,1	11,1	20,71	1,44	9,9
	7,53	13,3	13,0	21,60	1,39	6,1
К3	7,71	14,4	12,0	19,15	1,43	9,2
	7,91	13,4	9,9	20,26	1,46	11,5
	7,69	10,7	11,2	20,93	1,42	8,3
П	7,52	11,9	12,2	21,60	1,39	6,1
	7,63	10,0	11,3	20,93	1,41	7,6
	7,63	14,2	11,7	21,60	1,41	7,7
В	7,11	15,3	19,3	22,94	1,32	0
	6,79	13,1	22,4	23,60	1,26	0
	6,98	9,0	22,3	23,16	1,29	0

Таблица 5 - Агротехнические показатели агрегата

Т-150К + ПЛП-6-35

Режим регулирования	Скорость, км/ч	Коэффициент вариации глубины пахоты, %	Буксо-вание, %	Расход топлива, кг/га	Производительность, га/ч	Повышение производительности, %
С	6,55	10,7	14,8	19,87	1,44	4,00
	6,54	7,3	15,3	19,69	1,44	4,0
	6,32	7,6	18,3	21,92	1,39	0,4
К1	6,70	11,1	12,9	19,32	1,47	6,2
	6,67	7,6	13,2	18,94	1,47	6,2
	6,69	8,4	12,6	19,32	1,47	6,2

Продолжение табл. 5

Режим регулирования	Скорость, км/ч	Коэффициент вариации глубины пахоты, %	Буксо-вание, %	Расход топлива, кг/га	Производительность, га/ч	Повышение производительности, %
К2	6,96	8,6	10,1	17,46	1,53	10,5
	6,77	9,4	12,8	18,39	1,49	7,7
	6,90	8,9	11,6	18,39	1,52	9,8
К3	7,88	8,1	11,1	17,46	1,51	9,1
	6,61	7,6	14,9	19,87	1,45	4,8
	6,69	8,4	13,1	19,13	1,47	6,2
П	6,99	9,4	10,3	16,90	1,54	11,3
	7,06	9,2	9,6	16,90	1,55	12,0
	6,92	8,5	10,6	17,64	1,58	9,8
В	6,43	6,6	19,8	19,69	1,41	0
	6,35	6,0	20,6	20,24	1,40	0
	6,37	5,0	19,5	20,43	1,40	0

Для проведения экспериментальных исследований зерноуборочного комбайна были разработаны и изготовлены гидроприводы мотовила жатки, транспортера и шнека подборщика, молотильного барабана. Также разработаны и изготовлены измерительные устройства крутящего момента и частоты вращения на валах рабочих органов. Уборка подготовленным к исследованиям комбайном проводилась только раздельным комбайнированием, что позволило довести подачу хлебной массы до 12 кг/с и более.

На рисунках 9 и 10 показана взаимозависимость параметров функционирования молотильного барабана с приводом двух типов в полевых условиях.

На рисунке 9 зависимость подачи хлебной массы от частоты вращения барабана соответствует силовой характеристике вариатора (рисунок 7).

Функционирование молотильного барабана с механическим приводом отличается от функционирования с гидравлическим в большей степени зависимостью от частоты вращения и в меньшей от крутящего момента. Можно предположить, что удар при обмолоте заменяется вытиранием.

Рисунок 9 - Функционирование молотильного барабана

(мехпривод)

Рисунок 10 - Функционирование молотильного барабана

(гидропривод)

Дробление зерна (рисунок 11 и 12) в случае оснащения барабана гидроприводом может быть снижено на 20% и более, т.к. снижается влияние частоты вращения молотильного барабана.

Рисунок 11 - Дробление зерна

(мехпривод)

Рисунок 12 - Дробление зерна (гидропривод)

Таким образом, применение гидравлического привода позволяет нормировать степень воздействия молотильного барабана на обмолачиваемую хлебную массу в зависимости от подачи. Эффективность применения гидравлического привода в молотильном устройстве существенно возрастет, если он выполнен как индивидуальный. 

Исследовали режимы совместного функционирования молотильного барабана и рабочих органов подборщика (транспортер и шнек) с приводами одного типа. Анализ спектральных плотностей значений крутящего момента на валах рабочих органов подборщика, оснащенных гидроприводом, подтверждает возможность использовать их как устройства, режимы функционирования которых способствуют равномерному поступлению хлебной массы к молотильному барабану. Так, с увеличением подачи хлебной массы в 1,6-1,8 раза  математическое ожидание крутящего момента на валу шнека с механическим приводом возрастает в 2,6-3,2 раза, а с гидравлическим приводом - не более чем в 1,2 раза.

Традиционно принято считать, что только характеристика двигателя определяет свойства используемых в трансмиссиях приводов. Вместо этого становится целесообразным предполагать и ответное воздействие свойств приводов на характеристику двигателя и значение коэффициента N. Степень воздействия со стороны приводов на двигатель должна нормироваться системой управления режимами функционирования зерноуборочного комбайна. Эффективность системы управления можно оценивать по показателям и параметрам функционирования комбайна: пропускная способность, потери и дробление зерна в конкретных условиях уборки и др.

Результаты исследований режимов совместного функционирования молотильного барабана, оснащенного механическим и гидравлическим приводами, и ведущих колес позволили определить значения передаточного числа  iдиф, используя выражения (13) и (14).

Согласно графикам на рисунке 13 на уборке озимой пшеницы при включенном I диапазоне imaxдиф=0,63, приведенная подача - 8 кг/с и на II диапазоне imaxдиф=3,12, приведенная подача - 7,8 кг/с. При наличии барабана с гидроприводом  imaxдиф=1,03.

Таким образом, во время функционирования комбайна Дон-1500 на I и II диапазонах отбор мощности с двух концов коленчатого вала двигателя способствует образованию дифференциальной нестационарной связи, аналогичной как в трехзвенном дифференциале и характеризуемой передаточным числом iдиф. Передаточное число iдиф является вероятностной величиной Р(iдиф), значения которого зависят от урожайности убираемой культуры и, следовательно, скорости движения комбайна, взаимосвязанной с подачей хлебной массы qф.

Также были определены значения моды Р(iдиф)=0,5 для массивов значений iдиф: I диапазон (пшеница) - 0,664; II диапазон (пшеница) - 2,02; II диапазон (ячмень) - 4,626, при наличии двух гидроприводов II диапазон (пшеница) - 0,984.

Графики зависимости

на рисунках 14-16 подтверждают, что оснащение молотильного барабана гидроприводом обеспечивает ресурсосберегающее функционирование уборочного МСА за счет повышения качества управления (рисунок 16). Также может быть увеличена пропускная способность молотильного устройства на 15-20%.

Рисунок 14 - I диапазон (пшеница)

Рисунок 15 - II диапазон

(пшеница, мехпривод молотильного барабана)

Рисунок 16 - II диапазон

(пшеница, гидропривод молотильного барабана)

Представленные на рисунках 9-12 и 14-16 геометрические интерпретации позволяют определить при каком соотношении параметров, характеризующих режим функционирования рабочего органа МСА, количество (подача) или качество (дробление) продукции будут минимальны. Сравнение минимальных значений необходимо для определения закона управления ресурсосбережением.

Из выражения (12) следует, что уменьшение значения дисперсии D(pk) вызывает уменьшение значения передаточного числа iдиф. В этом случае должны снизиться энергозатраты на функционирование зерноуборочного комбайна. Поэтому были проведены экспериментальные  исследования  по измерению давления в гидроприводах ГСТ-90 и ГСТ-112 с помощью прибора Регистратор нагрузки, которыми были оснащены два серийных комбайна Дон-1500.

Полученная информация об изменении давления в гидроприводах представлена гистограммами, характеризующими режимы функционирования гидроприводов в течение рабочей смены  во  время  уборки  комбайнами Дон-1500 озимой пшеницы с урожайностью 60 ц/га (рисунок 17 и 18). Уборка производилась прямым комбайнированием, движение комбайнов осуществлялось на II диапазоне.

Значение математического ожидания давления в гидроприводе ГСТ-112 меньше, чем в гидроприводе ГСТ-90 на 16,5%, урожайность 50 ц/га, а при урожайности 60 ц/га - на 15,2%. Так как у двигателя комбайна коэффициент χN ≈ 0,8, то снижение расхода топлива составит 12,2-13,2%.

Расход топлива двух серийных зерноуборочных комбайнов Дон-1500, оснащенных гидроприводами ГСТ-90 и ГСТ-112, определяли во время уборки пшеницы с урожайностью 59-64 ц/га прямым комбайнированием (рисунки 19 и 20).

Рисунок 17 - Распределение давления в гидроприводе ГСТ-90

Рисунок 18 - Распределение давления в гидроприводе ГСТ-112

Рисунок 19 - Расход топлива комбайнами Дон-1500 на уборке

высокоурожайной пшеницы: 1 Ц ГСТ-90, I диапазон; 2 - ГСТ-90,

II диапазон; 3 - ГСТ-112, I диапазон; 4 - ГСТ-112 II диапазон

Во время движения комбайна на I диапазоне расход топлива увеличивается на 16-18% по сравнению с движением на II диапазоне.

Снижение расхода топлива у комбайнов, оснащенных гидроприводами ГСТ-112, во время движения на подъеме достигает 12%.

Замена в одном и том же гидроприводе трансмиссии ведущих колес одних гидромашин другими с большим или меньшим рабочим объемом позволяет регулировать передаточное число iдиф.

Рисунок 20  - Расход топлива комбайнами Дон-1500 на уборке 

пшеницы на полях с уклоном: 1 Ц ГСТ-90, подъем; 2 - ГСТ-90, спуск; 3 - ГСТ-112, подъем; 4 - ГСТ-112 спуск

В шестой главе Оценка экономической эффективности ресурсосберегающего функционирования мобильных сельскохозяйственных агрегатов приведены результаты расчетов технико-экономических показателей для базовых и новых составов МТП модельных сельхозпредприятий Ростовской области, Краснодарского и Ставропольского краев с размером пашни 5000 га.

Внедрение почвообрабатывающих и уборочных МСА, оснащенных бесступенчатыми трансмиссиями и приводами рабочих органов, позволит снизить капиталовложения в формировании МТП на 3,7-4,2%. При этом удельный расход топлива на выполнение механизированных работ может быть уменьшен на 3,9-6,7%, прямые эксплуатационные затраты - на 2,7-7,3%.

В таблице 6 приведена эффективность капиталовложений в МСА.

Таблица 6 - Показатели эффективности капиталовложений

в усовершенствованные МСА для модельных сельхозпредприятий

Показатели	Ростовская область	Краснодарский край	Ставропольский край
Капиталовложения, тыс.руб.	2570	4080	3140
Годовой экономический эффект, тыс.руб.	608	784	1818
Срок окупаемости капиталовложений, лет	2,3	3,2	3,7

В условиях основных зернопроизводящих регионов юга России суммарный ожидаемый годовой экономический эффект составит 3,02 млрд.руб.

Общие выводы

1. Оснащение почвообрабатывающих и уборочных мобильных сельскохозяйственных агрегатов ступенчатыми механическими трансмиссиями, ременными передачами и вариаторами не способствует повышению производительности и надежности, снижению расхода топлива, улучшению качества продукции из-за низкой эффективности управления режимами функционирования МСА. Альтернативой ступенчатым трансмиссиям и ременным передачам являются объемный гидропривод и адаптивное управление.

2. Приоритетным направлением обеспечения ресурсосбережения в производстве продукции растениеводства является оснащение МСА бесступенчатыми трансмиссиями и приводами рабочих органов, адаптивными системами управления режимами функционирования рабочих органов на основе изменения соотношения энергозатрат и производительности в процессе функционирования МСА.

3. В моторно-трансмиссионных установках мобильных энергосредств могут использоваться двигатели с запасом крутящего момента к<15% (обычный двигатель) и с к25-45% (двигатель постоянной мощности).

Режим функционирования обычного двигателя с коэффициентом использования мощности N1 и малым удельным расходом топлива возможен при числе передач в трансмиссии не менее 54 (знаменатель геометрической прогрессии передач qП < 1,054) или при наличии бесступенчатой трансмиссии на базе объемного гидропривода, который также является исполнительным органом адаптивной системы управления МЭС.

Режим функционирования двигателя постоянной мощности с коэффициентом N1 возможен при числе передач 18-12 и qП < (1,2-1,3), а при наличии бесступенчатой трансмиссии - на корректорном участке характеристики двигателя и с наименьшим удельным расходом топлива.

4. Предложено коэффициентом энергонасыщенности Э оценивать тягово-сцепные свойства МЭС, с которыми взаимосвязаны интенсивность (ускорение) разгона МСА - процесса достижения или восстановления технологической скорости движения, режимы качения колес, перераспределение нагрузки по мостам под действием сил инерции, возникающих из-за неравномерного движения МСА. Анализ значений коэффициента Э выявил общую тенденцию к увеличению значений Э до 2,44 для колесных тракторов, для гусеничных - до 1,76 (гусеница металлическая) и до 1,41 (гусеница резино-троссовая).

Перераспределение нагрузки по мостам МЭС под действием сил инерции является динамическим балластированием и должно учитываться при составлении МСА.

5. Доработаны методики построения потенциальной тяговой характеристики МЭС с бесступенчатой трансмиссией на базе объемного гидропривода и экспериментального определения тяговых параметров и показателей. Тяговую характеристику, в отличие от МЭС со ступенчатой трансмиссией, допустимо строить и определять только для номинального режима двигателя (N1). При этом значение давления в гидроприводах трансмиссии должно быть номинальное.

Определять тяговую характеристику МЭС необходимо при постоянных передаточных числах гидроприводов - соотношениях рабочих объемов насосов и гидромашин, задаваемых дискретно в пределах скоростных диапазонов, изменяя тяговое усилие. Тяговое усилие считается предельным, если значение давления в гидроприводах номинальное.

6. В систему адаптивного управления МСА должна входить система автоматического регулирования глубины обработки почвы (САРГ), которая предназначена для повышения эффективности функционирования агрегата на пахоте. САРГ стабилизирует значение тягового усилия МЭС, изменяя глубину обработки почвы в пределах допуска или положение агрегатируемого орудия относительно остова МЭС. Установлено, что производительность пахотного агрегата с навесным плугом, в среднем, увеличивается на 9,2% и с полунавесным на 7,7%, расход топлива снижается для навесных плугов на 10,7% и полунавесных - на 10,1%, буксование также снижается в 1,29 раза и в 1,52 раза соответственно. Функциональное назначение САРГ МЭС с бесступенчатой трансмиссией можно ограничить позиционным регулированием, силовое регулирование выполняется при изменении передаточного числа трансмиссии.

7. Предложено оценивать техническое и технологическое совершенство уборочных МСА отношением мощности, затрачиваемой на обмолот, к пропускной способности, приходящейся на единичную площадь деки, размерность отношения - кВт⋅м2с/кг. Для 81,8% зерноуборочных комбайнов, производимых в СССР и за рубежом в период создания комбайна Дон-1500, значение отношения изменяется от 5,64 до 17,13 кВт⋅м2с/кг и для 18,2%  - от 17,13 до 67,9 кВт⋅м2с/кг. Во вторую группу входят комбайны Дон-1500 со значением 20,52 кВт⋅м2с/кг и СК-10 со значением 38,29 кВт⋅м2с/кг, т.е. затраты мощности на обмолот велики.

В первой группе комбайнов (81,8%) удельная мощность изменяется в 3 раза, а во второй - в 4 раза. Силовая характеристика клиноременного вариатора, применяемого в приводе молотильного барабана, позволяет изменять мощность, затрачиваемую на обмолот в 1,85-2 раза. Требуемую силовую характеристику имеет объемный гидропривод, который является альтернативой клиноременному вариатору.

8. Установлено, что отбор мощности с двух концов коленчатого вала двигателя зерноуборочного комбайна способствует образованию дифференциальной нестационарной связи, аналогичной как в трехзвенном дифференциале, в котором двигатель - входное звено, и характеризуемой передаточным числом - отношением приведенных моментов сопротивления ведущих колес и молотильного барабана к концам коленчатого вала двигателя.

Передаточное число iдиф является вероятностной величиной, на значение которого влияет урожайность убираемой культуры и скорость движения комбайна. Определены значения моды Р(iдиф)=0,5 для массивов значений передаточного числа: I диапазон (пшеница) - 0,664; II диапазон (пшеница) - 2,02; II диапазон (ячмень) - 4,626. Оптимальное значение Для поддержания Р(iдиф)1 необходимо молотильный барабан оснастить объемным гидроприводом.

Значение давления в объемном гидроприводе шнека подборщика или жатки характеризует подачу растительной массы и ее физико-механические свойства, поэтому может быть использовано как информационный параметр при адаптивном управлении режимами функционирования уборочных сельскохозяйственных агрегатов.

9. Согласно разработанной методике расход топлива зерноуборочным комбайном определяют только в течение каждого периода движения с постоянной скоростью длительностью от 3 до 15 мин. Одновременно с помощью созданного во ВНИПТИМЭСХ прибора Регистратор нагрузки контролируют режим функционирования гидропривода ведущих колес по гистограммам распределения давления.

Установлено, что во время движения комбайна на I диапазоне расход топлива увеличивается на 16-18% по сравнению с расходом топлива на II диапазоне. Замена гидропривода ГСТ-90 в трансмиссии ведущих колес комбайна Дон-1500 на ГСТ-112 снижает расход топлива на 7-9% во время движения на II диапазоне по горизонтальной поверхности поля, а на подъеме Ц более чем на 12%.

Уборка низкоурожайных культур характеризуется постоянным расходом топлива на единицу убираемой площади (л/га) и переменным на единицу убираемого зерна (л/т). Уборка же высокоурожайных культур характеризуется по-другому: на единицу убираемой площади расход топлива - переменный, на единицу убираемого зерна - постоянный.

10. Экономическую эффективность обоснованных предложений, способствующих ресурсосберегающему функционированию МЭС и уборочных машин, а также формируемых на их базе МСА для выполнения механизированных работ в растениеводстве, оценивали путем наложения на модельные сельхозпредприятия с размерами 5000 га Северо-Кавказского региона.

Внедрение в производство продукции растениеводства почвообрабатывающих и уборочных МСА, оснащенных бесступенчатыми трансмиссиями и приводами рабочих органов, позволит в сельхозпредприятиях Ростовской области, Краснодарского и Ставропольского краев снизить капиталовложения в формирование машинно-тракторного парка на 18-24%. При этом удельный расход топлива на выполнение механизированных работ может быть уменьшен на 26-31%, прямые эксплуатационные затраты - на 15-19%. В условиях основных зернопроизводящих регионов юга России суммарный ожидаемый годовой экономический эффект составит 10,3 млрд.руб.

Основные публикации по теме диссертации:

	Монография
1.	Методические основы расчета и создания мобильных технологических агрегатов /В.П. Богданович, Э.И. Липкович, Ю.И. Бершицкий и др. - Ростов н/Д: ООО Терра; НПК Гефест, 2002. - 200 с.
	Статьи в журналах из перечня ВАК
2.	Богданович В.П. Ремонт насосов НШ-10 / В.П. Богданович // Техника в сельском хозяйстве. - 1973. - №6. Ц С.76-77.
3.	Богданович В.П. Исследование гидравлических сопротивлений арматуры и агрегатов гидросистем сельхозмашин / В.П. Богданович, Ю.С. Малый, В.Д. Кумпан // Тракторы и сельхозмашины. - 1976. - №2. - С.32-33.
4.	Богданович В.П. Тяговая характеристика и управление трактором с бесступенчатой трансмиссией / В.П. Богданович, М.В. Суханова // Тракторы и сельскохозяйственные машины.- 2000.- №8.- С.18-21.
5.	Богданович В.П. Основа функциональных свойств тракторов нового поколения / В.П. Богданович // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2004.- №4. - С.17-19.
6.	Богданович В.П. Тяговые показатели тракторов / В.П. Богданович, Н.И. Гетьман, В.Б. Рыков // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2004. - №4. - С.16-17.
7.	Богданович В.П. Адаптивное управление МТА / В.П. Богданович // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2004. - №5. Ц С.20-21.
8.	Богданович В.П. Применение гидропривода в трансмиссиях зерноуборочного комбайна / В.П. Богданович // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2005. - №10. - С.39-40.
	Рекомендации
9.	Технологии возделывания зерновых культур в Ставропольском крае / В.П. Богданович, Э.И. Липкович, В.Б. Рыков и др. Ц Ставрополь-Зерноград: ВНИПТИМЭСХ, 2000. - 72 с.
	Статьи в сборниках научных трудов, материалах научных конференций  и прочие публикации
10.	Богданович В.П.  Способ количественной оценки износа шестеренных насосов / В.П. Богданович // Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства: Сб. науч. тр. / ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград, 1979. Ц С.112-118.
11.	Богданович В.П. Обоснование типа прицепа с активными колесами для тракторо-транспортного агрегата / В.П. Богданович // Совершенствование средств механизации и методов их использования в полеводстве: Сб. науч. тр. / ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград, 1982. - С.29-36.
12.	Богданович В.П. Разработка автоматического регулятора частоты вращения мотовила / В.П. Богданович, В.В. Денисенко // Математическое моделирование уборочно-транспортных процессов: Сб. науч. тр. / ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград, 1986. Ц С.67-72.
13.	Богданович В.П.  Применение гидрообъемных передач в трансмиссии трактора / В.П. Богданович // Технологические комплексы, машины и оборудование для механизации производственных процессов в полеводстве: Сб. науч. тр. / ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград, 1994. - С.49-53.
14.	Богданович В.П. Система отбора мощности тракторов с бесступенчатой трансмиссией / В.П. Богданович // Адаптивные технологии и технические средства в полеводстве и животноводстве: Сб. науч. тр. / ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград, 2000. Ц С.56-62.
15.	Богданович В.П.  Расход топлива комбайнами Дон-1500 с гидропередачами ГСТ-90 и ГСТ-112 / В.П. Богданович // Технологии и средства механизации полеводства: Сб. науч. тр. / АЧГАА. Ц Зерноград, 2002. Ц С.162-168.
16.	Богданович В.П.  Основы адаптивного управления трактором / В.П. Богданович // Технологии, техника засушливого земледелия: исследования, испытания, освоение в производстве: Сб. науч. тр. / ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград, 2003. - С.44-51.
17.	Богданович В.П. Непрозрачность трансмиссии трактора с объемным гидроприводом / В.П. Богданович; Всерос. НИПТИ механ. и электриф. с.-х. Ц Зерноград, 2003. - 11 с. - Деп. ВИНИТИ 20.08.03; №1613 - В2003.
18.	Богданович В.П. Непрозрачность трансмиссии трактора с объемным гидроприводом / В.П. Богданович // Высокоэффективные технологии и технические средства в полеводстве: разработка, исследование, испытание: Сб. науч. тр. / ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград, 2004. - С.36-44.
19.	Богданович В.П. Режимы движения колесного трактора / В.П. Богданович // Результаты исследований и разработки новых технологий и комплексов машин для возделывания сельскохозяйственных культур в условиях засушливого земледелия: Сб. науч. тр. / ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград, 2004. - С.40-46.
20.	Богданович В.П.  Динамическая балластировка трактора / В.П. Богданович // Ресурсосберегающие и экономически сбалансированные технологии и технические средства в растениеводстве: Сб. науч. тр. / ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград, 2005. Ц С.90-96.
21.	Bogdanowitsch W.P. Ejektor im Hydroantrieb einer Landmaschine. 6. Fachtagung Hydraulik und Pneumatik. Magdeburg: 1985 DDR. Vortrge - Teil 2.- S.215-223.
22.	Богданович В.П. Методика инженерного расчета эжекторов с переменными параметрами /В.П. Богданович // Совершенствование средств механизации возделывания полевых культур: Сб. научн. тр. / ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград, 1983. - С. 116-122.
23.	Богданович В.П. О рабочем процессе в гидросистемах культиваторов М-7 (фирмы Холдер) и КГС-5 /В.П. Богданович, Ю.М. Сисюкин, Г.Н. Сухов // Оптимизация процессов механизации сельскохозяйственного производства: Сб. научн. тр. / ВНИПТИМЭСХ. - Зерноград, 1984. - С. 116-122.
	Патенты
24.	А.с. 861760 СССР, МКИ F04F 5/54 Гидравлическая система транспортного средства / Богданович В.П., Сисюкин Ю.М. - №2518575/25-06. Заявл. 22.08.77. Опубл. 07.09.81, Бюл. №25 - 3 С.
25.	А.с. 990132 СССР, МКИ 3 А01F25/16, А01 D 87/00 Агрегат для приготовления силоса в траншеях / Богданович В.П., Бахчевников Н.И., Мигреладзе Н.М. и др. - №3328931/30-15. Заявл. 14.08.81; Опубл. 23.01.83, Бюл. №3 - 10 с.
26.	А.с. 1228797 СССР, МКИ 4 А01D 41/12, 69/00 Способ регулирования частоты вращения мотовила / Богданович В.П., Сисюкин Ю.М., Сухов Г.Н., Денисенко В.В.- №3837742/30-15. Заявл. 31.10.84; Опубл. 07.05.86, Бюл. №25 - 4 с.
27.	А.с. 1605944 СССР, МКИ 5 А01В 39/16. Устройство для обработки почвы в садах / Богданович В.П., Лобода Н.Т., Сухов Г.Н. и др. - №4455001/30-15. Заявл. 05.07.88; Опубл. 15.11.90, Бюл. №42 - 6 с.
28.	А.с. 1768013 СССР, МКИ 5 А01В 39/16. Устройство для обработки почвы в садах / Богданович В.П., Понов В.И. - №4857471/15. Заявл. 06.08.90; Опубл. 07.10.92, Бюл. №37 - 5 с.
29.	А3 1790322 SU А01В 39/16. Устройство для обработки почвы в садах / Богданович В.П., Демидов В.Н., Лосев Д.А. и др. - №4873898/15; Заявл. 15.10.90 // Изобретения (заявки и патенты) 23.01.93.- №3 - 6 с.
30.	С1 2141900 RU 6 В60К 17/1. Сельскохозяйственный трактор / Богданович В.П., Липкович Э.И., Камбулов И.А. и др. - №97121424/28; Заявл.23.12.97// Изобретения (заявки и патенты) 27.11.99.- №33 - 4 с.
31.	С1 2141902  RU 6 В60К 17/28. Трактор для сельскохозяйственных работ / Богданович В.П., Деревенько Ю.В., Камбулов И.А. и др. - №97121628/28; Заявл. 23.12.97 // Изобретения (заявки и патенты) 27.11.99.- №33 - 4 с.
32.	С1 2147526 RU 7 В60D 1/00. Сцепное устройство / Богданович В.П., Пархоменко Г.Г, Рыков В.Б.- №98123807/28; Заявл. 28.12.98 // Изобретения (заявки и патенты) 20.04.2000.-  №11 - 3 с.
33.	С1  2171557 RU 7 А01В 17/00, 42/02. Многокорпусный плуг - рыхлитель / Богданович В.П.,. Липкович Э.И, Рыков В.Б. и др.-№200105388/13; Заявл. 03.03.2000 // Изобретения (заявки и патенты) 10.08.2001.- №22. - 3  с.
34.	С1 2224403 RU 7 А01С 15/04. Распределительное устройство сыпучего материала в пневмотранспортной системе сеялки / Богданович В.П., Василенко Н.И., Пантюхов И.В. и др.- №2002118806; Заявл. 12.07.2002 // Изобретения (заявки и патенты) 27.02.2004.- №6. - 5 с.
35.	С1  2229208 RU 7  А01D 41/127. Способ регулирования подачи хлебной массы в зерноуборочный комбайн и устройство для его осуществления / Богданович В.П., Бутов А.И. - №2002135693; Заявл. 27.12.2002 // Изобретения (заявки и патенты) 27.05.2004.- №25.- 5 с.
36.	С1 2231241 RU 7 А01В 35/32, 39/28. Способ регулирования параметров колебаний вибрационных рабочих органов почвообрабатывающих машин и устройство для его осуществления / Богданович В.П.,  Пархоменко Г.Г., Рыков В.Б., Щиров В.Н.- №2001133493; Заявл. 07.12.2001 // Изобретения (заявки и патенты) 20.08.2003.- №23. - 6 с.
37.	С1 2238619 RU 7 А01В 39/16. Устройство для обработки почвы в рядках многолетних насаждений / Богданович В.П., Пархоменко Г.Г., Рыбак А.Т., Фридрих Р.А.- №2003124135/12; Заявл. 31.07.2003 // Изобретения (заявки и патенты) 27.10.2004.- №30. - 5 с.
38.	С1 2260273 RU 7 А01В 79/00, 49/02. Способ влагосберегающей обработки почвы и агрегат для его осуществления / Рыков В.Б., Таранин В.И., Богданович В.П. и др.- №2003137365/12; Заявл. 24.12.2003 // Изобретения (заявки и патенты) 20.09.2005.- №26. - 7 с.

Подписано к печати 19.07.07г. Формат 60х84/16.

Объём 2 п.л.  Тираж 100 экз.  Заказ  - 2006.

Печатно-множительная группа ВНИПТИМЭСХ

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям