Prerequisites for the creation of an integrated system for leveling and cushioning framework of combine harvesters

Full Text

Введение Одна из основных проблем сельского хозяйства по увеличению производства зерна заключается в повышении эффективности работы зерноуборочных комбайнов (ЗУК) на агрофонах со сложным макро- и микрорельефом, на которые только по СНГ приходиться более 16 млн га посевов зерновых [1, 2]. При проведении уборочных работ на таких местностях отмечается значительное увеличение потерь зерна из-за неприспособленности конструкции ЗУК к особым условиям, в связи с чем в России и за рубежом разработаны соответствующие технические и конструктивные решения [3-5], которыми оснащается лишь незначительная часть производимой техники. Вместе с тем, в последнее время отмечается рост эксплуатационных скоростей ЗУК, что ведет к увеличению действующих на них динамических нагрузок и ухудшению показателей плавности хода [6]. Однако ни системы уменьшения потерь продукции при работе ЗУК на полях со склоном и микронеровностями, ни системы подрессоривания не имеют широкого применения из-за их высокой начальной стоимости [7], монофункциональности [8], низкой надежности и т.д. Указанные недостатки могут быть нивелированы за счет разработки и внедрения систем, выполняющих комплекс функции, например, по снижению потерь продукции при работе ЗУК на агрофонах со сложными рельефом, а также подрессориванию остова. Разработка методов конструирования таких систем позволит значительно улучшить эксплуатационные свойства и массо-габаритные показатели рассматриваемого типа самоходных машин, что обуславливает практическую значимость и актуальность исследований по данному направлению. Цель исследования Целью исследования являлось выделение оптимальных конструкторско-технологических решений по снижению потерь зерна при работе ЗУК на полях со сложным рельефом, а также оценка параметров их плавности хода для выбора и определения требований к системам подрессоривания остова. Потери при работе ЗУК на агрофонах с неровностями По данным отечественных машино-испытательных станций, на агрофонах с уклоном 8…0º при подаче хлебной массы 4,5 кг/с общие потери зерна могут достигать до 6 %. Проведенные лабораторные и лабораторно-полевые испытания систем очистки ЗУК показали, что при наклоне молотилки одновременно в поперечном и продольном направлениях потери достигают 8…2 % [7]. Аналогичные результаты по ЗУК получены за рубежом: в условиях работы на гористой местности величина уклона в значительной степени изменяет геометрические и кинетические основы процесса очистки зерна [9-11], а потери могут составлять до 13 %. Размер этих потерь в главной степени зависит от величины угла наклона местности. В работе [12] показано, что при наклоне до 6º средний прирост потерь составлял около 0,2 % на 1 % роста уклона местности. При уклоне местности более 6º этот рост может быть больше более чем в два раза. К настоящему времени известны конструкции ЗУК и их систем, обеспечивающие снижение потерь зерна при уборке на склонах до 24…26º. По области применения ЗУК можно разделить на следующие классы: равнинные, работающие без нарушения технологического процесса на склонах до 8º в поперечном и продольном направлениях; косогорные, работающие без нарушения технологического процесса на склонах до 14…16º; крутосклонные - на склонах до 26º [13]. В основе конструкции равнинных ЗУК чаще всего лежит воздушно-решетчатая система (ВРО), представленная на рис. 1. Данная схема реализована в большинстве современных конструкций комбайнов отечественного и иностранного производства [3, 4]. Проведенные исследования эффективности работы такой схемы показали, что при крене комбайна увеличение потерь обусловлено смещением технологической массы к одной из сторон молотильно-сепарирующего устройства. При движении ЗУК на подъем либо спуск такие системы неэффективны из-за изменения скорости движения технологической массы. Основным способом снижения потерь равнинного ЗУК при работе на склонах является снижение скорости движения, а также регулировка режимов функционирования рабочих органов. Косогорные модификации ЗУК отличаются от базовых моделей адаптированной к склонам системой очистки и молотильно-сепарирующего устройства (рис. 2). Компания NEW HOLLAND с целью снижения потерь зерна на склонах разработала и запатентовала систему автоматического выравнивания решетного стана Smart Sieve (рис. 2, а и 2, б), в которой электрический силовой привод постоянно поддерживает решета и грохот в горизонтальном положении, а также управляет параметрами вентилятора очистки [5]. Таким образом, технологическая масса равномерно распределяется по решетам, а воздушный поток, проходящий сквозь сита, обеспечивает очистку и сепарацию тонкого вороха. Наличие такой системы позволяет увеличить рабочую скорость ЗУК на агрофонах со сложным рельефом с обеспечением достаточно высокого качества обмолота. Также внедрены и запатентованы технологии Opti-Speed и Opti-Fan, позволяющие автоматически изменять параметры работы клавиш соломотряса и вентилятора в зависимости от угла наклона опорной поверхности [5]. Компания Claas внедрила в ЗУК систему 3D очистки, позволяющую автоматически изменять параметры верхнего решета и обеспечивающую его дополнительным возвратно-поступательным движением по двум направлениям (рис. 2, в) [4]. Аналогичные разработки есть у компании «Ростсельмаш», «John Deere», марки «Fend» и др. Представленные механизмы позволяют несколько повысить эффективность работы ЗУК на уклонах до 10…12°, однако при значительных уклонах также малоэффективны. В связи с этим, многие известные производители ЗУК, такие как Claac, Laverda, John Deere, New Holland и Fend разработали и внедрили системы стабилизации положения остова (рис. 3), отличительной особенностью которых является наличие дополнительных механизмов по управлению положением колес. Например, комбайны фирмы Claas модификации Montana (рис. 4, а) оснащают специальными системами выравнивания остова, что обеспечивает качественную работу техники на боковом склоне до 38 %, движении на подъем - до 30 % и спуск - до 14 % [14]. Ключевым элементом системы выравнивания остова комбайна Claas Montana является ведущий мост (рис. 4, б). Благодаря повороту бортовых редукторов (рис. 4, в) с помощью гидравлических цилиндров колеса адаптируются к профилю опорной поверхности, шасси комбайна принимает горизонтальное положением, чем обеспечивается уменьшение общих потерь продукции [14]. Динамические нагрузки на остов ЗУК при его движении Вместе с тем, из-за повышения требований к эксплуатационным свойствам сельхозмашин в последнее время можно выделить рост скоростей ЗУК при движении как в транспортном, так и в рабочем режиме. В настоящее время разрабатываются перспективные модели ЗУК, которые должны развивать скорость в транспортном режиме до 50 км/ч. При повышении скоростей движения повышаются и нагрузки, действующие на остовы комбайнов и их операторов. Для оценки уровня действующих нагрузок на остов ЗУК проведены эксперименты, в ходе которых были оценены усилия (реакции), передаваемые от колес на балки ведущего (МВК) и управляемого мостов (МУК) комбайна RSM S-300, а также виброускорения по центру адаптера, балке МВК и на поперечной балке рамы комбайна в районе ее крепления к МУК. Для измерения усилий, передаваемых от колес на балки МВК и МУК, в качестве первичных источников сигнала применялись полные тензометрические мосты из датчиков ПКБ-20, которые были скоммутированны для измерения изгиба и наклеены на балки мостов. Балансировка мостов и усиление сигнала осуществлялось с помощью одноканальных тензоусилителей АТ-5. Тарировка тензоканалов в вертикальной плоскости производилась путем поддомкрачивания комбайна с контролем нагрузки на колесо весовым комплексом ВТПА-5, в горизонтальной - путем приложения нагрузки к колесу в горизонтальной плоскости с помощью ленточных строп и винтовой стяжки, с контролем нагрузки электронным динамометром СТ4-5. Для измерения виброускорений применялись трех- и одноосевые MEMS-акселерометры PCB. В качестве регистрирующей аппаратуры использовалась измерительная система HBM с блоками регистрации данных QuantumX. Измерения проводили на полигоне, профиль которого позволяет воспроизвести нагрузки во время перегонов «бригада - поле» и «поле - поле». Установлено, что при движении по разбитым грунтовым дорогам с пустым бункером на II и III передачах со скоростями 15…22 км/ч при попадании на неровные участки коэффициент динамичности на передней оси может достигать значений 2,6…2,7, вертикальная реакция Rz достигает 85…87 кН (рис. 5, а), хотя при статической нагрузке Rz составляет 3,58 кН. На приведенной осциллограмме также отмечены моменты, в которых Rz снижается до нуля, что свидетельствует об отрыве колес МВК от опорной поверхности. Динамические нагрузки, действующие на заднюю ось, нескольку меньше: коэффициент динамичности достигает значений 1,7…1,8; вертикальная реакция достигает 4,2 кН, хотя при статической нагрузке составляет 2,38 кН (рис. 5, б). Вместе с ростом динамических нагрузок отмечено увеличение уровня действующих виброускорений. Анализ экспериментальных данных по спектрам вертикальных ускорений показал, что вид этих спектров на МВК и МУК значительно отличается (рис. 6, а и рис. 6, б). Так, если на МВК можно выделить два основных уровня виброускорений (), действующих на частотах 1,17 и 1,75 Гц, то на МУК максимальные виброускорения сосредоточены на частоте 1,63 Гц. На отдельных частотах уровень на задней оси в 1,7…2,1 раза больше, чем на передней. В ходе испытаний было отмечено, что МУК получал ускорения до 8,2 м/с2, а МВК - до 5,7 м/с2. Поскольку установлено, что на остов ЗУК со стороны опорной поверхности действуют значительные нагрузки, что обусловлено высокими скоростями движения и особенностями компоновки рассматриваемого типа самоходных машин, то одним из способов улучшения их плавности хода может стать применение систем подрессоривания остова. При этом, для повышения экономической целесообразности внедрения таких систем они должны выполнять и другие функции, например, горизонтирования остова. Анализ конструкции современных самоходных ЗУК показал, что практически все известные модели имеют схожую компоновку, по которой можно составить обобщенную расчетную схему динамической системы «опорная поверхность - рабочий орган - остов ЗУК - оператор» (рис. 7, а). Связи между основными звеньями рассматриваемой системы будут определяться: сж-л, сж-п, снк-л, снк-п, сш1-л, сш1-п, сш2-л, сш2-п - соответственно, коэффициентами жесткости левой и правой стороны подвески жатки, подвески наклонной камеры, шин МВК и шин МУК; bнк-л, bнк-п, bш1-л, bш1-п, bш2-л, bш2-п - соответственно, коэффициентами демпфирования левой и правой стороны подвески наклонной камеры, шин МВК и шин МУК. Таким образом, ЗУК с полифункциональной системой горизонтирования и подрессоривания (рис. 7, б) будет отличаться от традиционной компоновки наличием подвески МУК с направляющим, упругим и демпфирующим элементом. В предлагаемой схеме снижение действующих динамических нагрузок может обеспечиваться упруго-демпфирующим элементом подвески МУК с заданными характеристиками жесткости (сп2-ц) и вязкости (bп2-ц), а также подвеской наклонной камеры и жатки. Такая компоновка позволит реализовать принцип динамического демпфирования при колебаниях рабочего органа - жатки. С целью обеспечения функции горизонтирования упруго-демпфирующий элемент подвески МУК должен иметь активную регулировку и исполнять сигналы со стороны системы управления. Проведенное графическое моделирование движения на спуск и подъем ЗУК с системой горизонтирования остова показало, что предлагаемые системы способны компенсировать уклон опорной поверхности до 8…10º, при этом массово-габаритные характеристики машин будут мало отличаться от серийно выпускаемых. Предварительные расчеты также показали, что системы подрессоривания могут быть интегрированы в серийно выпускаемые машины путем замены применяемых жестких балансирных подвесок на однорычажные с заданным уровнем упруго-демпфирующих свойств. Выводы 1. В настоящее время разработаны и реализованы различные конструктивные схемы функциональных механизмов и систем, обеспечивающие некоторое снижение потерь продукции при работе ЗУК на полях со склоном. 2. Функциональные органы косогорных комбайнов являются относительно сложными механизмами, требуют точной настройки и перенастройки, что усложняет процесс эксплуатации, приводит к увеличению работ по обслуживанию машин. 3. Применение системы горизонтирования ЗУК является эффективным средством снижения потерь при работе машин на значительных склонах, однако такие системы имеют сложную конструкцию и, как следствие, низкую надежностью, а также обладают высокой стоимостью, что сдерживает их широкое применение и не позволяет оснащать ими базовые комплектации техники. 4. На основе экспериментальных данных показано, что при движении ЗУК с высокими скоростями на него действуют значительные нагрузки, снижается плавность хода; требуемые параметры можно обеспечить, например, применением системы подрессоривания остова. 5. Спектральный анализ действующих ускорений на элементах шасси ЗУК при движении в транспортных режимах показал, что основные нагрузки сосредоточены в низкочастотной области. Соответственно, для их гашения возможно применение систем, обладающих невысоким уровнем быстродействия. 6. С целью снижения потерь при работе ЗУК на агрофонах со сложным рельефом и обеспечения заданного уровня плавности хода целесообразно разработать и применить систему, выполняющую комплексно функции подрессоривания, горизонтирования остова, а также копирования рельефа поля жаткой.

About the authors

P. V Sirotin

Platov South Russian state polytechnic university (NPI)

PhD in Engineering

M. M Zhileykin

Bauman Moscow State Technical University

DSc in Engineering

A. G Sapegin

LLC “Rostselmash”, Rostov-on-Don

Email: spv_61@mail.ru

S. V Zlenko

LLC “Rostselmash”, Rostov-on-Don

Email: spv_61@mail.ru
PhD in Engineering

References

Supplementary files