Method for predicting the technical appearance of grain and forage harvesters of new generations with a substantiation of the structure of their vibration protection system

Full Text

Введение

В настоящее время зерноуборочные (ЗУК) и кормоуборочные комбайны (КУК), являясь наиболее энергоемкими машинами растениеводства, во многом определяют возможность ведения эффективного и экологически чистого агрохозяйства, а также обеспечивают технический аспект преобразования агропромышленного комплекса (АПК) в передовой сектор промышленности. Действующие в России стратегические документы [1] предполагают развитие и укрепление отрасли сельхозмашиностроения с целью обеспечения производительными средствами механизации АПК страны и реализации продукции на мировом рынке. В последнее время создание новых образцов техники российскими предприятиями предполагало использование наработок мировых лидеров в соответствующей отрасли, что в большей степени обусловлено несопоставимыми объемами финансирования новых разработок. Такой подход не только затрудняет создание российскими предприятиями изделий с конкурентоспособным уровнем свойств на глобальном рынке, но и предполагает создание образцов техники и оборудования, технический облик которых не всегда соответствует требованиям отечественных субъектов АПК. В связи с чем возникает задача разработки методологической основы формирования технического облика изделий для соответствующих рынков сбыта.

Как показывают сравнительные испытания [2−4], при сопоставимых энергосиловых параметрах отечественные машины существенно уступают импортным аналогам в части экологической безопасности и условий труда, что связано с особенностями действующих динамических нагрузок при эксплуатации. Вместе с тем, многими государствами через нормативно-правовую систему вводятся ограничения по параметрам экологической безопасности, которые выступают барьером к рынкам сбыта российской продукции сельхозмашиностроения.

Таким образом, в настоящее время особую актуальность приобретают разработки, направленные на формирование методологической основы прогнозирования свойств машин и оборудования, а также обоснования систем для их реализации.

Цель исследований

Разработка метода прогнозирования технического облика машин и оборудования новых поколения и обоснование структуры базового инварианта системы снижения динамической нагруженности конструкции и рабочего места операторов самоходных ЗУК и КУК.

Материалы и методы

Разработанная методика предусматривает последовательное выполнение следующих этапов: выделение критериев развития, описание и анализ конструктивной эволюции ЗУК и КУК на основе положений работы [5]; определение номенклатуры определяющих параметров и их ранжирование методом Саати [6]; прогнозирование уровней определяющих параметров для ЗУК и КУК новых поколений на основе методов нечеткой логики [7−9]; определение базового инварианта структуры ЗУК и КУК на основе унифицированного языка моделирования (Unified Modeling Language, UML) [10] и концептуального проектирования [11].

Первый этап заключается в проведении описания и анализа конструктивной эволюции ЗУК и КУК в выявлении устойчивых (постоянно действующих) критериев развития, определении закономерностей строения и развития технических объектов, установлении закономерности периодичности смены поколений, а также формировании правил или приемов получения улучшенных технических решений путем преобразования прототипа. Методика выполнения такого анализа подробна изложена в работе [5].

Второй этап посвящен ранжированию выделенных показателей развития по степени важности [12]. Поскольку оценивать какое-либо свойство лишь на качественном уровне достаточно сложно, то целесообразно применять попарное сравнение рассматриваемых параметров с помощью экспертов с последующей обработкой данных в соответствии с методикой, приведенной в работе [13]. В работе использован метод парных сравнений, разработанный профессом Саати [6].

Третий этап посвящен прогнозированию определяющих параметров новых поколений ЗУК и КУК на перспективу или период существования комбайнов нового поколения. В соответствии с работой [12] для прогнозирования роста конкретного определяющего параметра на основе его фактического изменения строится функция принадлежности «Интенсивность роста параметра», а на основе опроса экспертов – функция принадлежности «Степень соответствия достигнутого уровня идеальному значению». Затем на основе полученных функций принадлежности процесс нечеткого логического вывода реализован на базе алгоритма Мамдами [7], с последующей фаззификацией входных лингвистических переменных. На основании заданных нечетких правил, приведенных в работах [9, 12], для прогнозирования значения определяющего параметра, используя операции импликации и агрегирования, определены значения выходных лингвистических переменных.

Четрвертый этап заключается в проведении целевого анализа, обеспечивающего возможность формирования структуры исходя из обозначенной цели существования и функционального назначения проектируемого объекта. На данном этапе принцип функционально-ориентированного анализа реализуется через методы UML, который предполагает последовательную декомпозицию цели и описание технических объектов с помощью трех типов моделирующих блоков: сущность, отношение и диаграммы [10].

Результаты и обсуждение

В соответствии с методикой [5] проведен анализ эволюционного развития ЗУК (рис. 1) и КУК (рис. 2) с момента их начала производства в России и до настоящего времени. С учетом закономерности циклического изменения производства техники построено распределение выпускаемой техники и установлено, что примерно каждые 28−30 лет происходит смена поколений машин. На основе закономерности приобретения новых функциональных свойств [5] выделено три поколения каждого из анализируемых типов машин. Машины первого поколения характеризуются возможностью реализации только технологической и энергетической функции (рис. 1, а, б и рис. 2, а, б): при этом они являются прицепными и не имеют конструктивно выделенных рабочих мест. В следующем (втором) поколении ЗУК и КУК развита технологическая функция как основной устойчивый параметр развития, а также приобретены две дополнительные функции: мобильности и комфортности рабочего места оператора (рис. 1, б, в и рис. 2, б, в). В полном соответствии с [5] в конструкции машин третьего поколения выделенные функции получили дальнейшее развитие, а отличия от машин второго поколения заключаются в расширении функции экологической безопасности и применении новых систем автоматизации технологического процесса, которые в целом закономерно отражают приобретение машинами функции автоматизации [5].

Рис. 1. Произведенные в России ЗУК: а – «Колхоз»; б – «Сталинец 6»; в – СК 3; г – СК 5; д – «ДОН 1500»; в – РСМ 161

Рис. 2. Произведенные в России КУК: а – СК 2,6; б – КСГ 2,6; в – КСГ 3,2; г – КСК 100; д – РСМ 1401; е – РСМ 2650

Таким образом, выделено три поколения ЗУК: первое представлено прицепными установками типа «Колхоз» и «Сталинец», производимыми с 1930 г.; второе − самоходными комбайнами (СК) типа СК 3 и СК 5, производимыми с 1958 г.; третье – машинами типа «ДОН 1500» и др., производимыми с 1986 г. В настоящее время в России производятся ЗУК третьего и седьмого классов, которые в контексте данной работы принято обозначать как ЗУК базовой производительности (ЗУКбп) и ЗУК повышенной производительности (ЗУКпп).

Аналогично проведено деление и для КУК: так, первое поколение представлено прицепными установками типа СК 2,6 и КСГ 2,6, производимыми с 1954 г. (рис. 2, а, б); второе – самоходными машинами типа КСГ 3,2 и КСК 100, производимыми с 1973 г. (рис. 2, в, г); третье – самоходными машинами типа РСМ 1401 (рис. 2, д, е), производство которых осуществляется с 2010 г. до нашего времени.

Ввиду меньшей распространенности и применения КУК достаточно узким сегментом потребителей такие машины имели меньшую сегрегацию параметров и количество модификаций. Анализ модельных рядов различных производителей КУК позволил установить, что к концу XX века большинство производителей стали выпускать КУК с четким разделением по производительности. В настоящее время в России производят КУК «ДОН 680» и RSM 2650, которые по определенным выше критериям можно отнести, соответственно, к КУК базовой производительности (КУКбп) и КУК повышенной производительности (КУКпп). Аналогичное деление можно выявить в моделях комбайнового завода «Гомсельмаш» (Беларусь), а также других производителей этих самоходных комбайнов.

Таким образом, проведенный анализ позволил для каждого поколения машин выделить наследуемые и развиваемые функции, а также определить устойчивые критерии развития, заключающиеся в непрерывном повышении производительности, улучшении транспортных свойств, а также комфортности рабочего места оператора и экологической безопасности. В соответствии с выделенными критериями развития и развиваемыми функциями для проведения процедуры прогнозирования выделен набор определяющих параметров ЗУК и КУК: производительность, качественные показатели, топливная экономичность, транспортная скорость, маневренность, габаритные размеры, масса и комфортность на рабочем месте.

С целью проведения прогнозирования на основе официальных изданий и публикуемых результатов сравнительных испытаний [14−21] проведена оценка фактического изменения выделенных определяющих параметров от предыдущего к текущему поколению машин (табл. 1 и 2). Для учета фактического изменения комфортности на рабочем месте использован метод экспертных оценок путем ранжирования по 10-балльной шкале. Как видно из табл. 1 и 2, при смене поколений ЗУК и КУК наибольшее развитие получили такие определяющие параметры, как «производительность» и «масса», которые имеют корреляцию между собой из-за сформировавшихся способов модульного проектирования машин. Определяющий параметр «качество технологического процесса» изменился несущественно, поскольку его предельный уровень регламентирован стандартами. По параметру «Расход топлива» ЗУК имели некоторое снижение из-за внедрения автоматизации отдельных технологических подсистем. Все анализируемые параметры, определяющие транспортные свойства, улучшались. Во всех случаях отмечено увеличение длины машин, уменьшение ширины и высоты, что обусловлено требованиями и условиями передвижения и транспортировки по дорогам общего пользования. Комфортность рабочего места по 10-балльной шкале улучшилась на 2−3 балла.

Таблица 1. Динамика изменения определяющих параметров ЗУК [14−18]

Table 1. Dynamics of changes in defining parameters of grain harvesters [14−18]

* − заявленный уровень для ЗУК «Клаас Тукано 320» (ClaasTucano 320) и «Енисей 5000».

Таблица 2. Динамика изменения определяющих параметров КУК [19−21]

Table 2. Dynamics of changes in defining parameters of forage harvesters [19−21]

* − заявленный уровень для ЗУК «Клаас Ягуар» (Claas Jaguar).

Динамика основных определяющих параметров КУК изменялась аналогично ЗУК, однако отмечено, что определяющий параметр «расход топлива в рабочем режиме» у машин текущего поколения выше, чем у предыдущего, что обусловлено увеличением массы и, соответственно, повышением энергозатрат на самопередвижение, а также увеличением энергозатрат на получивший распространение гидравлический привод технологического оборудования. Среди транспортных свойств КУК наибольшее увеличение отмечено по параметру «транспортная скорость», который в современных моделях машин достигает 40 км/ч.

На следующем этапе проведен опрос экспертов, представляющих органы государственной власти, академического сообщества, а также представителей основных хозяйствующих субъектов АПК: индивидуальных предпринимателей и руководителей КФХ, колхозов, а также крупнейших агрохолдингов России. На основе метода парных сравнений Саати показано, что для каждой формы субъекта АПК важность отдельных параметров отлична, а удовлетворение разнонаправленных требований целесообразно вести через создание ЗУК и КУК двух основных моделей – базовой и повышенной производительности (далее ЗУКбп, ЗУКпп, КУКбп, КУКпп), а за счет опционального наращивания доводить базовые инварианты до индивидуальных требований заказчика.

Прогнозирование проводили с помощью методов нечеткой логики в соответствии с методикой, приведенной в работах [9, 12]. Для расчета по выделенным в табл. 1 и 2 определяющим параметрам были построены функции принадлежности переменной X1 «тенденция роста параметра» (рис. 3, а) с термами «низкий», «ниже среднего», «средний», «выше среднего» и «высокий» и X2 «степень приближения образцов текущего поколения к идеальному значению» (рис. 3, б) с термами «худшие образцы», «образцы среднего уровня», «лучшие образцы», а процесс нечеткого логического вывода и построения функции принадлежности Y «прогноз роста» (рис. 3, в) был реализован на базе алгоритма Мамдами в соответствии с методикой, приведенной в работах [9, 12]. Расчет проведен в соответствии с методикой, приведеной в работе [12]. Результаты расчетов представлены на рис. 3.

Рис. 3. Функции принадлежности входных переменной Х1 (а), Х2 (б) и выходной определяющего параметра «производительность» ЗУКбп еременной Y (в)

Проведение процедуры дефаззификации прогноза реализовано по обобщенной функции принадлежности выходной переменной Y (рис. 3, в) и выполнено по методу центроида [7], что позволило определить относительный рост определяющего параметра относительно фактического уровня машины текущего поколения (рис. 4). Аналогично были проведены расчеты по другим определяющим параметрам остальных анализируемых в данной работе типов машин. На рис. 4 показано сопоставление относительных уровней определяющих параметров для машин предыдущего поколения (рис. 1, в, г и рис. 2, в, г), текущего поколения (рис. 1, д, е и рис. 3, д, е), а также нового поколения. Как видно из рис. 4, машины нового поколения в зависимости от модификаций должны получить: увеличение производительности на 25−60,8 %; улучшение качества обработки технологической массы на 20,6−29,6 %, улучшение топливной экономичности на 17,5−29,2 %; повышение транспортной скорости на 25,5−41,4 %; улучшение маневренности на 6,44−8,08 %; уменьшение габаритных размеров на 15−25 %; увеличение массы не более чем на 2−10 % и повышение комфортности на 32,4−42,1 % (рис. 4). Для автоматизации расчетов по предложенной методике с помощью программного комплекса MATLAB-Simulink разработаны соответствующий алгоритм и симуляционная модель [22].

Рис. 4. Уровни определяющих параметров ЗУКбп (а), ЗУКпп (б), КУКбп (в), КУКпп (г): 1 – соотношение предыдущего поколения к текущему; 2 – текущего поколение; 3 – соотношение нового поколения к текущему

Спрогнозированный уровень свойств формирует разнонаправленные изменения, которые с точки зрения реализации на основе существующих подходов конструирования противоречивы, а с учетом выявленных проблем [2−4] динамики движения и вибрационной нагруженности рабочего места машин текущего поколения недостижимы без применения соответствующих виброзащитных подсистем. Для реализации поставленной цели на основе методов UML анализа составлена объектно-целевая диаграмма классов возможных вариантов построения виброзащитный системы ЗУК и КУК новых поколений (рис. 5). На основе объектно-целевой диаграммы составлены отношения наследования, установившие иерархическую декомпозицию целей. В соответствии с методикой [11, 23], среда формирования глобальной цели, определяется декомпозированными элементами интегрального показателя «повышение конкурентоспособности ЗУК и КУК» и сводится к «повышению производительности исследуемого классам машин». Среда целеобразования как признак пространства инициирования целей позволяет дифференцировать цели в соответствии с формируемыми требованиями или накладываемыми ограничениями среды, взаимосвязанной с исследуемой системой [11, 23]. В рассматриваемом случае на уровне среды целеобразования выделены следующие направления: улучшение технологических свойств; повышение комфортности рабочего места; улучшение транспортных свойств. Выделенные свойства увязаны с глобальной целью связями 1−3 (рис. 5).

Рис. 5. Объектно-целевая диаграмма классов ЗУК и КУК на основе UML-анализа

Следующий уровень иерархии в дереве целей определяется в соответствии с различными представлениями жизненного цикла (интервал времени целеобразования) и для рассматриваемого случая имеет два подуровня, верхний из которых включает подцели: регулирование однородности рабочего процесса, балансировки, обеспечение заданных динамических свойств несущей системы, демпфирование, динамическое гашение и ослабление связей между источником и объектом, которые со свойствами целеобразования имеют связи 4−15 (рис. 5). Как видно из диаграммы подцелей, балансировка, демфирование, динамическое гашение и ослабление связей между источником и объектом имеют перекрещивающиеся связи с целями предыдущего более высокого уровня (рис. 5), что позволяет их выделить среди остальных.

Нижний уровень интервала времени целеобразования сформирован на основе фундаментальных принципов построения виброзащитных систем в технике, заложенных в работе [24]. На основе подцели верхнего уровня сигналы систем виброзащиты силовых и кинематических возмущений декомпозированы на снижение активности источников через управление физическими процессами в источнике и управление динамическими реакциями связей источников с упругими телами, внутреннюю виброзащиту объекта через исключение резонансных явлений и увеличение диссипации механической энергии в объекте, приложение к корпусу стабилизирующих воздействий, а также виброизоляцию через регулирование связей между источником и объектом. Выделенные подцели верхнего и нижнего уровня имеют связи наследования 23−31 (рис. 5).

Используемый на следующем уровне признак ветвления в дереве целей связан с реализуемостью (состав и взаимосвязи элементов системы), обеспечивающей достижение подцелей предыдущего уровня. Поэтому в дальнейшем на указанных уровнях иерархии целесообразно оперировать не термином «подцель», а термином «функция», и считать, что «дерево целей» перерастает в «дерево функций» [10]. Такой подход позволяет сформировать диаграмму функционально-целевых классов виброзащиты машин от выявленных силовых и кинематических возмущений [2, 3] и имеющих с вышестоящими подцелями связи 23−31 (рис. 5).

Таким образом, в результате проведенного ветвления подцели четвертого уровня получили ярко выраженный функциональный аспект (т.е. по [25] переросли в «дерево функций»), что позволяет в соответствии с методикой [23] осуществить выбор оборудования, способного реализовать полученные функциональные требования. Это осуществляется посредством перехода от промежуточной диаграммы функционально-целевых классов к построению диаграммы классов оборудования.

С учетом выявленных особенностей вибрационного состояния исследуемого класса машин [2−4], имеющихся наработок в области создания виброзащитных систем бесподвесочных колесных машин [26], а также перспективных разработок [25] и декларируемых мировыми лидерами тракторо- и комбайностроения разработок сформирован класс виброзащитного оборудования ЗУК и КУК новых поколений. Выделенные классы оборудования связаны с диаграммой функционально-целевых классов связями 32−40 (рис. 5). При этом некоторые требуют совместного применения с системой автоматического управления (САУ).

Как видно из диаграммы, система виброакустической защиты машины и оператора может предполагать управление динамическими свойствами подрамника кабины, использование эффективных виброизоляторов кабины, динамическое гашение корпуса подвижностью адаптера, первичным подрессориванием, а также использованием движителей с внутренним подрессориванием и противовесов корпуса. Отношения наследования между целевыми классами дополнены отношениями, связанными с зависимостью разных целевых функций от одного и того же технологического параметра, что позволило наложить ограничения на их решение и выявить параметрические противоречия в отношении целевой функции.

Представленный концептуальный анализ позволяет определить базовый инвариант виброзащитных систем комбайнов для конкретных режимов и условий эксплуатации, формы и особенностей хозяйствующих субъектов и др. факторов. Вместе с тем в последующих работах требуется определить потенциальную эффективность каждого из представленных виброзащитных элементов и устройств, а также их сочетаний, обосновать методы их проектирования и адаптации для конкретных условий эксплуатации.

С учетом закономерностей строения и развития технических ЗУК и КУК, а также сформированных правил и приемов улучшения технических решений в транспортном машиностроении и комбайностроении основными техническими виброзащитными средствами ЗУК и КУК новых поколений должны стать системы динамической стабилизации и виброизоляции кабины, поскольку их реализация не требует существенного изменения технического облика исследуемого класса машин.

Выводы

1. Установлено, что конструктивная эволюция ЗУК и КУК подчинена закономерности стадийного развития с периодичностью смены поколений каждые 28–30 лет; при этом для каждого последующего поколения наследуются и улучшаются устойчивые критерии развития технологических и транспортных свойств, а также комфортности оператора. В настоящее время в комбайностроении происходит смена поколений в сторону машин высокого уровня автоматизации, для которых присутствие оператора является обязательным условием, а системы обеспечения обитаемости и комфорта – обязательными элементами конструкции, требования к которым будут ужесточаться.
2. Для ЗУК и КУК, в зависимости от модификаций, на перспективу 25–30 лет спрогнозировано: увеличение производительности на 25–60,8 %; улучшение качества обработки технологической массы на 20,6–29,6 %, улучшение топливной экомичности на 17,5–29,2 %; повышение транспортной скорости на 25,5–41,4 %; улучшение маневренности на 6,44–8,08 %; уменьшение габаритных размеров на 15–25 %; увеличение массы не более чем на 2–10 % и повышение комфортности на 32,4–42,1 %. Спрогнозированный уровень свойств формирует разнонаправленные изменения, которые с точки зрения реализации на основе существующих подходов конструирования противоречивы, а с учетом выявленных проблем в части динамики движения и вибрационной нагруженности рабочего места недостижимы. Требуется изменение подходов к проектированию машин, либо внедрение в конструкцию дополнительных виброзащитных систем.
3. С помощью методов концептуалного анализа UML получена модель в виде тернарной объектно-целевой диаграммы, устанавливающей зависимости целей с методами и конструктивными устройствами снижения динамической нагруженности машины и оператора от силовых и кинематических возмущений. Синтезирован базовый инвариант структуры систем снижения динамической нагруженности ЗУК и КУК, включающий ряд технических решений, основанных на фундаментальных принципах построения виброзащитных систем, эффективность и работоспособность каждой из которых следует оценить в последующих работах.

About the authors

Pavel V. Sirotin

Author for correspondence.
Email: spv_61@mail.ru
http://mf.npi-tu.ru/aittk/

PhD in Engineering

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Grain harvesters (ZUK) made in Russia: а – Kolkhoz; b – Stalinets 6; c – SK 3; d – SK 5; e – DON 1500; f – RSM 161

Download (219KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Forage harvesters (KUK) made in Russia: а – SK 2,6; b – KSG 2,6; c – KSG 3,2; d – KSG 100; e – RSM 1401, f – RSM 2650

Download (196KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Membership functions of the input variable X1 (a), X2 (b) and the output defining Performance parameter of grain harvester variable Y (c)

Download (84KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Levels of defining parameters ZUKbp (a), ZUKpp (b), KUKbp (c), KUKpp (d): 1 – ratio of the previous generation to the current one; 2 – current generation; 3 – ratio of the new generation to the current one

Download (164KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Object-target diagram of grain harvesters and forage harvesters classes based on UML analysis

Download (544KB)

Indexing metadata