Justification and development of a method for stabilizing the movement of grain and forage harvesters based on the principle of inertial dynamic damping

Full Text

Введение В настоящее время развитие аграрно-промышленного комплекса является одним из приоритетных направлений экономики страны и во многом определяется производительностью и эффективностью используемых машин и механизмов [1], в том числе зерноуборочных комбайнов (ЗУК) и кормоуборочных комбайнов (КУК), как одних из энергоемких технических объектов сельскохозяйственной отрасли. При движении в рабочих и транспортных режимах самоходные ЗУК и КУК воспринимают от опорной поверхности и рабочих механизмов силовые и кинематические возмущения широкого частотного диапазона [2, 3]. Действующие колебания приводят не только к дополнительному нагружению деталей и механизмов, но и формируют виброакустические нагрузки на операторов [4], создавая им дискомфортные или даже небезопасные условия труда [5]. Выделенные процессы приводят к необходимости увеличения массы несущих элементов [6], ухудшению безопасности движения, усложняют управление машиной, что в конечном счете снижает производительность машин. Решить проблему виброзащиты оператора можно за счет применения виброзащитных устройств на путях распространения вибрации от силовых возмущений. Более сложной задачей является снижение кинематических возмущений, приводящих к галопированию (ярко выраженным продольно-угловым колебаниям) и подпрыгиванию (вертикальным колебаниям) комбайнов. В мировой практике конструирования самоходных машин такая задача решается за счет применения систем первичного подрессоривания [7]. Однако к настоящему времени в мировом комбайностроении случаев применения таких систем в конструкциях ЗУК и КУК не было, что обусловлено сезонностью эксплуатации комбайнов, экономическими и др. причинами [8]. С учетом изложенного исследование динамики движения и разработка нетрадиционных технических средств и систем, обеспечивающих снижение динамических нагрузок на ЗУК и КУК, являются важнейшими научно-техническими задачами, способными решить современные и перспективные проблемы ведения эффективного и экологически безопасного агрохозяйства. Современные ЗУК и КУК имеют компоновку, предполагающую значительное смещение центра масса к передней оси, а также наличие навесного рабочего органа (адаптера), масса которого достигает до 1/3 массы самой машины. На основе анализа конструкции и компоновки ЗУК и КУК предположено, что снизить негативные явления, связанные с галопированием комбайна, возможно путем приложения к его корпусу стабилизирующих усилий при принудительном повороте адаптера относительно корпуса машины [9]. Цель исследований Разработка способа, обеспечивающего снижение динамических нагрузок на ЗУК и КУК и их операторов при движении с навесным адаптером, имеющим подвижность относительно корпуса. Оценка работоспособности и эффективности представленного способа стабилизации движения и подготовка практических рекомендаций по промышленному внедрению разработки. Материалы и методы Исследование проведено с помощью математической и соответствующей ей имитационной модели КУК RSM 2650 [10, 11]. Модель описывает динамику движения комбайна с учетом его массогабаритных характеристик, упруговязких связей, особенностей взаимодействия движителя с неровностями опорного основания и др. параметров. Допущено, что массы подрессоренных элементов комбайна приведены к несущей системе, а опорное основание принимается недеформируемым. При моделировании динамики движения комбайна его корпус рассматривался как пространственная абсолютно жесткая конструкция. Связь между кинематическими параметрами и внешними возмущениями описана с помощью дифференциальных уравнений, составляющих математическую модель движения комбайна [10]. Моделирование проведено на неровном недеформируемом опорном основании типа «асфальто-бетонное шоссе» и «грунтовая дорога», для описания профиля которых использовались корреляционные функции, приведенные в известных работах [7, 12]. Разработка предложенного способа основана на анализе динамической модели и описании силомоментных связей между основными подвижными частями комбайна. Количественная оценка эффективности системы стабилизации проведена путем сравнения параметров движения и комфортности на рабочем месте, в качестве которых были приняты спектральная плотность углов продольного наклона корпуса комбайна и вибронагруженность рабочего места. В качестве параметра вибронагруженности принято вертикальное виброускорение на рабочем месте оператора в первых пяти октавах. Имитационные замеры вертикальных виброускорений в кабине оператора на полу под сиденьем водителя проведены по ГОСТ 12.1.012. Результаты и обсуждение Рабочий процесс представленного способа стабилизации рассмотрим на примере КУК RSM 2650 с колесным движителем и его динамической модели (рис. 1), где: 1 - подвижная составная часть машины; 2 - исполнительный привод; 3 - корпус машины; 4 - датчики состояния машины; 5 - блок управления; Ск - положение центра масс корпуса машины; О - центр качания подвижной составной части машины 1; K, N - точки крепления исполнительного привода 2; ωс - угловая скорость корпуса ТТМ относительно центра масс; ω0 - угловая скорость при повороте подвижной составной части машины относительно центра качания О; Мдс - стабилизирующий момент; Рц - активная сила, приложенная со стороны исполнительного привода к подвижной составной части машины при ее принудительном повороте относительно корпуса машины; Rц - сила реакции, действующая на корпус машины со стороны исполнительного привода при принудительном повороте подвижной составной части машины; l2 - плечо действия активной силы Рц относительно центра масс корпуса машины Ск; l2 - плечо действия силы реакции Rц относительно центр масс корпуса машины Ск. Подвижная составная часть машины 1 в виде навесного адаптера, расположенного спереди, имеет за счет исполнительного привода 2 и шарнирного соединения с корпусом машины 3 одну вращательную степень свободы относительно центра качания О. Представленный пример КУК RSM 2650 (рис. 1, а) рассмотрен как двухмассовая динамическая система, а указанное стабилизирующее усилие, действующее на корпус машины 3, может быть реализовано со стороны исполнительного привода 2 при повороте подвижной составной части машины 1 относительно центра качания О (рис. 1, б). В случае движения комбайна по неровностям возникают продольно-угловые колебания корпуса 3, которые определяются угловой скоростью продольно-угловых колебаний корпуса ωс (рис. 1). При галопировании корпуса машины 3 сигналы от датчиков состояния комбайна 4, обладающих возможностью определения кинематических параметров движения корпуса машины 3 и передачи сигнала, подаются в блок управления, установленный с возможностью вычисления и передачи управляющего сигнала на исполнительный привод 2. Он, в свою очередь, обеспечивает принудительный поворот навесного оборудования 1 относительно корпуса машины 3 путем приложения активной силы Рц к точке крепления N управляющего исполнительного привода 2. Если подвижную составную часть 1 машины представить абсолютно твердым телом, то в соответствии с леммой Пуансо активная сила Рц переносится параллельно первоначальному положению и прикладывается к центру качания O подвижной составной части машины 1 (рис. 2). При этом в момент поворота подвижной составной части машины 1 на корпус машины 3 со стороны исполнительного привода 2 также действует сила реакция Rц, приложенная к точке крепления N управляющего исполнительного привода 2. Активная сила Рц и сила реакция Rц на соответствующих плечах l1 и l2 формируют относительно центра масс корпуса машины пару моментов, за счет разницы которых обеспечивается формирование стабилизирующего момента Мдс. Величина и направление активной силы Рц и силы реакция Rц зависят от направления и кинематических параметров (угловой скорости ω0, углового ускорения) поворота подвижной составной части 1 относительно корпуса машины 3. а б Рис. 2. Схема стабилизации ЗУК и КУК в случае крена корпуса вперед (а) и назад (б) При крене корпуса машины 3 вперед (рис. 2) сигналы от датчиков состояния 4, обладающих возможностью определения кинематических параметров движения корпуса машины 3 и передачи сигнала, подаются в блок управления 5, установленный с возможностью вычисления и передачи управляющего сигнала на исполнительный привод 2. Он, в свою очередь, путем приложения активной силы Рц к точке крепления N управляющего исполнительного привода 2 обеспечивает принудительный поворот подвижной составной части 1 относительно центр качания O против часовой стрелки с заданным уровнем угловой скорости ωО (рис. 2). Сила Рци реакция Rц действуют навстречу друг другу и относительно центра масс на плечах l1 и l2 и формируют моменты сил с противоположными знаками. Однако из-за того, что сила действует на меньшее плечо, чем реакция Rц, то суммарный динамический момент стабилизации Мдс действует в противоположном направлении поворота корпуса машины 3 и возвращает его в исходное положением (рис. 2). В случае крена корпуса машины 3 назад (рис. 3) сигналы от датчиков состояния машины 4, обладающих возможностью определения кинематических параметров движения корпуса машины 3 и передачи сигнала, подаются в блок управления 5, установленный с возможностью вычисления и передачи управляющего сигнала на исполнительный привод 2. Исполнительный привод 2 обеспечивает поворот подвижной составной части машины 1 относительно центра качания O по часовой стрелке с заданной угловой скоростью ωО (рис. 3). В этот момент активная сила Рц и сила реакция Rц действуют в разные стороны, а момент, сформированный реакцией Rц на плече l2, больше, чем Рцl1, в результате чего корпус машины возвращается в исходное положение от действия момента Мдс, направленного против часовой стрелки относительно центра масс корпуса машины Ск. а б Рис. 3. Схематическая модель кормоуборочного комбайна RSM 2650 в Simulink (а) и его 3D-анимированная модель (б) Таким образом, в результате принудительного поворота подвижной составной части 1 относительно центра качения О формируется сила реакции Rц, действующая на корпус машины 3, и, как следствие, возникает стабилизирующий момент Mдс, действующий против направления углового перемещения корпуса машины и возвращающий его в исходное положение. Направление действия момента Mдс определяется направлением поворота подвижной составной части машины 1 относительно центра качания О, а его величина зависит от массогабаритных свойств подвижной составной части машины и кинематических параметров поворота. Величина возможных стабилизирующих усилий будет определяться не только массогабаритными параметрами подвижной составной части машины 1, но и кинематическими параметрами ее поворота относительно корпуса машины 3 с помощью исполнительного привода 2. В качестве исполнительного привода 2 для поворота подвижной составной части машины 1 может быть применен гидравлический, электромеханический, пневматический или др. типы привода. Таким образом, при реализации описанного способа стабилизация движения достигается за счет того, что при движении комбайна с помощью исполнительного привода создаются стабилизирующие усилия, воздействующие на его корпус. Для создания стабилизирующих усилий с помощью исполнительного привода формируется активная сила с возможностью поворота подвижной составной части машины относительно ее корпуса и сила реакции, действующая на корпус машины. При этом указанная активная сила и сила реакция создают относительно центра масс корпуса машины противоположно направленные вращающие моменты с плечами разной величины, разница которых обеспечивает формирование стабилизирующего момента, действующего против направления углового перемещения корпуса машины с возвращением его в исходное положение. С помощью разработанных и верифицированных ранее математической и имитационной моделей движения КУК [10] проведены теоретические исследования, обосновывающие эффективность и работоспособность предложенного способа стабилизации движения. На рис. 3 показан результат анимации моделирования КУК в среде Simulink и его 3D-анимированная модель. В случае движения КУК с жестким соединением адаптера с корпусом комбайна последний имеет существенные крены (рис. 3, б), движение сопровождается отрывом управляемых колес от опорной поверхности. При включении системы стабилизации крены корпуса КУК заметно уменьшаются, отрывов колес практически не происходит. Больший эффект достигается при движении по грунтовым дорогам. Оценка эффективности разработанного способа стабилизации движения проведена путем сопоставления спектральных плотностей углов продольного наклона корпуса S(ω) и вибронагруженности рабочего места, рассчитанных в соответствии с работой [7], для комбайнов без системы стабилизации (исходное состояние) и при ее включении. На построенных графиках спектральной плотности углов продольного наклона корпуса КУК при прямолинейном движении по грунтовым дорогам со скоростью 5 км/ч (рис. 4, а) и асфальтобетонному шоссе со скоростью 20 км/ч (рис. 4, б) видно, что стабилизация корпуса по предложенному способу позволяет снизить пиковые значения параметра колебаний на 53÷125 %. При этом частота основной моды колебаний корпуса остается пропорциональной скорости движения КУК [2, 3]. а б Рис. 4. Спектральные плотности углов продольного наклона корпуса КУК при движении по грунтовой дороге со скоростью 10 км/ч (а) и асфальтобетонному шоссе со скоростью 20 км/ч (б) В результате имитационного моделирования отмечено, что работа системы стабилизации также снижает вибронагруженность рабочего места во всем нормируемом частотном диапазоне. В рассматриваемых режимах движения снижение вибрации по каждой из пяти первых октав составляет до 2 дБ (рис. 5). Гашение продольно-угловых колебаний корпуса снижает и раскачивание кабины, что позволит применить виброизоляторы с пониженной угловой и боковой жесткостью и улучшить виброакустическую защиту рабочего места оператора от действия вибрационных нагрузок со стороны технологических и рабочих органов [4]. а б Рис. 5. Действующие уровни вертикальных виброускорений в кабине оператора для КУК с адаптером при движении по грунтовой дороге со скоростью 10 км/ч (а) и асфальтобетонному шоссе со скоростью 20 км/ч (б) С целью оценки работоспособности системы стабилизации с помощью имитационного моделирования рассчитаны временные реализации угла поворота адаптера относительно корпуса (α) при работе системы (рис. 6). При движении по грунтовой дороге в случае крена корпуса назад поворот адаптера составляет до двух градусов (рис. 6, а). Для компенсации крена вперед адаптер поворачивался до четырех градусов из-за однонаправленного действия на него силы тяжести. Для стабилизации колебаний КУК при его движении по асфальтобетонному шоссе со скоростью 20 км/ч требуется более интенсивное поворачивание адаптера как по частоте, так и по амплитуде перемещений. Так, если для компенсации крена корпуса назад требуется поворот адаптера на угол до двух градусов, то на обратной колебательной фазе - до восьми градусов. В целом в обоих рассматриваемых расчетных случаях колебания адаптера относительно корпуса происходят относительно заданного исходного положения с частотой, соответствующей моде продольно-угловых колебаний корпуса. а б Рис. 6. Временные реализации угла поворота адаптера вокруг оси вращения при движении по грунтовой дороге со скоростью 10 км/ч (а) и асфальтобетонному шоссе со скоростью 20 км/ч (б) с включенной системой стабилизации В отличие от известных способов стабилизации движения, принцип работы которых основан на пассивном динамическом гашении колебаний машины [13], предложенный способ предполагает подведение и расходование мощности (Nc) на осуществление поворота подвижной части, для чего проведена оценка энергетических затрат на обеспечение стабилизации комбайна по предложенному способу. На основе имитационного моделирования установлено, что в установившемся режиме движения в рассматриваемых случае требуется до 8 кВт мощности (рис. 7). а б Рис. 7. Временные реализации мощности, затрачиваемой на управление при движении по грунтовой дороге со скоростью 10 км/ч (а) и асфальтобетонному шоссе со скоростью 20 км/ч (б) Более энергозатратным является движение по грунтовой дороге (рис. 7, а). Учитывая технические характеристики современных ЗУК и КУК, оснащенных силовыми установками мощностью до 700 кВт, определенные уровни энергозатрат на привод адаптера являются незначительными в общей энергетической структуре комбайна и подтверждают техническую возможность реализации системы. Проведенные ранее экспериментальные исследования [2, 3] показывают, что в реальных условиях эксплуатации пиковые нагрузки, сопровождающиеся отрывом колес и т.д., возникают случайно и носят единичных характер. Таким образом, в зависимости от требуемого уровня плавности хода и конструктивной прочности несущей системы при движении система стабилизации должна отрабатывать единичные ударные нагрузки. Поэтому в процессе эксплуатации комбайнов постоянной работы системы не требуется, а за счет алгоритмов управления можно организовать срабатывание привода подвижностью адаптера только при критических нагрузках, чем возможно дополнительно снизить энергетические расходы на привод. Описанный способ позволяет уменьшить динамические нагрузки, действующие на машину и ее оператора, за счет приложения на корпус ТТМ со стороны исполнительного привода, обеспечивающего подвижность составной подвижной части, стабилизирующих усилий и, как следствие, стабилизирующего момента. Выводы 1. Развитие и изменение структуры сельхозпроизводства требует повышения производительности ЗУК и КУК, что может быть обеспечено за счет реализации новых технических решений в конструкции. В виду особенностей компоновки ЗУК и КУК для стабилизации их движения и уменьшения действующих нагрузок на несущую систему в них может быть реализован разработанный принцип стабилизации движения на основе инерциального динамического гашения колебаний. 2. Эффективность способа стабилизации обусловлена существенным улучшением параметров плавности хода и, соответственно, действующих динамических нагрузок на корпус, а также снижением вибронагруженности рабочего места оператора ЗУК и КУК. Достигнутый уровень плавности хода позволяет пересмотреть принципы проектирования несущей системы, системы подрессоривания кабины и др. систем, что позволит создавать комбайны с меньшей массой, большей быстроходностью, повышенной комфортностью на рабочем месте и в конечном счете обеспечит возможность перехода к проектированию машин с принципиально новым уровнем производительности. 3. На основе проведенного теоретического исследования показана работоспособность приведенного способа стабилизации движения самоходных комбайнов с навесным адаптером. Реализация способа требует относительно небольших углов поворота адаптера и незначительных энергетических затрат на привод. Предполагаемая конструктивная схема системы стабилизации может быть реализована на основе существующей гидравлической системы подъема-опускания адаптера ЗУК и КУК, что позволит существенно снизить издержки на реализацию. Для более полного обоснования целесообразности внедрения разработанной системы требуется проведение дополнительных исследований и экономических расчетов. а б Рис. 1. Кормоуборочный комбайн RSM 2650 и его динамическая модель с системой стабилизации движения

About the authors

P. V Sirotin

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

Email: spv_61@mail.ru
PhD in Engineering Novocherkassk, Russia

References

Supplementary files