Управления хлопкоуборочной машины серии Класс A с расположением уборочных аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Высшего Среднего Специального Образования Республики Узбекистан

Ташкентский Государственный Технический Университет

им. А.Р. Беруни

Механический факультет

Кафедра «Сельхозмашиностроения»

Диссертация на соискание академической степени магистра

Управления хлопкоуборочной машины серии Класс A с расположением уборочных аппаратов

Холиков С.

Специальность: 5А520710 «Сельскохозяйственные машины и оборудование»

Ташкент - 2008

Введение

Актуальность темы. Особенности конструкции полунавесной хлопкоуборочной машины серии МХ производимой на АО «Ташсельмаш » состоит в том, что хлопкоуборочный агрегат монтируется на трактор за более короткий промежуток времени по сравнению с ХУМ серии ХВ, также не изменяет направления движения трактора и его базовую конструкцию. Хлопкоуборочная машина имеет задний управляемый мост, что дало возможность агрегатировать машину с трактором с минимальной трудоемкостью с полнокомплектным использованием трактора. Данная машина имеет хорошие агротехнические и эксплуатационные показатели.

Вмести с этим, машина имеет свои недостатки: один из основных то, что неопытному механизатору трудно управлять хлопкоуборочной машиной, также механизатор не видит уборочные аппараты, вследствие чего ему трудно ориентировать машину вдоль грядки. Так же из-за заднего расположения управляемых колес машину трудно управлять, при начале движения не видно, в каком положении находятся колеса, при заезде в грядку механизатор не знает закончил ли он маневр или нет. Если управляемые колеса во время начало движения расположены поперек грядки, то возможен наезд на них, что может привести к потере урожая и срыву покрышек с дисков управляемых колес.

Во время движения, хлопкоуборочной машины по грядкам требует большой внимательности от механизатора, потому как он не видит, в каком положении находятся управляемые колеса. Также при езде в грядках ему мешает капот трактора, который уменьшает обзор из трактора, механизатору приходиться во время работы ориентироваться на угол капота трактора, что приводит к усталости тракториста, а вмести с этим, ухудшается качество сбора хлопка, увеличивается сбиваемость урожая на землю.

Поэтому одним из важных эксплуатационных свойств ХУМ является управляемость и устойчивость направления движения, от которых зависит, в значительной степени, производительность и агротехнические показатели, а также условия труда механика-водителя при обеспечении высокой точности вождения при сборе хлопка-сырца. Эффективность транспортной машины зависит от ее подвижности, определяемой совокупностью взаимосвязанных факторов, одним из которых является управляемость.

Улучшение управляемости ХУМ позволит уменьшить затраты физической и психической энергии механика-водителя на управление, а за счет повышения точности вождения повысить полноту сбора хлопка-сырца.

Работа посвящена улучшению управляемости ХУМ серии ХМ с расположением уборочных агрегатов за трактором с разработкой системой контроля положения управляемых колес.

Тема диссертации связанна с программой НИР и ОКР по улучшению ХУМ серии ХМ проводимых в ТГТУ на кафедре «Сельхозмашиностроения».

Цель и задачи, степень разработанности проблемы.

Целью работы является улучшение управляемости ХУМ серии ХМ с расположением уборочных аппаратов за трактором, с разработкой системы контроля положения управляемых колес. За счет установки на ХУМ системы автоматического контроля положения управляемых колес можно будет обеспечить намного более точный заезд в грядки хлопчатника, а с установкой прицела на капот трактора, который будет обеспечивать облегченное вождение для тракториста в рядках хлопчатника.

Данной проблемой занимаются с 1959 года на ГСКБ, а также в компании “CASE”, потому как данная тематика очень актуальна во все времена. Одним из первых систему автоматического вождения (САВ) на базе колесного трактора разработала фирма Форд Мотор (США). Программой САВ служил рядок кукурузы. Известна так же САВ на базе хлопкоуборочной машины, созданная в ГСКБ, по машинам для хлопководства. Она состояла из элементов: датчика с щупом; снабженным электро-контактным устройством, механического или электромеханического преобразователя, включающего электромагнит с рычажным приводом. Также САВ устанавливали на кукурузоуборочный комбайн и на зерноуборочный комбайн. Лучшие результаты в этой области на данный момент времени у Американской компании «CASE», которая смогла за долгие годы работы по этой проблеме частично решить данный вопрос.

Объект исследования. Полунавесная хлопкоуборочная машина ХМ предназначена для сбора средневолокнистых сортов хлопка-сырца из раскрытых коробочек хлопчатника на полях с различными междурядьями с отвечающих требованиям машинного сбора

Научная новизна. Была исследована кинематика поворота хлопко-уборочной машины серии МХ, был установлен индуктивный датчик угла поворота на задний управляемый мост хлопкоуборочной машины. Угол поворота управляемых колес составляет 60 градусов, данный датчик ранее применялся на кукурузоуборочной машине и диапазон его составлял 30 градусов. В данной работе удалось его приспособить к хлопкоуборочной машине. Также по данной работе были сделаны методические указания по проведению лабораторных работ по автоматизации, спроектирован лабораторный стенд для снятия статической характеристики с индуктивных датчиков.

Практическая значимость. Разработаны рекомендации по улучшению управляемости хлопкоуборочной машины. Также данная тема очень актуальна в данный момент времени потому как поступило очень много просьб на «БМКБ-Агромаш» и на «АО-Ташсельмаш» по улучшению и облегчению вождения машины серии ХМ. Также, данная разработка отличается своей простотой в обращении и надежностью и своей оптимальной ценной. Разработаны методики и программы расчета параметров САК, в частности характеристик индукционного датчика угла поворота. Полученные данные могут использоваться и лабораторных целях при изучении датчиков. предложения по улучшению управляемости могут быть применены в производстве хлопкоуборочной машины серии ХМ.

Схемы и параметры САК положения управляемых колес переданы В ОАО «Ташсельмаш» и ОАО «БМКБ-Агромаш» для внедрение в опытную партию ХУМ серии ХМ.

Глава I. Состояние вопроса

1.1 Характеристики объекта исследования

Хлопкоуборочная машина оборудована аппаратами многократной обработки кустов хлопчатника (МОКХ), со смещенными вертикально-шпиндельными барабанами, способствующими повышению полноты сбора хлопка-сырца.

Таблица 1

Марка машины	ХМ-1,8
Тип	Монтируемая на трактор
Агрегатируемый трактор	МТЗ-80ХА	ТТЗ-80.11	ТТЗ-100К.11
Ширина междурядий, см	90	90	90
Рабочая ширина захвата, м	1,8	1,8	1,8
Число обрабатываемых рядков, шт	2	2	2
Производительность за 1 час основного времени, га/ч
- на I сборе
- на II сборе
Производительность за 1 час эксплуатационного времени, га/ч
- на I сборе
- на II сборе
Потребляемая мощность, квт, не более	39/42	39/42	39/42
Удельный расход топлива, кг/га
- на I сборе	18	18	18
- на II сборе	14	14	14
Габаритные размеры (с трактором), мм
- длина	7480±80
- ширина	3360±40	3360±40	3360±40
- высота, не более	4000±50	4000±50	4000±50
Габаритные размеры (без трактора), мм
- длина	5350±80	5350±80	5350±80
- ширина	3060±40	3060±40	3060±40
- высота	4000±50	4000±50	4000±50
Продольная база, мм	3870±35	3870±35	3870±35
Колея по ведущим колесам, мм	180015	180015	180015
Колея по направляющим колесам, мм	180015	180015	180015
Дорожный просвет, мм, не менее	250	250	250
Масса хлопкоуборочной машины без трактора, кг	4300	4300	4300

1.1.1 Общее устройство машины

Машина монтируется на специально подготовленный под навеску трактор, располагающийся в ее передней части, и выполнена по четырехколесной схеме с двумя задними направляющими колесами.

Основные части машины: уборочный аппарат, бункер, вентиляторы и воздуховоды смонтированы на раме и вместе с ней составляют блок уборочного оборудования. Рама опирается на кожуха полуосей трактора и соединяется с помощью растяжек с лонжеронами рамы трактора.

От уборочных аппарата в бункер хлопок-сырец подается системой пневмотранспорта.

Бункер опрокидывающегося типа, приспособлен для выгрузки хлопка-сырца в транспортные средства для бестарной перевозки.

Привод рабочих органов осуществляется от вала отбора мощности трактора через раздаточный редуктор.

Все части трактора, включая ведущие и направляющие колеса, соприкасающиеся с кустами хлопчатника, закрыты обтекателями, что уменьшает сбивание хлопка-сырца.

Машина оборудована гидросистемой, обеспечивающей:

- подъем и опускание уборочных аппарата;

- подъем, выгрузку и опускание бункера;

- управление поворотом направляющих колес;

- фиксацию заднего моста относительно рамы машины при выгрузке хлопка-сырца из бункера.

Система электрооборудования позволяет с помощью фар работать в темное время суток.

Машина содержит один двухрядный блок аппарата.

Аппарат установлен на междурядье 90 см. Шпиндельные барабаны расположены друг относительно друга со смещением.

Для подъема кустов хлопчатника и направления их в рабочую щель, аппарат снабжены кустоподъемниками.

Рис. 1. Машина МХМ-1,8. 1- карданные валы; 2 -редуктора привода аппарата и вентилятора; 3 -бак гидросистемы; 4 - вентилятор; 5-редуктор вентилятора; 6-подвеска аппарата;7,8,9-механизм привода направляющих колес; !0-растяжка; 11- направляющие колеса.

1.1.2 Работа изделия

При движении машины по полю кусты обрабатываемых рядков хлопчатника направляются кустоподъемниками 3 аппарата в рабочую камеру 2, образованную последовательно расположенными щитками, шпиндельными 6 и колковыми 5 барабанами (рис.2).

Перемещаясь в рабочей камере, кусты последовательно подходят к шпиндельным барабанам 6. При этом в зоне максимального обжатия куста барабанами, происходит захват хлопка-сырца из коробочек зубчатой поверхностью шпинделей. В увеличенном пространстве между вторым и третьим, относительно куста, шпиндельными барабанами куст переформировывается. Колковые барабаны 5, установленные на входе и выходе аппарата, улучшают вод и вывод из него куста, дополнительно прижимают кусты к шпиндельным барабанам, тем самым, увеличивая зону, где происходит захват шпинделями хлопка-сырца. Таким образом, каждый куст, проходя через аппарат, пять раз обрабатывается шпинделями.

В рабочей камере шпиндели, вращаясь в сторону, противоположную направлению вращения барабанов, зубчатой поверхностью захватывают хлопок-сырец из раскрытых коробочек и наматывают его на себя.

Рис 2. Технологическая схема работы машины.1 - аппарат уборочный; 2 - камера приемная; 3 - кустоподъемник; 4 - вентилятор; 5 - колковый барабан; 6 - шпиндельный барабан; 7 - съемник

Вращаясь, барабаны выводят шпиндели с захваченным хлопком-сырцом из рабочей зоны обработки куста и подводят к щеточным съемникам, которые снимают со шпинделя хлопок-сырец и, перебрасывая от съемника к съемнику вдоль дверок аппарата в приемные камеры.

Из приемных камер хлопок-сырец по всасывающим трубопроводам подается вентиляторами 4 внутрь бункера на поверхность сепаратора.

Тяжелые примеси (земля, галечник, закрытые коробочки, ветки и т.п.) не транспортируются в бункер, а выбрасываются из окон приемных камер на землю. На поверхности сепаратора происходит отделение хлопка сырца от воздуха и мелкого сора (пыль, сухой лист).

1.2 Обзор работ, проводимых по улучшению управляемости и устойчивости движения СХМ

Систематически исследования управляемости и устойчивости тракторов и сельхозмашин начались в 60-х годах. Большинство этих работ посвящено изучению кинематической и динамической поворотливости и управляемости тракторов и машинно-тракторных агрегатов (МТА)7,13,20,21,22,25,31,33,40,41

В этих работах указывается на важность этих эксплуатационных свойств, влияющих на агротехнические показатели работы, производительность и загруженность водителя, в особенности, при движении в междурядье, где требуются высокая точность вождения.

Эти базируются на методах теории устойчивости движения автомобилей, разработанных Я. М. Певзнером 29, Е. А. Чудаковым 43, Б. С. Фалькевичом 38 А.С.Литвиновым 54 и др. Это следует считать закономерным, так как к этому времени в автомобилестроении был накоплен значительный опыт и достигнуты определенные успехи в обеспечении требуемых характеристик управляемости.

Большое число работ было посвящено исследованию влияния скорости движения МТА на управляемость, устойчивость движения и агротехнические показатели 9,10,14,17,18,23,26.

Общим выводом этих работ является то, что для каждого из рассмотренных МТА существует свой определенный диапазон скоростей, при которых обеспечиваются наилучшие характеристики управляемости и устойчивости движения. Следует, однако, этом иметь в виду то, что эти исследования проводились по различным методикам, в разных почвенно-климатических условиях, с применением различных оценочных измерителей управляемости и устойчивости движения.

Обзор литературы показывает, что до 70-х годов практически отсутствуют работы по исследованию управляемости и устойчивости движения сельхозмашин, в том числе хлопкоуборочных. Одной из причин этого является, на наш взгляд, то, что для некоторых сельхозмашин, например зерноуборочных и льноуборочных комбайнов, точность направления движения мало сказывается на агротехнические характеристики. В то же самое время, как будет показано ниже, вопросы управляемости и точности направления движения имеют важное значение для ХУМ, так как эти характеристики существенно влияют на полноту сбора хлопка с кустов.

Рядки хлопчатника как правило искривлены в плане их искривленность рядков носит случайный характер, хотя и содержит периодические составляющие. Причинам искривленности рядков являются неточность управления МТА при севе и культивации хлопчатника оказывают важное влияние на агротехнику хлопчатника вопросам улучшения управляемости и устойчивости движения хлопководческих МТА уделяется большое внимание. Этим вопросам посвящены работы Ю.Л. Колчинского 18, О.В. Лебедева 23, А.Х. Хамидова 42, И. Маруповаю 26, М.Т Тошболтаева 35, Г.Г. Расулова 30 и др.

Важным фактором, оказывающим влияние на управляемость и устойчивость движение машин, является рулевое управление. Изучение вопросов влияния гидроусилителя рулевого управления на управляемость и устойчивость движения посвящены работы Л.Л. Гинбурга 12, О.В. Лебедева 23, В.И. Фортуна 40, Г.Е. Топилина 34 и др. О.В. Лебедевым 23 проведены всесторонние экспериментальные и теоретические исследования по разработке гидроусилителе рулевого управления хлопководческих тракторов.

В последние годы большое распространение на тракторах и сельхозмашинах, в том числе хлопкоуборочных, получают гидрообъемные тины рулевых управлений. Анализ литературных источников показывают, что рабочие процессы и режимы работы ОГРУ и влияние на эксплуатационные свойства тракторов изучены недостаточно. В этом направлении имеются небольшое число работ, посвященных анализу устойчивости работы и обоснованию схем и основных параметров привода 16

Вопросы применения гидрообъемного привода рулевого управления на хлопководческих тракторах и ХУМ рассматривались в ряде работ кафедры «Автомобили» ТАДИ 15

Влияние ОГРУ на управляемость, устойчивость движения МТА и ХУМ требует решения ряда задач, в числе которых входят разработка оценочных измерителей управляемости, устойчивости и точности направления движения ХУМ и разработка методов испытаний. Поэтому большое число работ посвящено выбору оценочных параметров управляемости и устойчивости движения 4,6,19,

Однако к настоящему времени не разработаны нормативные документы (ГОСТ или ОСТ) на методы испытаний и оценки управляемости и устойчивости движения ХУМ и хлопководческих МТА. Поэтому при исследовании для оценки характеристик управляемости и устойчивости движения ХУМ и МТА применяются разнообразные измерители 5,6,12,20,24,27, др.

Рассмотрение этих работ показывает, что с разными исследователями применяются при решении сложных задач различные оценочные измерители управляемости и устойчивости движения. Наиболее последовательно вопросы оценки управляемости и устойчивости движения решены в автомобилестроении и отражены в отраслевой нормали ОН 025319-68 «оценочные параметры управляемости 28

Нормалью предусматриваются определение параметров управляемости автомобиля и определение характеристик автомобиля, оказывающих непосредственное влияние на управляемость. С той целью предусмотрено несколько видов испытаний, в том числе испытания на определение параметров управляемости при движении по прямой («курсовая устойчивость»), определение динамической поворачиваем ости (форма траектории- синусоида).

Для оценки управляемости автомобиля при движении по прямой рекомендуется два оценочных измерителя: средне интегральная скорость бокового смещения , характеризующая соответствие направления движения автомобиля заданному, и средне интегральная угловая скорость поворота рулевого колеса , оценивающая работу водителя по поддержанию заданного направления движения.

Эти измерители использовались в ряде работ по исследовании управляемости и устойчивости движения хлопководческих МТА и ХУМ 15,30,42

Характерной чертой большинства теоретических исследований вопросов управляемости и устойчивости движения и кинематики поворота МТА, является боковое допущение о боковой жесткости шины, несминаемости грунта в поперечном направлении, что значительно упрощает анализ, но в ряде случаев вносит значительные ошибки в результаты.

В работах И.Б. Барского 46 , и др. отмечается существенное влияние упругости шин на динамику и динамику и кинематику МТА. Особо большой объем экспериментальных исследований по определению характеристик увода тракторных шин был проведен В.П. Бойковым 47

Наиболее корректный подход в теоретических исследованиях устойчивости и управляемости сельхозмашин был дан Л.В. Гячевым 48 , который при описании бокового движения колеса отошел от широко распространенной гипотезы «бокового увода». Гипотеза бокового увода, широко принимая в автомобилестроении и корректная при больших скоростях и малых частотах поворота управляемых колес, может при изучении управляемости и устойчивости движения тракторов и сельхозмашин давать не только количественные, но и качественные неверные результаты.

Это связанно с тем, чем меньше скорость перекатывания шины, тем больше проявляется её инерционность, т.е. запаздывание между углом увода и поперечной реакцией, действующей на колесо. Поэтому в более поздних работах по управляемости и устойчивости движения тракторов и сельхозмашин при описании бокового увода шин стали использовать уравнение кинематических связей, области целесообразно применения которых обоснованы в работах 49

Для многорядных ХУМ, имеющих массу 8…10 тонн, влияние увода шин и сминаемость грунта в поперечном направлении становится особенно заметным. Поперечные колебания машины на шинах практически трудно демпфировать поворотами рулевого колеса. Поэтому большая часть неконтролируемых водителем курсовых отклонений приходится не поперечные колебания машины на шинах. Причины поперечных колебаний МТА на шинах и их количественная оценка была дана в работе Г.Г.Расулова 30

С целью уменьшения поперечных колебаний ХУМ, повышения устойчивости движения некоторыми авторами предлагалась установка динамического гасителя колебаний на машине24. Недостатком подобного решения является заметное увеличение массы машины.

На наш взгляд уменьшение поперечных колебаний машины на шинах должно решаться рациональным выбором параметров подвески аппаратов и др. эта проблема ещё не решена при конструировании ХУМ.

Одной из первых работ, посвященных влиянию точности управления ХУМ на полноту сбора хлопка явилась работа И.Н.Азарова 1, выполненная в ГСКБ по машинам для хлопководства. Им было показано, что точность ориентации уборочных аппаратов по отношению к кустам хлопчатника оказывает заметное влияние на полноту сбора с кустов и количество сбиваемого на землю хлопка. И.Н.Азаровым были получены эмпирические формулы, позволяющие вычислить общие потери полноты сбора в зависимости от среднеквадратичных отклонений рабочей щели аппаратов от середины рядка хлопчатника.

В качестве решения проблемы обеспечения точности управления и облегчения работы водителя И.Н. Азоровым была предложена система автоматического вождения машиной на гоне.

В работах А.Д. Глущенко, Р.Н. Матчанова, разработан целый ряд подвесок для аппаратов, защищенных авторскими свидетельствами 27

Вопросы рабочего процесса и оптимитизации параметров уборочных аппаратов ХУМ, решалась в работах, проводимых, в институте механике и сейсмостойкости АН р. Узбекистан под руководством Х.Х. Усманходжаева и А.Д. Глущенко, ТГТУ в работах А.С. Садриддинова и А.Д. Абдазимова 32

Вопросами влияния компоновки ХУМ на агротехнические и динамические характеристики посвящены работы А.Б. Газизбекова И М.Ш. Тошболтаева 35

По исследованиям проводимым Хошимовым и Тургенбаевым 50 было замечено, что движение машины по неровной опорной поверхности сопровождается непрерывными случайными отклонениями управляемых колес от их нейтрального положения, соответствующего прямолинейному движению.

Пусть под действием внешних сил управляемые колеса повернутся на некоторый угол и. При этом направление боковой реакции Y, действующий на управляемое колесо определяется положением мгновенного центра абсолютного вращения машины ща, которая определяет алгебраический суммой относительной що, и переносной щп угловых скоростей поворота колеса и машины. Величина относительной угловой скорости що зависит от скорости поворота рулевого колеса. Для машины с передним управляемыми колесами в начале поворота направление относительно що и переносной щп угловой скорости совпадают, (рис 1.3.) поэтому центр абсолютного вращения будет лежать на отрезке, соединяющим центры относительного и переносного вращения, в точке О.

Рис.1.3. Направление боковых реакций при случайном повороте переднего колеса.

Направление боковой силы y1 положением мгновенного центра абсолютного вращения и направлена от центра переносного вращения. При выходе из поворота направление относительного вращения не совпадает с переносным, но боковая реакция будет иметь то же самое направление, что при входе а поворот. Следовательно, момент от боковой реакции y будет всегда положительным.

При движении машины с задним расположением управляемых колес, (Рис. 1.4.) после случайного поворота управляемых колес на некоторый угол и, направление относительного що и переносного щп угловых скоростей вращений направлены в разные стороны. В следствии, большой инерции машины, поворот машины начинается не сразу, а по истечении некоторого времени ф, которое, обычно, называют временем реакции машины на управление. После поворота управляемого колеса в течении периода времени, меньшего ф, машина не поворачивается и его переносная угловая скорость щп равна нулю, а мгновенного центр поворота будет лежать в точке О1. Боковая сила н Y2 ,направлена от мгновенного центра поворота О1.

По истечении времени равного времени реакции на управление ф начнется поворот машины и в дальнейшим переносная угловая скорость щп станет больше относительной що, а мгновенный центр поворота переместится в точке О2. Боковая сила Y2, переменит свое направление на противоположное Yґ2.

Рис.1.4. Направление боковых реакций при случайном повороте заднего управляемого колеса

При отсутствии выноса оси управляемого колеса , на колесо будет действовать момент, обусловленный качением шин с уводом. Как известно, при качении шины с уводом равнодействующая элементарных боковых реакций смещается назад по ходу движения машины, придлизительно, на 1/6 длины контактной площади. Поэтому момент от смещения назад по ходу движения боковой реакции, будет стабилизирующим, когда угловая скорость поворота управляемого колеса що больше угловой скорости поворота машины больше угловой скорости поворота управляемого колеса що.

При смещении оси управляемого колеса вперед по ходу движения машины надлюдается обратная связь, в начальной стадии поворота (когда, що > щп) - будет действовать дестабилизирующие моменты, и во второй тадии поворота (когда, що < щп) - стабилизирующие.

Если вынос оси управляемого колеса осуществлять назад по ходу движения машины, то в первой поворота на управляемое колесо будут действовать стабилизирующие моменты, а во второй стадии поворота - дестабилизирующие моменты.

Таким образом, ни при каком положении выноса оси задних управляемых колес не удается на всех стадиях поворота получить на управляемых колесах не удается на всех стадиях поворота получить на управляемых колесах стабилизирующие моменты.

Наиболее важным фактором, обуславливается худшие характеристики устойчивости прямолинейного движения машины с задними управляемыми колесами являются особенности стабилизации задних управляемых колес.

В тоже время вопросы стабилизации управляемых колес и устойчивости движения машины с задним расположением управляемых колес изучены недостаточно полно и требуют дальнейших исследований.

В своей работе Турганбаев разбирал конструктивные параметры ХУМ и зависимость их устойчивость и управляемость.

В своих работах Шеповалов В.Д. и Литвинов А.С. 24,44 подробно рассматривают влияния подвески в целом на управляемость и устойчивость автомобиля.

На колесо автомобиля, взаимодействующее с опорной поверхностью, действуют силы, которые удерживают машину на дороге, передвигают и останавливают его, заставляют изменить направление движения. В процессе взаимодействия колеса с опорной поверхностью в различных направлениях деформируется как колесо, так и опорная поверхность. В зависимости от соотношения деформации колеса и опорной поверхности возможны следующие условные виды движения колеса:

1. эластичного (деформируемого) колеса по недеформируемой поверхности;

2. жесткого (недеформируемого) колеса по деформируемой поверхности;

3. деформируемого колеса по деформируемой поверхности.

К первому виду движения можно относить случаи, когда деформация опорной поверхности значительно меньше деформации шины, что наиболее характерно для автомобиля как транспортного средства, предназначенного для движения по дорогам с твердым покрытием.

Второй вид движения наиболее часто наблюдается при работе автомобиля на рыхлых или болотистых почвах, при движении автомобиля по снежной целине или сыпучему песчаному грунту.

В некоторых условиях деформации колеса и опорной поверхности соизмеримы, например, при движении автомобиля с пониженным давлением воздуха в шинах по грунтам с малой несущей способностью (пашня, размокший грунт и др.).

Колесо автомобиля может катиться прямолинейно (при прямолинейном движении автомобиля) или криволинейно (при повороте автомобиля). Ниже рассматривается прямолинейное движение автомобильного колеса по недеформируемой поверхности. При этом считается, что все силы и моменты, действующие на колесо, располагаются в вертикальной плоскости. Особенности работы колеса в других условиях движения будут рассмотрены нами позднее.

Пневматическая шина представляет собой оболочку, наполненную сжатым воздухом. При качении колеса по дороге происходит деформация этой оболочки и проскальзывание элементов протектора относительно поверхности дороги.

Размер автомобильного колеса в свободном, ненагруженном состоянии характеризуется свободным радиусом r_c. Свободный радиус колеса -- половина наружного диаметра

D_н; r_c =0.5 D_{н (}1.1.)

Под наружным диаметром колеса понимается диаметр наибольшего окружного сечения беговой дорожки колеса при отсутствии контакта с дорогой. Наружный диаметр колеса зависит от давления воздуха в шине и, как правило, возрастает с его увеличением, определяется непосредственно замером. Значение наружного диаметра колеса при номинальном давлении воздуха в шине указывается в ГОСТах или каталогах.

При действии на колесо вертикальной нагрузки происходит деформация части шины, соприкасающейся с опорной поверхностью. При этом расстояние от оси колеса до опорной поверхности становится меньше свободного радиуса. Это расстояние, замеренное у неподвижного колеса, называется статическим радиусом r_ст. Статический радиус при номинальных нагрузках и давлении воздуха в шинах также указывается в их характеристиках. Обычно шины конструируют таким образом, чтобы при номинальных нагрузке и давлении прогиб шины составлял 13... 20 % от высоты профиля. Статический радиус при известных конструктивных параметрах шин можно находить из соотношения:

r_ст =0,5d+k_zH, (1.2)

где d -- посадочный диаметр обода шины; k_z --коэффициент вертикальной деформации, зависящий от типа шин: для тороидных шин k_z =0,85...0,87; для шин с регулируемым давлением и арочных k_z =0,8...0,85; Н -- высота профиля.

При качении нагруженного колеса в силу ряда причин (динамическое действие нагрузки, передаваемый колесом крутящий момент, скорость вращения и др.) расстояние между осью колеса и опорной поверхностью меняется. Это расстояние называют динамическим радиусом r_д. При качении колеса по твердой опорной поверхности с малой скоростью статический и динамический радиусы его практически одинаковы. Поэтому при приближенных расчетах динамический радиус часто принимают равным статическому.

Радиус качения колеса можно представить как радиус условного недеформируемого кольца, которое, катясь без скольжения, совершит число оборотов и пройдет путь, одинаковый с реальным колесом. Радиус качения колеса является условной величиной и непосредственно не связан с его размерами. Он определяется как отношение поступательной скорости колеса к угловой скорости его вращения

r_k = v_x /v_k. (1.3.)

При качении колеса на него могут действовать крутящий момент и толкающая сила. Если колесо катится под действием только толкающей силы, такое колесо называют ведомым. Радиус качения колеса в ведомом режиме r_k0 не равен его свободному радиусу, поскольку при действии на шину вертикальной нагрузки происходит сжатие протектора в тангенциальном направлении по нижней полуокружности шины.

Поэтому периметр колеса в нагруженном состоянии оказывается меньше периметра свободного колеса. Этому способствует и то, что точки протектора, находящиеся на различном расстоянии от центральной плоскости колеса, имеют неодинаковые относительные скорости. Поэтому в зоне контакта тангенциальные деформации шины оказываются различными также и по ее ширине. Характер изменения радиуса колеса в ведомом режиме от нагрузки показан на (рис. 1.5.)

Рис.1.5 . Деформация шины (а) и эпюра напряжений в протекторе (б) при приложении к колесу крутящего момента:+ --зона сжатия; - --зона растяжени

При номинальном давлении и нагрузке радиус качения колеса в ведомом режиме больше его статического радиуса и меньше радиуса колеса в свободном состоянии. При расчетах его можно принимать равным 0,95.,.0,97 свободного радиуса.

Реальное автомобильное колесо в тангенциальном направлении не является абсолютно жестким. Под воздействием передаваемого крутящего момента протектор деформируется в тангенциальном направлении. Если направление передаваемого момента совпадает с направлением угловой скорости колеса, элементы шины, находящиеся в набегающей полуокружности, подвергаются сжатию, а с противоположной стороны -- растяжению, как это показано на рис.

Элементы шины, находящиеся в контакте с опорной поверхностью, нагружены в тангенциальном направлении неодинаково: элементы, входящие в контакт, сжимаются, а выходящие -- растягиваются. При возрастании передаваемого крутящего момента увеличивается площадь, в пределах которой происходит проскальзывание шины относительно дороги.

Перемещение части точек колеса, находящийся в контакте с дорожным покрытием, относительно опорной поверхности, когда в зоне контакта есть точки, неподвижные относительно этой поверхности, называется упругим проскальзыванием колеса. Одновременно же перемещение всех находящихся в контакте точек колеса называется скольжением колеса.

Вследствие упругого проскальзывания или скольжения путь, проходимый колесом за один оборот, оказывается меньшим, чем путь, проходимый в ведомом режиме. При возрастании передаваемого крутящего момента увеличивается тангенциальная деформация шины и скольжение, а путь, проходимый колесом за один оборот, уменьшается. В соответствии с принятым выше определением, уменьшение пути центра колеса за определенное число его оборотов равносильно уменьшению радиуса качения. Если направление передаваемого момента будет противоположным направлению угловой скорости вращения колеса (тормозящее колесо), при увеличении момента радиус качения будет возрастать.

Рис.1.6. Зависимость радиуса качения от крутящего момента.

Зависимость радиуса качения колеса от передаваемого ему крутящего момента показана на (рис.1.6 .) На участке 2--3 радиус качения линейно зависит от передаваемого момента, и его изменение определяется упругим проскальзыванием колеса. Акад. Е. А. Чудаковым, 43 впервые установившим эту зависимость, предложена следующая формула для нахождения радиуса качения по передаваемому колесу моменту:

r_k=r_k0-k_tM_k (1.4)

где _k0 -- радиус качения при нулевом крутящем моменте, который соответствует радиусу качения колеса в ведомом режиме;

k_t -- коэффициент тангенциальной эластичности шины, зависящий от типа и конструкции шины.

Трактор должен устойчиво сохранять направление движения, не отклоняясь от него под действием случайных сил, противостоять опрокидыванию и скольжению шин . Вместе с тем трактор должен быть управляемым и легко изменять направление движения по желанию водителя, не вызывая сильного его утомления. Кинематика поворота автомобиля. Движение автомобиля на повороте состоит из трех фаз

Фаза входа в поворот . Водитель поворачивает управляемые колеса из нейтрального положения и автомобиль, двигавшийся в начале прямолинейно, движется по кривой уменьшающегося радиуса.

Фаза поворота. Управляемые колеса машины повернуты на определенный угол, и автомобиль движется по дуге окружности.

Фаза выхода из поворота. Водитель возвращает колеса в нейтральное положение, автомобиль движется по дуге, увеличивающегося радиуса. В конце этой фазы автомобиль снова движется прямолинейно.

При отсутствии увода и скольжения колес вектор скорости v середины задней оси параллелен плоскостям колес. Следовательно, мгновенный центр скоростей автомобиля О, расположенный на пересечении перпендикуляров к векторам скоростей v и v₁ средних точек у обеих осей автомобиля, находится на продолжении задней оси .Средний угол поворота передних колес и радиус кривизны R траектории, описываемой серединой задней оси автомобиля (точка В), связаны равенством.

Пусть в начальный момент точка В совпадала с началом координат, а в момент времени t продольная ось автомобиля составила с прежним направлением движения угол (курсовой угол). После поворота автомобиля еще на угол точка В опишет дугу, длина которой При движении автомобиля со скоростью v м/сек дуга.

полученные выражения для анализа кинематики поворота автомобиля. Для упрощения выкладок примем, что водитель поворачивает передние колеса с постоянной угловой скоростью. Тогда угол изменяется пропорционально времени. Продольное перемещение автомобиля, выполняющего поворот, можно при принятых допущениях считать пропорциональным времени, т. е. равномерным. Поперечное же смещение (вдоль оси у) пропорционально кубу времени и увеличивается весьма быстро. Исключив из последних двух равенств время t, найдем уравнение траектории точки В: Таким образом, при равномерном движении и постоянной угловой скорости поворота управляемых колес середина задней оси автомобиля описывает кубическую параболу. Поэтому при проектировании и строительстве дорог кривые с переменным радиусом часто выполняют в виде кубической параболы.

В конце входа автомобиля в поворот передние колеса повернуты на угол таким образом, при равномерном движении и постоянной угловой скорости поворота управляемых колес середина задней оси автомобиля описывает кубическую параболу. Поэтому при проектировании и строительстве дорог кривые с переменным радиусом часто выполняют в виде кубической параболы.

В конце входа автомобиля в поворот передние колеса повернуты , время движения автомобиля в первой фазе, сек.. Координаты точки В, в конце первой фазы можно считать равномерным и во время выхода его из поворота; поэтому продольное смещение x₂ вдвое больше, чем x_1. Поперечное же смещение в фазе выхода автомобиля из поворота увеличивается быстрее, чем во время первой фазы, и к началу прямолинейного движения в шесть раз превышает смещение у₁ конца первой фазы. Курсовой угол в конце первой фазы вдвое меньше угла соответствующего началу прямолинейного движения автомобиля.

Соотношение углов поворота управляемых колес. При движении автомобиля без увода и скольжения векторы скоростей всех колес совпадают с плоскостями последних. Мгновенный центр скоростей О находится в точке пересечения перпендикуляров, восстановленных к этим скоростям. Для выполнения этого условия угол поворота управляемого наружного колеса должен быть меньше угла поворота внутреннего колеса.

Поворот управляемых колес на различные углы осуществляется рулевой трапецией, которая, однако, не может обеспечить точного выполнения условия Поэтому трапецию конструируют так, чтобы данное равенство выполнялось при малых углах поворота, наиболее часто встречающихся в эксплуатации. При углах поворота до 15° можно принять и в расчетах использовать средний угол, равный полу сумме этих углов. У автомобиля с эластичными шинами угол поворота внешнего колеса меньше отличается от угла, чем у трактора с жесткими шинами. Это означает, что у трактора с шинами, эластичными в поперечном направлении, рулевая трапеция по своей форме должна приближаться к прямоугольнику.

Следовательно, у медленно движущегося автомобиля с эластичными шинами рулевой привод должен обеспечивать такое же соотношение углов поворота колес, как и у трактора с жесткими шинами. Однако по мере увеличения скорости это соотношение должно изменяться и тем больше, чем больше скорость трактора. Требуемое соотношение углов и у автомобиля с эластичными шинами может быть выполнено только при дополнении рулевого привода автоматической регулировкой, что весьма усложнит его конструкцию.

Поперечная сила, действующая на автомобиль при повороте. Для анализа устойчивости и управляемости автомобиля необходимо знать величину действующей на него поперечной силы, стремящейся изменить направление его движения. При повороте автомобиль такой силой является боковая составляющая центробежной силы. 43,44

1.3 Обзор и анализ, работ проводимых по оснащению САК направления движения СХМ

С целью улучшения управляемости хлопкоуборочной машины в грядках по предложению Азарова И.Н. 1 был установлена машину система автоматического вождения (САВ), которая хорошо себя зарекомендовала, но в массовое производство данную систему не запустили из-за того, что данная система считается дорогостоящей.

Настоящее время показало что для нашего рынка требуется машина не дорогостоящая и с хорошими агротехническими показателями, на «БМКБ-Агромаш» была выпущена полунавесная хлопкоуборочная машина, которая навешивается на трактор, не изменяя направления движения трактора. Данная машина хорошо зарекомендовала себя, данная машина имеет задний управляемый мост, её трудно управлять неопытному водителю-механизатору.

На кафедре «Сельхозмашиностроения» ТГТУ, было предложено установить систему автоматического контроля, угла поворота управляемых колес хлопкоуборочной машины. Ранее отечественную хлопкоуборочную машину не оснащали системами автоматического контроля, автоматизация ХУМ оставалась на бумаге и в массовое производство не запускалась.

Для эффективной работы МСХМ необходимо обеспечить измерение, учет и контроль их параметров, защиту основных механизмов, регулирование и управление машинами в целом. При этом сама МСХМ (рабочий орган, происходящее с ним событие или выполняемый процесс) представляет собой объект контроля, учета и т.д., соединение её со сре6дствами или устройствами регулирования, защиты и т.п. - соответствующую систему измерения, управления и т.д.. Иногда при сложности устройств (включают радиосвязь, телеуправление и т.д.) их набор называют системой совокупность объекта и управляющего (контролирующего) устройства.

Требования к САК вытекают из особенностей работы МСХМ, а также условий получения и использования информации. В общем виде их можно сформулировать так.

Системы должны быть максимально унифицированные и универсальными, чтобы номенклатура их была минимальной. От этого зависит условия эксплуатации, обслуживания и ремонта.

Развитие должно основываться на универсализации, введение новых элементов и блоков, а не на замене новыми системами.

Они должны контролировать максимальное число объектов.

Быть пригодными к работе с машинами, содержащими различные по числу и параметрам рабочие органы. Небольшое число объектов должно контролироваться малым числом датчиков.

Выдавать информацию, необходимую для принятия немедленных решений.

Информация должна быть максимально обработана и минимальна по объему. При возможности должна выдаваться двоичная информация. При нарушении контролируемого параметра она должна поступать без вмешательства оператора; большая по объему информация может выдаваться по запросу.

Индикаторы должны размещаться на рабочем месте оператора. При большом количестве контролируемых объектов часть индикаторов может располагаться в близи объектов.

Обязательно должны использоваться звуковые индикаторы, они привлекают внимание оператора к визуальной информации, подаваемой САК, что дает возможность наблюдать за параметрами, не контролируемыми САК. Уровень звукового сигнала должен превышать уровень шума минимум на 6 дБ, т.е. быть выше 75 дБ.

С визуальных индикаторов должна подаваться качественная и количественная информация от объекта или группы объектов. Для воспроизведения качественной информации, следует применять дисплей на который выводиться вся информация с звуковым сигналом, потому как при попадании прямого солнечного света ухудшается просматриваемость на дисплее. Если цифровые индикаторы используется для количественной информации (как индикаторы номера объекта попавшего в аварийную ситуацию), то при большом числе контролируемых объектов существует вероятность одновременно высвечивания номеров нескольких объектов. В этом случае показания индикатора становиться неопределенными.

Надежность САК должна значительно превышать надежность МСХМ, для которых она предназначена. При определении максимального срока службы САК необходимо исходить из ресурса МСХМ. С учета того, что МСХМ работают сезонно.

Оператор МСХМ должен иметь возможность проверять и контролировать работу САК. Такую проверку нужно проводить в начале рабочего дня и при выявлении отклонений. Желательно для контроля САК оснастить простым и надежным тестирующим устройством.

Информация о дефектах, выявленных при работе МСХМ, должна сохраняться, фиксироваться во время остановки машины до устранения дефекта и стираться, когда машина придет в движение.

При аварийной остановке МСХМ все контрольные каналы САК, кроме сработавшего, должно быть сблокированы, чтобы предотвратить индикацию ложной информации, получаемой из-за прекращения работы МСХМ.

Легко монтироваться и демонтироваться, особенно на прицепных и навесных машинах, с которых она должна демонтироваться после каждой кампании. САК классифицируются от характера контролируемого процесса (периодический, квазипериодический, случайный), вид его (дискретный, аналоговый), использованная база. САК можно классифицировать также в зависимости от характеристик объектов МСХМ или самих САК. Примем первый способ классификации, так как он связан с более общими особенностями САК. Но чтобы можно одновременно охватить и разделить конкретные САК, в некоторых случаях следует использовать и второй способ. При этом надо иметь в виду, что одна система, как правило, обслуживает более одного объекта. За этот тип массовый. принят самый

САК можно классифицировать в зависимости от вида МСХМ так (рис 1.7), для почвообрабатывающих машин, сеялок, машин для внесения удобрений и гербицидов, для опрыскивания посевов (для кратности- машины для внесения материалов), уборочных машин, тракторов.

САК должны контролировать большое количество однотипных (или однотипно контролируемых), объектов. Среднее число таких объектов, например на уборочных машинах составляло в 1995г. n ср.=9.

Технико-экономические показатели системы в значительной степени зависят от вида контроля (последовательный или параллельный) 12. Для его определения могут быть применены различные критерии: временной, экономический, критерий «надежности» и т.д. в зависимости от характера процесса, выполняемого контролируемым объектом МСХМ.



Рис. 1.7. Классификация САК для пяти основных классов.

Для примера рассмотрим уборочные машины (основной контролируемый параметр их - верхний предел периода функционирования рабочих органов), используется временной критерий. Он может быть выражен интервалом Тост, равным времени от возникновения необходимости остановки до её реализации:

Т ост = Тсак + Тв + Тупр + Ти, (1.5.)

где Тсак - интервал времени прохождения через САК информации о необходимой остановки; Тв - интервал времени приема информации до остановки; Тупр - интервал управляющего воздействия для остановки МСХМ; Ти - интервал движения МСХМ по инерции после торможения.

В уборочных машинах контролируемые рабочие органы снабжены предохранительными устройствами (штифтовыми , фрикционными и т.п.), которые приводятся в действие при минимальном, чтобы перегрузки не отразились на МСХМ . Кроме того, в интервал Тост МСХМ практически не убирает продукции, что ведет к потерям.

Из составляющих Тост только интервал Тсак зависит от типа системы контроля, поэтому влияние на Тост нужно уменьшить до минимума:

ТСАК < (Тв + Тупр + Ти ). (1.6.)

Так как значение Тв, Тупр и Ти в сумме не превышают 30%, то

ТСАК < 0,3(Тв + Тупр + Ти). (1.7.)

Обычно сигнал остановки принимает оператор МСХМ. Все САК подают звуковой сигнал при отклонении параметров контролируемого объекта. В некоторых системах (например , УСАК-Б и УСАК-В) номер объекта, в котором обнаружена неисправность, оператор запоминает, в более современных системах (GDRT-32, SCAN и др.) это делается автоматически.

Следовательно , в общем случае

Тво = Твзв + Твсв, (1.8.)

где Тво - интервал приема оператора (равный 0…0,45с); Твзв - интервал приема звукового сигнала (0,15с); Твсв - интервал поиска, восприятия и запоминания светового сигнала(0,30с).

При автоматическом управляющем воздействии (исполнительный орган электромеханический или электрогидравлический) Тупр 0,1с.

Интервал зависит от массы М, скорости движения x в в момент начала торможения и тормозного усилия Fтор, М и ускорение а связаны зависимостью

Fтор = Ма. (1.9.)

Поскольку М постоянна, то с достаточной для расчетов точностью можно принять Fтор = const при а = const.

Режим торможения машины при скорости x

dx =-adt. (1.10.)

В рассматриваемых САК контролируется как линейная х, так и угловая скорости рабочих органов, представляющие собой аналоговые величины, почти постоянные при нормальной работе и значительно уменьшающихся при перегрузках. По некоторым причинам, в том числе экономическим, величинам х и контролирует с помощью параметра Трон номинального периода рабочего органа.

При определении Тсак принимают во внимание следующее.

Максимальное значение Трон, для которого целесообразен контроль рабочего органа.

Наличие предаварийной ситуации и её особенности. Она характеризует быстрым снижением частоты вращения рабочего органа, которое происходит из-за перегрузки. Чтобы установить предаварийную ситуацию, принимается, что преаварийный период Троа = (1,2…2,0) Трон.

Метод контроля, заложенный в САК. Для этого можно использовать метод определения интервала Тв между двумя последовательными импульсами, возникающими из-за наличия характерных элементов в рабочем органе. С увеличением числа b этих элементов значения Тсак и Твн = Троа/b снижаются.

В некоторых случаях можно использовать несколько элементов, но по конструктивным соображениям их число обычно не превышает десяти. Исходя из изложенного временной интервал прохождения сигнала через САК при параллельной схеме контроля.

Тсак пар = (1,2…2,0) Трон/ b; (1.11.)

При последовательной схеме контроля.

Тсак посл =n Тсак пар. (1.12.)

Отсюда можно заключить, что большую часть рассматриваемых в этой работе САК целесообразно использовать как системы с параллельным контролем.

САК выпускаемыми иностранными фирмами, а в частности САК периодичности движения фирмы Dickey John. Такие системы содержат датчики, соединительные кабели, для обработки информации и индикатор. Выполнены они моно блочно. В мониторе находятся все функциональные блоки, за исключением датчиков. Датчики используются в основном индукционные генераторного типа. Могут использоваться и контактные датчики непрямого магнитного действия. Принцип действия контрольных блоков различен. Например, в системах фирмы Dickey John он основан на сравнении частоты импульсов датчика с частотой эталонного генератора, в системах Hessel - он основан на сравнение постоянного напряжения, пропорционального частоте импульсов датчика, с постоянным эталонном напряжения. Индикаторный блоки содержат в себе индивидуальные световые индикаторы для каждого ОК. В задающем блоке почти всех систем имеют элементы, позволяющие задавать верхнею границу Тгр периода ОК. Обычно это потенциометры, отдельные для каждого канала.

Хороший показатель автоматизации сельскохозяйственной техники у Американцев и у Европейцев. В частности у хлопкоуборочной машины CASE 2002 контролируются почти все рабочие параметры ХУМ.

Краткое описание систем автоматического контроля хлопкоуборочной машины CASE 2002. Посредством трех сенсорных переключателей на лицевой части цифрового тахометра оператор может выбрать мощность двигателя, вентилятора, или скорость самой машины. Буквенные символы показывают влияние со скоростями Е (двигатель), F(вентилятор), или S(скорость), для обозначения показанной величины.

Колибрация скорости - цифровой тахометр содержит устройство для колибрации скорости движения в соответствии с размером шин.

Регулировка и сигнализация двигателя - функция сигнализации регулируемый заданным значением, сообщает оператору, когда скорость двигателя падает, ниже установленного придела во время сбора урожая.