Основы совершенствования землеройно-мелиоративных машин

Устойчивое повышение продуктивности сельскохозяйственных угодий в условиях особенностей климата нашей страны, который в большей части территории малоблагоприятен для растениеводства, возможно только при широком использовании различных мелиоративных мероприятий.

Комплексное и целесообразное применение различных мелиоративных мероприятий при подготовке земель для сельскохозяйственного использования, для улучшения компонентов природы с целью повышения их потребительской стоимости, для восстановления нарушенных при природопользовании компонентов природы получило в последнее время термин природообустройство. Это понятие включает и мероприятия по защите от некоторых природных стихий: наводнений, подтоплений, оползней, суховеев.

Многие из конкретных мероприятий природообустройства могут быть должным образом выполнены только с использованием специальных средств механизации, что обусловлено довольно специфическими особенностями этих работ.

Большая часть мелиоративных машин так или иначе связано с обработкой грунта или почвы. Поверхность почвогрунтов главным образом та среда, с которой взаимодействуют ходовые системы мелиоративных машин. Эта группа машин может быть отнесена, к так называемым, земле-ройно-мелиоративным.

Основной целью использования этих машин является безусловное и эффективное выполнение технологических процессов мелиоративных работ при щадящем воздействии на почвогрунты с минимальными энергетическими и трудовыми затратами.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Развитие мелиоративного машиностроенияполучившее особенно значительное ускорение в конце 60-х годов прошлого столетия, можно охарактеризовать тем, что необходимые средства механизациисоздавались зачастую в ускоренном порядке и не всегда полностью обосновывались научно — исследовательскими работамиЭто приводило к тому, что оригинальные и, в большей части самобытные, конструкторские решения иногда не давали ожидаемого эффекта призначительном потенциале по производительности и качеству выполняемых технологических операций.

Развитие комплексной механизации мелиоративных работ, когда реальные и объективные требования диктовали конструкторам и технологам создавать средства механизации, которые бы обладалибольшей энергонасыщенностью, повышенной универсальностью, широкой возможностью использования большого количества сменных рабочих органов и др., сопровождалось довольно противоречивыми и разносторонними^ требованиями к технологическим и техническим характеристикам машин. Эти?8 требования не могли быть тогда учтены в полной мере. В современных условиях, при теперешнем? уровне развития наукии техники стало возможным более точно прогнозировать и управлять" процессами, происходящими в структурах машин, особенно с учетом переменного характера: этих процессов.

Рассматривая эффективность работы машин в широком смысле как их функционирование с наибольшей производительностью? и высоким качеством работы, необходимо рассматривать машину как часть"общей системы, в которую входит другая составляющая — выполняемый машиной технологическийпроцесс. Обе упомянутые составные части оказывают друг на друга большое влияние.

На современном этапе развития мелиоративного машиностроения, когда выпуск большей части специализированных машин прекращён совсем или в значительной степени уменьшился, когда многие КБ и заводы оказались за пределами России, очень важна разработка более совершенных или усовершенствованных конструкций специальных машин. Особенно актуально эта проблема встаёт перед конструкторами, научными работниками и эксплуатационниками в области совершенствования таких машин, как каналокопатели, каналоочистители, дреноукладчики и планировщики с/х полей, мелиоративные рыхлители, машины для культуртехнических работ. Такие машины обобщенно будем, в дальнейшем, называть землеройномелиоративными.

Цель работы. Разработка научных основ оценки и управления динамическими процессами при работе землеройно-мелиоративных машин.

Задачи исследований:

1. Обосновать необходимость более углубленного подхода к анализу процессов, происходящих при эксплуатации землеройно-мелиоративных машин, к выработке методов и средств снижения уровня внешнего воздействия, в том числе и оперативных, для повышения эффективности работы машин.

2. Сформулировать основы единого методологического подхода к оценке динамики системы «землеройно-мелиоративная машина» — технологический процесс" для чего:

— уточнить аналитическое описание движущего момента энергетического устройства мобильной базовой машины;

— разработать структуру внешнего силового и кинематико-геометрического воздействий на землеройно-мелиоративную машину (ЗММ) и определить их количественные характеристики с учётом взаимовлияния составляющих систем «рабочий орган ЗММ — забой» и «машинаповерхность трасс движения" — представить усовершенствованное выражение передаточной функции гусеничной базовой Машины.

3. Сформировать системную. математическую модель «ЗММ — технологический процесс», проверить ее адекватность применительно к основным условиям работы машин, предложить методику оценки динамической нагруженности их привода, с учетом параметровтехнологического процесса.

4. Внести уточняющее дополнение в математическое описание движения гидрообъемного привода) и проверить действенность полученного варианта системы, дифференциальных уравнений, позволяющей осуществлять управление податливостью трансмиссии;

5. На базе результатов аналитического исследования динамических нагрузок в системах приводов основных типов ЗММ осуществить сравнение уровня этих нагрузок в случае применения: механических и гидрообъемных транмиссий.

6. Предложить обобщенную методику оценки точности позиционирования! рабочих органов ЗММ с целью получения количественных характеристик. качества" технологических процессов, выполняемых этими? машинами.' .

7. Выработать трехмерную модель поверхности сельскохозяйственногополя!- (на примере рисового чека) с возможностью количественной оценки ее вида и структуры.

8. Сформулировать концепцию усовершенствованной планирующей машины и оценить эффективность ее использования при выравнивании поверхности рисового чека.

9- Сформировать математическую модель процесса выравнивания поверхности рисового чека с учетом различных технологических схем движения по полю мелиоративного планировщика.

Методы исследования. Для решения указанной проблемы широко использовались экспериментальные и теоретические методы. Использовались также методы эвристического характера.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях, на физических моделях и натурных образцах. Широко использовались также так называемый пассивный эксперимент — эксперимент наблюдения.

Полевые эксперименты проводились с непосредственным участием автора при исследовании некоторых землеройно-мелиоративных машин. Кроме того, использовались первичные результатыэкспериментальных исследований и измерительных наблюдений, выполненных другими авторами. Объектами экспериментальных^ исследований были такие машины, как каналокопатели с пассивными и активными рабочимиорганами, дре-ноукладчики, планировщики полей, мелиоративные рыхлители, машины для культур-технических работ.

При выполнении экспериментальных исследований использовались методы теории вероятностей и математической статистики^ планирования эксперимента, методы корреляционного и дисперсионного анализа, теории физического подобия, теории случайных функций.

В основу теоретических исследований положены основные методы статистической динамики и случайных функций, методы конформных преобразований, общие математические методы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Из экспериментально-аналитических разработок — теоретические основы формирования динамических процессов землеройно-мелиоративных машин, включая силовые, кинематические и энергетические, также количественные оценки качественных показателей работы ЗММ.

2. Из научно-методических разработок — классификация структур зем-леройно-мелиоративных машин как динамических систем, находящихся под воздействием внешних возмущений и управляющих, воздействий, математическая модель системы «землеройно-мелиоративная машина — технологический процесс», позволяющая оценить влияние на эти динамические системы технологических, конструктивных, режимных и др. параметров машин;

3. Из научно-технических разработок — систематизация? внешних воздействий. в виде нагрузок и в виде неровностей трасс движения этих машинклассификация поверхностей рисовых чеков как случайных, поверхностей-: формирование трехмерной статистической поверхности рисовых чеков;

4. Из теоретико-экспериментальных разработок- - оценка влияния ло— кальных упруго-механических-: систем привода рабочего перемещения машины на ее динамическую загруженность—обоснование целесообразности использования: для’землеройно-мелиоративной машины, средней мощности гидрообъёмной трансмиссии вместо механической.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следущем:.

1. Сформулирован, системный подход к оценке' динамики землерой-но-мелиоративных машин, основывающийся* на рассмотрениисистемы-«машина — технологический процесс» как целостной* системы;

2. Разработаны научные основы формирования динамических процессов, землеройномелиоративных машин, что позволяет количественно оценить уровень динамических нагрузок в приводе машин и уровень колебаний рабочих органов машин привыполнении ими технологических процессов, т. е. оценить количественные показатели качества работы;

3. Произведена систематизация внешних воздействий на землерой-но-мелиоративную машину как динамическую систему. Выработаны рекомендации по выбору рациональных параметров этой системы — системы «землеройно-мелиоративная машина — технологический процесс» (конструктивных, режимных, технологических и др.).

4. Впервые сформулирована статистическая оценка микронеровностей сельскохозяйственных полей на примере рисовых чеков как случайных поверхностей. Предложена трехмерная статистическая модель поверхности рисового чека. Представлена классификация поверхностей рисовых чеков.

5. Предложена методика оценки процесса выравнивания рисовых чеков при различных схемах движения планирующих машин по их поверхности.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации научные основы оценки динамической нагруженности землеройно-мелиоративных машин позволяют качественно и более обоснованно подойти к уровню создания и совершенствования этих машин.

Системная' математическая" модель «ЗММ — забой» позволяет оценить нагруженность и кинематику любого-элемента машины и обоснованно формулировать периодичность ТО и ремонтов, планировать замену деталей на базе построения функций распределения их долговечности.

Возможность количественной оценки качества работы ЗММ создаёт базу для рассмотрения машин не только как технических средств, но и как систем, параметры которых определяют соответствие их характеристик требованиям технологического процесса, то есть рассматривать машину и как технологическое средство.

Ряд основных положений, разработанных автором, использовались в практике работы основных конструкторских бюро специализированных заводов, таких как — Мозырский завод мелиоративных машин, Брянский завод ирригационных машин, в специализированных конструкторских бюро, таких как СКБ «Мелиормаш» (г. Минск), ЦКБ «Мелиормаш» (г. Брянск), института ВНИИЗемМаш (г. Ленинград — С.-Петербург).

Разработанные автором методические основы-оценки динамических процессов землеройно-мелиоративных машин нашли отражения в учебных пособиях, предназначенных для использования в специальных выс.

11 ших и средних учебных заведениях при подготовке инженеров и техников в области механизации мелиоративных работ и работ по природообу-стройству.

Теоретические положения и научно — методические принципы используются при подготовке аспирантов и соискателей МГУП.

Апробация работы. Научные и методические результаты исследования, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на научно — технических конференциях Московского Государственного Университета Природообустройства (Московского Гидромелиоративного института) в 1965.2009 годах, научно-технических конференциях в Новочеркасской Государственной мелиоративной академии в 1960, 1970 годах, во> ВНИИ-ГиМе в 2002, 2004, 2005 годах, во Всесоюзном научно-исследовательском институте с/х машиностроении (в ВИСХОМ’е, в 1981 г.), в Московском Горном Университете (2003, 2009 г.), во ВНИИЗемМаше (г. Ленинград), в СКБ «Мелиормаш» (г. Минск), в ЦКБ «Мелиормаш» (г. Брянск), в КБ Мо-зырского завода мелиоративных машин (г. Мозырь), в Тульском Государственном Университете (2003 г.).

Публикация результатов. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 59 научных работах, в том числе 48 статьях (14 в журналах, рекомендуемых ВАК РФ для отражения содержания диссертации), 6 учебных пособиях, рекомендованных Минсельхозом СССР и РФ, 10 научных отчетах, 5 патентах на изобретение и полезную модель.

Объём и структура работы. Диссертация общим объёмом 255 страниц, в том числе 181 страница машинописного текста, 21 таблица, 41 рисунок, список литературы из 165 наименований. Диссертация состоит из 7 глав, введения, выводов и заключения.

1. Общая характеристика землеройно-мелиоративных машин как динамических систем;

К этим машин могут быть отнесены каналокопатели, каналоочисти-. тели непрерывного действия, дреноукладчики, машины для подготовительных и культуртехнических работ, мелиоративные планировщики.

1.1 Условия функционирования землеройно-мелиоративных машин и влияние этих условий на результаты их работы:

Землеройно-мелиоративные машины работают в условиях изменяющихся внешних воздействий, определяемых многочисленными, и разнообразными факторами, которые можно свести к двум-основным системам возмущений: неоднородностям физико-механических свойств обрабатываемой среды (главным образом почвогрунтов) и неровностям поверхности, по которой передвигается машина, при выполнении технологического процесса.

Эти факторы, в основном переменные, в. большей степени влияют на неравномерность загрузки машинвызывают, подчас резкие и значительные, колебания машин в. целом, а также их рабочего оборудования1 относительно базы.

Изменчивость, этих факторов при взаимодействии рабочих органов с обрабатываемой средой и движителей базовых машин и опорных устройств с поверхностью трассы определяет сложный характер движения отдельных элементов^машин. Это обусловливает, в значительной степени, качество таких технологических’операций как прокладка каналов и устройство закрытого горизонтального дренажа с заданными продольными уклонами, глубокое мелиоративное рыхление, планировка откосов и дна каналов с целью дальнейшего сооружения противофильтрационной облицовки, очистка каналов от наносов и растительности без недоборов и переборов грунта, планировка сельскохозяйственных площадей, выполнение некоторых культур-технических мероприятий.

В свою очередь, взаимодействие машины с обрабатываемой средой определяет и энергетические затраты на выполнение соответствующих операций.

Применительно к каналокопателям и дреноукладчикам, рабочему оборудованию для глубокого мелиоративного рыхления, машинам и оборудованию для проведения культуртехнических мероприятий выдерживание заданной глубины обработки, требуемой глубины канала или траншеи в допустимых пределах является одним из основных агромелиоративных требований.

Для каналокопателей и дреноукладчиков помимо соблюдения* заданной глубины требуется обеспечить и ровное дно канала или траншеи, ровную и чистую поверхность откосов канала. Колебания рабочего органа землеройно-мелиоративной машины в продольной вертикальной плоскости в значительной мере сказывается’на качестве выполняемого технологического процесса, приводит к значительной неравномерности загрузки двигателя базовой машины, к увеличению расхода топлива, к интенсификации износа деталей шатунно-поршневой группы дизеля, как основного энергетического средства мобильной землеройно-мелиоративной машины.

Таким образом, учет переменного характера нагрузки землеройно-мелиоративных машин крайне необходим для реальной" оценки их работоспособности. К сожалению, в большинстве случаев при расчете и конструировании мелиоративных машин, их рабочих органов, систем привода и управления за основу пока принимают, в основномстатические модели, идеализируя реальные условия эксплуатации.

В связи с изложенным возникает объективная потребность в моделировании системы «машина — технологический процесс», являющейся в большинстве случаев динамической. Общие принципы моделирования динамических систем, классификация их, а также теоретические основы методов оценки поведения этих систем довольно полно изложены в специальной литературе. Применительно к землеройно-мелиоративным ма.

14 шинам необходимо получить конкретные характеристики математических моделей машин в целом, технологических процессов, систем управления машинами и их рабочими органами.

Наиболее существенной особенностью условий функционирования землеройно-мелиоративных машин является случайный их характер в вероятностно-статистическом смысле.

В связи с тем, что условия работы землеройно-мелиоративных машин являются случайными, то и результаты работы-машин (колебания глубины каналов и дренажных траншей, колебания? глубины обработки почвы, при глубоком мелиоративном рыхлении, проведении^ культуртех-нических работ, неровности поверхности спланированного поля, колебания загрузки двигателябазовоймашины, неравномерность, нагрузок в трансмиссии и др-) будут также случайными.

Наблюдаемые при? работе различных технических средств-, процессы можно условно разделить на две группы.

К первой относят процессы, обусловленные* заранее известными факторами. При наличии определенной* модели протекание этих процессов. можно прогнозировать с. заданной точностью. В любомпроцессе, имеющемместо в реальной машине, 1 есть элементыслучайного характера1, но иногда они несущественны, и ими можно пренебречь. Для анализа и синтеза^таких процессов и оптимизации их параметровшрименяют детерминистические методы, разработанные — на основе законов? классической физики, теоретической механики и других разделов науки. При использовании этих методов все внешние условия функционирования и свойства самой-системы рассматриваются как вполне определенные.

Вторая группа процессов^ наблюдаемая при работе землеройно-мелиоративных машин как динамических систем, характеризуется тем, что случайные элементы в них имеют существенное значение и пренебречь ими нельзя. Только учитывая случайный характер этих процессов можно правильно рассчитывать их параметры и оценивать получаемые.

15 результаты (верить им). Анализ и прогнозирование таких процессов без учета реальных условий эксплуатации могут привести к существенным ошибкам. Такими следует считать практически все процессы при работе землеройно-мелиоративных машин, определяющие как условия их работы, так и получаемые результаты.

8. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

1. Землеройно-мелиоративные машины работают в условиях довольно значительных динамических воздействийкоторые влияют на. на-дежнрсть самих машин и качество выполняемых ими технологических процессов. Кроме того, основной применяемый на ЗММ двигатель — дизель в условиях резкопеременных нагрузок не может работать эффективно: с большим коэффициентом использования, по мощности, с большейдолговечностью, с меньшими затратами топлива.

2. Математические модели функционирования землеройно-мелиоративных машин, усовершенствованные автором, позволяют исследовать взаимовлияние колебаний машины в целом при движении по неровностям трассы и процессовпроисходящих в ее внутренних структурах, находящихся под действием внешних нагрузок.

3. Исследованиями как теоретического, таки экспериментального характера установлено, что уровень динамических нагрузок определяется не только внешними, но и внутренними факторами — типом и параметрамипривода. Однимиз действенных факторов, влияющих на эффективность работы дизеля, наг надежность трансмиссии, является частота колебаний динамической нагрузки на рабочем органе и в приводеТак, при уменьшении частоты, колебаний нагрузки навалу дизеля с 100 с" 1 до 20 с" 1 возможно увеличение использования дизеля по мощности с 65% до 77%.

Показано таюке, что применение механического? привода не позволяет практически в упомянутых диапазонах изменять частоту нагрузки.

4. Вусловиях высоконагруженных режимов, работы землеройно-мелиоративных машин наиболее целесообразным может быть гидрообъемный привод, который дает возможность не тольков значительной степени уменьшить частоту колебаний нагрузки (примерно в 3. 5 раз), но и уменьшить амплитудные значения этих колебаний (примерно в 1.6. 1.9 раза). Усовершенствованная аналитическая модель гидрообъемной трансмиссии с описанием гидролиний как систем с распределенными параметрами позволяет даже управлять уровнем динамических нагрузок в оперативном режиме.

5. Ожидаемый экономический эффект от использования гидрообъемных передач для привода активных рабочих органов землеройно-мелиоративных машин заключается в возможном увеличении производительности этих машин в 1.3. 1.4 раза.

6. Методологический подход, рекомендуемый автором для оценки динамики землеройно-мелиоративных машин, позволяет учитывать не только влияние параметров привода на ее уровень, но и влияние технологических, режимных и конструктивных особенностей привода и машины в целом на показатели ее работы.

7. Автором разработана вполне действенная методика оценки точности работы землеройно-мелиоративных машин. Получены количественные показатели точности выполняемых технологических процессов применительно к дренажным машинам, к мелиоративным, планировщикам, к береговым каналоочистителям с фрезерным рабочим органом, к машинам дляфрезерования закустаренных земель.

8: Выполнены большого объема статистические расчеты' по оценке-структуры и количественных характеристик поверхности рисовых чеков, позволяющих сформировать основу для их классификации с целью выработки конкретных, технологических приемов при выравнивании поверхности.

9. Предложена трехмерная статистическая модель поверхности рисового чека, позволяющая не только-оценить структуру и тип неровностей, но и выработать математическую модель процесса планировки рисовых чеков.

10. Выработана концепция универсальной планирующей машины, сочетающей в себе свойства собственно планировщика и скрепера, что позволяет, в потенциале, при производстве работ по выравниванию рисовых.

234 чеков использовать только одну машину, скрепер-планировщик, вместо двух машин — скрепера и планировщика. Использование технологической схемы работ в случае применения скрепер-планировщика может принести значительный экономический эффект. Расчетное его значение составляет 550. 600 руб/га и 750. 800 тысяч рублей в год соответственно на ежегодной и периодической планировке рисовых чеков.

11. Сформулированы рекомендации по формированию концептуального подхода к процессу совершенствования системы «машина — технологический процесс», позволяющей целенаправлено вести работы по созданию землеройно-мелиоративных машин с адаптирующимися технологическими характеристиками.