Тракторы и сельхозмашины

Введение. Задачи по улучшению топливной экономичности и экологических показателей работы двигателей взаимосвязаны с технико-экономическими, ресурсными эксплуатационными характеристиками и надежностью.

Цель исследования — моделирование процесса сгорания альтернативного топлива.

Методы и средства. Для достижения поставленной цели разработана методика приготовления водотопливной эмульсии в смеси с дизельным топливом и проведены экспериментальные исследования с замером токсичных составляющих отработанных газов дизельных двигателей.

Результаты. В результате проведенных исследований выявлены наиболее оптимальные размеры капель водотопливных эмульсий при 4–6 циклах обработки и снижение дымности от 3 до 5 раз, NO_x — 2–3 раза, CO на 20–30% в соответствии с режимами работы.

Заключение. На основании проведенных исследований выявлено, что для расширения топливного баланса и улучшения экологических показателей использование альтернативных видов топлива позволяет решить поставленные задачи.    

Обоснование. В настоящее время крупные мировые разработчики и производители в области мобильных сельхозмашин ведут работы над созданием сельскохозяйственных роботизированных систем. Особое внимание уделяется разработке универсальных беспилотных мобильных энергетических средств (МЭС), позволяющих автономно выполнять различные технологические операции без участия человека. В перспективе это позволит исключить оператора непосредственно из процесса управления МЭС и пересмотреть подходы к вопросу повышения эффективности выполнения технологических операций. Существующий тренд повышения производительности за счёт увеличения основных параметров агрегата: ширины захвата, рабочих скоростей, грузоподъёмности и т. д. — может измениться на альтернативный путь, заключающийся в применении сопоставимого по производительности множества автономных малогабаритных агрегатов (рой сельскохозяйственных роботов). Таким образом, применение беспилотных систем управления позволяет использовать концептуально новые подходы к созданию МЭС сельскохозяйственного назначения. В связи с этим становится актуальным проведение исследований, направленных на выявление перспективных концептуальных направлений развития беспилотных МЭС и оценку эффективности их применения.

Цель исследования — выявление концептуальных направлений развития беспилотных МЭС сельскохозяйственного назначения и теоретическая оценка эффективности их применения.

Методы. Объектом исследования являлся процесс трансформации МЭС в условиях развития беспилотных систем управления. Основой исследования послужили научные публикации по вопросам развития роботизированных средств сельскохозяйственного назначения, информационные материалы предприятий-изготовителей сельскохозяйственных тракторов и систем управления сельскохозяйственной техникой. В процессе исследования использовались такие методы, как информационный анализ, синтез, методики расчёта производительности сельскохозяйственных агрегатов и приведённой себестоимости выполнения технологических операций, адаптированные ФГБНУ ФНАЦ ВИМ применительно к беспилотным МЭС.

Результаты. Проанализированы перспективы внедрения беспилотных МЭС, существующие цифровые и интеллектуальные системы управления МЭС и основные факторы, сдерживающие их развитие. Предложена классификация МЭС сельскохозяйственного назначения по уровням автоматизации. Выявлены основные направления развития и предложены концептуальные модели беспилотных МЭС: универсальные беспилотные МЭС (беспилотные тракторы) с сохранением существующей градации по тяговому классу и мощности, универсальные (многофункциональные) беспилотные МЭС малой мощности одного тягового класса, раздельные энергетические модули, объединяющиеся в единый беспилотный агрегат на базе агрегатируемой сельскохозяйственной машины. Предложена методика, и осуществлён расчёт эквивалентного количества беспилотных МЭС каждой концептуальной модели для каждого тягового класса. Осуществлена оценка влияния применения беспилотных МЭС предложенных концептуальных моделей на производительность пахотного агрегата и приведённую себестоимость выполнения пахотных работ.

Заключение. Разработаны концептуальные модели развития беспилотных МЭС и произведены сравнительные расчёты эффективности их применения в составе агрегатов для вспашки, позволяющие дать оценку возможным перспективам их использования.

Обоснование. Проблема управления поперечной устойчивостью является актуальной для транспортных платформ в целом. При проектировании транспортных средств различных типов применяются известные методы управления устойчивостью. Однако, данные методы не всегда применимы при проектировании малогабаритных необитаемых платформ, что вызывает необходимость разработки специальных решений.

Цель работы — обоснование целесообразности применения уравновешивающих механизмов, увеличивающих устойчивость против поперечного опрокидывания малогабаритных необитаемых мобильных платформ.

Материалы и методы. Исследование построено на анализе технических решений, реализованных в конструкции платформ экстремальной проходимости, а также планетоходов. В качестве основных инструментов выступают известные методы теории движения транспортных машин.

Результаты. Рассмотрены варианты систем управления поперечной устойчивостью малогабаритных автономных платформ. Сделаны выводы о применимости различных конструкций уравновешивающих механизмов для решения задачи противодействия потери устойчивости и опрокидыванию.

Заключение. Рассмотренные принципы стабилизации поперечной устойчивости могут применяться на специальных малогабаритных мобильных необитаемых машинах практически вне зависимости от типа движителя. Дальнейшие исследования в этом направлении предполагают построение математических моделей, позволяющих оценить потребные кинематические, энергетические и мощностные параметры системы адаптивной стабилизации поперечной устойчивости, а также испытания на макете мобильной платформы.

Обоснование. В последние годы наблюдается тенденция подъёма активности к освоению заполярных территорий. Характерной особенностью Севера являются отрицательные температуры. Отрицательные температуры оказывают негативное воздействие на состояние поршневых двигателей наземного транспорта. В цилиндрах двигателя воспламенению предшествует процесс перехода жидкого топлива в газообразное состояние. Отрицательные температуры негативно влияют на процесс смены фазовых состояний препятствуют гомогенизации рабочего тела и успешному пуску двигателя. В целях обеспечения такого пуска предусмотрена тепловая подготовка. Существуют типовые методы тепловой подготовки, требующие расхода энергоносителей и как, правило значительных трудозатрат. Достижения современной науки предлагают новые технологии в решении вопросов тепловой подготовки на основе аккумулирования, хранения и реализации тепловой энергии, вырабатываемой двигателем в процессе применения.

Цель работы — обоснование применимости теплового аккумулятора фазового перехода в тепловой подготовке двигателей автотранспортных средств, эксплуатируемых в условиях отрицательных температур холодного климата.

Материалы и методы. Экспериментальным методом определялись численные значения времени зарядки теплового аккумулятора в зависимости от температуры теплоаккумулирующего материала (ТАМ) при различных начальных температурах теплоносителя и времени разрядки теплового аккумулятора в зависимости от температуры теплоаккумулирующего материала при различных объёмных расходах теплоносителя. В качестве теплоаккумулирующего материала применялся полиэтилен высокой плотности.

Результаты. В результате описанного эксперимента построены графические зависимости времени зарядки теплового аккумулятора от температуры теплоаккумулирующего материала при различных начальных температурах теплоносителя и времени разрядки теплового аккумулятора от температуры теплоносителя при его различных объёмных расходах.

Заключение. Установлено, что тепловой аккумулятор фазового перехода с теплоаккумулирующим материалом (полиэтиленом) высокой плотности применим для повышения надёжности пуска поршневых двигателей автотранспортных средств в условиях отрицательных температур холодного климата.

Обоснование. Модернизированная конструкция системы смазки с индивидуальным электроприводным масляным насосом обеспечивает подачу масла к удаленным и нагруженным деталям независимо от частоты вращения коленчатого вала, режима пуска и прогрева двигателя.

Цель исследования — проработка основных направлений совершенствования смазочных систем поршневых двигателей с целью определения возможности применения автономного электрического привода.

Материалы и методы. В качестве привода предлагается конструкция регулируемого индукторного электропривода с микропроцессорным управлением. Возможность получения точной скорости вращения зубчатых колёс насоса обеспечивается при помощи управляемого индукторного электродвигателя в зависимости от давления в системе смазки.

Результаты. Конструктивное и технологическое исполнение предлагаемого способа привода масляного насоса не требует серьёзных изменений конструкции двигателя. Упрощается компоновка масляного насоса на двигателе.

Заключение. Предлагаемая конструкция смазочной системы двигателя внутреннего сгорания обеспечивает оптимальную частоту вращения вала насоса независимо от режимов работы поршневого двигателя, в результате чего повышается ресурс работы двигателя.

Обоснование. При исследовании оптимальной длины отверстий решетчатого днища наклонной камеры зерноуборочного комбайна, обеспечивающей предварительную сепарацию очесанного зернового вороха, поперечное сечение зерна пшеницы моделируется отдельно взятым шаром или конечным цилиндром. Последнее обстоятельство обусловлено формой зерновки, которая существенным образом упрощает описание технологического процесса. Однако, подобные модели поперечного сечения зерна весьма далеки от реальной формы объекта, поскольку спинная сторона зерновок выпуклая, а на брюшной стороне имеется продольная бороздка. Наиболее близкой поверхностью к реальной форме зерновки является математическая модель, представляющая собой улитку Паскаля. Для указанной модели определены координаты центра тяжести фигуры и получены уравнения для расчета площади ее поперечного сечения и моментов инерции для каждой из осей координат. Проверка полученных уравнений в программе «КОМПАС-3D» показала, что расхождение между реальными и теоретически предсказанными значениями координат центра тяжести фигуры составляет порядка 13%, что снижает адекватность расчетов и требует их уточнения.

Цель исследований — уточнение математической модели поперечного сечения зерна пшеницы, учитывающей геометрические свойства улитки Паскаля.

Материалы и методы. Объектом исследования является поперечное сечение зерна пшеницы, моделируемое улиткой Паскаля. При определении координат центра тяжести фигуры использовали методы теоретической механики, а проверку полученных выражений осуществляли в системе трехмерного моделирования «КОМПАС-3D».

Результаты. Получены математические выражения для аналитического нахождения координат центров тяжести для различных вариантов улитки Паскаля: a = b (кардиоида), a < b (улитка Паскаля без внутренней петли), a > b (улитка Паскаля содержит внутреннюю петлю). Проверка полученных выражений свидетельствует об их адекватности, поскольку сходимость теоретических и экспериментальных данных составляет 100%.

Заключение. Использование уточненных математических моделей поперечного сечения зерна пшеницы позволяет существенным образом упростить моделирование процесса сепарации очесанного вороха, а также повысить точность расчетов. Для упрощения описания этого процесса целесообразно использовать систему трехмерного моделирования «КОМПАС-3D».

Обоснование. Для защиты поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС) от прогара и повышения их долговечности целесообразно использовать керамические покрытия, формируемые на днище поршня микродуговым оксидированием (МДО). Исследованию эффективности такого покрытия посвящено много работ. Однако, большинство подобных исследований проведены на лабораторных установках, имитирующих работу двигателя, и обычно не учитывают реальные теплофизические параметры МДО-покрытия. Поэтому оценить эффективность тепловой защиты такого покрытия довольно сложно.

Цель работы — исследование методом численного моделирования эффективности тепловой защиты поршней посредством керамического покрытия, формируемого методом микродугового оксидирования на поверхности днища поршня.

Методы. Исследование проводилось в программе SolidWorks Simulation. В качестве материала поршня использовались два поршневых алюминиевых сплава: АК12д (с содержанием кремния 12%) и АК4-1 (c содержанием кремния 0,35%). К поверхностям образцового поршня прикладывались температурные нагрузки, соответствующие работе реального двигателя. На первом этапе моделировалось тепловое состояние поршней из разных сплавов без МДО-покрытия. На втором и третьем этапах исследовалось влияние толщины керамического покрытия, сформированного на днище поршня, на его тепловое состояние. На втором этапе материалом поршня являлся сплав АК4-1, а на третьем этапе — сплав АК12д. В качестве материала покрытия использовалась керамика, свойства которой соответствовали свойствам покрытий, формируемых методом микродугового оксидирования на рассматриваемых сплавах. Толщина покрытия изменялась с шагом 100 мкм в диапазоне от 50 до 350 мкм. Температура определялась методом зондирования в различных областях поршня: на поверхности днища на МДО-покрытии и под ним, в области поршневых канавок, на юбке поршня и на поверхности днища поршня со стороны картера.

Результаты. Моделированием установлено:

1. Покрытие днища поршня микродуговым оксидированием снижает тепловую напряженность поршня не зависимо от химического состава алюминиевого сплава.
2. Эффективность теплозащиты поршня повышается при увеличении толщины керамического покрытия и при уменьшении его коэффициента теплопроводности.
3. Наибольший теплозащитный эффект достигается у поршня из эвтектического сплава АД12д.

Заключение. Установлено, что МДО-покрытие на днище поршня является эффективным способом снижения тепловой напряжённости поршней ДВС. Повышение толщины керамического покрытия и снижение его коэффициента теплопроводности ведет к увеличению эффективности тепловой защиты поршней. Снижение коэффициента теплопроводности МДО-покрытия и увеличение его толщины также приводит к росту температуры на поверхности керамического покрытия, нанесенного на днище поршня.

Обоснование. В условиях фермерских хозяйств возникает проблема нейтрализации неприятных запахов при термообработке вторичного мясного сырья для сохранения потребительских свойств белкового корма при низких эксплуатационных затратах.

Цель работы — разработка установки для термообработки с обеззараживанием и нейтрализацией неприятного запаха измельченного вторичного мясного сырья комплексным воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты, бактерицидного потока УФ лучей и озона в непрерывном режиме с обеспечением электромагнитной безопасности.

Материалы и методы. Сырьем являются камеры желудка жвачных животных. Основная идея, принцип работы и конструкция установки базируется на распространении СВЧ колебаний в резонаторе со спиральной замедляющей системой. СВЧ установка содержит в неферромагнитном цилиндре с перфорированным нижним основанием, соосно расположенный неферромагнитный спиральный цилиндр и электроприводной фторопластовый шнек, со сплошной винтовой поверхностью. Средний периметр кольцевого объема, между цилиндром и спиральным цилиндром, образующего коаксиальный резонатор, и его высота кратны половине длины волны. К кольцевому основанию цилиндра установлены коронирующие щетки, под которыми радиально расположены электрогазоразрядные лампы, запитанные от генераторов килогерцовой частоты, а под лампами расположена керамическая кольцевая сферическая поверхность. Магнетроны установлены по периметру наружного цилиндра со сдвигом на 120 градусов. Шквара удаляется с помощью пневмотранспортера.

Результаты. Особенность коаксиального резонатора — это образующая внутреннего цилиндра, которая представлена в виде спиральной замедляющей системы. Поэтому собственная добротность резонатора высокая, в пределах 115 000, следовательно, термический КПД может составить 0,7–0,75. Фактор диэлектрических потерь сырья с уменьшением влажности с 76 до 30% уменьшается в пять раз. Значит, при сохранении напряженности электрического поля на уровне 1,2–2 кВ/см, мощность электромагнитного поля, рассеиваемая в единице объема шквары, уменьшается в пять раз с 34 500 до 6800 Вт/см3.

Заключение. Новое конструктивное решение со спиральным коаксиальным резонатором и использованием керамического отражателя, комплекса физических факторов позволило создать конструкции рабочей камеры для термообработки отходов убоя жвачных животных с нейтрализацией неприятного запаха, производительностью 30–35 кг/ч и удельными энергетическим затратами 0,16–0,19 кВт∙ч/кг.