Практические рекомендации по расчету и оптимизации упругого крепления рабочих органов почвообрабатывающих машин

УДК 631.3

ГРНТИ 55.57.31

Стенд для мониторинга рабочих характеристик пружинных стоек культиватора

Бутовченко А.В., Игнотенко И.В., Рулевский А.М.

Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, РФ
 

На основе теории терраупругости разработаны практические рекомендации, которые легли в основу отраслевых методических указаний МУ 23.2.48-89, разработанных НПО ВИСХОМ. /6/. Они включают предложения, методики и алгоритмы по измерениям, расчётам, идентификации и оптимизации упругих смещений рабочих органов почвообрабатывающих машин.

Методика  конструирования упругих креплений зависит от его типа и объема исходных данных.

В любом случае конструирование включает расчёт оптимальной жёсткости крепления и затем синтез стойки требуемой жёсткости. Наиболее просто получить оптимальные жёсткости стойки, если заранее известны показатели взаимодействия почвы и рабочего органа - матрицы [Q_S], [Q_V] , oтражающие свойства почвы разрушаться при данном рабочем органе. Такая ситуация будет наблюдаться при достаточно длительном и систематическом использования методики по мере накопления опытных данных значений [Q_S], [Q_V]  для каждого типового сочетания «почва-рабочий орган» Создание такого банка данных не является большой проблемой для организаций, специализирующихся на разработке рабочих органов почвобрабатывающих машин для различных почвенно-климатических зон.

Однако в случае недостатка экспериментальных данных значения показателей взаимодействия [Q_S], [Q_V] неизвестны и задача усложняется. В этом случае предлагается использовать двухэтапный алгоритм разработки упругой стойки.

На первом этапе проводится статическая оптимизация, при которой оптимальная жесткость определяется по агротехническим требованиям и проектной ситуации. Такая упругая стойка изготавливается и используется для экспериментального определения параметров динамической модели и показателей взаимодействия. Проводится её полная идентификация: статическая на стенде и динамическая в ненагруженном и нагруженном рабочем состоянии и эксперименьально определяется  [Q_S], [Q_V].

На втором этапе по известным [Q_S] [Q_V], p_g проводится динамическая оптимизация и определяется уточнённая динамически оптимальная жёсткость [C_opt]. Стойка с такой жёсткостью синтезируется и изготавливается. Её упругие свойства определяются на стенде, оценивается точность совпадения расчётного и фактического значения [C_opt].; Если качественные показатели: равномерность хода по глубине и энергоэффект не соответствуют расчётным значениям, то процедура предусматривает возможность возвращения к динамической идентификации и проведения повторного синтеза упругого крепления. Цикл можно повторять до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое сочетание качественных показателей.

Алгоритм конструирования новой упругой стойки предусматривает следующую последовательность:

1. Задание исходных данных: агротехнические требования к кинематике упругих смещений: агродопуск А_Д, допустимый угол поворота j_max, тип рабочего органа, его ширина захвата В, глубина обработки H, тип почвы, удельное сопротивление К_УД.

2. Определение приближенного значения тягового сопротивления жёстко закреплённого рабочего органа (для плуга P_X = К₁ H В, для культиватора P_X = К₂ В, где К₁ , К₂ - коэффициенты удельного сопротивления почв; выбираются по справочным данным).

3. Задание компоновочного поля стойки: конструктивных ограничений на габариты по длине GBX , по высоте GBZ , и.

4. Задание закона изменения сечения  bхh  стойки по длине и минимального радиуса изгиба r_min

5. Синтез конфигурации стойки со статически оптимальной упругой кинематикой; учитывается ограничений по углу поворота, вертикальным смещениям. В итоге синтеза получается конфигурация стойки F_o(I,J), J=1,…10, I=1,…L и матрица жесткости [C_o] .

6. Изготовление стойки конфигурации F_opt(I,J) со статически оптимальной кинематикой.

7. Измерение упругих свойств стойки на нагрузочном стенде: определение матрицы жёсткости [C] изготовленной стойки по методике п. 3.

8. Определение динамических параметров ненагруженной стойки анализом её свободных колебаний;  получение матриц [А] и [B].

9. Натурные исследования динамики упругого крепления. Измерение составляющих сил и виброускорений рабочего органа на изготовленной стойке. Получение массива данных РА(I,J), J=1,…6, I=1,…128 значений упругой силы P(t) и виброускорений s’’(t) с частотой квантования не ниже 100 герц.

10. Динамическая идентификация параметров нагруженной системы: вычисление показателей взаимодействия [Q_S] и [Q_V], оценка энергоэффекта упругого крепления  R_E.

11. Динамическая оптимизация. Определение динамически оптимальной жесткости стойки [C_opt] с учётом ограничений п. 5.

12. Синтез конфигурации упругой стойки с динамически оптимальной жесткостью [C_opt] с учётом  ограничений по углу поворота, вертикальным смещениям. В отличие от синтеза конфигурации в п. 4 здесь нагрузкой считается реальная сила сопротивления P с направляющими косинусами n, приложенная по реальному направлению. В итоге получаем конфигурацию стойки F_opt(I,J), J=1,…10, I=1,…L и матрицу жесткости [C] .

13. Сравнение значений [C] и [C_opt] . Если разница между соответствующими элементами матриц минимальна (менее 10%), то изготовленная стойка считается оптимальной и расчет заканчивается. Если разница элементов матриц [C] и [C_opt] существенна, то п. 12 повторяют с иными значениями приоритетов r₁, r₂, r₃, увеличивая тот, по которому ситуация признана неблагополучной. Отметим, что энергоэффект критичен к приоритету r₃ , равномерность  хода по глубине – к приоритету r₁.

Описанный режим разработки новой стойки с нуля без прототипа  применяется достаточно редко, поскольку существующий типаж стоек многочисленен и всегда можно выбрать какой-либо прототип, который нужно только откорректировать. В этом случае удобнее режим коррекции, при котором нет необходимости рассчитывать и изготавливать пробный вариант стойки - им служит прототип.

В режиме коррекции используется тот же алгоритм, но вход в него переносится в точку 7. Далее определяют показатели [C] , [D] , [H] имеющейся упругой стойки-прототипа, определяют при полевых испытаниях показатели взаимодействия, затем определяют оптимальное значение жесткости [C_opt].  Если выполняется условие [C] = [C_opt] с заданной точностью, то прототип для данных свойств почвы оптимален и расчет заканчивается. Если условие [C] = [C_opt] не выполняется,  то синтезируют откорректированную стойку, варьируя приоритеты r₁, r₂, r₃, как при режиме разработки новой стойки.

Режим коррекции применим также для проверки работоспособности и оптимальности упругих стоек рабочего органа в различных почвенно-климатических условиях.

Алгоритм достаточно универсален; пригоден для любых рабочих органов. Он хорошо приспособлен для работы в системах автоматизированного проектирования почвообрабатывающих машин [61].

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1.    Василенко П.М., Бабий П.Т. Культиваторы. - Киев: УСХА, 1961. - 148 с.

2.     Рябцев Г.А. Исследование культиваторных лап с упругой подвеской // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1966. №11.