Описание технологического процесса работы рыхлителей с ударными вибропобудителями колебаний
Предлагаемый рабочий орган (рис. 3.1) состоит из: кронштейна, стойки, рыхлительной лапы, виброударного побудителя, который состоит из штока, корпуса вибратора, пружины, винта, груза, фиксатора.
Рис. 3.1 – Виброударный рабочий орган
При его движении в рабочем положении на рабочий орган действует переменное сопротивление почвы, таким образом стойка смещается с начального положения с некоторой амплитудой преодолевает сопротивление пружины (сжатие пружины) и в момент когда стойка возвращается в исходное положение происходит удар между соударяющимися элементами. Под действие удара происходит скол блока почвы рыхлящей лапой.
Регулировка жесткости пружины виброударного механизма, а, следовательно, и частоты ударов, выполняется с помощью дополнительных масс и регулировочного винта, имеющих удобное для обслуживания расположение. Кроме того, регулирование возможно путем замены пружин 10 на другие пружины или упругие материалы, а также их комбинации, имеющие такие же или другие силовые характеристики.
Маятниковый виброударный рабочий орган (рис. 3.2) состоит из кронштейна, стойки, рыхлительной лапы, виброударного побудителя, который состоит из наковальни, шарикового ударника, пластины, обоймы, винта, тяги, вала, подшипника, кронштейна.
Рис. 3.2 – Маятниковый виброударный рабочий орган
Под действием переменного сопротивления почвы упругая стойка отклоняется от исходного положения, а ударник маятника воздействует по средством удара на наковальню с тыльной стороны стойки возбуждая ее колебания и скалывая очередной блок почвы.
3.2 Методика проектирования и последовательность расчёта
Расчёт задач воздействия рабочих органов на почву состоит из ряда взаимосвязанных этапов [ ]:
1. Разделение пространственной задачи технологического воздействия рабочих органов на почву на две плоские, ортогональные. Плоскости выбирают так, чтобы характер воздействия рабочего органа на почву в них отражал наиболее характерные особенности технологического воздействия.
2. Упрощение уравнения состояния для плоских задач в зависимости от характерных особенностей технологического воздействия рабочего органа в изучаемой плоскости. В случае отделения блока почвы рыхлительным рабочим органом наиболее характерным является вязко-пластическое течение почвы вдоль поверхности скольжения. В таких задачах в соответствии с полной реологической моделью почву целесообразно рассматривать как вязко-пластическую среду.
3. Определение граничных условий, которые имеют принципиальное значение только до начала пластического течения по линии скольжения. С этого момента оформившейся блок почвы надо рассматривать не как сплошную среду, а как деформируемое твёрдое тело. Следовательно, при определении распределения давлений на поверхности рабочего органа почву нужно представить как упруго-вязкую или линейно-деформируемую среду для соответствующей скорости деформации.
4. Определение полей напряжений, деформаций или линии скольжения в плоских задачах. Для определения линий скольжения в технологических процессах с отделением блока почвы можно использовать методы теории пластичности, характеристик или конечных элементов.
5. Анализ распределения давлений на границе рабочий орган – почва. Изучение полей напряжений и деформаций или положения линий скольжения позволяет сформулировать требования к геометрии и кинематике рабочего органа. На этом этапе появляется возможность разработать методику проектирования рабочего органа, обеспечивающего заданный технологический процесс воздействия его на почву.
Исходными данными для проектирования рыхлительных почвообрабатывающих рабочих органов являются: скорость движения агрегата V, м/с; глубина обработки h, м; физико-механические свойства почвы – твёрдость r, Н/см2; деформационный показатель n, м2/Н; углы внешнего j1 и внутреннего j2 трения, град; коэффициент предельной несущей способности К, кН/м2; модуль упругости при объёмных деформациях Е, кН/м2; модуль упругости при сдвиговых деформациях G, кН/м2; коэффициент вязкости при объёмных деформациях m, кН/м2; коэффициент вязкости при сдвиговых деформациях h, кН/м2; сцепление частиц почвы С, кН/м2.
Последовательность расчёта предлагаемых рыхлителей с ударными вибропобудителями включает в себя следующие этапы:
1. Определение геометрических и кинематических параметров лапы – ширины захвата b, угла раствора лемехов 2g, угла постановки лемехов к горизонту b, угла заострения режущей кромки лемехов e, угла максимального отклонения лапы j.
2. Определение геометрических и динамических параметров виброударного механизма – зазоров в виброударном механизме D, силовых характеристик пружин и упруго-пластичных элементов.
3. Расчёт на прочность предлагаемой конструкции.
4. Расчёт приведенных масс и моментов инерции подвижных элементов.
5. Уточнение геометрических, кинематических и динамических параметров проектируемого рабочего органа.
После определения параметров виброударных рабочих органов производится расчёт культиватора. При этом производится расстановка лап с учётом их максимально возможного отклонения. Определяется число лап и расстояние между рядами лап. Рассчитываются масса орудия и его тяговое сопротивление. На основании этого осуществляется расчёт подъёмных гидроцилиндров и выбор трактора для агрегатирования.
Полученный агрегат рассчитывается с использованием методов математического моделирования. При этом наиболее подходящей расчётной схемой по принципу «вход – выход» [ ]. В качестве входных переменных принимаются все внешние возмущения (условия работы) и управляющие воздействия, которые представляют собой конкретные физические величины (силы, моменты сил, перемещения и др.), а выходных переменных – совокупность параметров, определяющих качество работы машины, энергетические и технико-экономические её показатели, прочностные свойства и др. Расчётная блок-схема агрегата может быть представлена в виде системы (рис. 3.3), на входе которой действуют векторы-функции условий работы (внешних возмущений) F = {f1(t), f2(t),…, fn(t)} и управления U = {u1(t), u2(t),…, uk(t)}. Выходные переменные также представляют собой вектор-функцию Y = {y1(t), y2(t),…, ym(t)}. Расчётная схема может быть дополнена вектором Yu = {yu1(t), yu2(t),…, yum(t)}, показывающим как должен работать агрегат. Отклонения вектора Y от вектора Yu определяют точность работы агрегата как динамической системы, причём отклонения
E = Y - Yu (3.1)
образуют в общем случае вектор E = {e1(t), e2(t),…, em(t)}. Вектор Yu можно рассматривать как выходной вектор некоторой идеальной машины, обеспечивающей выполнение операций без ошибок в соответствии с установленными агротехническими, эксплуатационными, технико-экономическими и другими требованиями.
Число компонент n, m, k векторов зависит от типа машины, степени учёта различных условий работы и других факторов. Практически при расчёте число переменных всегда меньше фактически действующих в реальных условиях функционирования.
Наиболее существенной особенностью составляющих входного вектора F, определяющего условия функционирования, является то, что они могут быть отнесены к категории случайных в вероятностно-статистическом смысле, т. е. таких компонентов, значения и характер изменения которых могут быть установлены только в результате опыта [ ]. Поэтому и составляющие выходного вектора Y, определяющего показатели работы агрегата, будут также случайными в вероятностно-статистическом смысле.
Особенностью сельскохозяйственных агрегатов как динамических систем является изменчивость их параметров во времени, т. е. эти агрегаты являются нестационарными динамическими системами. Вместе с тем на этапе конструирования можно принять предпосылку об их стационарности. Для моделей функционирования агрегатов стационарность означает, что преобразование входных воздействий fi(t) инвариантно относительно сдвига во времени этих воздействий. Реакция yj(t) системы не зависит от того, когда приложено входное воздействие fi(t), а зависит только от разности времён t – t0 = t (текущего времени t и момента приложения t0 входного воздействия).
Синтез математической модели объекта предусматривает определение функциональных или статистических взаимосвязей между входными нерегулируемыми сигналами, управляющими воздействиями и реакциями системы в установившихся и неустановившихся режимах. Вероятностный характер этих сигналов обуславливает необходимость проведения сбора и статистической обработки на ЭВМ первичной информации по единой методике, обеспечивающей получение с заданной достоверностью состоятельных, несмещённых оценок статистических характеристик случайных процессов, а также математических моделей в виде операторов, описывающих с заданным приближением динамику исследуемых систем.
Полученные оценки и модели используются для синтеза и расчёта параметров моделей-аналогов при моделировании на аналоговых ЭВМ. Статистические оценки выходных показателей служат для контроля и анализа результатов аналогового моделирования.
Аналоговое моделирование может быть использовано для решения следующих основных задач:
1. Прогнозирование выходных показателей работы машины по информации об условиях работы и известному оператору (задача анализа).
2. Определение динамических характеристик машины по информации о входных и выходных процессах, полученной при испытаниях макета или экспериментального образца машины (задача синтеза).
3. Определение оптимальных параметров машины, обеспечивающих желаемые показатели работы (задача оптимизации).
4. Оценка входных воздействий, недоступных для непосредственного измерения.
5. Установление степени идентичности и степени нелинейности модели, а также её технологической надёжности.
Решение данных задач моделирования является одним из важнейших этапов совершенствования машин. Этот этап выполняется после построения макета машины и в общем случае должен включать:
1. Построение информационной модели машины.
2. Испытание машины с получением исходной информации о входных и выходных процессах модели.
3. Обработку первичной информации на ЭВМ для получения основных статистических характеристик процессов и их взаимных связей.
4. Построение математической модели машины.
5. Преобразование математической модели в вид, удобный для аналогового моделирования; построение структурных схем моделей, выбор задающих и регистрирующих устройств и решение задач моделирования.
6. Уточнение параметров машины по результатам моделирования.
Исходя из агротехнических требований, основным технологическим показателем рабочего процесса культиватора для сплошной обработки почвы будет процесс zб(t) – профиль дна борозды или a(t) – глубина рыхления. В первом приближении культиваторный агрегат можно рассматривать как одномерную динамическую систему: для культиватора входным воздействием будет случайный процесс в виде неровностей поверхности поля zп(t), а выходным – профиль дна борозды zб(t) или глубина рыхления a(t).
При аналоговом моделировании культиватора рассматривается одномерная динамическая система [ ]. Блок-схема модели (рис. 3.4) включает последовательно соединённые блоки: формирующий фильтр I ,состоящий из интеграторов 1 и 2, инвертора 3 и передаточных коэффициентов k1, k2, k3; модель II динамической системы (культиватор), включающий интеграторы 4 и 5, инвертор 6 и передаточные коэффициенты k4…k7; анализатор III дисперсий, состоящий из квадратора КВ (блок умножения), интегратора 7 и передаточного коэффициента 1/Т, где Т – время интегрирования. Для получения дисперсии сигнала на выходе динамической системы используется метод начальных условий. Начальные условия в виде напряжения, пропорционального дисперсии входного процесса zп(t), задаются на интеграторе 1. Решение начинается в момент времени t = 0. Результат в виде дисперсии неровностей дна борозды zб(t) считывается с индикатора V в момент времени t = T.
Рис. 3.3 – Блок-схема аналоговой модели культиватора
