The experimental evaluation of the effectiveness of the regenerative drive of the working bodies of a combine harvester

Full Text

Введение Зерноуборочный самоходный комбайн (КЗС) при движении по полю на своем борту выполняет функции трех сельскохозяйственных машин [1]: жатки, молотилки, веялки. Для выполнения технологических процессов работы жатки и системы очистки рабочие органы комбайна совершают колебания [2], что является источником знакопеременной нагрузки на раму и приводит к возникновению вибрации органов управления [3], сидений механизатора и его помощника, а также всех элементов конструкции комбайна [4]. Колебания рабочих органов увеличивают нагруженность [5] и энергопотребление приводов очистки и режущего аппарата [6]. Для обеспечения конкурентоспособности производители сельскохозяйственной техники вынуждены увеличивать производительность выпускаемых КЗС [2]. Увеличение производительности сопровождается повышением пропускной способности, которое достигается возможностью установки зерноуборочных жаток с большей шириной захвата, а также увеличением скорости движения комбайна по полю [7], требующим повышение частоты работы режущего аппарата. С развитием технологий в растениеводстве и увеличением урожайности зерновых культур производители сельскохозяйственной техники расширяют типоразмерные ряды своей продукции за счет разработки и освоения производства тракторов [8] и КЗС более высоких классов [9]. При этом увеличение пропускной способности очистки осуществляется, как правило, масштабированием ее параметров с учетом ограничений, накладываемых компоновочными решениями размещения рабочих органов, а также увеличением конструктивной ширины захвата жатки [10]. В результате возрастают нагрузки, возникающие в механизме привода, что актуализирует разработку методов снижения нагруженности и виброактивности приводов колеблющихся рабочих органов. Выполненные ранее исследования свидетельствуют о возможности снижения динамических нагрузок в приводе, вызванных силами инерции колеблющихся масс, за счет рекуперативного привода в несколько раз. Например, в работах [11, 12], где приведены результаты, соответственно, теоретических и экспериментальных исследований привода режущего аппарата на базе механизма качающейся шайбы (МКШ), указано, что теоретически с помощью рекуперативного привода имеется возможность снижения инерционной нагрузки в определяющем надежность привода сопряжении по сравнению с традиционным приводом в 8 раз [11]. При экспериментальных исследованиях в стендовых условиях снижение этой нагрузки зафиксировано в 5 раз [12]. При этом следует отметить, что техническое решение рекуперативного привода, предложенное в указанных работах, не предусматривает уравновешивание действия инерционных сил масс ножа на раму жатки. Сотрудниками Объединенного института машиностроения НАН Беларуси совместно со специалистами научно-технического центра комбайностроения ОАО «Гомсельмаш» предложены методы снижения нагруженности и виброактивности привода колеблющихся рабочих органов, основанные на использовании рекуперации энергии в механизмах привода [3, 13]. Разработан способ уравновешивания одноножевого режущего аппарата на основе применения в конструкции привода упругого элемента и противовеса, при котором с помощью привода обеспечивают противофазные колебания ножа и противовеса. Причем, противофазные колебания центров масс ножа и противовеса осуществляют по траекториям, лежащим на одной прямой, с соотношением амплитуд колебаний ножа и противовеса обратно пропорциональным их массам. Нож и противовес соединяют упругим элементом, сила упругости которого направлена по упомянутой прямой. При этом упругий элемент выполняют жесткостью с, определяемой из выражения: с = bk. (1) В выражении (1) коэффициент b учитывает условия работы режущего аппарата, отклонения частоты колебаний ножа от номинального значения, нелинейность и стабильность характеристики жесткости упругого элемента и др., k - номинальная жесткость упругого элемента, значение которой рассчитывается по формуле: , где f - номинальная частота колебаний ножа; mн и mпр - масса ножа и противовеса. Для оценки правомерности предложенных теоретических положений в Объединенном институте машиностроения НАН Беларуси разработан и изготовлен макетный образец привода колеблющихся рабочих органов, позволяющий моделировать работу традиционного (рис. 1, а) и рекуперативного (рис. 1, б) приводов режущего аппарата КЗС. а б Рис. 1. Макетные образцы привода колеблющихся рабочих органов: а - традиционный; б - рекуперативный с противовесом Цель исследований Экспериментальные исследования разработанного рекуперативного привода колеблющихся рабочих органов КЗС, а также выявление факторов, влияющих на его эффективность. Материалы и методы Экспериментальная оценка эффективности рекуперативного привода проводилась методом сравнения численных значений технических параметров рекуперативного и традиционного приводов ножа режущего аппарата жатки, колебательное движение которых обеспечивалось посредством МКШ. В качестве измеряемых параметров принимались нагруженность и виброактивность привода жатки, а также вибрация рамы. Оценка нагруженности привода производилась по величине крутящего момента на валу колебателя МКШ, оценка виброактивности - по силе, действующей на опору вала колебателя МКШ в направлении колебаний ножа. Вибрация рамы жатки оценивалась по ее виброускорению, измеряемому датчиком вибрации (акселерометром). Для исследования технических параметров рекуперативного привода использовалась стендовая установка (рис. 2), включающая традиционный привод, рекуператор, противовес, тензометрическое оборудование, оборудование для регистрации и записи результатов измерений. Рис. 2. Общий вид стендовой установки: 1 - ременная передача; 2 - МКШ; 3 - вал колебателя; 4 - противовес; 5 - рекуператор; 6 - тензометрическое оборудование Стендовая установка Рекуперативный привод, в отличие от традиционного, содержит рекуператор (пружину) и систему грузов (противовес). Во время включения электрического шкафа управления привода двигатель через карданный вал передает крутящий момент клиноременной передаче с натяжным роликом. Ведомый шкив ременной передачи через вал связан с МКШ, который передает колебательные движения валу колебателя. Вал колебателя рекуперативного привода посредством тяг и шарниров связан с пружиной, спинкой ножа и противовесом. Работа ножа обеспечивается за счет передачи знакопеременной силы от вала колебателя. Для имитации массы комбайна использована плита на виброопорах массой 9 тонн, на которой посредством кронштейнов закреплялась жатка. Испытания проводились на макетных образцах привода (рис. 1) с массой ножа в сборе 8 кг. Для рекуперативного макетного образца использован рекуператор массой 8,5 кг, изготовленный в виде аналога плоской U-образной пружины, свободные концы которой соединены с противовесом, содержащим систему грузов массой 5 кг, и головкой ножа. Приборы и оборудование Измерения проводились методом тензометрирования. Тензометрическое оборудование (рис. 3) включало усилитель-преобразователь, источник питания постоянного тока, набор кабелей и тензорезисторов, а также необходимое программное обеспечение для регистрации, записи и обработки сигналов с тензорезисторов на персональном компьютере. В качестве измерительного оборудования использовалось многоканальное интегрированное устройство - усилитель АТ1-8 с USB-адаптером производства ООО «Тилком» и программным обеспечением «Профи». Для экспериментальных исследований использовались линейные тензорезисторы с одной измерительной решеткой 5П1-5-100-А12 (К = 2,18±0,01), соединенные между собой по полумостовой схеме включения. Расположение датчиков на стендовой установке приведено на рис. 4. Датчик вибрации размещался на раме жатки в зоне крепления опоры вала колебателя МКШ, датчик крутящего момента - непосредственно на валу колебателя, датчик виброактивности привода режущего аппарата - на кронштейне опоры вала колебателя. Направления максимальной чувствительности датчиков в местах их установки совпадало с направлениями колебаний измеряемых величин. Проведение измерений Перед проведением измерений осуществлялась наладка привода режущего аппарата жатки, выполнялась тарировка датчиков и оборудования, проводились тестовые измерения. Кратность проведения стендовых испытаний составляла не менее 3 раз для каждого варианта (традиционный и рекуперативный) привода. Результаты и обсуждение Примеры осциллограмм сигналов измеряемых величин для традиционного и рекуперативного приводов, полученных при проведении экспериментальных исследований с помощью программного обеспечения «Профи», приведены на рис. 5. Здесь F - осциллограмма сигнала с датчика виброактивности (датчика силы на кронштейне опоры вала колебателя) R1 (см. рис. 4); М - осциллограмма сигнала с датчика крутящего момента на валу колебателя R2; а - осциллограмма сигнала с датчика вибрации рамы R3 (акселерометра). Осциллограммы отображают весь цикл работы привода при испытаниях: пуск, номинальный режим и остановку привода. На осциллограммах для традиционного привода (рис. 5, а) можно видеть, что размахи сигналов с датчиков силы и крутящего момента растут с увеличением частоты колебаний ножа. При этом соотношение их величин приблизительно постоянно. В то же время для рекуперативного привода (рис. 5, б) размах крутящего момента имеет максимальные значения при пуске и остановке привода и принимает минимальные значения при номинальной частоте (при совпадении вынужденной частоты колебаний ножа с собственной частотой двухмассовой колебательной системы: масса ножа - упругий элемент - масса противовеса). При этом размах силы на опоре вала колебателя несущественно зависит от частоты колебаний ножа и значительно ниже, чем для традиционного привода при номинальной частоте. Явной зависимости величины виброускорений рамы жатки от частоты колебаний ножа не обнаруживается ни для традиционного, ни для рекуперативного привода. При этом размах виброускорений заметно ниже для рекуперативного привода. При эксплуатации подавляющую часть времени режущий аппарат работает на номинальной частоте колебаний ножа. В связи с этим оценка эффективности рекуперативного привода производилась для этой частоты. В программной среде «Профи», используя возможность масштабирования осциллограмм, были обработаны и проанализированы все полученные при экспериментальных исследованиях результаты измерений. По виду осциллограмм всех измеряемых величин можно утверждать, что их колебания носят полигармонический характер. Установлено, что совпадение вынужденной частоты колебаний ножа с собственной частотой созданной колебательной находится в диапазоне 7,3...7,5 Гц. Сравнение размахов сигналов измеряемых величин для рекуперативного привода с противовесом и традиционного при номинальной частоте показало, что размахи колебаний крутящего момента на валу колебателя, силы на его опоре и виброускорения рамы жатки для рекуперативного привода в 1,5…2 раза меньше, чем для традиционного. С целью выявления факторов, влияющих на величину снижения виброактивности и нагруженности исследуемого рекуперативного привода, была проведена обработка полученных результатов с помощью компьютерной программы Vibroanalyzer. На рис. 6-8 приведены спектры сигналов с датчиков при номинальной частоте колебаний ножа режущего аппарата, численно равной 7,32 Гц, полученные с помощью этой программы. Сравнение спектров сигналов с датчика крутящего момента на валу колебателя МКШ для традиционного и рекуперативного приводов при номинальной частоте колебаний ножа (рис. 6) показывает, что на основной частоте (7,32 Гц) амплитуда сигнала для рекуперативного привода в 2,2 раза меньше, чем для традиционного. В то же время на третьей гармонике (21,96 Гц), наоборот, для рекуперативного привода амплитуда в 3 раза больше, чем для традиционного, и приблизительно равна амплитуде на основной частоте. При этом соотношение размахов колебаний, определенных по осциллограммам, составляет около 1,5. Следовательно, в увеличение размаха колебаний крутящего момента на валу колебателя МКШ существенный вклад вносит третья гармоника. Оценка ожидаемой величины третьей гармоники для рекуперативного привода показывает, что ее увеличение может составить приблизительно в 2 раза в связи с удвоением инерционной составляющей вследствие добавления в механическую систему массы противовеса. Анализ конструкции и работы привода позволил установить, что причиной такого увеличения третьей гармоники (в 3 раза) являются резонансные явления в приводе вследствие смещения резонансной частоты в рабочий диапазон привода из-за удвоения инерционной составляющей. Анализ спектров сигналов с датчика силы на опоре вала колебателя МКШ при частоте колебаний ножа 7,32 Гц для традиционного и рекуперативного приводов (рис. 7) показывает, что на номинальной частоте для рекуперативного привода амплитуда силы на опоре в 8 раз меньше, чем для традиционного привода. Амплитуды высших порядков имеют приблизительно одинаковый уровень. Остаточная неуравновешенность рекуперативного привода объясняется неточностью подбора параметров противовеса из-за дискретности массы грузов. Кроме того, привод противовеса с целью упрощения его конструкции выполнен с помощью тяги, которая не обеспечивает передачу нагрузки через центр тяжести грузов противовеса. При этом нагрузка передается через «ветвь» U-образной пружины. Такое решение при условии гармонической возбуждающей силы для двухмассовой колебательной системы (массы ножа - упругий элемент - масса противовеса) при совпадении частот собственных колебаний системы и возбуждающей силы не приводило бы к передаче существенных сил на опору вала колебателя МКШ. Однако при наличии гармоник высших порядков они частично передаются на опору вала. Величина виброускорений рамы жатки определяется не только действием возбуждающих сил, но и динамическими свойствами элементов самой рамы и подвески ее на стенде. Тем не менее, из рис. 8 видно, что общий уровень виброускорений рамы жатки, фиксируемый акселерометром, для рекуперативного привода существенно ниже, чем для традиционного. Остаточная вибрация рамы может быть вызвана причинами, объясняющими наличие колебаний силы на опоре вала колебателя МКШ. Кроме того, анализ конструкции стенда показывает, что акселерометр воспринимает колебания, вызванные силами инерции неуравновешенных масс шкивов, МКШ и другими источникамии колебаний. Анализ результатов измерений, полученных в ходе экспериментальных исследований, позволил выявить факторы, влияющие на эффективность применения рекуперативного привода режущего аппарата для снижения его нагруженности и виброактивности, которые необходимо учитывать при проектировании конструкции приводов. Одним из главных факторов является наличие гармонических составляющих высших порядков в законе движения ножа с механизмом преобразования вращательного движения в колебательное движение на основе МКШ. Рекуперативное устройство на основе упругого элемента с линейной характеристикой упругости не уравновешивает гармонические составляющие высших порядков, а присоединение массы противовеса удваивает величину крутящего момента на валу колебателя на этих частотах. Вторым фактором являются резонансные явления в приводе на частотах гармоник. Присоединение дополнительной массы (противовеса) в колебательную систему снижает частоту резонансных колебаний, и она может попадать в рабочий диапазон привода, вызывая повышение нагрузки на вал колебателя МКШ. Кроме того, к увеличению размаха крутящего момента на валу колебателя относительно ожидаемого значения могут привести ударные нагрузки, возникающие в режущем аппарате или непосредственно в приводе. Заключение Таким образом, проведенные экспериментальные исследования макетного образца рекуперативного привода жатки зерноуборочного комбайна с преобразователем на базе МКШ подтвердили правомерность разработанного способа уравновешивания одноножевого режущего аппарата и позволили углубить теоретические и эмпирические знания в области рекуперативных приводов. Анализ результатов экспериментальных исследований макетных образцов показал, что по сравнению с традиционным рекуперативный привод позволяет снизить нагруженность и виброактивность более чем в 1,5 раза. Установлены факторы, влияющие на эффективность рекуперативного привода режущего аппарата, к которым относятся: наличие высших гармоник в спектре движений ножа, причиной которых является предложенный механизм качающейся шайбы, резонансные явления в приводе колеблющихся масс и элементах конструкции жатки, а также стремление к упрощению конструкции привода противовеса рекуператора. Рис. 3. Тензометрическое оборудование: 1 - усилитель-преобразователь АТ1-8; 2 - USB-адаптер; 3 - блок питания; 4 - набор тензорезисторов; 5 - программное обеспечение а б Рис. 4. Расположение датчиков на стендовой установке: а - схема привода; б - общий вид; R1, R2, R3 - датчики силы, крутящего момента и виброускорения; 1 - двигатель; 2 - карданный вал; 3 - ременная передача; 4 - МКШ; 5 - вал колебателя; 6 - противовес; 7 - пружина; 8 - нож режущего аппарата жатки; 9 - имитация массы ножа; 10 - опоры; 11 - направляющие ножа а б Рис. 5. Осциллограммы сигналов с датчиков для различных типов конструктивного исполнения привода: а - традиционный привод; б - рекуперативный привод а б Рис. 6. Спектры сигналов с датчика крутящего момента на валу колебателя МКШ: а - традиционный привод; б - рекуперативный привод а б Рис. 7. Спектры сигнала с датчика силы на кронштейне опоры вала колебателя МКШ: а - традиционный привод; б - рекуперативный привод а б Рис. 8. Спектры сигналов с датчика виброускорений рамы жатки: а - традиционный привод; б - рекуперативный привод

About the authors

D. A Dubovik

Joint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus

DSc in Engineering Minsk, Belarus

N. P Pershukevich

Joint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus

Minsk, Belarus

V. I Pribyl'skij

Joint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus

PhD in Engineering Minsk, Belarus

O. A Baran

Joint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus

Minsk, Belarus

A. S SHantyko

JSC «Gomselmash»

Email: doubovik@oim.by
Gomel, Belarus

A. N Vyrskij

JSC «Gomselmash»

Email: doubovik@oim.by
Gomel, Belarus

References

Supplementary files